铁缺乏对啮齿类动物中枢神经系统的影响
来源：未知 |发布时间：2018-11-05 14:43|点击:次
摘要:铁缺乏( iron deficiency,ID)是最常见的营养素缺乏症和全球性健康问题,6~24月婴幼儿是儿童铁缺乏的高危人群。啮齿类动物铁缺乏的研究也模仿人类,研究胎儿期到断奶期的幼鼠,此时是啮齿类动物神经系统发育的敏感期。在啮齿类动物研究中发现单纯铁缺乏不但可以导致脑内铁、单胺类化合物及其转运体、受体受到不同程度的影响,还影响中枢神经系统髓鞘化形成.导致幼鼠即使经过治疗后仍然表现为行为、学习、记忆等受损。本文就啮齿类动物铁缺乏中枢神经系统的影响进行综述铁缺乏( iron deficiency,I)是最常见的营养素缺乏症和全球性健康问题。据WHO统计世界约1/3人口缺铁。缺铁与儿童的智力低下,行为异常,社会情感发育障碍以及神经系统的成熟有密切关系。通过对啮齿类动物的研究可以更加深入的了解铁缺乏对中枢神经系统的影响。大多数对啮齿类动物的研究方向主要是:铁缺乏对大脑代谢和神经递质功能、髓鞘化及行为的影响。
1铁缺乏对大脑代谢、神经递质及其受体和转运体的影响
1.ID对大脑代谢因子、神经递质代谢的影响铁缺乏通过多种机制影响大脑的代谢。ID不仅减少大脑细胞能量代谢,还影响脑内铁浓度及单胺氧化物代谢,后者会随缺铁时间和程度而改变。大量研究发现缺铁饮食后,小鼠的大脑铁浓度早期无明显改变,后期广泛降低;5-羟色胺和儿茶酚胺及其代谢产物明显增加,多巴胺(DA)以及多巴胺转运体浓度明显升高。D小鼠在应激状态下大脑DA及其代谢产物增高的幅度更大。
最新研究发现ID除了影响单胺氧化物代谢,还影响胰岛素样生长因子(IGF)、大脑源性神经营养因子(BDNF)、热休克同源蛋白70(HSC70)的合成和代谢。 PV Tran等2研究从妊娠期到新生幼鼠铁缺乏状态下IGF系统的活性,未治疗的I明显抑制了海马IGF活性,蛋白激酶B(TrkB)信号传导速度减慢且神经髓鞘化的形成也减少了;铁剂治疗组较ID组,生后7d(P7)1GF信号传导恢复,神经髓鞘化形成增加。在铁剂治疗后,突触后致密物质(PSD95)较髓磷脂基础蛋白的表达增加速度更快,表明铁剂治疗对神经元的恢复较神经胶质细胞更好。对妊娠期I小鼠治疗可重新激活1GF系统,在海马发育的关键期能促进海马神经形成和分化。BDNF是短期学习和记忆损害的细胞学和分子学研究的理论基础。近年来发现海马的BDNF的减少与铁缺乏有关。 VT Phu等研究发现铁缺乏组妊娠期小鼠和新生幼鼠的海马BDNF和TrkB的表达降低,BDNF调节目的基因表达减少,BDNF的转录靶点、早期生长效应基因(Egr)1和2表达减少。ID可能通过BDNF含量减少或活性降低而损害短期学习和记忆。目前还有研究发现1D小鼠间脑的多个部位HSC70水平表达增多。HSC70分布和表达的增多可能与神经系统的改变有关。研究发现雄性ID小鼠的行为改变及对多巴胺减少的反应比雌性更明显,这可能与雄性小鼠铁在大脑的囤积是雌性的2~3倍有关。
1.2ID对神经递质受体的影响铁缺乏引起大脑神经递质及受体的改变是导致行为改变的重要机制之一。有学者通过研究内源性D2受体表达的PC12细胞暴露于不同浓度的铁螯合剂(脱铁氨),发现D2受体蛋白浓度与脱铁氨剂量呈反比,但D2受体mRNA受到的影响甚微,这说明大脑铁缺乏不能通过影响mRNA表达而导致D2受体蛋白浓度减少。还有研究发现ID小鼠尾状核多巴胺受体与螺环哌啶酮(多巴胺D2受体激动剂)的结合率减少反应性下降,敏感性降低,但经补铁后可逆转。近期研究发现ID小鼠的纹状体腺苷A2A受体密度增加及功能上调,这与铁缺乏相关的感觉运动紊乱,如不宁腿综合征(RLS)有关。
2铁缺乏对髓鞘化的影响
在小鼠的模型研究中,早期的铁缺乏会损害多巴胺系统和大脑髓鞘化的形成。2,3-环核苷酸3磷酸水解酶( CNPase)是少突胶质细胞的标志。LIWu等8发现ID小鼠,生后25d皮质下白质的CNPase浓度较正常组更低,在海马伞部浓度增高这说明皮层下白质的少突胶质细胞数量减少。KEBrunette等发现ID小鼠,生后15d钙蛋白修饰蛋白和微管动力蛋白的转录水平下降,树突分支顶部出现近端改变,第三代树突分支更细,而且树突源头直径更小。生后30d观察从生后第7天开始补铁的ID小鼠发现除了在分支顶端持续的近端改变其他所有的转录和结构成分的改变都基本恢复。但铁缺乏小鼠生后65~70d出现9种跨膜蛋白的mRNA转录减少,伴随分支数量减少及形态呈近端改变。 as Kemaman等对 Wistar id小鼠通过光学显微镜观察到在铁剂治疗前I小鼠的视觉神经血管和少突胶质细胞都比对照组明显减少,经治疗后血清铁水平正常的ID小鼠,其视神经的星形胶质细胞增多,髓鞘轴突的形态仍异常,这说明铁剂对髓鞘改变是不能通过补铁逆转的。有研究运用BrdU标志少突胶质细胞母细胞,生后11d,ID组BrdU(+)细胞数量在胼胝体体部增加而且少突胶质细胞成熟和髓鞘形成减少。缺铁非贫血(NAID)小鼠出现听神经的轴突直径和神经调节改变,听觉脑干诱发电位(ABR)潜伏期延长,视觉诱发电位潜伏期和振幅改变,1D对大脑的影响不易通过传统治疗而纠正。最近有研究发现转铁蛋白是正常中枢神经系统的少突胶质细胞主要表达产物,而且其表达与少突胶质细胞的分化相关。aT是转铁蛋白的脱铁状态,aTf可以转换成转铁蛋白以促进少突胶质细胞的发育。当ID小鼠给予单纯颅内注射aTf少突胶质细胞成熟和髓鞘形成和视觉诱发电位的潜伏期和振幅都恢复正常,该研究说明通过aT「治疗可以促进少突胶质细胞的成熟和髓鞘化,并纠正少突胶质母细胞的细胞移位模式,增加胼胝体体部成熟细胞的数量及其髓鞘化的形成。
3铁缺乏对行为认知的影响婴幼儿时期的D可引起多种认知行为改变,包括情绪的改变、生理节奏的倒转,在新奇的环境中更少的探索,更多的迟疑,空间记忆减退等。这些行为改变在ID的啮齿类动物中也有发现
3.1铁缺乏对行为的影响研究发现I小鼠无论在熟悉或陌生的环境中,去除粘附物(从第一次接触到完全把粘附物去除)时间延长,且接触首个粘附物(第一次接触第一个粘附物)时间也延迟;大多数ID小鼠运用不完美的理毛顺序,因此理毛时间延长;单侧的触须诱发上肢定位次数减少;在新的环境中表现得更犹豫;在空间水迷宫的表现更差;表面准确反射和负性趋向性反射等神经反射延迟,1D小鼠对惊吓反应迟缓,这些都说明小鼠纹状体功能受到了ID的影响。研究ID小鼠对于“延迟”和“跟踪”恐惧条件反射的影响,后者严格依赖背侧海马,生后28d和生后35d,小鼠延迟和跟踪恐惧条件反射都减少,在生后56天ID小鼠跟踪恐惧反射被增强,这说明ID引起背侧海马损害。该研究还发现ID小鼠感觉反应较正常组迟钝。在铁充足(1S)小鼠中年龄越大,脚部冲击的反应性越高。ID小鼠的反应性较同龄IS小鼠更低,生后56d其反应性较1S小鼠差距更大。上述研究都说明了铁缺乏对行为有很大的影响,但大多数研究尚未发现行为异常程度与缺铁程度的相关性,有待进一步研究。
3.2缺铁对认知的影响ⅢD小鼠的学习认知的改变常常与海马结构或功能异常有关。I小鼠的海马和纹状体之间的联系紊乱可导致1D小鼠在认知任务中两者竞争或合作关系破坏。1D小鼠的海马CA-1区丝氨酸/苏氨酸激酶蛋白激酶C(PKC)蛋白的表达较1S小鼠少,PKC与转录因子AMPCREB循环磷酸化和脂质转运蛋白(L.TP)的修复和表达有关。LTP是从细胞水平研究学习和记忆,该研究说明ID也通过影响PKC蛋白表达及活性而改变海马依赖性的学习和记忆功能。 D Matthew等比较围生期ID和对照组小鼠海马CA1区电生理切片用于检査去甲肾上腺素介导的突触效能,研究发现ID组和对照组异丙肾上腺素(1SO,去甲肾上腺素激动剂)灌注没有差异,但对照组海马切片显示ISO灌注后突触效能长时间提高,但是1D小鼠突触效能没有提高。实验还发现幼年及成年I小鼠的海马依赖性恐惧和学习较正常组水平减低。研究发现ID小鼠在 Morris水迷宫实验中较IS组使用海马依赖性记忆更少,用视觉提示反应的记忆方法更频繁;而对照小鼠两种方法使用几乎一样频繁,这可能与ID使海马依赖性学习和记忆处于抑制状态有关。1D小鼠在win-stay实验中要比对照组更早学会,更有效率,达到标准所需要时间更短,达到标准后所犯的错误更少,这可能与ID小鼠在生后7d开始补铁使海马从长期脱抑制状态中释放出来有关。而且ID小鼠补铁后显示竞争空间/远端关键信息的学习能力增强,这说明早期补铁可以使ID对海马功能损伤降低。还有学者对小鼠注意力的研究发现I)小鼠在综合注意力测试中综合水平较正常组差。但给予不同剂量哌甲酯后,1D小鼠的注意力有所提高,而且小剂量组较大剂量组效果更显著,可见ID儿童的注意力有望通过小剂量哌甲酯给予纠正。
1展望
婴幼儿1对中枢神经系统的影响通过对啮齿类动物的研究有了很大的进展,且更加具体细致地了解铁对中枢神经系统的重要性。但是仍然还有很多的问题尚未解决,如:通过缺铁对多巴胺的影响是否可有效治疗或改善行为异常;缺铁非贫血对于中枢神经系统的影响;缺铁性贫血开始的时间和程度与中枢神经系统的改变的相关性等。未来的研究中,不仅要明确铁缺乏对人类中枢神经系统的影响,而且需要进一步了解其发生机制。
1铁缺乏对大脑代谢、神经递质及其受体和转运体的影响
1.ID对大脑代谢因子、神经递质代谢的影响铁缺乏通过多种机制影响大脑的代谢。ID不仅减少大脑细胞能量代谢,还影响脑内铁浓度及单胺氧化物代谢,后者会随缺铁时间和程度而改变。大量研究发现缺铁饮食后,小鼠的大脑铁浓度早期无明显改变,后期广泛降低;5-羟色胺和儿茶酚胺及其代谢产物明显增加,多巴胺(DA)以及多巴胺转运体浓度明显升高。D小鼠在应激状态下大脑DA及其代谢产物增高的幅度更大。
最新研究发现ID除了影响单胺氧化物代谢,还影响胰岛素样生长因子(IGF)、大脑源性神经营养因子(BDNF)、热休克同源蛋白70(HSC70)的合成和代谢。 PV Tran等2研究从妊娠期到新生幼鼠铁缺乏状态下IGF系统的活性,未治疗的I明显抑制了海马IGF活性,蛋白激酶B(TrkB)信号传导速度减慢且神经髓鞘化的形成也减少了;铁剂治疗组较ID组,生后7d(P7)1GF信号传导恢复,神经髓鞘化形成增加。在铁剂治疗后,突触后致密物质(PSD95)较髓磷脂基础蛋白的表达增加速度更快,表明铁剂治疗对神经元的恢复较神经胶质细胞更好。对妊娠期I小鼠治疗可重新激活1GF系统,在海马发育的关键期能促进海马神经形成和分化。BDNF是短期学习和记忆损害的细胞学和分子学研究的理论基础。近年来发现海马的BDNF的减少与铁缺乏有关。 VT Phu等研究发现铁缺乏组妊娠期小鼠和新生幼鼠的海马BDNF和TrkB的表达降低,BDNF调节目的基因表达减少,BDNF的转录靶点、早期生长效应基因(Egr)1和2表达减少。ID可能通过BDNF含量减少或活性降低而损害短期学习和记忆。目前还有研究发现1D小鼠间脑的多个部位HSC70水平表达增多。HSC70分布和表达的增多可能与神经系统的改变有关。研究发现雄性ID小鼠的行为改变及对多巴胺减少的反应比雌性更明显,这可能与雄性小鼠铁在大脑的囤积是雌性的2~3倍有关。
1.2ID对神经递质受体的影响铁缺乏引起大脑神经递质及受体的改变是导致行为改变的重要机制之一。有学者通过研究内源性D2受体表达的PC12细胞暴露于不同浓度的铁螯合剂(脱铁氨),发现D2受体蛋白浓度与脱铁氨剂量呈反比,但D2受体mRNA受到的影响甚微,这说明大脑铁缺乏不能通过影响mRNA表达而导致D2受体蛋白浓度减少。还有研究发现ID小鼠尾状核多巴胺受体与螺环哌啶酮(多巴胺D2受体激动剂)的结合率减少反应性下降,敏感性降低,但经补铁后可逆转。近期研究发现ID小鼠的纹状体腺苷A2A受体密度增加及功能上调,这与铁缺乏相关的感觉运动紊乱,如不宁腿综合征(RLS)有关。
2铁缺乏对髓鞘化的影响
在小鼠的模型研究中,早期的铁缺乏会损害多巴胺系统和大脑髓鞘化的形成。2,3-环核苷酸3磷酸水解酶( CNPase)是少突胶质细胞的标志。LIWu等8发现ID小鼠,生后25d皮质下白质的CNPase浓度较正常组更低,在海马伞部浓度增高这说明皮层下白质的少突胶质细胞数量减少。KEBrunette等发现ID小鼠,生后15d钙蛋白修饰蛋白和微管动力蛋白的转录水平下降,树突分支顶部出现近端改变,第三代树突分支更细,而且树突源头直径更小。生后30d观察从生后第7天开始补铁的ID小鼠发现除了在分支顶端持续的近端改变其他所有的转录和结构成分的改变都基本恢复。但铁缺乏小鼠生后65~70d出现9种跨膜蛋白的mRNA转录减少,伴随分支数量减少及形态呈近端改变。 as Kemaman等对 Wistar id小鼠通过光学显微镜观察到在铁剂治疗前I小鼠的视觉神经血管和少突胶质细胞都比对照组明显减少,经治疗后血清铁水平正常的ID小鼠,其视神经的星形胶质细胞增多,髓鞘轴突的形态仍异常,这说明铁剂对髓鞘改变是不能通过补铁逆转的。有研究运用BrdU标志少突胶质细胞母细胞,生后11d,ID组BrdU(+)细胞数量在胼胝体体部增加而且少突胶质细胞成熟和髓鞘形成减少。缺铁非贫血(NAID)小鼠出现听神经的轴突直径和神经调节改变,听觉脑干诱发电位(ABR)潜伏期延长,视觉诱发电位潜伏期和振幅改变,1D对大脑的影响不易通过传统治疗而纠正。最近有研究发现转铁蛋白是正常中枢神经系统的少突胶质细胞主要表达产物,而且其表达与少突胶质细胞的分化相关。aT是转铁蛋白的脱铁状态,aTf可以转换成转铁蛋白以促进少突胶质细胞的发育。当ID小鼠给予单纯颅内注射aTf少突胶质细胞成熟和髓鞘形成和视觉诱发电位的潜伏期和振幅都恢复正常,该研究说明通过aT「治疗可以促进少突胶质细胞的成熟和髓鞘化,并纠正少突胶质母细胞的细胞移位模式,增加胼胝体体部成熟细胞的数量及其髓鞘化的形成。
3铁缺乏对行为认知的影响婴幼儿时期的D可引起多种认知行为改变,包括情绪的改变、生理节奏的倒转,在新奇的环境中更少的探索,更多的迟疑,空间记忆减退等。这些行为改变在ID的啮齿类动物中也有发现
3.1铁缺乏对行为的影响研究发现I小鼠无论在熟悉或陌生的环境中,去除粘附物(从第一次接触到完全把粘附物去除)时间延长,且接触首个粘附物(第一次接触第一个粘附物)时间也延迟;大多数ID小鼠运用不完美的理毛顺序,因此理毛时间延长;单侧的触须诱发上肢定位次数减少;在新的环境中表现得更犹豫;在空间水迷宫的表现更差;表面准确反射和负性趋向性反射等神经反射延迟,1D小鼠对惊吓反应迟缓,这些都说明小鼠纹状体功能受到了ID的影响。研究ID小鼠对于“延迟”和“跟踪”恐惧条件反射的影响,后者严格依赖背侧海马,生后28d和生后35d,小鼠延迟和跟踪恐惧条件反射都减少,在生后56天ID小鼠跟踪恐惧反射被增强,这说明ID引起背侧海马损害。该研究还发现ID小鼠感觉反应较正常组迟钝。在铁充足(1S)小鼠中年龄越大,脚部冲击的反应性越高。ID小鼠的反应性较同龄IS小鼠更低,生后56d其反应性较1S小鼠差距更大。上述研究都说明了铁缺乏对行为有很大的影响,但大多数研究尚未发现行为异常程度与缺铁程度的相关性,有待进一步研究。
3.2缺铁对认知的影响ⅢD小鼠的学习认知的改变常常与海马结构或功能异常有关。I小鼠的海马和纹状体之间的联系紊乱可导致1D小鼠在认知任务中两者竞争或合作关系破坏。1D小鼠的海马CA-1区丝氨酸/苏氨酸激酶蛋白激酶C(PKC)蛋白的表达较1S小鼠少,PKC与转录因子AMPCREB循环磷酸化和脂质转运蛋白(L.TP)的修复和表达有关。LTP是从细胞水平研究学习和记忆,该研究说明ID也通过影响PKC蛋白表达及活性而改变海马依赖性的学习和记忆功能。 D Matthew等比较围生期ID和对照组小鼠海马CA1区电生理切片用于检査去甲肾上腺素介导的突触效能,研究发现ID组和对照组异丙肾上腺素(1SO,去甲肾上腺素激动剂)灌注没有差异,但对照组海马切片显示ISO灌注后突触效能长时间提高,但是1D小鼠突触效能没有提高。实验还发现幼年及成年I小鼠的海马依赖性恐惧和学习较正常组水平减低。研究发现ID小鼠在 Morris水迷宫实验中较IS组使用海马依赖性记忆更少,用视觉提示反应的记忆方法更频繁;而对照小鼠两种方法使用几乎一样频繁,这可能与ID使海马依赖性学习和记忆处于抑制状态有关。1D小鼠在win-stay实验中要比对照组更早学会,更有效率,达到标准所需要时间更短,达到标准后所犯的错误更少,这可能与ID小鼠在生后7d开始补铁使海马从长期脱抑制状态中释放出来有关。而且ID小鼠补铁后显示竞争空间/远端关键信息的学习能力增强,这说明早期补铁可以使ID对海马功能损伤降低。还有学者对小鼠注意力的研究发现I)小鼠在综合注意力测试中综合水平较正常组差。但给予不同剂量哌甲酯后,1D小鼠的注意力有所提高,而且小剂量组较大剂量组效果更显著,可见ID儿童的注意力有望通过小剂量哌甲酯给予纠正。
1展望
婴幼儿1对中枢神经系统的影响通过对啮齿类动物的研究有了很大的进展,且更加具体细致地了解铁对中枢神经系统的重要性。但是仍然还有很多的问题尚未解决,如:通过缺铁对多巴胺的影响是否可有效治疗或改善行为异常;缺铁非贫血对于中枢神经系统的影响;缺铁性贫血开始的时间和程度与中枢神经系统的改变的相关性等。未来的研究中,不仅要明确铁缺乏对人类中枢神经系统的影响,而且需要进一步了解其发生机制。
