锶元素的生物学功能及其在人体内的代谢研究进展

摘 要：目的：目前富锶产品主要的矿泉水为主，研究锶的生物学功能对于富锶类食品的研发很有必要。方法：综述了锶的理化性质、含量、锶在人体内的代谢吸收、锶与人体健康的关系以及水中锶的安全水平的科学报告和结果，并对富锶牛奶的研究提出了展望。结果与结论：锶能够促进成骨细胞的形成与抑制破骨细胞的吸收，可能通过降低氧化应激对精液产生保护作用或通过影响钙的特异性识别过程来改善精液质量，还可能通过降低内质网应激相关蛋白的表达来减轻肝脏脂肪变性。世界卫生组织还没有建立饮用水中锶的标准值，大多都是通过动物模型或流行病学调查对锶的安全剂量给出参考，锶的最佳摄入量或服用量都还有待研究。

关键词：锶;理化性质;吸收代谢;生物学功能

锶作为维持机体生命活动必需的微量元素之一，其功能与作用尚未完全揭晓，越来越多的研究表明，锶在人体健康方面发挥着重要作用。锶能够促进骨骼吸收、预防骨质疏松症、对精液的形成以及非酒精性脂肪肝的预防方面都有着积极的作用。目前锶在人体内的作用还没有被完全解释，其生物学功能、膳食营养功能及营养数据还有待研究。食物和饮水是人体锶摄入最普遍与安全的途径，食物中含锶量与其种类、种植地水质以及土壤含锶量有关，大米、蔬菜与乳制品等食物中锶含量相对较多。我国富锶产品类型少，以矿泉水为主，而目前人类的生活用水则主要是自来水和纯净水，所以从水中摄入的锶含量可能存在不足的情况，所以提高食物中锶含量是保证人体正常摄取锶的一种简便有效的方式。罗军强等[1]对研究区（湖北省钟祥市）不同品种类型水稻中锶的含量进行了测定，结果显示，该区水稻中锶的含量分布不均匀，范围为0.36～1.893 mg/kg，其富集系数在0.4%～1.8% ，优于普通稻米（0.2 mg/kg）中锶含量。同时通过相关性分析发现，当根系土壤中全量锶在70 mg/kg以上时，稻米锶含量在0.6 mg/kg样本数量最多;土壤pH介于6.5～7.5，稻米锶含量明显富集，可以作为生产富锶水稻的参考。彭闯[2]对辽宁省法库县全域水中的锶进行了测定，水中平均含锶量为0.89 mg/L，并结合当地肉驴养殖产业发展的基础，对富锶驴肉的产业化开发的相关条件进行了分析。综上所述，锶在人体健康以及医学研究领域都有着不可替代的作用，但是日常生活中锶的摄入量却达不到人体正常的需要，所以开发富锶类食品是必要的。人们对锶的研究还处于初级阶段，本研究就锶的理化性质、含量、锶在人体内的代谢吸收及锶与人体健康的关系、锶的安全水平进行综述，以期为锶及富锶食品的研究提供科学依据。

1 锶元素的理化性质

锶（Sr）是元素周期表中第二主族（碱土金属）中的一种化学元素，它的原子序数是38，标准原子质量为87.62。1808年英国化学家戴维利用电解法从碳酸锶（SrCO3）中分离出了金属锶，就命名为strontium，元素符号用Sr表示，而1889年英国化学家阿代尔·克劳费德在苏格兰对该元素进行了首次确认。锶是一种柔软的银白色金属，室温下略带淡黄色，具有面心立方晶格（α-Sr），在231℃时可转变为六方相（γ-Sr），在623℃时转变为体心立方相（γ-Sr）。天然状态下锶（稳定锶）由4种稳定同位素组成：84Sr约0. 56%、86Sr 约9. 86%、87Sr约 7.02%、88Sr约82. 56%。放射性锶共有3种形态： 85 Sr（半衰期 64.8 d）、89 Sr（半衰期 50.5 d）、90Sr（半衰期28年）。

锶的化学性质活泼，在自然界中无法单独存在，通常以化合物的形式存在于天青石（SrSO4），含锶45%～47%;菱锶矿（SrCO3），含锶55%～60%等矿石中[3]。锶在空气中加热时会燃烧，同时其粉末能够在室温下点燃，且火焰呈洋红色，对浓碱有很强的抵抗力，易与水和酸作用而放出氢。锶的主要化合物有：氧化锶（SrO）、过氧化锶（SrO2）、碳酸锶（SrCO3）、硫酸锶（SrSO4） 、铬酸锶（SrCrO4）、钛酸锶（SrTO3）、氯化锶（SrCl2），目前主要用于医药、制造合金、光学材料、烟火药剂、阻燃材料、颜料以及分析化学试剂等[4]。

2 环境与生物系统中锶的含量

元素锶广泛分布于岩石、土壤、水、空气和几乎所有的生物体中，以盐或电离二价阳离子的形式存在于相关介质中。锶元素在地壳中的克拉克数为3.8×10-2，与钡的克拉克数接近，其在下列岩石中的平均含量依次为：中火成岩（4.4×10-2%）、沉积岩（3×10-2%）、镁铁质火成岩（4.4×10-2%）、长英质火成岩（3×10-2%）、超铁镁质火成岩（1×10-3%）[5]。锶的主要矿物是天青石（SrSO4）和锶铁矿（SrCO3），也可以在钙、钡和钾矿物的晶格中以同构混合物的形式存在，矿石和含有石膏、硬石膏、岩盐、白垩岩和白云石的沉积岩中也含有一定量的锶。

土壤中锶的平均浓度（0.035%）与地壳中锶的克拉克数非常相似，但是在某些地区土壤中锶的平均浓度可以增加到0.2%，是因为锶在土壤和沉积物中具有流动性的特点，可以被土壤中的氧化物、粘土矿物和有机物等吸附，其中有机化合物对锶从土壤中转移到地下水中的流动性的影响很大[6]。海洋中锶的含量高于岩石圈中的锶，海水中锶的平均浓度为8 mg/L，表层淡水中锶的平均浓度为0.08 mg/L[7]。陆地动植物干生物量中锶平均含量分别为（8×10-2）%和（10-3～10-2）%，水生生物比陆生生物对锶的积累量更大：锶是海洋生物群积累的第四大常见元素，仅次于铜、锌和钡，海藻的锶含量为0.14%～26%（干重），海洋动物中锶的平均含量为0.5%～2%[8]。锶不是一种生物元素，但它很容易被植物吸收，人与动物食用的植物中锶的积累取决于土壤中锶的含量和植物的类型，有时土壤中锶的浓度达到600 mg/kg也是正常的，过量的锶浓度（600～1 000 mg/kg）可能会导致农作物中锶浓度的升高[9]。食品和作物中锶的典型浓度（mg/kg）：小麦3.0、黑麦7.8～70.2、大麦43.2、荞麦2.7～6.8、豌豆6.5～39、玉米0.000 8～0.02、土豆0.05、燕麦0.46、三叶草1.3、大豆138、青贮63[10]。

3 锶在人体内的吸收与代谢

锶和钙属于同族元素，其理化性质和生理功能与钙相似，同时其在体内的吸收方式以及载体也与钙有类似。有文献[3]报道，在人体内锶的吸收部位为空肠，吸收时需要骨化三醇和钙离子的帮助，通过肠上皮钙通道（ECaC2）转运体完成。还有学者认为，锶在小肠内以被动扩散的形式被吸收，但之后却有人提出，锶的吸收途径既有主动转运，也有被动扩散，具体取决于锶的浓度，当小肠内锶的浓度较低时以主动转运为主，浓度较高时以被动扩散为主[11]。细胞对锶的吸收则是通过膜表面的钙泵来进行的，当锶离子进入细胞后会与细胞内的三磷酸肌醇受体 （IP3R） 结合，随后激活该受体进行下一步转运，同时该过程的变化会影响细胞内和骨矿化过程中钙介导的生化过程[12]，因为在这一转运过程中要释放一定程度的Ca2+。与钙不同的是，锶的分子量大于钙，细胞对其的转运比较困难，因此其吸收率通常只有钙的60%～70% [13]。

人体中锶的摄取主要来自饮用水和食物，锶不易被人体吸收，其吸收水平约为25%～30%[14]。在世界大部分地区，成年人锶的每日总摄入量约为4 mg，其中，0.7～2.0 mg来自饮用水，1.2～2.3 mg来自食物（叶菜、谷物和乳制品），通过空气吸收锶的贡献微乎其微[15]。然而，在食物洗涤和烹调过程中，饮用水中的锶会被食物中带负电荷的聚合物（蛋白质和多糖）所吸收[16]，所以在饮用水或土壤中锶浓度升高的地区，每日锶的摄入量可能会显著增加。锶的吸收可能还受到维生素D、胃肠道功能及年龄的影响，随着年龄的增长，锶的吸收率可能会下降，与婴儿相比，老年人对于锶的摄取率可下降80%，但也有人认为与年龄和性别无关[17]。

锶与钙在人体的代谢过程存在相似性且相互影响，两者都具有“趋骨性质”，在骨骼和血液中不断进行转换，处于动态平衡。当机体摄入的锶含量增大时，骨骼中的锶含量会相应的升高，同时还会增长血液锶的摄入时间[18]。血液和骨骼中的锶与钙主要通过肾脏排出，少部分通过乳汁和粪便排出。在肾小球中，锶可以轻松地过滤到初级尿液中，然而与钙相比，锶由于分子量较大，所以锶的管状重吸收要比钙低3倍，同时还会与钙的转运体ECaC1和ECaC2发生竞争，这就导致了锶在肾脏的排出率高于钙[12]。

4 锶对人体健康的作用

4.1 锶对骨骼的作用

骨骼的正常生长需要很多的元素来维持，其中锶也是必需的一种元素。锶对人体的功能主要是与骨骼的形成密切相关，主要体现在2种对立的机制：促进成骨细胞的形成与抑制破骨细胞的吸收。成骨细胞负责产生骨细胞物质成分，参与骨形成过程;破骨细胞反过来影响骨吸收的过程，通过分泌水解酶来溶解骨成分并吞噬它们，从而破坏骨组织[19]。具体表现于锶对骨组织的双向作用，一方面在于增加成骨细胞的增殖和分化，从而促进了新骨组织的形成，成骨基因如Runx、ALP、BSP和BGP的表达增加证明了这一点[20]。另一方面，锶会抑制破骨细胞的形成和分化，促进破骨细胞的凋亡，从而减少骨吸收[30]。最后锶还可以促进成骨细胞中骨基质蛋白的合成以及相关细胞的凋亡，从而促进成骨细胞的存活[21]。

锶影响骨骼的机制尚未完全阐明。钙检测受体 （Calcium-sensing receptor，CaSR）能够对钙离子浓度非常微小的波动做出反应，并激活一系列信号，从而促进钙离子恢复到正常水平[22]，而锶特定的过程主要是通过CaSR进行的[23]。研究表明，这种受体也存在于成骨细胞和破骨细胞中，是甲状旁腺中CaSR的同源物[24]。在骨组织中，CaSR调节钙的浓度和骨细胞中发生的过程中Sr2+也可以激活CaSR[22]。锶离子通过成骨细胞上的CaSR受体作用增加护骨素（Osteoprotegerin，OPG）的产生，影响破骨细胞成熟阶段的信号通路，从而抑制破骨细胞凋亡。已有研究表明，Sr2+与Ca2+结合具有促进骨细胞增殖和骨形成的作用，但这与Ca2+的浓度有关系，Sr2+只有与合适的Ca2+环境结合才能发挥成骨作用[25]。同时还表明，锶对骨再生的双重行为与钙浓度有关，且锶对骨形成的影响依赖于钙的浓度，锶在低剂量下抑制骨再生，在高剂量下促进骨再生[25]。

4.2 锶与骨质疏松症

骨质疏松症是一种骨骼系统的代谢性疾病，这是一个普遍存在的公共卫生问题，可能导致残疾，特别是在老年人中。由于其潜伏的、无症状的病程，它通常在骨折发生时首先被诊断出来。在骨质疏松症治疗中，通常使用抗吸收药物或合成代谢药物，这些药物通常有单向作用，即抑制破骨细胞的活性或刺激成骨细胞的作用。而锶对骨质疏松的治疗作用主要体现于雷奈酸锶，它是一种对骨细胞有双重作用的药物。与其他通过刺激成骨细胞活性或抑制破骨细胞活性来发挥作用的药物相反，雷奈酸锶对骨组织有多重作用：能够通过影响骨组织的细胞从而显著影响骨组织矿物质部分的重塑，进而导致皮质和松质骨体积的增加，刺激骨形成并改善其微结构，从而来增加骨骼的机械强度并改善骨组织的整体质量[26]。其次雷奈酸锶在刺激成骨细胞活性的同时还能减少破骨细胞的分化和吸收作用，从而增加胶原和非胶原蛋白质的合成[21]。雷奈酸锶治疗骨质疏松症的推荐剂量是2 g/d，以混悬剂的形式口服[27]。在临床实验中，上述剂量使用了3年未发现异常，而在连续5～10年的随访研究中得到的长期结果却发现，雷奈酸锶存在严重的副作用，对心血管和非致命性心肌梗死存在风险[28]。对此，欧洲药品管理局（EMA）发布了一份关于雷奈酸锶如何使用的概述，并对其进行了许多限制[29]。因此，为了将口服给药的严重副作用降至最低，雷奈酸锶的另一种给药方式已被寻求。

4.3 锶与精液质量

一系列报告指出，在过去几十年中，精子数量和浓度反映出人类精液质量确实在下降[30]。越来越多的研究表明，暴露于镉、铅、汞等非必需元素会对精液质量造成不利影响[31]，而暴露于某些必需元素，如硒和锌，已被观察到对精液质量有有利影响，因为这些元素通常是维持正常精子发生和精子成熟所必需的。有研究[32]表明，Sr2+可以改善动物和人类的精子活力、获能和顶体反应。临床研究[33]结果显示，在单精子胞浆内注射（Intracytoplasm sperm injection，ICSI）后用含Sr2+的培养基激活人工卵母细胞可以提高受精率、临床妊娠率和活产率等。一份关于8对受精率低或完全受精失败夫妇的报告显示，在用Sr2+激活卵母细胞后，受精率和高质量卵裂胚胎的比例都有所增加[34]。最近，伊朗的一项临床研究也发现，Sr2+促进了ICSI后高质量胚胎的发育[35]。以上研究结果表明，Sr2+对人类生殖健康方面存在积极的作用，然而有关锶对男性生殖健康不利影响的报道同样也不容忽视。