Új bizonyítékok a vas és a cink kölcsönhatásáról az enterocita és az idegszövetekben

Katarzyna Kordas, Rebecca J. Stoltzfus, A vas és cink kölcsönhatásának új bizonyítékai az enterocita és az idegszövetekben, The Journal of Nutrition, 134. évfolyam, 6. szám, 2004. június, 1295–1298. Oldal, https://doi.org/10.1093 /jn/134.6.1295

ABSZTRAKT

Mivel a kombinált vas-cink pótlási programokat egyre gyakrabban alkalmazzák a terepi kísérletek során az együtt előforduló vas- és cinkhiány leküzdésére, egyre nagyobb az aggodalom a két fém közötti lehetséges ellentétek miatt. Számos kiegészítő kísérlet utalt egy ilyen versenyre, és előfordulásának lehetséges helyeként gyakran említik a bél kétértékű fémtranszporter-1-et (DMT1). Összefoglaljuk az új bizonyítékokat, amelyek azt mutatják, hogy bár a vas látszólag csökkenti a cink felszívódását, a DMT1 valószínűtlen hely ennek az abszorpciós antagonizmusnak az a tény, hogy a cinket a DMT1 nem szállítja. Javasoljuk továbbá a vas-cink kölcsönhatások gondolkodásának elmozdulását az enterocita szintjéről a test más helyeire/rendszereire, amelyek ugyanolyan relevánsak lehetnek a kiegészítési kísérletek eredményei és értelmezése szempontjából. Bemutatjuk a vas és a cink felszívódását és működését az idegszövetben, mint a lehetséges kölcsönhatások egyik példáját.

Egyre felismerhetőbb, hogy a vas- és cinkhiány együttesen fordul elő különböző populációkban, és ezeket egyidejűleg kell megoldani. Az egyik megoldás a vas és a cink kombinált kezelése. Az anyagcsere-vizsgálatok és a pótlási kísérletek azonban antagonista kapcsolatra utalnak a vas és a cink között, amelyben a cink csökkenti a vas-kiegészítés pozitív hatásait és fordítva. Például, ha felnőtteknek oldatban adják> 2: 1 arányú szervetlen vasat, akkor kiderül, hogy versenyez a cinkkel való felszívódásért (1). A cink felszívódása az éhgyomri terhes perui nőknél, akik Fe 1-et vagy Fe + Zn-t kaptak, szignifikánsan csökkent a kiegészítetlen nőkhöz képest (2) (1A. Ábra). Csak Fe-t kapott nőknél a plazma cinkkoncentrációja is alacsonyabb volt a kontrollokhoz képest. Ezzel szemben a hemoglobin és a szérum ferritin koncentrációja kisebb mértékben javult az indonéz gyermekeknél, akik mind Fe-t, mind Zn-t kaptak, mint azoknál a gyermekeknél, akik csak Fe-t kaptak (1B ábra) (3, 4).

Vas, cink és DMT1.

A DMT1-en végzett vas- és cinkverseny tanulmányai az emberi vastagbélrák sejtjeiből származó Caco-2 sejtmodellt használják. A Caco-2 vonal jó modell a vas homeosztázisának, valamint a Fe és Zn abszorpciójának szabályozásához, mivel a differenciálódási markerekben hasonló az emberi enterocitákhoz, és abszorpciós eredményeket ad, összehasonlítva az emberi vizsgálatokkal (7).

A bélfelszívódási vizsgálatok értelmezésekor két fogalmat kell megkülönböztetni. Az apikális felvétel a fémek áthelyezésére utal az enterocita apikális membránján keresztül a bél lumenétől a citoplazmáig. A vas esetében ezt a DMT1 hajtja végre (2. ábra). A transzepithelialis transzport a fémek átjutását jelenti a bazolaterális membránon, amelyet az oldható transzporterek felvennek és elosztanak. A Fe transzepithelialis transzportja magában foglalja a vas által szabályozott transzportert (IREG1, más néven ferroportin) és a hephaestin fehérjéket, és számszerűsíthető a bazolaterális inkubációs közegben lévő fémkoncentrációk mérésével.

Az enterocita által a vas és a cink transzportjában szerepet játszó mechanizmusok.

Bizonyíték arra, hogy a Fe gátolja a Zn felvételét, de a Zn-t nem szállítja a DMT1.

Egy tanulmány megvizsgálta a radioaktívan jelölt cink (20 μmol/L 65 Zn +2) vagy vas (20 μmol/L 55 Fe +2) apikális felvételét és transzepitheliális transzportját a Caco-2 sejtek által, felesleges vas (200 μmol/L Fe +2) (8). A kísérletet szarvasmarha-magzati szérum jelenlétében vagy távollétében is elvégeztük az inkubációs közegben annak megállapítására, hogy befolyásolja-e a génexpressziót és befolyásolja-e a fémtranszportot. A 65 Zn +2 apikális felvétele jelentősen csökkent vas és szérum jelenlétében, ami arra utal, hogy a Fe zavarja a Zn felszívódását. Az 55 Fe +2 felszívódását a vasfelesleg is csökkentette, szérum jelenlétében és hiányában is. Csak a szérum hiányában volt a Fe abszorpció csökkenése összefüggésben a DMT1 expresszió csökkenésével.

Ez a tanulmány azt sugallja, hogy a Zn felvétele független lehet a DMT1 mechanizmustól. A cinkfelvétel csökkenése nem következett be szérum hiányában, ami azért fontos, mert csak annak hiányában korlátozták a DMT1 expresszióját. Ha a cink a DMT1-re támaszkodott a sejtbe jutáshoz, akkor abszorpciójának csökkentenie kellett volna a szérum hiányában, a DMT1 expressziójának csökkenésével együtt. Ez a tanulmány azonban nem közvetlenül manipulálta a DMT1-et. A transzporter kiütése vagy túlzott expressziója közvetlenebb bizonyítékot szolgáltat arra vonatkozóan, hogy a cink a DMT1-n keresztül jut-e be a sejtbe, vagy verseng-e a vasal a felszívódásért.

Yamaji és mtsai. (9) megvizsgálta a vas (1 μmol/L 55 Fe +2) felszívódását 100 μmol felesleges cink jelenlétében és a cink (1 μmol/L 65 Zn +2) felszívódását 100 μmol/L vas jelenlétében . Bár a Fe jelentősen gátolta a Zn felvételét, fordítva nem volt igaz. A tanulmány értékelte a vas és a cink kiegészítésének a DMT1 és IREG1 mRNS-re és expresszióra, valamint a fém felszívódására gyakorolt hatását is. A vasterhelés csökkentette a DMT1 expresszióját és csökkentette a későbbi Fe felvételt, de nem befolyásolta a cink felszívódását. Ezzel szemben a cinkkel történő sejtterhelés növelte a DMT1 mRNS szintjét és az expressziót, növelte a Fe abszorpciót, növelte az IREG1 expressziót, de a Zn abszorpciót nem változtatta meg.

Bizonyíték arra, hogy a Zn nem csökkenti a Fe felszívódását.

A DMT1 optimális funkciója a Caco-2 sejtekben pH-függő. Az alacsonyabb pH növeli az iontranszport tulajdonságait, míg a magasabb pH a funkcionális integritását. PH = 7,4 mellett a cinkfelesleg (mólarány 500: 1) 67% -kal csökkentette az 55 Fe + 2 felvételt a kontrollokhoz képest (10). Savas körülmények között (pH 5,5) azonban a cink nem befolyásolja a vasfelvételt. A cink által a vas felszívódásának csökkentése semleges, de nem savas pH mellett azt sugallja, hogy a DMT1 működéséhez kedvező körülmények között a vas a cink jelentős versenye nélkül is felszívódik, még nagyon magas Zn: Fe arány mellett is.

Végül Tandy és mtsai. (11) Caco-2 sejteket vassal kiegészített táptalajban tenyésztett. 5 nap elteltével ilyen körülmények között 56% -kal csökkent a DMT1 expressziója, alacsonyabb a DMT1 mRNS szintje, és 30% -kal csökkent a vas felvétele a kontroll táptalajban tenyésztett sejtekhez képest. A DMT1 expressziójának változásai azonban nem befolyásolták a cink felvételét. Egy külön kísérletben 1 μmol/L 55 Fe +2-t inkubáltunk 100-szoros felesleges cinkkel, de a vasabszorpció jelentős csökkenését nem tapasztaltuk. Mivel a fémek DMT1 általi felvétele a sejtmembrán potenciáljától függ, a szerzők magas K + oldatokat használtak a sejtek depolarizálására, és a Fe felvételének későbbi csökkenését (42%) mutatták be a Zn abszorpciójának változása nélkül. A DMT1 működésének megzavarása szilárd bizonyítékot szolgáltatott arra vonatkozóan, hogy a cink nem attól függ, hogy ez a transzporter bejut-e a bélsejtekbe, és nem valószínű, hogy versenyezni fog a vassal a felszívódásért ezen a helyen.

Az új bizonyítékok összekapcsolása a meglévő ismeretekkel.

Gunshin és munkatársai (6) alapvető vizsgálata kimutatta a DMT1 vashoz és más kétértékű fémekhez való affinitását. A béka petesejteket különböző kétértékű kationokat tartalmazó oldatokkal perfundáltuk, és feljegyeztük az e fémek által kiváltott áramokat. A vashoz hasonlóan a cink is nagy befelé áramló áramokat termelt a DMT1-et expresszáló oocitákban, és ezt bizonyítékként említették, hogy a cink, mint a vas, a DMT1-et alkalmazza sejtszállításhoz. Ez a módszer azonban nem bizonyította közvetlenül, hogy valamely adott fémet felvette a DMT1 (11); a Zn tényleges transzportját az apikális membránon nem mérték Gunshin és mtsai. (6) Nemrégiben összehasonlították a 65 Zn +2 abszorpcióját DMT1-vel és kontrollokkal injektált béka petesejtekben (12). Egyik csoport sem mutatott érdemi cinkfelvételt, ami arra utal, hogy a DMT1 nem szállítja a cinket.

Ezen érv további alátámasztásaként a közelmúltban azonosították az emberi bél Zn transzportereinek (ZIP) családját, amely külön mechanizmusokat javasol a vas és a cink felszívódására. Két ilyen cink-transzporter, a hZIP1 és a hZIP2 expresszálódik a test különböző szöveteiben, de nem gondolják, hogy részt vennének a vasszállításban (13). Az enterociták apikális membránján expresszálódó másik ZIP fehérje, a hZIP4 hibás az acrodermatitis enteropathicában, és diétás cink szabályozza, de ismét nem vesz részt a vasfelvételben (14, 15).

Az eddig összegyűjtött bizonyítékok alapján elkészíthető a vas és a cink valószínű kapcsolatának modellje. Bár bizonyítékaink vannak arra, hogy a Fe zavarja a Zn felszívódását, nincsenek bizonyítékaink arra, hogy a Zn beavatkozna a Fe felszívódásába. Ezenkívül a fenti vizsgálatok vitatják a cink DMT1-től való függését a sejtekbe történő transzporttól és a vas és a cink közötti abszorpciós verseny fiziológiai alapját, legalábbis ezen a bizonyos helyen.

A sejtkultúra-vizsgálatok értelmezésében azonban óvatosnak kell lennünk. Lehetséges, hogy a Fe és Zn abszorpció in vitro modellje nem könnyen alakítható át egy kiegészítő vizsgálat biokémiai eredményeibe, és nem biztos, hogy közvetlen megfelelés érhető el. Ennek egyik oka, hogy az in vitro vizsgálatok során gyakran olyan ionkoncentrációkat és moláris arányokat alkalmaznak, amelyek fiziológiailag nem megvalósíthatók. Noha a Cn-abszorpciót a vas 100: 1 vagy 500: 1 mol/l arányban gátolja a Caco-2 sejtekben, a kiegészítőket általában 1: 1-hez közeli arányban adják az emberek. Ezenkívül a kiegészítőkben adott mikrotápanyagok hatásai és kölcsönhatásai függhetnek az étrendi kontextustól. A Fe és Zn felszívódását a fitát gátolja, de a Fe felszívódását fokozza az aszkorbinsav és a cisztein. Mivel a vas és a cink komplexeket képez a lumenben más élelmiszer-alkotórészekkel, például karbonsavakkal, befolyásolhatja azok abszorpciós mechanizmusokhoz való hozzáférhetőségét. Lehetséges, hogy a fiziológiai verseny helyett a kiegészítő vizsgálatok a vas és a cink fiziokémiai versenyét figyelték meg (J. L. Beard, Penn State, személyes kommunikáció).

A bél vas- és cinkfelszívódásának állatmodelljeiben végzett munka segíthet áthidalni az in vitro vizsgálatok és az emberi kiegészítési kísérletek eredményei közötti szakadékot. 2 × 3 faktoriális tervezés szerint a malacoknak 2 különböző koncentrációban adtak elemi Fe-t (100 és 200 mg/kg) és 3 koncentrációban cink-karbonátot (25, 50 és 100 mg/kg) (16). A 65 Zn abszorpcióját és retencióját több időpontban in vivo mértük. Az elemi vas az adagtól függetlenül nem befolyásolta a 65 Zn felszívódását. Bár a 65 Zn abszorpciója nem különbözött egymástól, a cink retenciója alacsonyabb volt, ha vas-szulfáttal együtt adták, a cink fokozott kiválasztódása miatt. Ezek az eredmények valódi nehézséget mutatnak a különféle kezelési összetételeket, például elemi vagy vasvasat használó vizsgálatok összehasonlításában és értelmezésében. Ezen túlmenően javasolják a posztabszorptív verseny lehetőségét Fe és Zn között.

Egyéb interakciós webhelyek.

A Fe és a Fe közötti potenciális versengésről, mint a kiegészítési kísérletek lehetséges értelmezéséről gondolkodtunk legtöbbször a bél felszívódására összpontosítva. Létezik azonban a vas és a cink közötti antagonizmus vagy kölcsönhatás lehetősége a test más helyein, mivel a fémszállítók lokalizációja vagy a mikroelemek funkciója nem korlátozódik a bélsejtekre. A Fe és Zn kölcsönhatások több helyszíne releváns lehet a kiegészítõ vizsgálatokban leggyakrabban értékelt eredmények szempontjából. A következőkben röviden leírjuk az agy Fe és Zn működésének jelenlegi ismereteit. Az idegszövetekre való összpontosítás releváns annak figyelembevételével, hogy növekszik az érdeklődés a vas és a cink, valamint hiányosságaik iránti érdeklődés iránt, a gyermekek kognitív és viselkedési fejlődésére. A Fe és Zn fiziológiai kölcsönhatásának egyértelmű pontját az idegszövetekben nem sikerült meghatározni, mert az eddigi legtöbb kutatás csak e fémek különálló funkcióit vizsgálta. Ezért az alábbiak ugródeszkaként szolgálnak az enterocitán túllépésre a kiegészítési kísérletek eredményeinek értelmezésében.

Vas az agyban.

Az agy Fe-transzportjának mechanizmusai általában tartalmazzák a transzferrin és transzferrin receptorokat (TfR), valamint a DMT1-et (17). Az idegsejtekben lévő vas ferritinként van tárolva (18). A vashiány (ID) a vizsgált agyrégiók többségében a szöveti Fe csökkenésével, a ferritin csökkenésével és a szérum transzferrin és a TfR koncentrációjának növekedésével járt együtt (19–21), függetlenül annak időtartamától és időzítésétől. Egyes agyi régiók azonban jobban képesek konzerválni a vasat, mint mások. A szabályozás mechanizmusai nem világosak, de függhetnek a Fe receptorok és transzporterek eloszlásától, valamint az agyszövetek Fe állapotától.

Úgy gondolják, hogy az ID befolyásolja a mielinációt, a neurotranszmitter metabolizmusát és a Fe-tartalmú enzimeket [lásd (áttekintés céljából 22). Az elválasztás utáni ID-vel rendelkező patkányoknál a myelinizációs markerek koncentrációja vagy aktivitási szintje lényegesen alacsonyabb volt, mint a kontrolloké (23). Az elválasztás utáni ID szintén társult változásokkal a mielinfrakciók PUFA-tartalmában (21, 23). Patkányok újszülöttkori és posztnatális ID egyaránt befolyásolta a D1, D2 receptor és dopamin transzporter (DAT) szintjét a striatumban és a prefrontális kéregben (24, 25). A posztnatális ID szintén csökkentette a mozgás, sztereotípiák és feltáró aktivitás. Az ID patkányok alacsonyabb D2 receptor szintjei rosszabb viselkedési eredményekhez kapcsolódtak. A D1 és a DAT viselkedési hiányai és sűrűsége azonban az anaemia korrekciója ellenére rezisztensnek tűnt a Fe kezelés után. Az egyéb neurotranszmitterek is érzékenynek tűnnek A perinatális ID-vel rendelkező patkányoknál az agy Fe szintje szignifikánsan alacsonyabb volt, magas glutamátkoncentrációval és mérsékelten magasabb γ-aminovajsavval (G ABA) (26).

Cink az idegrendszerben.

Az agy Zn koncentrációi regionális heterogenitást és fejlődési függőséget mutatnak (27). A felnőtt agyban a Zn a hippocampus régióban és az agykéregben lokalizálódik (28), és a glutamaterg neuronok preszinaptikus vezikulumaiban található meg. A Zn 2+ szerepe ezekben az idegsejtekben ellentmondásos, de magában foglalhatja a glutamát tárolásában, felszabadulásában és felvételében való részvételt, valamint a glutamát receptorok modulációját (29). A következő 3 típusú Zn 2+ jelet javasolták: 1) transzmitterszerű jelek, amelyek cselekvési potenciállal, a Zn 2+ felszabadulásával a szinaptikus vezikulákból, és kötődnek a glutamát vagy GABA receptorokhoz; 2) a Zn 2+ fluxusa a posztszinaptikus idegsejtekbe a hosszú távú potencírozás (LTP) során; és 3) intracelluláris jelátvitel a Zn 2+ vezikulákba történő szekvenálásához (30).

A Zn-tartalmú idegsejtek által fenntartott funkciók és a szinaptikusan felszabaduló Zn 2+ szerepe nem világos. Javasolták a vezikuláris Zn részvételét olyan kognitív funkciókban, mint a memória és a tanulás (28). A cink transzporter3 (ZnT3) -/- egerek legújabb tanulmányai azt mutatták, hogy a Zn hiánya a szinaptikus vezikulákból nem befolyásolta a glutamaterg neurotranszmissziót, és nem rontotta a tanulást vagy a memóriát (31, 32). A hippokampusz szeletekre felvitt Zn-kimerítő kelátképző magas koncentrációja azonban blokkolta az LTP iniciálását egy mohás rost (MF) útvonalon (33), ami arra utal, hogy a Zn fokozza a szinaptikus erőt.

Vas és cink az agyban.

Az idegszövetekben a Fe és Zn kölcsönhatások vizsgálata kevés. Egy tanulmány megvizsgálta a ferritin eloszlását a hippocampus régióban (az MF rendszer gliasejtjei) leválasztás utáni ID-vel rendelkező patkányokban. A 4 hetes Fe és/vagy Zn kezelés neurotranszmisszióra gyakorolt hatásait is értékelték (34). Az ID késleltette a ferritint tartalmazó sejtek kifejlődését ebben a régióban. Noha a Fe vagy a Zn önmagában nem volt hatékony a ferritintartalmú MF sejtek számának növelésében, a Fe + Zn-t kapott patkányokban ezeknek a sejteknek a száma szignifikánsan magasabb volt, mint az összes többi kezelési csoportban (kivéve a páros táplálékú kontrollokat). Úgy gondolják, hogy a hippokampusz MF-je részt vesz az LTP-ben, a memória és a tanulás elektrofiziológiai modelljében. Így különösen fontosak azok a vizsgálatok, amelyek bemutatják az ID és a kombinált Fe + Zn kezelés hatékonyságát a hippocampalis anatómiára. Ez a tanulmány biológiai (mikrotápanyag-státusz) kölcsönös függőségre utal az agyban a vas és a cink között. A függőség alapjául szolgáló mechanizmusok tisztázása kulcsfontosságú a Fe és Zn hiányosság agyi fejlődésre gyakorolt következményeinek megértéséhez. A jövőbeli kutatás ezen a területen ideális esetben tartalmazna funkcionális értékeléseket, ideértve a hippocampus-függő kognitív feladatokat és az LTP indukcióját.

Összefoglalva, a Fe-Zn kölcsönhatások megértésének molekuláris alapja egyre fontosabb, mivel ezeknek a mikroelemeknek a hiányosságai gyakran együttesen fordulnak elő, és a kombinált Fe és Zn kezelés jelenthet megoldást erre a problémára. Korábbi tanulmányok antagonizmust mutattak ki Fe és Zn között, a DMT1-ben lévő 2 fém közötti abszorpciós versengésre hivatkozva. A legújabb bizonyítékok azonban nem támasztják alá ezt a magyarázatot. Ezek a tanulmányok fenntartják azt a felfogást, hogy a Fe megzavarja a Zn abszorpcióját, és nem fordítva, de azt is mutatják, hogy a DMT1 nem a cink elsődleges béltranszportere. Ez nem oldja meg a Fe és Zn közötti abszorpciós ellentét létezéséről folytatott vitát. Azt sugallja azonban, hogy a DMT1 valószínűtlen helyszíne ennek a versenynek.

Ami az idegszövetekben zajló Fe és Zn kölcsönhatásokat illeti, nagyon kevés olyan tanulmány létezik, amely megvizsgálja a vas és a cink együttes szerepét, illetve hiányosságait a kognitív funkció vagy az agy kémia szempontjából, és ezek hiánya szembetűnő. Szükség van a hiányosságok időzítésének, időtartamának, súlyosságának és reverzibilitásának neurokémiai és kognitív hatásainak következetes vizsgálatára. Ezenkívül a Fe és Zn hiányosságok biológiai és funkcionális hatásainak összekapcsolására a biokémiai intézkedések mellett a jövőbeni tanulmányoknak ideális esetben tartalmazniuk kell az elméletileg megalapozott viselkedésértékeléseket az érdeklődésre számot tartó konkrét agyi régiókkal kapcsolatban.