本文演示了如何制备和施用转铁蛋白结合的非放射性同位素铁,用于小鼠妊娠期间铁转运的研究。同时描述了定量胎盘胎儿各部分中同位素铁含量的方法。
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本文演示了如何制备和施用转铁蛋白结合的非放射性同位素铁,用于小鼠妊娠期间铁转运的研究。同时描述了定量胎盘胎儿各部分中同位素铁含量的方法。
铁对妊娠期间的母体和胎儿健康至关重要,人类维持一次健康妊娠大约需要1克铁。胎儿体内的铁完全依赖于通过胎盘的铁转运,而这种转运过程的紊乱可能导致不良妊娠结局。在小鼠中,传统上测量胎盘铁通量依赖于放射性铁同位素,这种方法虽然灵敏度高,但操作繁琐。稳定铁同位素(57Fe 和 58Fe)为人类妊娠研究提供了非放射性的替代方案。
在生理条件下,转铁蛋白结合铁是胎盘摄取铁的主要形式。因此, 58转铁蛋白-铁通过静脉注射给予妊娠母鼠,以直接评估胎盘铁转运,并规避母体肠道铁吸收这一混杂因素的影响。采用电感耦合等离子体质谱法(ICP-MS)定量胎盘及小鼠胚胎组织中的同位素铁含量。这些方法也可应用于其他生理或疾病动物模型系统中,用于定量分析 体内 铁动态
铁对于多种代谢过程至关重要,包括生长发育、能量生成和氧气运输1。铁稳态的维持是一个动态且协调的过程。铁在十二指肠从食物中被吸收,并与铁转运蛋白转铁蛋白(transferrin, Tf)结合,通过血液循环输送到全身。几乎所有细胞都利用铁参与酶促反应,铁被整合到新生红细胞的血红蛋白中,并由巨噬细胞从衰老的红细胞中回收再利用。当体内铁过量时,铁储存在肝脏中,并通过出血或细胞脱落而丢失。循环中铁的含量取决于铁的消耗与供给之间的平衡,其中铁的供给受到肝脏激素铁调素(hepcidin, HAMP)的严格调控,HAMP是铁稳态的核心调节因子1。铁调素通过封闭铁输出蛋白ferroportin(FPN)或诱导其泛素化并降解,从而限制血液中铁的生物可利用性2。功能性FPN减少会导致膳食铁吸收降低、肝脏中铁的隔离增加以及巨噬细胞中铁的再循环减少1。
铁调素(hepcidin)受铁状态、炎症、促红细胞生成作用以及妊娠的影响(详见文献3综述)。鉴于铁稳态具有高度动态性,了解并测量总铁池、铁的分布与周转至关重要。动物研究传统上依赖放射性铁同位素来测定铁代谢动态,该方法虽然灵敏度高,但操作繁琐。然而,在包括本研究在内的近期研究中4,已采用非放射性的稳定铁同位素(58Fe)来测定妊娠期间的铁转运过程5,6,7,8,9。稳定同位素是研究营养素代谢的有力工具(详见文献10综述)。在人体研究中应用稳定铁同位素已表明:i)铁吸收在妊娠末期增加5,6;ii)膳食铁向胎儿的转运依赖于母体的铁状态7;iii)母体摄入的血红素铁比非血红素铁更容易被胎儿利用8;iv)铁向胎儿的转运与母体铁调素水平呈负相关8,9。这些实验通过检测血清中铁同位素或其在红细胞(RBCs)中的掺入量来评估铁代谢;然而,仅测量掺入红细胞的铁可能低估真实的铁吸收量9。在本研究中,同时检测了组织中血红素铁和非血红素铁的含量。
妊娠期间,铁元素对于支持母体红细胞容量的增加以及通过胎盘向胎儿转运以支持其生长发育至关重要11。胎儿体内的铁储备完全依赖于铁通过胎盘的转运。在人类12和啮齿类动物4,13妊娠期间,铁调素(hepcidin)水平显著下降,从而增加血浆中铁的可利用性,促进其向胎儿的转运。
胎盘铁转运的基本原理最初是在20世纪50至70年代利用放射性示踪剂(59Fe 和 55Fe)进行表征的。这些研究确定,铁通过胎盘的转运是单向的14,15,而转铁蛋白结合双铁(diferric transferrin)是胎盘和胎儿获取铁的主要来源16,17。目前对胎盘铁转运的理解已更为全面,但仍有一些关键的铁转运蛋白和调控机制尚未明确。小鼠模型对于理解铁的调控与转运至关重要18,因为其关键转运蛋白和机制与人类极为相似。人和小鼠的胎盘均为血绒毛膜型(hemochorial),即母体血液直接与胎儿绒毛膜接触19。然而,两者在结构上仍存在一些显著差异。
合体滋养层是胎盘中分隔母体与胎儿血液循环的细胞层,可主动转运铁及其他营养物质20在人类中,合体滋养层为单层融合细胞。相比之下,小鼠胎盘则包含两层合体滋养层。21,Syn-I 和 Syn-II。然而,Syn-I 与 Syn-II 界面处的缝隙连接允许营养物质在两层之间扩散22,23因此,这些细胞层发挥着类似于人类合体滋养层的单一合胞体层功能。Rossant 和 Cross 综述了人类与小鼠胎盘之间的其他相似性与差异。21胎盘铁转运由母体血液中的转铁蛋白结合铁(iron-Tf)与合体滋养层顶膜侧的转铁蛋白受体(TfR1)结合而启动24该相互作用通过网格蛋白介导的内吞作用诱导铁-转铁蛋白/转铁蛋白受体1(iron-Tf/TfR1)内化25铁随后在酸性内体中从转铁蛋白(Tf)释放26,通过一种尚未明确的铁还原酶还原为亚铁离子,并由一种尚未确定的转运蛋白从内体转运至细胞质。铁在合体滋养层细胞内的分子伴侣机制仍有待阐明。最终,铁通过定位于合体滋养层基底侧或面向胎儿侧膜上的铁输出蛋白FPN转运至胎儿侧(详见综述于27).
为了理解转铁蛋白受体1(TfR1)、铁转运蛋白(FPN)和铁调素(hepcidin)的生理与病理调控如何影响胎盘铁转运,研究中采用了稳定铁同位素,以定量测定铁从母体循环向胎盘及胚胎的转运过程体内4。本文介绍了向妊娠小鼠制备和给予同位素标记的转铁蛋白-铁的方法、组织样本的处理以用于电感耦合等离子体质谱(ICP-MS)分析,以及组织中铁浓度的计算方法。稳定铁同位素的体内应用可被推广至不同动物模型,用于研究生理和病理条件下的铁代谢调控与分布。
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所有动物实验方案和实验操作均经加州大学洛杉矶分校机构动物护理和使用委员会(IACUC)批准。
1. 58Fe-Tf 的制备
注意:本实验方案使用58Fe;然而,57Fe也可采用完全相同的实验方案。这两种同位素均可作为常规铁化学试剂使用和处置,无需采取额外防护措施。
2. 建立定时小鼠妊娠模型
3. 对 E17.5 孕鼠静脉注射 58Fe-Tf
4. 通过 ICP-MS 进行定量铁分析的组织样品处理
5. 数据分析
注意:ICP-MS 数据以 ng/mL 或 mg、ppb 为单位提供了 56Fe 和 58Fe 的浓度(表1)。56Fe 是自然界中丰度最高的铁同位素,其测量值反映了整个妊娠期间铁在胎盘/胚胎中的累积情况,而 58Fe 的测量值则反映了注射后 6 小时内转移的铁量。

图1:实验方案步骤的可视化概要。 (A) 制备 58Fe-转铁蛋白。B) 在体 给药 58Fe-转铁蛋白。C组织采集与保存D胎盘和胚胎肝脏中金属元素种类的定量处理(采用ICP-MS法)。缩写:Fe = 铁;NTA = 氮川三乙酸;Tf = 转铁蛋白;PPS = 蛋白沉淀液;Sup = 上清液;TCA = 三氯乙酸;ICP-MS = 电感耦合等离子体质谱 请点击此处以查看此图的放大版本。
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一项早期研究利用稳定的铁同位素测量铁的转运,结果表明母体铁缺乏会导致胎盘铁输出蛋白FPN表达下调4。FPN是目前已知唯一的哺乳动物铁输出蛋白,其在胚胎发育过程中的缺失会导致胚胎在E9.5之前死亡29。为了确定FPN表达的降低是否在功能上导致胎盘铁转运减少,研究人员将58Fe-Tf经静脉注射入妊娠母鼠体内,并在母体铁缺乏条件下定量分析了胎盘和胚胎中的铁含量。
为了研究母体铁状态如何影响胎盘铁转运,研究人员在小鼠中建立了铁缺乏模型4。雌性C57BL/6小鼠在妊娠前及整个妊娠期间被饲喂低铁饮食(4 ppm 铁)或标准饲料(185 ppm 铁),持续2周。该饮食方案导致与饲喂标准饲料的小鼠相比,实验组母鼠在E12.5、E15.5和E18.5时期的肝脏非血红素铁、血清铁及血红蛋白水平降低4。在E18.5时,来自铁缺乏母鼠的胚胎其肝脏铁含量较低,且表现为低血清铁和贫血,而来自铁充足母...
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铁在许多生物过程中具有重要作用,其在体内的转运和分布具有高度动态性并受到严格调控。稳定铁同位素为评估铁稳态动态提供了可靠且便捷的替代方案,可取代放射性同位素。该实验方案中的关键步骤是准确记录所有组织的重量和体积。铁是一种元素,既不能被合成,也不能被分解。因此,只要仔细记录所有重量和体积数据,即可通过计算精确追踪系统内全部铁的去向。如文中所述,该方法可用于区分血红素铁与非血红素铁来源。然而,若无需区分铁的存在形式,仅需测定总铁含量,则可通过仅使用浓硝酸(HNO3)处理组织来简化实验流程,具体操作如方案第4.2步所述。需要注意的是,若组织在分析前未进行灌注处理,尤其是胎盘等高度血管化的组织,残留血液可能导致组织中血红素铁含量被高估。
选择转铁蛋白结合铁作为研究对象,因为它是胎盘摄取铁的主要来源16,17。在小鼠中全局敲低TFR1会导致胚胎在E12.5之前死亡,表明转铁蛋白结合铁对发育至关重要。其他铁形态,如铁蛋白和非转铁蛋白结合铁...
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EN 是 Intrinsic LifeSciences 和 Silarus Pharma 的科学联合创始人,并担任 Protagonist、Vifor、RallyBio、Ionis、Shield Therapeutics 和 Disc Medicine 的顾问。VS 声明不存在利益冲突。
作者感谢加州大学洛杉矶分校(UCLA)纳米系统研究所(CNSI)内加州大学纳米技术环境影响中心(UC Center for Environmental Implications of Nanotechnology)的ICP-MS设施,为优化58Fe测定方案提供了支持。本研究由美国国立卫生研究院(NIH)糖尿病与消化及肾脏疾病国家研究所(NIDDK)(项目编号K01DK127004,授予VS)以及美国国立卫生研究院儿童健康与人类发展国家研究所(NICHD)(项目编号R01HD096863,授予EN)资助。
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| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| 58Fe-铁金属 | Trace Sciences International | Fe-58 | |
| Amicon ultra-15 离心滤器,30 kDa 截留分子量 | Millipore Sigma | UFC903024 | |
| 离心管,15 mL | Fisher Scientific | 14-959-49B | |
| 离心管,50 mL | Millipore Sigma | CLS430829 | |
| 离心机,Sorvall Legend Micro 17 微型离心机 | Fisher Scientific | 75002432 | |
| 离心机,Sorvall Legend RT | |||
| 精密操作擦拭纸 | Fisher Scientific | 06-666 | |
| 饲料:缺铁型(4 ppm 铁) | Envigo Teklad | TD.80396 | |
| 饲料:标准饲料(185 ppm 铁) | PicoLab | 5053 | |
| 解剖剪,30 mm 刃口 | VWR | 25870-002 | |
| 镊子,4-1/2 英寸长度 | McKesson | 157-469 | |
| HEPES | Fisher Scientific | BP310-500 | |
| 匀浆器,Bio-Gen PRO200 | PROScientific | 01-01200 | |
| 人脱铁转铁蛋白(apo-Tf) | Celliance | 4452-01 | 已不再供应,替代品:Millipore 616419 |
| 盐酸(HCl) | Fisher Scientific | A144S-500 | |
| 过氧化氢(H2O2),35 wt.% 水溶液 | Cole-Parmer | EW-88216-36 | |
| 胰岛素注射器,BD Lo-Dose U-100 | Fisher Scientific | 14-826-79 | |
| 异氟烷 | VETone | 502017 | |
| 异氟烷蒸发器 | Summit Anesthesia Solutions | ||
| 金属加热块 | Fisher Scientific | ||
| 带平头螺旋盖的微量离心管 | VWR | 16466-064 | |
| 微量离心管,1.5 mL 低吸附 | Fisher Scientific | 02-681-320 | |
| 微量离心管,2.0 mL 低吸附 | Fisher Scientific | 02-681-321 | |
| Millex-GP 注射式滤器,0.22 µm,聚醚砜材质,33 mm,伽马射线灭菌 | Millipore Sigma | SLGP033RS | |
| 次氮基三乙酸(NTA) | Sigma | 72560-100G | |
| 针头,25 G × 5/8 英寸,皮下注射通用型 | Fisher Scientific | 14-826AA | |
| pH 试纸,塑料包被,pH 5.0–9.0 | Fisher Scientific | 13-640-519 | |
| 剃须刀片,0.22 mm | VWR | 55411-050 | |
| 天平(克级) | Mettler Toledo | PB1502-S | |
| 天平(毫克级) | Mettler Toledo | Balance XS204 | |
| 碳酸氢钠(NaHCO3) | Sigma | S5761-500G | |
| 氯化钠(NaCl) | Fisher Scientific | S671-3 | |
| 氢氧化钠(NaOH) | Fisher Scientific | SS266-1 | |
| 无菌注射器,滑动接头(1 mL) | Fisher Scientific | 309659 | |
| 三氯乙酸(TCA) | Fisher Scientific | A322-500 | |
| 软件 | |||
| ImageLab | Bio-Rad | ||
| SigmaPlot | Systat |
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