缺鐵性貧血與補鐵劑研究概況

鐵元素(iron)在人體中含量約為 0.004% [1] , 是人體必需的微量元素之一, 而且是含量最高的微量元素 [2] , 在體內發揮著至關重要的作用。鐵元素缺乏(iron deficiency, ID)是指人體中正常穩定的鐵代謝循環被破壞而造成沒有足夠可利用的鐵的一種狀態 [3] 。它是全球最普遍的營養素缺乏症之一, 無論是在發達國家還是發展中國家流行率都很高[4] 。據世界衛生組織報導, 約有 20 億人即全球人口的 30%患有不同程度的鐵元素缺乏症 [5] 。嬰幼兒、孕婦、育齡婦女以及 60 歲以上的老年人是最易患 ID 的人群 [6,7] 。缺鐵性貧血(iron deficiency anemia, IDA)是指由於鐵元素缺乏而導致紅細胞生成減少而引起的貧血, 是貧血中最常見的一種 [3] , 也是 ID 發展的最終階段 [8] 。2015 年中國居民營養與慢性病狀況調查報告顯示, 我國 6 歲及以上居民貧血患病率平均為 9.6%, 其中 6~11 歲兒童和孕婦的貧血率分別為 5.0%和 17.2% [9] 。數據指出, 貧血率較過去有所改善, 但是貧血依然是我國居民中存在並亟待解決的健康問題之一。

鐵劑和鐵劑強化食品常被用來防治 IDA。目前, 市場上常見的補鐵劑主要是以硫酸亞鐵為代表的傳統補鐵劑,它們具有不同程度的副作用, 因此亟待研發補鐵效果更好、副作用更小的新型補鐵劑。薑峻等 [10] 通過紅外光譜法研究了滸苔多糖鐵複合物的結構特徵, 表明多糖表面羥基作為供電子基團與鐵離子發生絡合反應形成以鐵為中心的鐵微粒表面螯合物, 從而使得鐵不再以遊離形式存在。宋莎莎等 [11] 合成的烏雞肽鐵( ) Ⅱ 螯合物經紅外光譜分析表明,烏雞肽鐵( ) Ⅱ 螯合物中 Fe 2+ 與 NH 2 + 以及－COO－以共價鍵方式結合, 性質穩定。這些結構特徵也是第三代大分子螯合物性質穩定、副作用小的原因。不僅如此, 新型補鐵劑還具有較高的生物利用度而受到越來越多的關注。Zhu 等[12] 通過 Caco-2 細胞模型對小麥蛋白多肽螯合鋅進行了生物利用率評價, 結果表明螯合物可避免鋅離子沉澱以及與其他金屬的反應而造成生物利用度不高的情況, 從而為其開發成強化食品奠定了理論基礎。隨著經濟的發展和保健意識的增強, 人們也越來越關注作為營養素補充劑的功能食品的研究。因此, 新型補鐵劑成為近些年來治療貧血的研究熱點。本文也將圍繞鐵與人體健康、補鐵劑發展歷史及新型補鐵劑進行綜述, 並著重介紹新型補鐵劑的結構、性質和吸收特點等, 為補鐵劑的研究提供較為前沿的研究動態。

2 鐵與缺鐵性貧血

人體中的鐵是通過膳食攝入的。根據中國居民膳食營養素參考攝入量(2013 版) [13] , 鐵的參考攝入量為: 1~3 歲 9mg/d; 4~6 歲 10 mg/d; 7~10 歲 13 mg/d; 11~13 歲青少年男女分別為 15 和 18 mg/d; 14~17 歲青少年男女分別 16 和 18mg/d; 成年男女分別為 12 和 20 mg/d; 孕婦根據妊娠早、中、晚不同時期, 攝入量分別為 20、24 和 29 mg/d。食物中的鐵在十二指腸和空腸的內腔轉運站化成二價鐵後由小腸上皮細胞吸收再由基底側細胞膜上的運鐵蛋白釋放進入循環系統 [14] 。進入體內的鐵主要以兩種形式存在, 分別是功能鐵和貯存鐵。功能鐵主要是構成血紅蛋白、肌紅蛋白和酶等; 貯存鐵主要是以鐵蛋白的形式貯存於肝、脾和骨髓中 [1,15] 。

鐵元素在很多生化反應中起到重要的作用。鐵在人體中最重要的作用是參與血紅素卟啉環的形成從而構成血紅蛋白和肌紅蛋白, 參與氧氣和二氧化碳的攜帶和運輸。鐵還與很多酶的活性有關, 例如參與細胞色素氧化酶的合成,從而參與電子傳遞和細胞新陳代謝(呼吸、DNA 合成等)等[3,6,16] 。除此之外, 鐵元素還有維持正常造血功能和免疫功能、防止上皮組織受損等作用 [1,2,17] 。

鐵缺乏的原因主要包括攝入障礙、過多消耗和鐵攝入不能滿足需求 [18] 。食物中鐵的存在形式有兩種, 分別是動物性來源的血紅素鐵和植物性食物中的非血紅素鐵 [19] 。影響鐵元素吸收利用的因素主要是鐵的存在形式, 小腸溶解性低是目前影響非血紅素鐵吸收的因素之一 [20] 。食物中一些成分如植酸、草酸、纖維素等抗營養因子可以與鐵結合形成不溶性的複合物, 降低食物中非血紅素鐵在腸道中的溶解性, 從而降低其吸收利用度 [21,22] 。所以, 非血紅素鐵生物利用率通常不高於10%, 遠低於15%~35%的血紅素鐵的吸收利用率 [23] 。一些疾病也可能導致鐵吸收障礙, 這是造成鐵攝入障礙主要的因素。慢性長期失血如胃腸道慢性失血、慢性心力衰竭等容易造成鐵的大量損失。在嬰幼兒時期, 快速生長會消耗貯存鐵, 鐵的需求量較大。婦女懷孕時期, 由於紅細胞品質和數量的增加, 以及胎盤和胎兒的生長, 鐵的需求量很大, 也會容易造成缺鐵。鐵元素缺乏會導致疲勞、身體活動能力下降、氣促、頭暈面色蒼白等癥狀, 還會引起口腔炎症、異食癖 [24] 等疾病。而且缺鐵對於孕婦來說會引起一些妊娠併發症, 易出現早產等現象, 甚至導致嬰幼兒產生認知功能障礙和運動行為障礙等 [18] 。

3 補鐵劑研究近況

自 1831 年 Blaud 首先用硫酸亞鐵治療「萎黃病」以來,經過科研工作者的努力, 補鐵劑的研究不斷發展 [25] 。目前市場上的補鐵劑主要有口服製劑和靜脈補鐵劑兩種, 而口服補鐵劑更為經濟、有效, 方便易行。口服補鐵劑分為無機鐵和有機鐵兩類。一般主要從補鐵劑的生物利用率和副作用大小這兩個方面來衡量補鐵劑的效果及好壞。鐵的生物利用率主要由鐵的存在形式決定,血紅素鐵比非血紅素鐵易吸收, 有機鐵比無機鐵易吸收,二價鐵比三價鐵易吸收。

3.1 傳統補鐵劑

第一代補鐵劑是以硫酸亞鐵為代表的無機亞鐵鹽類。該類補鐵劑雖然鐵含量較高, 價格便宜, 但性質不穩定,易受到食物中其他成分的影響, 生物利用度差, 胃腸道刺激性顯著, 且存在很大的鐵鏽味。此外, 該類補鐵劑作為食品強化劑加入食品中會造成食品變質、變色等不良影響[26] 。20 世紀 60 年代以來, 出現了以乳酸亞鐵為代表的第二代補鐵劑即小分子有機酸鹽類。此類補鐵劑相對於第一代補鐵劑, 避免了藥物在胃中瞬間濃度過大, 剌激作用大為減小。但是, 它仍屬於亞鐵鹽類, 性質不穩定, 生產和儲存困難, 且易產生異味 [27] 。此外, 檸檬酸亞鐵、富馬酸亞鐵和琥珀酸亞鐵等均屬於第二代補鐵劑。這兩代補鐵劑均是以離子形式吸收, 易受到其他成分的干擾, 而且遊離的亞鐵離子會產生內源性自由基, 造成細胞膜損傷 [28] 。

3.2 新型補鐵劑

20 世紀末以來, 為了追求不良反應更小、吸收效果更好的新型補鐵劑, 科研工作者研發出了氨基酸絡合鐵、血紅素鐵、多糖鐵( ) Ⅲ 、多肽鐵( ) Ⅱ 複合物和富鐵酵母等大分子複合物補鐵劑, 以下 3 種較為突出。

3.2.1 多糖鐵複合物

多糖鐵(polysaccharide-iron complex, PIC)是低分子量多糖通過化學反應與鐵離子絡合而成的一種螯合物。目前,主要是從當歸、黨參、玉竹、大棗、香菇和金針菇等植物中提取的具有免疫、抗氧化等生物活性的多糖經進一步分離純化後與鐵螯合。因此, PIC 除了治療或預防缺鐵性貧血以外, 常常還具有多種生物活性以調節生理功能。

多糖鐵通常為棕黑碳粉末, 易溶於水、不溶於乙醇等有機溶劑。由於多糖種類繁多、多糖鏈的差異和提取的多糖常為混合物的因素, 多糖鐵的結構不唯一。但研究表明[29-31] , 多糖表面的羥基、羰基等給電子基可作為配基與鐵核絡合形成穩定的配合物, 因此多糖鐵性質穩定, 無遊離鐵存在。程荷鳳等 [29] 通過電子顯微鏡觀察和紅外光譜掃描發現化橘紅多糖是以鐵核β-FeOOH為核心, 多糖在其表面配合而成的表面配合物, 生理條件下溶解性好、不水解。李明靜等 [30] 通過紅外及透射電鏡技術檢測表明, 懷山藥多糖鐵是以聚合的β-FeOOH微核為核心, 生理條件下性質穩定。劉茂昌 [31] 實驗室合成的當歸多糖複合物是以 FeOOH聚合鐵核為結構中心, 聚合鐵核上穩定地螯合一層多糖鏈形成鐵核分子, 鐵核分子外部再包繞一層親水性的鞘狀多糖鏈, 水溶性和熱穩定性好, 具有很大的發展前景。

多糖鐵複合物中鐵含量一般為 20%~40%, 能以分子形式被整體吸收, 吸收率較高, 胃腸道副作用小, 對於缺鐵性補鐵具有較好的效果。趙文陽等 [32] 從刺梨中提取多糖並與鐵螯合得到螯合物中的鐵含量為 23.30%, 釋放出鐵以後的多糖具有多種生物活性, 可被機體吸收利用。Zhang等 [33] 製備了紫菜多糖鐵複合物, 其中鐵含量為 21.57%, 動物實驗表明, 該複合物可使貧血小鼠紅細胞數量等指標增加, 對貧血有一定效果。Wang 等 [34] 測定了白樺茸多糖鐵中鐵含量為 19.40%, 體外消化實驗模擬胃腸道吸收表明其具有較好的生物利用度, 有望成為口服補鐵劑。李珂 [35] 通過當歸多糖鐵在大鼠體內藥物代謝動力學實驗表明, 當歸多糖在 Beagle 犬體內的葯時過程符合二室模型, 小腸前段為鐵的主要吸收部位。將其製成固體分散體腸溶膠囊以分子形式直接被腸道吸收, 綜合發揮當歸多糖和鐵元素的補血作用, 增加生物利用度。劉茂昌 [31] 研究表明, 當歸多糖鐵複合物在胃液中會有部分鐵離子溶出, 被還原成二價鐵離子後在十二指腸以離子狀態吸收, 未溶出部分則以分子形式被小腸細胞吸收。

3.2.2 多肽鐵複合物

自 Agar 等 [36] 發現人體腸道能夠直接吸收雙甘氨肽以及Newey等 [37] 首次提出肽可被整體吸收的理論後, 生物利用率更高的氨基酸螯合鐵以及多肽螯合鐵複合物成為研究的熱點。目前, 氨基酸的來源主要依靠化學合成, 其安全性較低, 且生物利用度相對較低, 僅限於牲畜飼料的生產[38] 。現在深受科研工作者青睞的是從水產品、豆類、芝麻和米渣等食源性動植物中提取具有生物活性的小肽與鐵螯合的研究。

多肽鐵與多糖鐵一樣, 通常為棕碳粉末, 無異味, 易溶於水, 不溶於乙醇等有機溶劑。多項實驗表明 [27,39-40] , 肽與鐵並不是簡單的物理吸附, 而是通過肽鏈中的氨基、羰基通過共價鍵形成穩定的 5 元環或 6 元環螯合物, 無遊離鐵離子和多肽, 性質穩定。任張燕 [41] 採用紅外光譜法對蝦加工副產物水解肽鐵螯合物進行結構推斷, 表明鐵與多肽可能是通過羥基、羰基以及羧基結合。段秀 [27] 通過熒光光譜、紫外光譜和紅外光譜等手段對羅非魚皮膠原蛋白肽亞鐵螯合物的結構進行研究, 證實亞鐵離子與氨基有較強結合, 可能與羧基通過共價鍵結合。

雖然多肽鐵螯合物中鐵含量一般僅為10%左右, 低於硫酸亞鐵等補鐵劑, 但鐵元素生物利用率較高, 也不會出現遊離鐵離子產生的內源性自由基對細胞膜造成損傷的情況 [38] 。鐵離子要想穿過細胞膜, 需要一種特定的載體分子將它包被起來而形成一種有機的脂溶性表面, 再以這樣的包裹才能穿過細胞膜, 從而被吸收利用 [42] 。動物可以直接吸收分子狀態的氨基酸和多肽, 根據需要將螯合物運送到特定的靶組織中, 再通過酶和組織的作用釋放出鐵元素,由此可見, 氨基酸螯合鐵是鐵吸收的原始模式之一 [43] 。

不僅如此, 螯合物可能還具有抗氧化、抑菌、增強免疫等多種生物學功能。Lin 等 [44] 研究表明, 帶魚水解肽螯合鐵的鐵含量為 12.73%, 對羥自由基、DPPH 自由基均有很好的抗氧化活性。廉雯蕾 [45] 通過體外模擬胃腸道消化實驗表明, 米渣水解蛋白肽鐵螯合物在腸道中的溶解度和透過率均高於硫酸亞鐵。分析原因是, 有機配體與金屬離子的反應為介質中金屬離子的濃度提供了一個緩衝體系, 該緩衝體系通過解離螯合物的方式確保介質中金屬離子濃度不變, 而多肽螯合物作為體內正常中間體, 產生不良刺激的幾率很小, 因而對促進機體胃腸道的吸收更有利。霍健聰等 [38] 通過動物實驗表明, 多肽鐵對缺鐵性貧血大鼠貧血效果改善良好, 且優於硫酸亞鐵, 為多肽鐵研究成為口服補鐵劑提供了理論基礎。

3.2.3 富鐵酵母

酵母菌是良好的微量元素載體, 可以富集鐵等微量元素以滿足人體對鐵元素的需要。通過發酵技術, 即在培養基中添加一定量的鐵離子, 使酵母菌在增殖過程中大量吸收鐵離子並將其結合於細胞的有機組分內, 由此得到富鐵酵母 [46] 。富鐵酵母中鐵的存在形式與人體中接近, 生物利用率高, 不良反應少。而且, 酵母菌中還含有必需氨基酸、蛋白質、維生素等營養因子 [47] 。

目前使用的酵母菌多為釀酒酵母, 對其進行篩選和培養條件優化從而獲得可大量富集鐵元素的富鐵酵母。許楨瑩 [48] 篩選出耐鐵啤酒酵母並培養出菌體中鐵含量為23.94 mg/g 乾菌的富鐵酵母, 其中鐵的有機化程度達到98.14%。此外, 以血紅蛋白、血清鐵、血清總鐵結合力和銅藍蛋白作為指標, 富鐵酵母對仔豬的生物效價高於硫酸亞鐵。耿倩 [46] 通過基因敲除手段篩選出富鐵能力最強的菌株, 胞內鐵離子富集量最大可達 26.59 mg/g 乾菌。對培養出的富鐵酵母進行急性實驗, 小鼠未出現中毒和死亡。動物實驗表明, 富鐵酵母可顯著提高貧血小鼠的血紅蛋白含量和紅細胞計數, 對貧血有一定效果。Kyyaly 等 [49] 製備出鐵含量為 15 mg/g 乾菌的富鐵麵包酵母, 動物實驗表明,富鐵酵母可以提高貧血小鼠的血紅蛋白含量, 並能改善貧血對肝、脾、心臟和腎臟造成的損害。