Дефицит цинка определяется либо как недостаток цинка для удовлетворения потребностей организма, либо как уровень цинка в сыворотке крови ниже нормального диапазона. Однако, поскольку снижение концентрации в сыворотке обнаруживается только после длительного или серьезного истощения, цинк в сыворотке не является надежным биомаркером статуса цинка. [1] Общие симптомы включают повышенную частоту диареи. Дефицит цинка влияет на кожу и желудочно-кишечный тракт; мозг и центральная нервная система, иммунная, скелетная и репродуктивная системы.
Дефицит цинка у людей вызван снижением потребления с пищей, недостаточным усвоением, повышенными потерями или повышенным использованием систем организма. Наиболее распространенной причиной является снижение потребления пищи. В США рекомендуемая диетическая норма (RDA) составляет 8 мг/день для женщин и 11 мг/день для мужчин. [2]
Самая высокая концентрация пищевого цинка содержится в устрицах , мясе , бобах и орехах . Увеличение количества цинка в почве и, следовательно, в сельскохозяйственных культурах и животных является эффективной профилактической мерой. Дефицит цинка может затронуть до 2 миллиардов человек во всем мире. [3]
Дефицит цинка может проявляться в виде прыщей , [4] экземы , ксероза (сухая, шелушащаяся кожа), себорейного дерматита , [5] или алопеции (тонкие и редкие волосы). [5] [6] Это также может ухудшить или даже предотвратить заживление ран. [6]
Дефицит цинка может проявляться в виде неспецифических язв в полости рта , стоматита или белого налета на языке. [5] В редких случаях это может вызвать угловой хейлит (язвы в углах рта). [7]
Тяжелый дефицит цинка может нарушить обоняние [6 ] и вкус . [8] [9] [10] [11] [12] [13] Куриная слепота может быть признаком тяжелого дефицита цинка, [6] хотя большинство сообщений о куриной слепоте и аномальной темновой адаптации у людей с дефицитом цинка приходится на в сочетании с дефицитом других питательных веществ (например, витамина А ). [14]
Нарушение иммунной функции у людей с дефицитом цинка может привести к развитию респираторных, желудочно-кишечных или других инфекций, например пневмонии. [6] [15] [16] Дефицит цинка влияет на уровни воспалительных цитокинов (например, IL-1β , IL-2 , IL-6 и TNF-α ) в плазме крови, а добавление цинка вызывает дозозависимый эффект. ответ на уровне этих цитокинов. [17] Во время воспаления наблюдается повышенная потребность клеток в цинке, а нарушение гомеостаза цинка из-за дефицита цинка связано с хроническим воспалением. [17]
Дефицит цинка способствует увеличению заболеваемости и тяжести диареи. [15] [16]
Дефицит цинка может привести к потере аппетита. [18]
Когнитивные функции, такие как обучение и гедонический тонус , нарушаются при дефиците цинка. [3] [19] Умеренный и более тяжелый дефицит цинка связан с поведенческими отклонениями, такими как раздражительность, вялость и депрессия (например, с ангедонией ). [20] При таких обстоятельствах прием цинка приводит к быстрому и значительному улучшению гедонистического тонуса (т.е. общего уровня счастья или удовольствия). [20] Сообщалось, что добавки цинка улучшают симптомы СДВГ и депрессии. [3] [21] [22]
Утверждается, что низкий уровень цинка в плазме связан со многими психологическими расстройствами. Шизофрения связана со снижением уровня цинка в мозгу. [23] Данные свидетельствуют о том, что дефицит цинка может играть роль в депрессии. [23] [24] [25] Добавки цинка могут быть эффективным средством лечения большой депрессии. [26] [27]
Дефицит цинка у детей может вызвать задержку роста [5] и считается причиной задержки роста у одной трети населения мира. [28]
Дефицит цинка во время беременности может негативно повлиять как на мать, так и на плод. Исследования на животных показывают, что дефицит цинка у матери может нарушить как последовательность, так и эффективность родового процесса. У животных с дефицитом цинка зарегистрировано увеличение частоты тяжелых и длительных родов, кровотечений, дистоции матки и отслойки плаценты . [29] Эти эффекты могут быть опосредованы дефектным функционированием эстрогена через рецептор эстрогена, который содержит белок цинкового пальца . [29] Обзор исходов беременности у женщин с энтеропатическим акродерматитом показал, что из каждых семи беременностей был один аборт и два нарушения функции, что позволяет предположить, что человеческий плод также восприимчив к тератогенным эффектам тяжелого дефицита цинка. Однако обзор исследований добавок цинка во время беременности не выявил значительного влияния добавок цинка на выживаемость новорожденных. [29]
Дефицит цинка может мешать многим метаболическим процессам, если он возникает в младенчестве и детстве, в период быстрого роста и развития, когда потребности в питании высоки. [30] Низкий уровень цинка у матери связан с меньшим вниманием в период новорожденности и ухудшением двигательного функционирования. [31] В некоторых исследованиях прием добавок был связан с моторным развитием у младенцев с очень низкой массой тела при рождении и более энергичной и функциональной активностью у младенцев и детей ясельного возраста. [31]
Цинк необходим для производства тестостерона. Таким образом, дефицит цинка может привести к снижению циркулирующего тестостерона, что может привести к половой незрелости, гипогонадизму и задержке полового созревания . [5]
Дефицит цинка может быть вызван диетой с высоким содержанием цельных зерен, содержащих фитаты , продуктами, выращенными на почве с дефицитом цинка, или обработанными пищевыми продуктами, содержащими мало цинка или вообще его не содержащими. [32] [33] По скромным оценкам, 25% населения мира подвержено риску дефицита цинка. [34]
В США рекомендуемая диетическая норма (RDA) составляет 8 мг/день для женщин и 11 мг/день для мужчин. Рекомендуемая суточная доза для беременных составляет 11 мг/день. Рекомендуемая суточная доза для лактации составляет 12 мг/день. Для младенцев до 12 месяцев рекомендуемая суточная доза составляет 3 мг/день. Для детей в возрасте 1–13 лет рекомендуемая суточная норма увеличивается с возрастом от 3 до 8 мг/день. [2] В следующей таблице перечислены большинство продуктов со значительным количеством цинка, перечисленных в порядке количества на порцию, без обогащения. [35] Обратите внимание, что все из 10 лучших позиций — это мясо, бобы или орехи.
Результаты недавних исследований показывают, что увеличение концентрации углекислого газа в атмосфере усугубит проблемы дефицита цинка у населения, которое потребляет зерновые и бобовые в качестве основного продукта питания . Метаанализ данных 143 исследований, сравнивающих содержание питательных веществ в травах и бобовых, выращенных в окружающей среде с повышенным содержанием CO2, показал , что съедобные части пшеницы, риса, гороха и соевых бобов , выращенных в условиях повышенного содержания CO2, содержат меньше цинка и железа. [37] Ожидается, что глобальная концентрация CO 2 в атмосфере достигнет 550 частей на миллион в конце 21 века. При таком уровне CO 2 содержание цинка в этих культурах было на 3,3–9,3% ниже, чем в культурах, выращенных в современной атмосфере. Модель влияния этих более низких количеств цинка на питание населения 151 страны предсказывает, что еще 175 миллионов человек могут столкнуться с дефицитом цинка в рационе в результате увеличения количества CO 2 в атмосфере . [38]
Энтеропатический акродерматит — это наследственный дефицит белка-переносчика цинка ZIP4 , приводящий к недостаточному всасыванию цинка. [6] Оно проявляется задержкой роста, тяжелой диареей, выпадением волос, кожной сыпью (чаще всего вокруг гениталий и рта), а также оппортунистическим кандидозом и бактериальными инфекциями. [6]
С дефицитом цинка связаны многочисленные заболевания тонкой кишки, которые вызывают разрушение или нарушение функции энтероцитов слизистой оболочки кишечника и генерализованную мальабсорбцию. [ нужна цитата ]
Физические упражнения, употребление большого количества алкоголя и диарея увеличивают потерю цинка из организма. [5] [39] Изменения всасываемости и проницаемости кишечного тракта, отчасти вызванные вирусными, протозойными или бактериальными патогенами, также могут способствовать потерям цинка с фекалиями. [40]
Механизм дефицита цинка при некоторых заболеваниях четко не определен; оно может быть многофакторным. [ нужна цитата ]
Болезнь Вильсона , серповидноклеточная анемия, хроническое заболевание почек, хроническое заболевание печени — все они связаны с дефицитом цинка. [41] [42] Это также может произойти после бариатрической хирургии , воздействия ртути [43] [44] и тартразина. [ нужна цитата ]
Хотя предельный дефицит цинка часто встречается при депрессии, низкий уровень цинка может быть либо причиной, либо следствием психических расстройств и их симптомов. [24]
Поскольку биосистемы не способны хранить цинк, необходим его регулярный прием. Чрезмерно низкое потребление цинка может привести к дефициту цинка, что может негативно повлиять на здоровье человека. [45] Механизмы клинических проявлений дефицита цинка лучше всего можно оценить, признав, что цинк действует в организме в трех областях: каталитической, структурной и регуляторной. [2] [46] Цинк (Zn) встречается только в окислительном состоянии +2, где он обычно соответствует тетраэдрической геометрии. Он важен для поддержания основных клеточных функций, таких как репликация ДНК , транскрипция РНК , деление клеток и активация клеток. Однако наличие слишком большого или слишком малого количества цинка может привести к нарушению этих функций.
Цинк является важнейшим компонентом каталитического центра сотен видов различных металлоферментов у каждого человека. Выполняя свою структурную роль, цинк координирует свои действия с определенными белковыми доменами, способствуя сворачиванию белков и образованию таких структур, как «цинковые пальцы». Выполняя свою регуляторную роль, цинк участвует в регуляции нуклеопротеинов и активности различных воспалительных клеток. Например, цинк регулирует экспрессию металлотионеина, который выполняет множество функций, таких как внутриклеточная компартментализация цинка [47] и антиоксидантная функция. [48] [49] Таким образом, дефицит цинка приводит к нарушению сотен метаболических путей, вызывая многочисленные клинические проявления, включая нарушение роста и развития, а также нарушение репродуктивной и иммунной функций. [5] [50] [51]
Pra1 (антиген 1, регулируемый pH) представляет собой белок Candida albicans , который поглощает цинк хозяина. [52]
Диагноз обычно ставится на основании клинического подозрения и низкого уровня цинка в крови. Любой уровень ниже 70 мкг/дл (норма 70–120 мкг/дл) считается дефицитом цинка. Дефицит цинка также может быть связан с низким уровнем щелочной фосфатазы, поскольку он действует как кофактор этого фермента. [ нужна цитата ]
Существует нехватка адекватных биомаркеров цинка , а наиболее широко используемый индикатор, цинк в плазме, имеет низкую чувствительность и специфичность . [53]
Дефицит цинка можно классифицировать как острый, поскольку он может возникать при длительном несоответствующем полном парентеральном питании без цинка ; или хронический, который может возникнуть при недостаточном питании или недостаточном всасывании. [28]
Можно использовать пять интервенционных стратегий:
Дефицит цинка затрагивает около 2,2 миллиарда человек во всем мире. [3] Тяжелый дефицит цинка встречается редко и в основном наблюдается у людей с энтеропатическим акродерматитом, тяжелым нарушением всасывания цинка из-за врожденного дефицита белка-переносчика цинка ZIP4 в энтероцитах . [5] Умеренный дефицит цинка из-за снижения его потребления с пищей является обычным явлением. [5] По скромным оценкам, 25% населения мира подвержено риску дефицита цинка. [34] Обеспечение человека микроэлементами, включая цинк, является одним из четырех решений основных глобальных проблем, определенных в Копенгагенском консенсусе международной группой экономистов. [57]
Важные исторические события, связанные с дефицитом цинка, начались в 1869 году, когда впервые было обнаружено, что цинк необходим для роста организма Aspergillus niger . [58] В 1929 году Лутц измерил цинк во многих тканях человека, используя метод дитизона, и оценил общее содержание цинка в организме человека массой 70 кг в 2,2 грамма. В 1933 году было обнаружено, что цинк необходим для роста крыс. [59] В 1939 году у пациентов с бери-бери в Китае было отмечено снижение уровня цинка в коже и ногтях. В 1940 году в результате серии вскрытий было обнаружено, что цинк присутствует во всех исследованных тканях. В 1942 году исследование показало, что большая часть выведения цинка происходит через фекалии. В 1950 году впервые был определен нормальный уровень цинка в сыворотке крови: он составлял 17,3–22,1 микромоль/литр. В 1956 году у пациентов с циррозом печени был обнаружен низкий уровень цинка в сыворотке крови. В 1963 году было установлено, что цинк необходим для роста человека, были описаны три фермента, которым цинк необходим в качестве кофактора, и был опубликован отчет о 21-летнем иранском мужчине с задержкой роста, детскими гениталиями и анемией, которые были вылечены благодаря добавки цинка. [60] В 1972 году было зарегистрировано пятнадцать иранских отказников от призыва в армию с симптомами дефицита цинка: все они отреагировали на цинк. В 1973 г. был описан первый случай энтеропатического акродерматита, вызванного тяжелым дефицитом цинка. В 1974 году Национальная академия наук объявила цинк незаменимым элементом для человека и установила рекомендуемую суточную норму. В 1978 году Управление по санитарному надзору за качеством пищевых продуктов и медикаментов потребовало, чтобы цинк присутствовал во всех жидкостях для парентерального питания. В 1990-е годы возросло внимание к роли дефицита цинка в детской заболеваемости и смертности в развивающихся странах. [61] В 2002 году белок-переносчик цинка ZIP4 был впервые идентифицирован как механизм всасывания цинка в кишечнике через базолатеральную мембрану энтероцитов. К 2014 году было идентифицировано более 300 цинксодержащих ферментов, а также более 1000 цинксодержащих факторов транскрипции. [ нужна цитата ]
В 1960 году было признано, что фитат удаляет цинк из питательных веществ, получаемых курами и свиньями. Однако то, что он может вызвать дефицит цинка у человека, не было признано до тех пор, пока Рейнхольд не работал в Иране в 1970-х годах. Это явление играет центральную роль в высоком риске дефицита цинка во всем мире. [62]
Почвенный цинк является важным микроэлементом для сельскохозяйственных культур. Почти половина зерновых культур в мире испытывает дефицит цинка , что приводит к низкой урожайности. [63] Многие сельскохозяйственные страны мира страдают от дефицита цинка . [64] В Китае дефицит цинка наблюдается примерно на половине сельскохозяйственных почв, затрагивая главным образом рис и кукурузу. Районы с почвами с дефицитом цинка часто являются регионами с широко распространенным дефицитом цинка у людей. Базовые знания о динамике цинка в почвах, понимание поглощения и транспорта цинка сельскохозяйственными культурами и характеристика реакции сельскохозяйственных культур на дефицит цинка являются важными шагами в достижении устойчивых решений проблемы дефицита цинка у сельскохозяйственных культур и людей. [65]
Внесение цинковых удобрений в почву и внекорневую обработку может эффективно повысить содержание цинка в зерне и снизить соотношение фитатов и цинка в зерне. [66] [67] У людей, которые едят хлеб, приготовленный из пшеницы, обогащенной цинком, наблюдается значительное увеличение уровня цинка в сыворотке крови. [ нужна цитата ]
Внесение цинковых удобрений не только увеличивает содержание цинка в культурах с дефицитом цинка, но и увеличивает урожайность сельскохозяйственных культур. [65] Сбалансированное питание сельскохозяйственных культур, обеспечивающее все необходимые питательные вещества, включая цинк, является экономически эффективной стратегией управления. Даже для сортов с низким содержанием цинка цинковые удобрения необходимы, когда доступный цинк в верхнем слое почвы истощается.
Селекция растений может улучшить способность растений поглощать цинк в почвенных условиях с низкой химической доступностью цинка. Селекция также может улучшить транслокацию цинка, что повышает содержание цинка в съедобных частях сельскохозяйственных культур по сравнению с остальной частью растения.
Центральная Анатолия в Турции была регионом с дефицитом цинка в почвах и широко распространенным дефицитом цинка у людей. В 1993 году исследовательский проект показал, что урожайность можно увеличить в 6–8 раз, а питание детей резко улучшить за счет внесения цинковых удобрений. [68] Цинк добавляли в удобрения. Хотя первоначально продукт был доступен по той же цене, результаты были настолько убедительными, что турецкие фермеры в течение нескольких лет значительно увеличили использование удобрений, обогащенных цинком (1 процент цинка), несмотря на изменение цен на продукты, чтобы отразить добавленная стоимость контента. Спустя почти десять лет после выявления проблемы дефицита цинка общий объем цинксодержащих сложных удобрений, производимых и применяемых в Турции, достиг рекордного уровня в 300 000 тонн в год. По оценкам, экономическая выгода, связанная с применением цинковых удобрений на почвах с дефицитом цинка в Турции, составляет около 100 миллионов долларов США в год. Дефицит цинка у детей резко сократился.