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飛克;螯合鈣

螯合鈣螯合鎂

鈣與鎂調控造骨之機轉與應用

by Dr. Jeremy Hsu 2025-07-10

國人對於骨骼健康的關注主要來自骨質疏鬆症,此疾病是一種與老化相關的全身性骨病變,患者因骨穩態失衡和骨微觀結構破壞導致骨密度和骨質下降,導致較常人更容易發生骨折。飲食中的營養素與骨質疏鬆症的發生率相關,維生素D、鈣與鎂,是骨骼健康的關鍵調節劑,並對骨質疏鬆症風險有明顯影響。

骨骼透過破骨細胞和成骨細胞之間的協調和相互作用不斷重塑,以達到骨穩態,在此過程中,鈣與鎂扮演重要角色。本文的重點,將探討鈣與鎂調控造骨的機制,以及可應用於保護骨骼健康的型態。

鈣訊號傳遞與鈣離子通道調控造骨作用

原發性骨質疏鬆症包括停經後和老年性骨質疏鬆症,主要歸因於雌激素水平下降和老化過程。骨質疏鬆症的主要病理機轉,則是破骨細胞過度活化,增加骨吸收。鈣訊號傳遞可以調節破骨細胞活化,其訊號傳遞若中斷,破骨細胞介導的骨吸收將增加,進而促進骨質疏鬆症的進展。

下圖來自2024年的期刊1,描述骨重塑過程。首先由破骨細胞前驅細胞的聚集,融合形成多核、活化的破骨細胞,來執行骨吸收。骨吸收完成後,破骨細胞離開原位,改由成骨細胞進入該區域,透過分泌類骨質來形成新骨。

來自同論文的另一張圖,描述破骨細胞中的鈣訊號傳遞。RANKL/RANK訊號路徑會活化磷脂酶C (PLC),產生肌醇1,4,5-三磷酸(IP3),與內質網(ER)上的肌醇1,4,5-三磷酸受體(IP3R)結合,引發鈣離子振盪。這導致鈣離子與鈣調蛋白(CaM)結合,活化鈣調神經磷酸酶,後者使NFATc1去磷酸化,進而促進破骨細胞分化。SOCE訊號路徑,可共同調控RANKL誘導的鈣離子振盪,並維持鈣離子振盪的持續產生。當使用SOCE阻斷劑時,RANKL與SOCE路徑的鈣離子振盪都會終止。

來自同論文的另一張圖,描述成骨細胞中的鈣通道。成骨細胞膜上的各種鈣通道在調節成骨細胞活性中發揮著至關重要的作用。不同類型的鈣通道可以調節骨形成因子,從而透過不同的訊號路徑促進或抑制成骨細胞的分化和功能。例如,VGCCs廣泛存在於成骨細胞中,並被細胞外環境的變化(例如高濃度的鈣)激活,從而促進成骨分化;TRPM8已被證實能夠促進骨髓間質幹細胞的成骨分化;一些研究則發現,SOCE和Piezo通道的活化,可以減輕骨質疏鬆症的症狀。

來自同論文的另一張圖,描述骨細胞中的鈣通道。骨細胞是機械負荷敏感細胞,參與骨形成、適應和骨吸收,以回應機械負荷。在骨微環境中,骨細胞被包裹在細胞膜和堅硬骨基質界面處的細胞周圍基質中,各種機械刺激,包括壓縮、拉伸和扭轉,因為空間變形而從細胞外液流動產生流體剪切力,可以活化細胞周圍基質中的骨細胞之離子通道,例如Piezo1和TRPV4,啟動了一系列下游路徑來調節骨重塑。此外,機械刺激會建立鈣訊號正向回饋,進一步增強骨形成。

鎂調控造骨並改善骨質疏鬆

鎂與鈣同是骨骼發育和礦化所必需的營養元素,在骨質疏鬆症的進展中起著重要作用。下圖來自2024年的期刊2,描述鎂對破骨細胞的影響。高濃度的鎂會抑制副甲狀腺素(PTH)的分泌,由PTH抑制破骨細胞活性與骨吸收。反之,鎂缺乏的狀態下,副甲狀腺素透過活化cAMP/PKA-CREB路徑直接增加RANKL的表達,並透過PKA-CREB-AP-1路徑抑制OPG的表達。當成骨細胞RANKL/OPG比值升高時,將間接活化破骨細胞與骨吸收,從而加速骨質疏鬆症的進展。此外,鎂缺乏症患者通常血清維生素D濃度較低,維生素D可透過抑制骨鈣化相關基因(Ctsk、MMP-9和NFATc1)的表達,或透過調節S1P受體系統,來抑制破骨細胞的形成。

來自同論文的另一張表,列出補充鎂改善骨質疏鬆症影響之臨床研究,測試對象包含停經後女性或老年人,其統合分析結果相當一致。鎂攝取量與骨密度(BMD)之間存在顯著的正相關性,部位包含:髖關節、股骨、頸骨等,但與腰椎骨密度之間較無顯著相關性。

鎂於骨科醫療材料的應用

可生物降解的鎂基材料作為骨科植入物,因其良好機械性質、生物相容性與分解速率而佔盡優勢,臨床研究均一致表明,鎂還具有促進骨組織形成的能力。下圖來自2025年的期刊3,推論鎂材料降解時釋放的鎂離子,對於環境中的多種細胞可能產生之作用: A、鎂離子透過TRPM7/PI3K訊號路徑,活化成骨細胞,並減少鹼性環境造成的細胞損傷。B、鎂離子透過神經細胞的鎂離子轉運體通道(即MAGT 1和TRPM 7),誘發CGRP囊泡進行胞吐,從而透過牙周膜細胞的cAMP觸發CREB 1的磷酸化,促進成骨相關基因的表達。C、鎂離子透過間質幹細胞和巨噬細胞,間接調節破骨細胞與成骨細胞進行之骨癒合。

來自同論文的另一張圖,描述可生物降解鎂基植入物透過多種機制抑制破骨細胞活化。OPG/RANK/RANKL訊號路徑對於調控破骨細胞至關重要,鎂離子在材料降解過程中促進成骨細胞分泌的OPG與RANKL結合,競爭性抑制RANKL與RANK結合,故而減少破骨細胞活化。其次,鎂降解產生的鹼性環境亦可抑制RANKL與RANK的結合,貢獻相似效益。此外,鎂離子抑制發炎因子(如TNF-α)的活化,影響下游訊號分子如JNK 、AP-1和NF-κB,降低NFATc1的表達,故而抑制了破骨細胞分化。

總結

在骨骼的重塑過程中,破骨細胞的骨吸收和成骨細胞的骨形成相互耦合,如果骨吸收超過骨形成,就會發生骨質疏鬆症等骨骼疾病。在骨重塑過程的局部微環境,其特徵是細胞外鈣濃度的劇烈波動,由破骨細胞先進行骨吸收,使附近的組織液鈣濃度會從生理體液中的1.8 mM升高到5 mM,局部鈣離子濃度最高可達40 mM,遠高於正常血漿總鈣濃度(2.25-2.5 mM)。升高的鈣濃度有利於成骨細胞活化,使其在局部微環境中持續生成骨。在破骨細胞與成骨細胞上有各種鈣離子通道,可以感知並產生鈣訊號傳遞,決定破骨細胞與成骨細胞的後續反應。破骨細胞有RANK、SOCE等鈣離子通道,成骨細胞則有VGCCs、TRPM8等鈣離子通道,這些鈣通道可能作為治療骨質疏鬆症的潛在治療策略。

鎂對於造骨的調控,不像鈣可以直接透過鈣離子通道來作用,而是透過副甲狀腺素和維生素D來影響RANK/RANKL/OPG訊息路徑,間接影響骨骼結構。多項臨床研究表明,補充鎂可以在一定程度上緩解骨質疏鬆症的症狀。除了膳食補充劑的型態,鎂還可以作為生物可分解的骨科植入物,降解過程產生的高濃度鎂離子,已被證明能夠增強成骨細胞活性,同時抑制破骨細胞的形成,對骨重塑發揮關鍵治療作用。

參考文獻

The role of calcium channels in osteoporosis and their therapeutic potential. Ying Hao, Ningning Yang, Mengying Sun, Shangze Yang and Xingjuan Chen. PUBLISHED 07 August 2024. DOI 10.3389/fendo.2024.1450328.

The role of magnesium in the pathogenesis of osteoporosis. Lin Liu, Pan Luo, Pengfei Wen and Peng Xu. Frontiers in Endocrinology. PUBLISHED 06 June 2024. DOI 10.3389/fendo.2024.1406248.

Research progress on osteoclast regulation by biodegradable magnesium and its mechanism. Wangwei Zhu, Weidan Wang, Xing Yang, Chunxiao Ran, Tianwei Zhang, Shibo Huang, Jiahui Yang, Fuyang Wang, Huiya Wang, Peng Wan, Fengyuan Piao, Faqiang Lu, Shengbo Shi, Ye Li, Xiuzhi Zhang and Dewei Zhao. Regenerative Biomaterials, 2025, 12, rbaf026.

2025-07-10 0 留言
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關於我們飛克應用螯合鈣

飛克技術概念:螯合鈣應用於調節腸道菌與微量營養素吸收之潛力

by Dr. Jeremy Hsu 2022-12-15

腸道微生物協助微量營養素於特定部位吸收

據估計,全球約有 20 億人缺乏微量營養素,包含維生素和礦物質,而缺乏微量營養素,最嚴重會產生立即危及生命的後果。缺乏營養素的原因,包括營養不良、飲食多樣性缺乏、疾病之病理現象、治療疾病造成之副作用等。對於微量營養素而言,腸道微生物群扮演著生物合成與生物利用度的重要角色,調控著人體微量營養素狀況。因此,科學家持續探討在人體中,如何維持宿主礦物質、維生素、腸道微生物之平衡,對人類健康的維持效用與治療作用。

下圖來自2021年的期刊論文1,探討腸道微生物群與宿主之間的微量營養素相互交換。在胃腸道的不同位置,因為理化性質的差異或特異性受體的存在,致使不同的維生素和礦物質能夠沿腸道吸收,而不同微生物在每個不同部分的定殖,亦會影響微量營養素的生物利用度。例如,維生素 C 和維生素 B7的吸收是透過 Na + 依賴性載體和三種葉酸特異性載體,維生素A和D的吸收則透過小腸的被動擴散;對於礦物質而言,鐵、鋅、鈣、鎂的主要吸收部位是在小腸中的十二指腸與迴腸,同樣存在主動或被動的載體與吸收機制。微量營養素對於腸道微生物的影響是雙向的,腸道微生物提供宿主微量營養素,而宿主攝入的營養和微量營養素,同樣也會大程度影響腸道微生物群的組成和功能。

促進微量礦物質吸收的腸道微生物

現在人的礦物缺乏,多是由於攝入食物的質量和數量的紊亂引起的。精緻的高熱量食物,導致礦物質供應不完整,而為了劇烈減肥搭配的飲食,也會讓人更缺乏礦物質。在體外,微生物能應用穀物的發酵,增加人類食物中微量元素的生物利用度;在體內,腸道菌群也同樣能發揮作用,影響礦物質的生物利用度。因為眾多研究均揭示了微生物對礦物質生物可及性的有益影響,使得科學家更加關注腸道微生物群與運動營養中幾種礦物質之間的相互作用。

下圖與下表來自2021年的期刊論文2,討論了與礦物質生物可及性和生物利用度相關的細菌菌株。作者專注於市場上常見的營養品補充劑,即鈣、鎂、鐵、鋅和硒這五種必需礦物質進行探討,發現Lactobacilllus spp. 乳酸菌(俗稱A菌)、Bifidobacterium spp. 雙岐桿菌(俗稱B菌),能促進這五種礦物質的吸收。

腸道益生菌促進鐵吸收的作用機轉

下圖同樣來自2021年的期刊論文2,探討微生物對於鐵的生物可及性和生物利用度的關聯性。鐵在腸細胞中通過跨細胞途徑轉運的簡化模型顯示,飲食的鐵以鐵蛋白、血紅素或 Fe2+ 的形式在腸細胞的E-AS (頂端側)吸收。其中, Fe2+ 的吸收這條路徑,竟受到腸道益生菌產生的SCFA (短鏈脂肪酸)的正面調控。DCYTB (十二指腸細胞色素b鐵還原酶),先將鐵從 Fe3+ 還原為 Fe2+,才可被腸細胞透過DMT1(二價金屬轉運體 1),將 Fe2+ 搭配H+ 一起送入腸細胞中,而E-AS的H+循環必須由NHE(Na+/H+ 交換劑)與微生物群產生的 SCFA共同支持。

鈣促進腸道中的A菌B菌生長

許多體外研究表明,鐵顯著影響腸道微生物群,然而,B菌(雙歧桿菌)能夠在大腸中結合鐵,從而限制形成在鐵存在下合成的自由基,從而降低結直腸癌的風險。因此,科學家推測有機會針對人類腸道微生物和礦物質之間相互作用,開發出新的保健預防模式或治療方式。

下表來自2017年的期刊論文3,探討鈣對於腸道微生物群的有利影響,由於鈣可以沉澱膽汁酸和脂肪酸,因此可促進腸道益生菌乳酸菌(俗稱A菌)與雙岐桿菌(俗稱B菌)的增生。

總結:

鈣在人類的腸道中,可以促進特定益生菌(A菌B菌)的生長。A菌B菌除了能增加五種必須礦物質,包含了鈣、鎂、鐵、鋅和硒之吸收,其中B菌還可在腸道中結合多餘的鐵,維持體內鐵總量的穩定。螯合鈣,為現行人體用於補充鈣最快速穩定的方式之一,如何將螯合鈣,應用於調節腸道益生菌與微量營養素之平衡,科學家在未來必然有機會提供更多的臨床實證。

參考文獻:

1.Noushin Hadadi, Vincent Berweiler, Haiping Wang and Mirko Trajkovski. Intestinal microbiota as a route for micronutrient
bioavailability. Current Opinion in Endocrine and Metabolic Research. 2021, 20:100285.

2.Viktor Bielik and Martin Kolisek. Bioaccessibility and Bioavailability of Minerals in Relation to a Healthy Gut Microbiome.       Int. J. Mol. Sci. 2021, 22, 6803.

3.Association between the gut microbiota and mineral metabolism: Gut microbiota and mineral metabolism. Journal of the         Science of Food and Agriculture 98(7). October 2017.

2022-12-15 0 留言
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