硅成为治疗骨质疏松的潜在药物
硅成为治疗骨质疏松的潜在药物
马忠明1，孙志健2
(1. 国家食品药品管理局，北京 100810；2. 中国农业大学食品科学与营养工程学院，北京 100083)
摘 要：硅是人体中一种必需的微量元素，与骨软骨及结蒂组织的代谢有密切的关系，对于骨质疏松症具有很好的治疗作用。硅不仅能够促进骨软骨胶原、蛋白多糖的合成，而且还促进结蒂组织的形成，并作为结蒂组织的组分起着结构的作用。硅的缺乏对生长发育及骨的代谢都有一定的影响。
关键词：硅骨；软骨；结蒂组织
中图分类号：G13.7
文献标识码：A
文章编号：1002-6630(2005)08-0542-03
早在半个世纪以前，人们就已注意到硅在动物体内的生物学作用。1970年，Carlisle E. M[1]等人进行的体外研究表明，硅分布在幼年小鼠和大鼠骨骼中生长旺盛的区域，并首次提出硅可能是一种必需的元素。随后，在体内实验中证实，硅能够影响骨的钙化速度[2]。硅缺乏可导致小鸡骨骼发育异常，补硅后小鸡可以恢复正常生长。近十余年来，有关硅在生物体内的分布、硅的生理、生化作用以及硅缺乏对人身体健康的影响和补硅的必要性等诸多方面研究日益增多。现在大量的研究已充分证实，硅不仅是骨、软骨组织和结缔组织正常生长所必需的微量元素。
作为人体一种必需的微量元素，硅广泛分布在人体各个组织器官和体液中，而且不同组织硅的含量相差很大。人胚胎组织中硅含量为 18～180 μ g/g，而成人组织为 23～460 μ g/g；如按平均 260 μ g/g 计，一个 70kg 体重的成人全身含硅总量约 18g，占体重的 0.026%。
1 硅与骨软骨及结蒂组织代谢
早在 70 年代，硅就被认为是高等动物和人类所必需的微量元素。三十余年积累的研究资料表明，硅能维持骨骼、软骨和结缔组织正常生长，同时还参与其它一些重要的生命代谢过程。
1.1 参与骨基质的钙化过程
利用电子微探针技术，Carlisle[4]等人在体外研究发现，幼年小鼠和大鼠骨质生长活跃区有硅的聚积。在钙化早期的生长活跃区，硅与钙的含量都很低。随着钙化过程的进行，两者含量均有所增加。接近钙化完成时，骨组织中硅含量显著下降。骨组织发育成熟时，硅的含量更低。进一步研究发现，在骨组织中钙、磷摩尔比值为 0.7 左右时，硅的含量最高；在发育成熟的骨组织中，两者比值接近 1.67 时，硅的含量降到检测限以下[5]。不仅如此，体内的研究还发现，硅的摄入量与骨基质钙化之间也有一定的相关关系。硅摄入量增加，可使食用低钙饲料大鼠胫骨的灰分值增加 35%。说明硅可以提高骨的矿化速度，使骨骼发育日趋成熟。
Carlisle[6]于1970年用电子微探针分析表明，硅集中于年幼骨狭窄生长活跃地区，该处与骨成熟有关。年幼大鼠长骨与骨样组织间硅含量为 0.01～0.06%。越接近骨小梁其含量越高，在骨小梁边缘处已高达 0.12%。此后，其含量逐渐下降，而钙含量与其相反，由 0.06% 升至 27.8%。在骨小梁处硅含量很低，但钙含量仍高达 15%～20%。在干细胞端小血管内，还可发现硅，但而未见钙的存在。由于干细胞端血管的入侵可引起骨基质一系列变化而导致钙化，所以在骨样组织与骨小梁交界处和干细胞血管中存在硅的事实都进一步表明硅参与骨的钙化过程。
1.2 参与骨、软骨基质与结缔组织的形成
在骨组织和软骨组织生长的过程中，均伴随有大量的胶原合成。研究发现，硅可以使骨和软骨基质中的胶原含量明显增加，同时脯氨酸、总蛋白及非胶原蛋白的含量也显著增加[7]。脯氨酸羟化酶 (prolyl hydroxylase) 是胶原合成过程中的关键酶，它的活性可以反映胶原生物合成的速度。在体外培养的鸡胚脑骨培养液中添加硅，可使骨组织中脯氨酸羟化酶的活性升高，说明胶原生物合成过程中需要硅。X 射线微量分析表明，在幼骨生长区的成骨细胞中，硅是重要元素之一，其含量与钙、镁及磷接近，它主要聚积在成骨细胞的线粒体内。进一步说明硅在基质形成中发挥重要的生理作用。另外，硅还可以促进结缔组织细胞形成细胞外的基质，使胶原含量增加，基质中多糖含量升高[8]。
1.3 结缔组织的组成成分
硅不仅在结缔组织形成过程中具有一定生理意义，同时还作为结缔组织的组分起着结构的作用。在动物的
专题论述
食品科学
糖胺聚糖(gl ycosaminoglycans)及其与蛋白的化合物中，均有硅的存在[9]。在高等动物体内，硅与糖胺聚糖、透明质酸、硫酸软骨素及硫酸角质共价结合，作为细胞外无定形基质，包围着胶原纤维、弹力纤维和细胞表面。已经证明，硅实际上是蛋白多糖复合物的一个组分。从复合物可以分离出含有硅的小分子化合物，硅分别与多糖或蛋白结合在一起[10]。
硅原子具有的独特性能有助于大分子化合物的形成，它能在多糖链内或链间以及多糖链与蛋白质多肽链之间形成交联，促进细胞外骨架网状结构的形成，促进结缔组织纤维成分的充分发育，并增强其强度和抗性，以便维持结构的完整性[11]。
2 硅的吸收及其代谢与排泄
硅作为硅酸盐、Si O₂或粘多糖中有机结合硅进入消化道，然后硅藻颗粒通过胃壁及小肠粘膜吸收进入淋巴和血液到达全身组织。一项基于 Framingham 研究人群和 Framingham 后代人群的大型研究表明，进食含硅丰富的食物后，100～120 m n，硅的血清浓度达到最高值，之后逐渐下降[12]。膳食中硅的形式决定了它能否很好地被吸收，在一项人体试验中，一次大剂量的氧化铝—硅酸盐复合物只能吸收约 10%，而一次剂量的水杨酸甲基硅烷三醇(一种治疗循环系统缺血和骨质疏松的药)却可吸收 70%以上[13]。一般食物和液体中的硅都能较好地被吸收。一些因素(如衰老、雌激素低、内分泌紊乱)可明显降低硅的吸收能力[14]。
在血浆中硅不与蛋白质结合，几乎全部以未解离的单体硅酸形式存在，被吸收的硅主要通过尿排出体外，在尿中以正硅酸镁的形式存在，只有极微量的硅被肾小管重吸收。有研究报道，随着硅摄入的增加，人、大鼠和豚鼠尿中硅的排出量也增加。在前 6 h 中，尿硅的排出量占总摄入硅的 38.2%± 10.9%[15]。硅摄入量和尿硅排出量之间存在明显的正相关关系。所以尿中硅含量可以作为胃肠道硅摄入的一个良好指标，由此判断某些食物中硅吸收率的高低。
3 硅的需要量及食物和其它来源
上述基于 Framingham 及其后代研究人群的研究还表明，男性每日硅的摄入量 30～33 mg，女性为 24～25 mg，男性较女性高。随着年龄的增加硅的摄入量逐渐减少。平均年龄每增加一岁，每日硅的摄入量减少 0.1 mg。男性硅摄入的主要来源是啤酒和香蕉，女性硅摄入的主要来源是香蕉和青豆[16]。
到目前为止，每个人每日最少硅摄入量还没有准确的数值。一般认为平均每天硅摄入量的范围是 20～50 mg。由美国 FDA 总膳食研究中心计算的硅摄入量，女性为 19 mg/d，男性为 40 mg/d。一项人的硅平衡试验表明，经口摄入的硅每天约 21～46 mg[16]。
食物和饮水是人体硅摄入的主要来源。但人总的膳食硅摄入量随摄入食物的种类、数量和比例，以及膳食中精制和加工食品数量的变化而差别很大。正常情况下，精制过程是食物中硅的含量减少。但是，近几年来以硅酸盐添加剂作为抗粘结剂或消泡剂已越来越多地应用于食品制备和糖果加工，这使得总的膳食硅的摄入有所增加。植物性食物中硅的含量较动物性食物高，多以单硅酸和固体 Si O₂形式存在，其含量因品种、生长期和土壤不同而异[17]。饮水和用水制备的饮料中硅的含量有地区性差异，硬水中硅含量高，而软水中硅含量低。硅最丰富来源的食物为含高纤维的未精制谷物和谷类制品，如大米、全餐面包和面条。在蔬菜和水果中，根茎类蔬菜、青豆和香蕉、葡萄干中硅的含量较高[18]。
4 硅缺乏与生长发育及骨代谢
自从 Carlisle 和 Schwarz 等人于 1972 年发现硅是鸡和大鼠生长和发育必需微量元素后，硅对生命过程作用和健康、疾病的关系日益引起人们重视。近年来，通过对硅的生物、生化代谢、生理作用等一系列研究，已初步表明它是人类必需微量元素之一，它的摄入、代谢不平衡与骨疾患都密切相关。
硅是高等动物粘多糖——透明质酸、硫酸软骨素、硫酸角蛋白的重要组成成分，这些物质与蛋白质共价结合为细胞外无定形基质围绕胶原、弹力纤维和细胞。Carlisle 等于 1976 年证实，硅缺可影响粘多糖的合成，从而影响软骨基质和结缔组织的生成。
硅缺乏时，小鸡瘦小、衰弱、发育不良、骨骼变细、骨皮质薄、腿骨弹性差、头颅小、颅骨扁平。与对照组小鸡比较，硅缺乏小鸡股骨变细。显微镜下，骨小梁数量减少，呈幼稚状态，钙化不良；成骨细胞的数量明显减少；骨基质中胶原含量下降。小鸡的关节软骨和结缔组织也同时受累，腿部和鸡冠较小；胫骨、跖骨与胫股关节明显变小；胫股关节和胫跖关节的软骨组织减少；胫骨近侧骺端与干骺端关节软骨窄小；关节软骨中的己糖胺含量下降。另一种类型的结缔组织——鸡冠中，己糖胺含量也显著下降。在补充硅以后，鸡冠中的结缔组织和己糖胺的含量都能显著提高，同时小鸡生长不良的状况也得以恢复正常。用 14 天鸡胫额骨作器官培养，观察到低硅培养的鸡胫额骨生长不良，补充硅 12 d 后，骨组织中胶原和骨钙含量都显著增加，骨胶原含量是硅缺乏组的两倍，同时基质中己糖胺合成的速度也明显加快[20]。
在大鼠体内也观察到了与小鸡类似的现象。硅缺乏大鼠骨发育受阻，颅骨变小、牙釉质受损，并见牙齿色素沉着，补充硅后情况明显改善[3]。
5 小 结
大量的直接和间接的证据表明，硅元素是包括人在内较高等动物的必需微量元素之一，是促进生长发育和人体代谢的重要元素。硅能促进胶原合成和骨基质钙化；促进骨形成的同时，还能抑制骨吸收。在我国目前骨质疏松症发病率逐年上升，膳食硅吸收有限的情况下，补充硅将能有效预防和治疗骨质疏松症，成为治疗骨质疏松的潜在药物之一。
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