缺鐵對腸道免疫功能的影響及新型補鐵劑的研究進展

管玲娟，曹叢叢，屠飄涵，成向榮

(江南大學 食品學院，江蘇 無錫，214122)

鐵是生物體內不可或缺的元素，是許多酶發揮作用的輔助因子，參與體內氧氣運輸、電子傳遞、DNA合成以及細胞生長、分化等過程。缺鐵可引起缺鐵性貧血(iron deficiency anemia,IDA)，降低體內多種含鐵酶的活性，抑制T淋巴細胞功能，影響細胞代謝及機體生物氧化、組織呼吸等多種生理過程，使機體免疫功能受損，從而引發一系列并發癥；而機體鐵超載時，可導致體內氧自由基的產生，引起組織的氧化損傷或鐵質沉著，也可導致腸道需鐵致病菌增多，腸道菌群失衡[1]。通過膳食途徑攝入的鐵不能滿足需求，是導致機體鐵缺乏的主要因素，除此之外，慢性丙型肝炎、血色病等也可引起機體鐵穩態失衡[2]。

缺鐵主要會引起IDA以及相關伴隨的諸多并發癥。相比于其他年齡段人群，妊娠期婦女和兒童更容易患IDA。流行病學調查資料顯示，中國華東和東北地區孕婦鐵缺乏的標準化患病率高達57.37%和53.41%，而對全國兒童的調查顯示，其鐵缺乏癥(iron deficiency, ID)發病率高達40.3%，IDA的發病率為7.8%[3-4]。缺鐵不僅可導致IDA，也可導致免疫功能缺陷或下降[5]。鐵缺乏不僅影響宿主的免疫系統和一系列維持生命的關鍵生化過程，而且會改變腸道菌群的定植模式及宿主對感染的敏感性，對宿主免疫系統功能產生影響[6]。攝入富含鐵的食物(肉類、豆類等)可以提高機體鐵水平，但不足以治療IDA，口服補鐵劑依然是目前鐵缺乏及相關疾病的主要干預方式。本文綜述了機體鐵穩態和缺鐵對腸道菌群、免疫的影響，以及新型補鐵劑的開發，為缺鐵相關疾病的預防和膳食干預提供了方向。

1 機體鐵穩態調控

維持機體鐵穩態平衡，即鐵的攝取、轉運、釋放及貯存等過程，主要通過腸道調控鐵的吸收實現(圖1)[7]。

圖1 機體鐵穩態調控示意圖Fig.1 Regulation of systemic iron homeostasis

腸道鐵吸收形式包括血紅素鐵和非血紅素鐵(>85%)2種，主要通過十二指腸部位吸收約15%的鐵，剩余未吸收的鐵運輸到結腸，由腸道微生物攝取利用。血紅素鐵能以完整形式進入腸上皮細胞。首先，在腸道酶的作用下，血紅蛋白降解為球蛋白和血紅素，血紅素以完整金屬卟啉形式被腸黏膜上皮細胞攝取，經胞漿血紅素氧化酶作用打開卟啉環，釋放出游離的Fe(II)，隨后基底外側轉鐵蛋白(circulating diferric Tf,Tf-Fe2)將胞質中的鐵轉出到非血紅素鐵池中，參與細胞內鐵的代謝釋放；非血紅素鐵通過二價金屬轉運蛋白1(divalent metal-ion transporter-1，DMT1)在十二指腸腸上皮的刷狀緣被吸收，由于非血紅素鐵主要為氧化態Fe(III)，因此必須首先通過與膜相關的鐵還原酶(duodenal cytochrome B, DcytB)，將Fe(III)還原成Fe(II)，再由DMT1轉入胞內[8]。

體內大部分的鐵在骨髓中被消耗，其主要用于合成紅細胞。血紅蛋白的合成期間，細胞表達轉鐵蛋白受體(transferin receptor 1,TfR1)加速鐵的吸收，因此TfR1水平與細胞鐵需求量之間存在相關性。最近有研究發現，TfR2可能參與了線粒體鐵傳遞過程[9]，隨后線粒體血紅蛋白輸出進入細胞漿，并與核糖體上形成的珠蛋白鏈結合產生血紅蛋白，用于網狀細胞合成。隨著重復的細胞分裂，細胞核及RNA濃縮并最終丟失，網狀細胞成熟為紅細胞。脾巨噬細胞識別并吞噬衰老的紅細胞，接著通過水解酶和活性氧降解以釋放血紅蛋白[10]。

血漿鐵對鐵調素具有反饋調節作用，以維持血漿鐵濃度的相對穩定。有研究表明，人肝組織中鐵調蛋白mRNA與鐵存儲之間以及血清鐵蛋白和血清鐵調素之間存在相關性[11]，該結果證明人體鐵儲存系統可以獨立于血漿鐵濃度的短期影響而調節鐵調素。直到最近才獲得了組織鐵儲存和血漿鐵濃度對鐵調素雙重調控的實驗證據[12]。機體鐵水平升高時，會促使肝臟加速表達鐵調素，從而促使膜鐵轉運蛋白(ferroportin,FPN)降解，阻斷鐵從腸黏膜細胞轉運到血漿中，因而血漿中的鐵濃度降低；持續的高鐵攝入可能導致脂質過氧化反應發生并影響胰島素分泌和功能[13]。當機體鐵缺乏時，體內多種含鐵酶的活性降低，T淋巴細胞功能受到抑制，影響機體生物氧化、組織呼吸、神經介質的分解及合成等過程，從而降低機體免疫力，此時機體會抑制鐵調素的表達，FPN將腸上皮細胞中的鐵轉運至血漿轉運蛋白，通過血液循環運送到其他組織，使機體免疫恢復[14]。

此外，腸道微生物具有高效的鐵攝取機制，會與腸黏膜上皮細胞競爭鐵，對機體的鐵吸收產生影響。在消化道的近端和遠端，微生物定植導致鐵攝取相關蛋白的減少，參與細胞內鐵存儲和鐵輸出蛋白的增加。微生物與上皮細胞之間的鐵競爭會導致宿主消化道中鐵代謝發生快速的適應性反應，即表現為出生時鐵吸收高，斷奶后鐵減少，甚至在成年動物中，微生物也會改變鐵相關蛋白的水平[15]。有研究表明，無菌小鼠的腸道DcytB和DMT1表達比普通小鼠增加了10倍，鐵轉運蛋白表達減少了2倍[16]，表明腸道微生物可直接影響機體鐵吸收轉運過程。在腸道微生物存在的情況下，腸細胞具有適應分配和儲存鐵的能力，即在沒有腸道微生物的情況下，腸細胞顯示出非常低的鐵儲備，并且向人體的運輸減少；然而，在腸道微生物的存在下，腸細胞獲得了相當大的鐵存儲能力(以鐵蛋白的形式)，并通過增加鐵蛋白的表達而促進其向身體的運輸。微生物會通過代謝物信號傳導途徑調控系統鐵穩態平衡。有研究發現，腸道菌群代謝產物(1,3-二氨基丙烷和羅伊氏素)可以通過抑制轉錄因子(hypoxia inducible factor-2, HIF-2α)的表達，導致腸道鐵吸收降低[17]。因此，平衡宿主和腸道菌群對鐵的需求,對維持機體整體健康具有重要意義，但目前未發現相關研究報道。

2 缺鐵對機體免疫功能的影響

鐵對機體免疫系統功能起著重要作用，其廣泛參與特異性免疫系統(如免疫活性細胞及其細胞因子)以及非特異性免疫系統(如吞噬細胞補體系統等)功能調控[5]。在整個三羧酸循環中，鐵缺乏會直接導致鐵依賴酶活性降低，含鐵酶無法合成，從而導致細胞色素含量及核糖核酸酶活性降低，DNA和蛋白質等生物大分子合成受阻，進一步影響機體細胞能量代謝及細胞免疫功能[18]。

缺鐵會使機體T淋巴細胞數量發生改變，特別是CD4+Th1亞群的數量。IDA患兒的Th細胞成熟受到損害，補充鐵后Th細胞得到恢復[19]。由于Th2細胞中鐵的存儲量及變動范圍更大，使得Th2細胞對鐵螯合劑和免疫球蛋白G抗轉鐵蛋白受體抗體的抵抗力更強，故缺鐵對Th1淋巴細胞的影響比對Th2淋巴細胞的影響更大。這與鐵缺乏的兒童和青少年中過敏癥的患病率較高[20]的現象一致。余敏等[21]對IDA老年患者的研究表明，缺鐵導致其T淋巴細胞亞群發生紊亂，致使細胞免疫功能降低，同時表現出血清鐵調素水平下降，鐵穩態失衡等現象，但對體液免疫影響相對較小。細胞內鐵水平和表觀遺傳程序之間的聯系表現為在細胞周期調節因子Cyclin E1的啟動子區H3K9去甲基化水平上控制B細胞的激活、增殖和抗體反應，鐵缺乏使抗原特異性抗體反應顯著減弱[22]。

在單核巨噬細胞系統中，可通過調節鐵代謝相關基因和蛋白的表達控制鐵的攝取、儲存和釋放等過程[23]。細胞內鐵穩態水平可調節巨噬細胞向M1(促炎性)和M2(抗炎，促組織愈合)巨噬細胞的分化，而低鐵狀態則促進M1巨噬細胞和Th1免疫應答的發展。關于人類巨噬細胞激活的鐵依賴性免疫代謝的研究表明，急性降低巨噬細胞中的鐵水平可重新編碼其轉錄和代謝反應，通過ATF4增強糖酵解調控的基因并阻斷線粒體的氧化磷酸化作用(通過降低含Fe-S的呼吸鏈酶NDUFS6和SDHB的活性)，最終在巨噬細胞依賴的小鼠腎臟自身免疫模型中導致細胞增殖受損、促炎性細胞因子的產生減少和腎炎嚴重程度降低[24]。因此調控機體鐵穩態對維持機體免疫至關重要，腸道菌群與免疫研究及在免疫相關疾病治療中的應用具有廣闊的前景，已成為免疫研究的新興方向，近年來，鐵穩態對腸道免疫影響方面的研究也逐漸受到人們的關注。

3 缺鐵對腸道菌群及腸道免疫的影響

腸道免疫是機體抵御入侵的首道防線，腸道內分布了人體高達2/3的免疫系統。多種因素能夠影響腸道通透性，如氧化應激、炎癥和病原菌感染等。腸道微生物可在宿主的細胞間起到信息交流、貯藏、消耗和重新分配能量、化學代謝與轉換等一系列作用。有害細菌入侵腸道導致炎癥，免疫細胞調節紊亂，當腸道免疫細胞功能降低時，腸道上皮屏障防御功能會顯著下降。腸道鐵穩態失衡對腸道菌群的組成、豐度均有重要的影響。

鐵缺乏顯著影響腸道菌群的平衡和多樣性[25]。當膳食攝入的鐵含量差異較大時，小鼠腸道菌群的α多樣性、β多樣性和LEfSe分析表現出顯著性差異，該結果表明腸道菌群平衡受到機體鐵穩態的影響，鐵穩態的改變會導致腸道菌群組成產生明顯改變[26]。另外，不同組間小鼠腸道菌群除了相對豐度不同，還有腸道菌群代謝通路和功能的變化，也會導致腸道菌群多樣性改變，而機體鐵水平間的差異是導致該變化的重要因素[27]。

由于不同細菌對鐵的依賴性不同，因而鐵可以對腸道中的微生物多樣性和潛在致病性產生重大影響[28]。一些益生菌的生長和繁殖并不嚴格依賴鐵，易于在缺鐵或低鐵環境中生長，而致病菌幾乎都要依賴鐵才能大量繁殖[29]。植物乳桿菌是第1個被鑒定為非鐵依賴性的微生物菌株，被認為是有益的腸道屏障維持菌，在抑制腸道病原體的黏膜定植中發揮重要作用[30]。對于其他細菌來說，鐵的獲取是關鍵毒力因子表達的重要步驟，包括腸道桿菌科的革蘭氏陰性腸致病菌，如沙門氏菌、志賀氏菌和大腸桿菌等致病菌[31]。在低鐵環境中，潛在的腸道致病細菌會減少，并且雙歧桿菌和乳桿菌等細菌直接與大腸桿菌競爭資源。有研究關于缺鐵對豬結腸微生物群發育過程的影響，發現缺鐵豬中大腸桿菌和志賀氏菌的豐度更高，潛在致病菌(如類桿菌和梭狀芽孢桿菌)的相對豐度較低，而有益菌(如雙歧桿菌和乳桿菌)增多，在飲食中適量補充鐵后，腸道菌群恢復正常水平[32]。因此，腸道中未吸收的膳食鐵可能作為一類“抑生元”，促進條件致病菌而非有益菌種的生長，改變腸道菌群的組成。腸道未吸收鐵濃度的提高是否影響腸黏膜微生物、化學及機械屏障，損傷腸道免疫功能，目前尚未充分闡明。

腸道免疫通過生物轉化、防御反應等作用維持腸道菌群的相對穩定，腸道菌群失調將導致腸道免疫受到破壞，使得腸道免疫與腸道菌群相互促進。腸道微生物可以通過產生代謝產物，對腸黏膜產生有利影響，促進腸道屏障功能的成熟與完整。例如腸黏膜上的益生菌可以通過代謝產生乳酸、乙酸等產物，降低局部的pH，從而抑制外源性致病菌對宿主的侵染。專性厭氧菌(如雙歧桿菌)會通過在腸上皮細胞表面形成菌膜屏障，從而控制外源性致病菌[33]。另一方面，腸道淋巴細胞是維持機體炎癥反應與免疫耐受之間平衡的關鍵因素。腸道微生物在調節早期B淋巴細胞的發育和誘導T淋巴細胞的分化中起到重要作用[34]。有研究表明，腸道T、B淋巴細胞的分化和功能及細胞因子的產生受腸道菌群組成的影響；腸道微生物還參與調節宿主適應性免疫和先天免疫，當有致病因子入侵宿主時，立即激活免疫系統，啟動炎癥反應殺死致病因子。因此，缺鐵可以引起腸道菌群平衡和多樣性發生變化，進而對腸道菌群介導的腸道免疫產生潛在的影響。腸道菌群的免疫作用越來越被人們所重視，并在許多腸道疾病發展及治療上取得了重要的研究成果。但目前關于缺鐵對腸道免疫造成的直接影響研究還不全面，有研究表明缺鐵引起的腸道菌群結構失衡會造成腸上皮通透性增加[26]，但腸道菌群的數量變化對腸上皮通透性的影響仍有待研究。

4 新型補鐵劑的開發

目前補鐵劑已發展了3代，第1代補鐵劑是以硫酸亞鐵為主的無機鐵鹽；第2代為可溶性的小分子有機酸鐵鹽螯合物，如琥珀酸亞鐵、富馬酸亞鐵、甘氨酸亞鐵等[35]。除此之外，近年來一些新型大分子復合物如多肽鐵螯合物、血紅素鐵、多糖鐵、富鐵酵母等相繼被報道，補鐵劑的種類和特點如表1所示。

表1 補鐵劑的種類和特點Table 1 Types and characteristics of iron supplements

4.1 多肽鐵螯合物

多肽鐵螯合物可通過肽轉運體系被機體吸收，直接進入血液循環系統。因為可從豆類、米渣、水產品等食品原料中提取多肽進行螯合，故相較于氨基酸螯合鐵，多肽螯合鐵具有更高的安全性和應用價值[35]。

多肽螯合物中的多肽與鐵是通過共價鍵的作用進行螯合的，其中肽鏈中的羰基和氨基會形成五元環或六元環，因此產物性質穩定。汪婧瑜等[42]制備烏鱧短肽螯合鐵，發現產物形成前后紫外、紅外吸收光譜發生明顯偏振，肽-鐵之間形成螯合連接，表明多肽中的羧基和氨基等基團參與了螯合反應。使用電子顯微鏡對烏鱧短肽與鐵螯合前后的微觀結構進行表征，實驗結果發現短肽與Fe2+之間有吸附作用，所形成的螯合物結構緊密。

多肽鐵螯合物具有一定的抗氧化活性和較高的生物利用度。廉雯蕾[38]制備了米渣水解蛋白肽螯合物，發現與FeSO4相比，其溶解度和透過率都較高。無機鐵鹽會受到胃腸道中不同pH環境的影響，容易造成不良反應。而多肽鐵螯合物可對離子體系起緩沖作用，減小不良反應的刺激，更好地促進胃腸道對鐵的吸收。LIN等[36]用小鼠模型研究了帶魚肽-鐵螯合物的抗貧血活性，發現分別飼喂了帶魚肽-鐵螯合物和FeSO4的小鼠與健康小鼠在血紅蛋白、平均紅細胞體積、血紅蛋白分布寬度和鐵蛋白濃度方面存在顯著差異，并且帶魚肽-鐵螯合物對小鼠的生長和行為無負面影響，在腸道免疫方面表現出腸黏膜固有層無明顯炎癥反應，腸道菌群組成、數量良好。

然而，消化道中的pH不同，多肽鐵螯合物的在不同部位的穩定性容易受到影響。廉雯蕾[38]的研究表明米蛋白肽亞鐵螯合物受胃低pH環境的影響比FeSO4大。原因可能在于該肽鐵螯合物的制備環境是pH 6.5，在消化初期，米蛋白多肽受pH 2.0的酸性環境影響，發生了較大程度的水解，致使多肽螯合物的結構被破壞。多肽鐵螯合物研究開發中存在問題，如多肽鐵螯合物的肽序列特征尚未明確，制約了此類產品的規模化開發。此外，多肽鐵螯合物的制備成本更高，因此未得到廣泛開發和應用。

4.2 多糖鐵

多糖鐵的制備原料包括枸杞、當歸、黃芪等，經分離純化得到植物多糖后與鐵進行螯合即可制得多糖鐵。多糖鐵通常無異味，顏色為棕黑色，易溶于水。多糖鐵具有靜脈注射和口服2種給藥方式，能以分子的形式被機體吸收，且對腸道黏膜的毒副作用較小，兼具補鐵和營養補充雙重功效[35]。

不同來源的多糖可以賦予多糖鐵不同的化學性質和生物學活性，但目前針對多糖鐵的相關研究尚不多見，多糖鐵調控腸道菌群的研究尤為不足。多糖的消化性能不同，分別由易消化多糖和抗消化多糖螯合制備的多糖鐵，其口服吸收動力學與機制必然存在差異。抗消化的多糖鐵進入腸道，可能面臨多糖作為益生元，而鐵作為“抑生元”的矛盾，其對腸道健康及腸道免疫的調控作用值得深入研究。

4.3 富鐵酵母

富鐵酵母的制備工藝是使用FeSO4等無機鐵鹽培養經篩選過的酵母菌，培養后升溫使酵母菌破裂，將酵母釋放物質進行干燥制得富鐵酵母。無機鐵經酵母繁殖過程可被轉化為有機形式，使得鐵更容易被機體吸收富鐵酵母作為一種良好的預防和治療IDA的新型補鐵劑在補鐵的同時還可補充維生素、蛋白質等營養成分，具有營養和補鐵雙重功效[39]。

有研究表明，富鐵面包酵母可以提高貧血小鼠的紅細胞和血紅蛋白水平，并能夠減輕貧血對機體各器官所造成的損傷[47]。富鐵酵母和人體中的鐵存在形式相似，因此富鐵酵母不存在游離鐵離子富集所產生的鐵毒性。研究顯示，相較于FeSO4和氨基酸螯合鐵，富鐵酵母具有更高的生物利用度。耿倩[39]使用基因敲除方法篩選出胞內鐵離子富集量最大可達26.59 mg/g干菌的富鐵菌株，貧血小鼠服用該菌后紅細胞計數和血紅蛋白含量明顯增加，表現出了良好的治療IDA的效果。同樣，關于富鐵酵母對腸道菌群及腸道免疫的影響也尚未明確。

4.4 納米型補鐵劑

納米型補鐵劑具有粒徑微小、易于被機體吸收轉化的特點，表現出了新型補鐵劑的潛在優勢。在機體攝入鐵的過程中，會出現鐵毒性和生物利用率不高等問題，為了克服該問題，機體進化出可高效利用且無毒的鐵儲存形式，即鐵蛋白儲存。PEREIRA等[48]研制出了氫氧化己二酸鐵酒石酸鹽納米顆粒(iron hydroxide adipate tartrate,IHAT)，該補鐵劑的新穎之處在于其吸收機制與鐵蛋白相似，無需被溶解，可以通過內吞作用將納米顆粒以整體形式吸收，接著借助溶酶體或核內體將鐵釋放出來。IHAT的補鐵效果優于FeSO4，更有利于腸道健康。IHAT可以在血液中緩釋，可控制非轉鐵蛋白結合鐵的增加，且對腸上皮細胞無毒，具有成為新型口服補鐵劑的潛在優勢。然而，IHAT是否會對腸道菌群造成不利影響，其特有的吸收機制是否能減少腸道病原體對鐵的攝取，降低腸道炎癥和發病率等還有待深入研究。

納米型補鐵劑具有較高的生物利用度，可調節機體免疫。WANG等[49]制備了黃芪多糖包埋Fe3O4納米顆粒，并證明其是一種有效的IDA體內治療藥物,該顆粒具有良好的水溶性和穩定性，特別是在模擬消化方面;大鼠病理實驗和細胞毒性評估表明，該納米顆粒具有較高的生物相容性和較低的細胞毒性，可有效治療IDA。黃芪多糖包埋Fe3O4納米顆粒表面有一定數量的黃芪多糖作為保護殼，可減少Fe3O4對胃腸道的刺激，副作用小。GU等[50]的研究證明，氧化鐵納米顆粒可調節干擾素調節因子5(interferon regulatory factor 5, IRF-5)信號傳導途徑，增強抗腫瘤M1巨噬細胞極化，同時下調M2相關精氨酸酶-1，IRF-5通路負責M1表型分化，有利于細胞毒性T淋巴細胞激活的抗腫瘤活性。納米型補鐵劑的安全性已得到初步證實，未引起不良反應，但仍需更深入的分析。

5 小結與展望

鐵穩態對維持機體免疫系統功能正常具有重要作用，其廣泛參與如免疫活性細胞及其細胞因子特異性免疫系統,以及吞噬細胞補體系統等非特異性免疫系統的功能調控。此外，鐵可能作為一類“抑生元”，促進致病菌的生長，競爭性抑制有益菌的增殖。缺鐵導致淋巴細胞功能受損，淋巴細胞數量和增殖應答能力顯著下降，影響單核細胞和巨噬細胞的增殖分化以及細胞因子的活性。另一方面，缺鐵改變了腸道菌群的定植模式以及宿主對感染的敏感性，削弱了腸道黏膜屏障功能，可能對腸道免疫造成一定的影響。

目前應用的補鐵劑大部分是無機鐵鹽和小分子有機酸鐵鹽螯合物，但均有鐵腥味，且會造成上消化道糜爛性黏膜損傷及惡心、嘔吐、上腹不適、腹瀉、便秘等不良反應。新型的補鐵劑如多肽鐵螯合物、血紅素鐵、多糖鐵、富鐵酵母等彌補了傳統補鐵劑的一些不足，在展現出較高生物利用度的同時減少了副作用，但是目前大多數處于基礎理論研究階段，在提高產品螯合率、安全性，降低產品成本等方面有待進一步研究。此外，值得注意的是，鐵在免疫調節和腸道微生物調控起了重要作用。著眼于宿主、腸道菌群的整體平衡，補鐵同時能維持腸道菌群平衡的補鐵劑或將是新型補鐵劑的開發方向。