膳食鐵含量和運動對雌性大鼠延髓抗氧化能力的影響

吳華博，陳 謙，車力龍，肖德生,3,*（.江蘇大學食品與生物工程學院，江蘇 鎮江 03；.江蘇大學醫學院，江蘇 鎮江 03；3.廣州醫科大學公共衛生學院，廣東 廣州 5436）

膳食鐵含量和運動對雌性大鼠延髓抗氧化能力的影響

吳華博1，陳 謙2，車力龍2，肖德生1,3,*
（1.江蘇大學食品與生物工程學院，江蘇 鎮江 212013；2.江蘇大學醫學院，江蘇 鎮江 212013；3.廣州醫科大學公共衛生學院，廣東 廣州 511436）

目的：觀察膳食鐵含量和有氧運動對雌性大鼠延髓抗氧化活性的影響。方法：斷乳雌性Sprague-Dawley大鼠90 只，隨機分為6 組，其中靜息組每組12 只，運動組每組18只，分別為鐵含量缺乏運動組（IDE）、鐵含量缺乏靜息組（IDS）、標準鐵含量運動組（CNE）、標準鐵含量靜息組（CNS）、鐵含量過載運動組（IOE）、鐵含量過載靜息組（IOS）。用不同鐵含量飼料喂養1 個月后，運動組開始游泳，每天1 次，持續3 個月，靜息組除不做運動外，其余處理同對應運動組。最后1 次運動后，大鼠空腹24 h，測定大鼠體質量以及臟器和腦質量，檢測延髓非血紅素鐵（non-heme iron，NHI）、超氧化物歧化酶（superoxide dismutase，SOD）和羥自由基抑制能力（hydroxyl radical scavenging capability，HRSC）。結果：CNE組延髓NHI含量顯著高于CNS組，SOD和HRSC水平顯著低于CNS組；IDE組延髓SOD活力顯著高于IDS組，IOE組延髓SOD和HRSC水平均顯著高于IOS組。結論：雖然長期運動導致標準鐵含量大鼠延髓NHI含量增加從而增加大鼠延髓氧化應激風險，但是有氧運動能有效增加膳食鐵過載和鐵缺乏的抗氧化能力，對改善膳食鐵過載和鐵缺乏狀態有一定作用。

鐵缺乏；鐵過載；有氧運動；鐵狀態；抗氧化

鐵是人體必需的微量元素之一，對維持機體正常功能有重要意義。大量研究發現運動人群尤其是女性運動員普遍存在類似于營養性鐵缺乏（Ⅰ或Ⅱ期）的低鐵狀態[1]。這種運動性低鐵狀態本質上不同于營養性鐵缺乏，一般認為是由于長期運動導致膳食鐵攝入不足（營養性鐵缺乏），運動引起鐵丟失增加（出汗、女性月經、溶血、血尿等）[2]。鐵缺乏會引起機體運動能力下降，但盲目補鐵會增加體內自由基產生[3]，加之劇烈運動中自由基產生顯著增加[4]，雙重影響因素會加劇補鐵運動員體內氧化應激反應，增加運動損傷機率，從而影響運動能力和運動成績。

有氧運動是相對低強度（小強度到中強度）和長期耐力的身體活動，運動中通過有氧代謝給予身體足夠的氧氣滿足身體需求。長期運動有利于維持延髓調節心血管活動的正常功能。有研究表明，運動期間腦的代謝增強，加快了鐵的攝取與釋放，增大游離鐵釋放，同時代謝增強引起血管反應性舒張，增大了腦的血流量[5]。延髓是運動調節腦功能的關鍵區域，也是運動后貯存鐵顯著升高的區域[6]。有研究者報道[7-8]，急性運動顯著降低延髓的抗氧化能力或者無變化。那么，運動導致的延髓貯存鐵的升高是否和如何引起延髓內的抗氧化能力？在不同鐵含量膳食狀態下，運動不僅影響機體鐵狀態，還影響機體抗氧化能力，這兩者之間究竟是否有某種關聯？重點了解在鐵缺乏或鐵過載情況下運動是否對延髓抗氧化能力發生作用，是改善作用還是惡化作用。因此，本實驗應用雌性大鼠，通過給予鐵含量缺乏、標準鐵含量和鐵含量過載膳食，觀察不同鐵含量膳食及長期運動對大鼠延髓鐵狀態及對延髓抗氧化能力的影響。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

膳食鐵飼料：火焰原子吸收光譜方法測定飼料膳食鐵含量。標準鐵含量飼料中鐵含量按照美國AIN-93標準中成品飼料的鐵含量45 mg/kg，鐵含量缺乏組飼料中鐵含量控制為12 mg/kg，鐵含量過載組飼料中鐵含量控制為1 000 mg/kg，不同鐵含量飼料之間除了鐵含量差別外，其他成分均相同。

大鼠飼料為南通特洛菲飼料科技有限公司提供的標準飼料，營養成分符合美國AIN-93標準。羥自由基試劑盒和超氧化物歧化酶（superoxide dismutase，SOD）試劑盒 南京建成生物工程研究所；其余試劑均為分析純。

1.2 儀器與設備

UV-2550分光光度計、紫外-可見光分光光度計日本島津公司；ICP-MS 7700X電感耦合等離子體質譜儀美國安捷倫公司；大鼠游泳玻璃水缸（80 cm×50 cm× 80 cm） 永大糧食機械有限公司。

1.3 方法

1.3.1 實驗動物

清潔級21 d斷乳雌性Sprague-Dawley大鼠，體質量35～50 g，由江蘇大學實驗動物中心提供。喂飼相應大鼠飼料，普通木屑墊料，帶柵網標準大鼠飼養籠飼養。室溫（22±1） ℃，相對濕度（50±5）%，12 h光照時間（6：00—18：00）和12 h黑暗時間交替的晝夜光節律。喂養1 個月后，取尾靜脈血觀察到鐵缺乏膳食組血紅蛋白水平在70～80 g/L，標準鐵含量組和鐵過載膳食組的血紅蛋白都在130 g/L左右。此后，動物進入運動模型階段。

1.3.2 動物分組

大鼠以隨機數字表法分為3 組，每組各30 只，分別喂飼鐵缺乏含量飼料、標準鐵含量飼料和鐵過載含量飼料。每組再細分為游泳運動組與靜息對照組，各組隨機分為運動組18 只，靜息組12 只，分別為：鐵缺乏運動組（IDE）、鐵缺乏靜息組（IDS）、標準鐵運動組（CNE）、標準鐵靜息組（CNS）、鐵過載運動組（IOE）、鐵過載靜息組（IOS）。實驗過程中，IDE和IOE組各死亡2 只大鼠，CNE組死亡1 只。

1.3.3 運動模型

游泳運動組在水深50 cm和水溫（34±1） ℃的有機玻璃游泳池內進行。每日早晨9：00開始游泳，每天1 次，每周5 d，周六、周日休息。該方案包括一個適應階段以減輕大鼠對游泳環境及運動的心理應激。在適應階段，每次游泳持續時間為：第1周30 min/d，第2周60 min/d。從第3周起為正式運動階段，每天固定游泳時間120 min。從適應階段開始起，整個運動時間持續3 個月[9-11]。靜息組除運動外，其余處理與運動組相同。

1.3.4 樣本收集和分析

最后一次運動結束后，所有大鼠禁食24 h，采用戊巴比妥鈉（45 mg/kg）麻醉，將大鼠稱質量并剖取大鼠內臟，用電子天平稱其質量，計算臟器系數。頸椎脫臼處死大鼠后，迅速開顱取出全腦，用電子天平稱其質量，按下式計算腦系數。在冰面上分離延髓，液氮速凍后貯存于－80 ℃冰箱備用。嚴格按照試劑盒說明測定延髓羥自由基抑制能力（hydroxyl radical scavenging capability，HRSC）和SOD活力。臟器系數按下式計算。

1.3.5 延髓非血紅素鐵（non-heme iron，NHI）的測定

稱取延髓組織，用超純水制成10%的組織勻漿，3 000 r/min離心去除沉淀，加入到鹽酸配制的含0.6 mol/L三氯乙酸的酸性混合物中，90 ℃水浴，每10 min混勻1 次，30 min后，4 ℃、3 000 r/min離心5 min。準確吸取上清液1.00 mL，用1% HNO3溶液定容至10.0 mL，采用電感耦合等離子體質譜儀測定延髓NHI含量[12-13]。采用二喹啉甲酸（bicinchoninic acid，BCA）法測定組織勻漿蛋白。

1.4 數據統計分析

2 結果與分析

2.1 膳食鐵含量和運動對大鼠體質量的影響

表1 膳食鐵含量和運動對大鼠體質量的影響Table 1 Effects of dietary iron content and exercise on the average body weight of rats g

方差分析顯示，不同鐵含量膳食對體質量無影響。運動對體質量第8、12周和16周（F值分別為7.39、17.63、30.77，均P＜0.05）均有顯著影響。膳食鐵含量和運動兩因素對體質量沒有交互作用。由表1可知，第8、12、16周大鼠體質量CNE和IOE均較相應靜息組顯著增加，第16周IDE組大鼠體質量較IDS組也顯著增加。表明不同鐵含量膳食條件下，長期運動增加了大鼠體質量。

2.2 膳食鐵含量和運動對大鼠臟器和腦系數的影響

表2 膳食鐵含量和運動對大鼠臟器和腦系數的影響Table 2 Effects of dietary iron content and exercise on organ and brain coeffi ciennttss %

方差分析顯示，不同鐵含量膳食對肝臟系數（F=34.43，P＜0.001）、脾臟系數（F=3.41，P＜0.05）和心臟系數（F=9.05，P＜0.001）均有顯著影響。運動對脾臟系數（F=7.39，P＜0.01）和腦系數（F=28.06，P＜0.001）均有顯著影響。膳食鐵含量和運動對肝臟系數、脾臟系數、心臟系數、腎臟系數和腦系數均無交互作用（P＞0.05）。由表2可知，IDS和IOS組大鼠肝臟系數均顯著低于CNS組大鼠（P＜0.001），IDE和IOE組大鼠肝臟系數均顯著低于CNE組大鼠（P＜0.001），表明鐵缺乏和鐵過載膳食導致大鼠肝臟系數降低。IOE組大鼠腎臟系數顯著低于CNE組（P＜0.05），表明運動條件下，鐵過載膳食導致大鼠腎臟系數降低。IOE組心臟系數顯著高于CNE組（P＜0.01），IOS組心臟系數顯著高于CNS組（P＜0.05），表明鐵過載膳食導致心臟系數增加。CNE、IDE和IOE組大鼠腦系數均顯著低于相應靜息組，表明長期運動導致不同鐵含量膳食大鼠腦系數降低。

2.3 膳食鐵含量和運動對大鼠延髓NHI、HRSC和SOD水平的影響

表3 膳食鐵含量和運動對大鼠延髓NHI、HRSC和SOD水平的影響Table 3 Effects of dietary iron contents and exercise on NHI, HRSC and SOD activity in medulla oblongata

方差分析顯示，不同鐵含量膳食對延髓NHI有顯著影響（F=6.06，P＜0.01），運動對延髓NHI含量、HRSC和SOD活力均無顯著差異（P＞0.05），膳食鐵含量和運動對延髓NHI含量（F=5.19，P＜0.01）、HRSC（F=8.09，P＜0.01）和SOD活力（F=6.4 3，P＜0.01）有交互作用。由表3可知，IOS組大鼠延髓SOD水平顯著低于CNS組（P＜0.05），表明鐵過載膳食引起大鼠延髓抗氧化活性降低。IDE組大鼠延髓SOD水平和HRSC顯著高于CNE組（P＜0.01，P＜0.05），表明同在運動條件下鐵缺乏膳食促進大鼠延髓SOD和HRSC水平增加。CNE組大鼠延髓SOD水平和HRSC均顯著低于CNS組（P＜0.05），表明長期運動降低標準鐵含量膳食大鼠中延髓的SOD和HRSC水平，降低抗氧化活性，對機體造成氧化損傷。IDE組大鼠延髓SOD水平顯著高于IDS組（P＜0.05），IOE組大鼠延髓HRSC和SOD水平顯著高于IOS組（P＜0.01，P＜0.05），表明有氧運動增加了鐵缺乏和鐵過載膳食大鼠延髓的抗氧化活性。CNE組大鼠延髓NHI含量顯著高于IDE組（P＜0.05），表明運動條件下標準鐵含量膳食NHI含量較鐵缺乏膳食高。IOS組大鼠延髓NHI含量顯著高于CNS組（P＜0.01），表明長期鐵過載膳食使大鼠延髓NHI含量增加。CNE組大鼠延髓NHI含量顯著高于CNS組（P＜0.05），表明長期運動促進標準鐵含量膳食大鼠延髓非血紅素鐵含量增加。

3 討 論

實驗動物的臟器質量和臟器系數數據是生物醫學研究的重要指標[14]，它不僅對動物正常生理狀態以及飼養管理具有指導意義，還是藥物非臨床研究中重要的參考指標[15-16]。本研究發現，運動增加大鼠體質量的同時，也降低不同鐵含量膳食下大鼠腦系數。該結果推測可能與大鼠體質量顯著增加有關。機體鐵狀態與腦功能的維持密切相關。腦內的鐵主要以NHI狀態存在，NHI能夠精確地反映鐵貯存的變化。有研究表明，運動期間腦氧化代謝增強從而加快了鐵的攝取和利用，代謝增強又引起了血管反應性舒張，增大了腦血流量[5]。延髓具有心血管中樞及呼吸中樞等重要維生中樞的結構及感應器，能借此維持體內平衡。延髓是運動調節腦功能的關鍵區域，也是運動后貯存鐵顯著升高的區域[6]。本實驗觀察到CNE組延髓NHI含量比CNS組顯著升高，提示長期運動導致延髓貯存鐵水平升高。這與本課題組先前研究相一致[6]。鐵是活性氧的主要來源，也是活性氧毒性的重要決定因素[17]。機體鐵含量增加必然增加體內鐵負荷，增加游離鐵的產生。體內的游離鐵可通過Fenton反應產生大量羥自由基，羥自由基對細胞內蛋白、DNA及脂質分子的過氧化損傷幾乎是所有自由基中最強烈的一種[18]。羥自由基抑制能力[19]測定原理是利用組織勻漿阻斷Fenton反應體系中羥自由基產生能力，可有效反映機體組織氧自由基-羥自由基的生成。SOD是體內自由基清除系統中一種重要的抗過氧化酶[20]，利用WST-1與黃嘌呤氧化酶催化黃嘌呤所產生的超氧化物陰離子自由基發生反應生成水溶性的甲臜染料，能夠清除氧自由基，阻斷連鎖反應，是體內抗氧化應激損傷的重要成分。本實驗結果顯示，IDE組大鼠延髓HRSC和SOD水平均顯著高于CNE組，表明有氧運動后鐵缺乏膳食大鼠延髓抗氧化能力增強。有研究表明[21]，有氧訓練可提高腦組織的抗氧化能力，這與本實驗結果相一致。IOS組大鼠延髓SOD水平顯著低于CNS組，而NHI含量顯著高于CNS組，表明長期鐵過載膳食導致大鼠延髓鐵過載，并且降低延髓抗氧化能力。

有氧運動是相對低強度（小強度到中強度）和長期耐力的身體活動，運動中通過有氧代謝給予身體足夠的氧氣滿足身體需求。本研究發現經過3 個月游泳運動后，標準鐵含量大鼠延髓NHI含量顯著升高，本課題組也發現[22]運動后海馬NHI顯著升高。延髓跟海馬一樣，也是運動后鐵聚集的一個重要部位，這種聚集可能與延髓抗氧化能力的變化有關。鐵催化氧化應激取決于氧化代謝和包括酶類和非酶類的抗氧化代謝[23]。本研究發現，CNE組大鼠延髓SOD和HRSC水平均顯著低于CNS組，說明運動增加延髓中NHI含量，增加了延髓氧化應激的風險，同時也增加了羥自由基的形成，從而降低延髓抗氧化能力，這點與文獻[24]報道結果相一致。有意思的是，本實驗顯示，IDE組大鼠延髓SOD水平顯著高于IDS組，IOE組大鼠延髓HRSC和SOD水平均顯著高于IOS組，這與文獻[7-8]報道運動后SOD活力降低和無變化不同。造成差異的原因可能有以下幾種可能：1）觀察時期不同所致。本研究采用的是3 個月的運動，是以循序漸進的方式進行的長期耐力運動，大鼠對這種運動有一個長期適應過程。而它們采用的是急性運動，這個運動可能造成了運動應激。2）運動強度不同所致。本課題組預實驗中發現每次游泳時間為120 min時，血乳酸達到最高乳酸水平的90%[9]，屬于高強度運動。有氧運動引起延髓頭端腹外側核γ-氨基丁酸（γ-aminobutyric acid，GABA）含量明顯升高[25]，這提示神經遞質參與了運動大鼠延髓鐵代謝的影響，具體機制還有待今后的進一步研究。

綜上所述，長期膳食鐵含量過高或過低引起機體不同程度上的氧化應激，有氧運動有助于清除體內自由基。有氧運動能有效降低鐵過載或鐵缺乏造成的氧化應激，對改善鐵過載和鐵缺乏狀態有一定作用。

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Effect of Dietary Iron Content and Exercise on Antioxidant Capacity in the Medulla Oblongata in Female Rats

WU Huabo1, CHEN Qian2, CHE Lilong2, XIAO Desheng1,3,*
(1. School of Food and Biological Engineering, Jiangsu University, Zhenjiang 212013, China; 2. School of Medicine, Jiangsu University, Zhenjiang 212013, China; 3. School of Public Health, Guangzhou Medical University, Guangzhou 511436, China)

Objective: To explore the effect of dietary iron content and aerobic exercise on antioxidant capacity in the medulla oblongata in female rats. Methods: Ninety weaning female rats were randomly assigned into dietary iron defi ciency group (ID), dietary iron suffi ciency group (CN) and dietary iron overload group (IO), and the animals in each group was further divided into exercise (E) and sedentary groups (S). After feeding for 1 month, the rats in each exercise group entered a swimming program once per day (5 days per week) for 3 months, and the rats in the sedentary groups were given the same treatment except for swimming. Animals were fasted for 24 hours after the last exercise regimen. The body weight, organ weight, and medulla oblongata non-heme iron (NHI) content, SOD activity and hydroxyl radical scavenging capability (HRSC) of rats were measured. Results: NHI content in the medulla oblongata from CNS group was signifi cantly lower than that in CNE group; SOD and HRSC activities in the medulla oblongata from CNS group were even higher than those in CNE group. SOD activity in the medulla oblongata from IDE group was remarkably higher than that in IDS group; HRSC and SOD levels the medulla oblongata from IOE group were dramatically higher than those in IOS group. Conclusion: Exercise can increase NHI content in the medulla oblongata from dietary iron suffi ciency groups and increase the risk of oxidative stress. Aerobic exercise can effectively enhance the antioxidant capacity in dietary iron defi ciency and iron overload groups. Therefore, exercise can improve the dietary iron defi ciency and iron overload status.

iron defi ciency; iron overload; aerobic exercise; iron status; antioxidation

10.7506/spkx1002-6630-201611032

R153.5

A

1002-6630（2016）11-0185-05

吳華博, 陳謙, 車力龍, 等. 膳食鐵含量和運動對雌性大鼠延髓抗氧化能力的影響[J]. 食品科學, 2016, 37(11): 185-189. DOI:10.7506/spkx1002-6630-201611032. http://www.spkx.net.cn

WU Huabo, CHEN Qian, CHE Lilong, et al. Effect of dietary iron content and exercise on antioxidant capacity in the medulla oblongata in female rats[J]. Food Science, 2016, 37(11): 185-189. (in Chinese with English abstract) DOI:10.7506/ spkx1002-6630-201611032. http://www.spkx.net.cn

2015-07-09

國家自然科學基金面上項目（31071038）；江蘇省普通高校研究生科研創新計劃立項項目（CXLX11-0605）

吳華博（1982—），女，博士研究生，研究方向為食品營養與安全。E-mail：466649427@qq.com

*通信作者：肖德生（1961—），男，教授，博士，研究方向為食品營養與安全。E-mail：dsxiao@gzhmu.edu.cn