铁调素在贫血诊断和治疗中的应用

忘不了你

作者：赵晋英1，李艳伟1，李琳2，周沛1，黄泽智1       
单位：1. 邵阳医学高等专科学校检验系，2. 山西医科大学教育部省部共建细胞生理学实验室

肝脏合成铁调素(hepcidin, Hepc)参与机体的铁代谢,Hepc合成障碍可引起铁过载性贫血;而Hepc合成过多可导致炎症性贫血和慢性肾病性贫血等。我们就Hepc在贫血诊断和治疗中的应用做一综述,为贫血鉴别诊断及研发Hepc激动剂和拮抗剂用于贫血的治疗提供参考。

一、Hepc与机体铁稳态的维持

Hepc是一种肝细胞产生的小分子多肽,在维持机体铁稳态中发挥着关键性作用。肝细胞首先合成由84个氨基酸组成的前体多肽,而后被信号肽酶剪接成无活性的Hepc前体,再经激素原转化酶切割后转变为含25个氨基酸的活性Hepc,分泌到血液发挥作用,可随尿液排出体外[ 1]。Hepc通过调节膜铁转运蛋白1(ferroportin 1,FP1)在细胞膜上的含量来发挥作用。FP1是迄今为止发现的唯一的细胞铁输出蛋白,主要表达于十二指肠上皮细胞、脾和肝巨噬细胞、肝细胞和胎盘滋养层细胞的细胞膜,参与细胞内铁外向转运进入血浆[ 2]。Hepc与FP1形成配体受体复合物,并促使FP1内吞降解。FP1位置的改变将使细胞内铁输出停止,减少向血浆的铁供给。随之血浆内的铁将很快被需铁细胞耗尽。因此,Hepc生成异常可引起铁代谢紊乱疾病的发生。Hepc过多可引起细胞膜上FP1浓度的下降,导致红细胞生成障碍,引起铁利用障碍性贫血;而Hepc过少可导致肝或其他实质性脏器铁沉积。

二、Hepc的调节及其分子机制

1. Hepc受机体铁负反馈调节 Hepc受转铁蛋白结合铁和细胞内铁储存状态的调节。当机体铁过多时将刺激Hepc生成,进而阻止肠道铁吸收,防止铁超载发生;而缺铁时将抑制Hepc生成,通过增加肠道铁吸收,来弥补机体铁不足。铁和Hepc的负反馈调节环路确保了机体铁稳定。细胞内、外铁信号的传导可能通过骨形态发生蛋白(bone morphogenetic protein,BMP) 途径来调节Hepc的表达。BMP6是主要调节Hepc生成的内源性BMP[ 3],而Hemojuvelin (HJV)是一种磷脂酰肌醇锚定型膜蛋白,可作为BMP的共受体专职调节铁稳态。另外,还有蛋白酶TMPRSS6[ 4]和跨膜蛋白neogenin[ 5],可能与HJV相互作用来参与BMP信号途径,但其机制尚不清楚。细胞内铁调节Hepc机制尚不清楚,目前已经发现一条细胞外转铁蛋白结合铁调节Hepc的模式。转铁蛋白结合铁依赖于转铁蛋白受体2(transferrin receptor 2,TfR2)和遗传性血色素病蛋白(hereditary hemochromatosis protein,HFE)2种分子来调节Hepc。转铁蛋白结合铁结合并稳定TfR2,诱导ERK1/2 和 Smad1/5/8 信号途径的激活[ 6],进而促进Hepc表达。HFE可根据转铁蛋白结合铁的含量选择结合于TfR1和TfR2[ 7]。当转铁蛋白铁浓度升高时,HFE从TfR1移向TfR2而激活TfR2信号途径的下游。因此TfR2和HFE突变可引起Hepc表达下降,进而分别引起遗传性血色素病Ⅲ型和Ⅰ型。然而也有人认为HFE和TfR2并非调节Hepc所必需的,因为当降低HFE和TfR2基因突变的人或小鼠铁含量时,Hepc水平也随之下降了[ 8]。因此,细胞外转铁蛋白结合铁调节Hepc的机制仍需进一步研究。

2. 红细胞生成抑制Hepc的表达 Hepc也受红细胞生成的调节。红细胞生成旺盛可抑制Hepc产生,使肝细胞和巨噬细胞内的储存铁释放,并增加肠道铁吸收,为血红蛋白的合成提供大量铁。研究发现给人类或小鼠注射促红细胞生成素(erythropoietin,EPO)在24 h内均可引起剂量依赖性血清Hepc降低[ 9]。红细胞前体细胞产生的可溶性因子、机体铁含量降低、缺氧等可能参与EPO对Hepc的调节机制。红细胞发育过程中产生的生长分化因子15(growth differentiation factor 15,GDF15)[ 10]和扭转原肠胚形成同系物1 (twisted gastrulation homolog 1,TWSG1)[ 11]均可抑制Hepc mRNA的表达。在β地中海贫血和I型先天性红细胞生成不良性贫血患者中发现有高水平的GDF15,而在地中海贫血小鼠中也发现高水平TWSG1。而红细胞生成过程本身消耗大量铁,对Hepc的抑制作用也至少部分受BMP途径和Smad信号途径的调控。体内研究[ 12]发现缺氧诱导因子(hypoxia-inducible transcription factor,HIF)可影响Hepc的表达,但是否由HIF直接或间接调节Hepc的转录尚不确定。另外缺氧也可通过诱导肾脏EPO生成,引起红细胞的增殖,进而通过红细胞生成抑制Hepc的表达。

3. 炎症促进Hepc的生成 炎症时Hepc的生成也会病理性增加,从而引起肠道铁吸收减少和巨噬细胞铁储留,由此引起的低铁血症可能是机体限制病原微生物利用铁的防御性策略,但也导致了机体炎症性贫血的发生。资料显示,在败血症、烧伤、炎性肠病等多种伴有炎症的患者体内血清Hepc都明显升高,而参与调节的主要炎症介质是白细胞介素-6(IL-6),主要通过STAT-3机制刺激Hepc的转录[ 13]。然而在IL-6基因敲除小鼠,慢性炎症同样可促进 Hepc mRNA的表达,Lee等[ 14]认为IL-1也可能是调节Hepc转录的细胞因子。在myeloid细胞研究中发现[ 15],微生物可通过toll样受体直接促进Hepc合成,但该机制在活体炎症中的作用仍不清楚。

三、Hepc 与各型贫血的关系

1. 缺铁性贫血(iron deficiency anemia,IDA) 单纯缺铁性贫血患者血清和尿液中Hepc浓度明显降低,有时甚至无法测出,主要是由缺铁和红细胞生成对Hepc的抑制作用引起的。因此血清Hepc含量可作为献血筛查指标之一。有研究人员评价了补铁、叶酸和锌对非洲儿童发病率和死亡率的影响,结果发现补充铁和叶酸造成了儿童患严重疾病和死亡的危险性明显增加,且局限于那些实际铁充足的儿童[ 16]。因此,简单、快速测定Hepc的方法对鉴别缺铁、铁充足或患有感染的儿童很有价值:对缺铁儿童补铁治疗效果好,但对铁充足或有感染的儿童补铁治疗将非常有害。目前尿液Hepc的检测操作较容易,除了方便筛查缺铁婴幼儿外,也适用于无临床实验室的地区开展缺铁的现场筛查。

2. 难治性缺铁性贫血(iron-refractory iron deficiency anemia,IRIDA) IRIDA是一种遗传性小细胞低色素性贫血,口服补铁无效,仅肠外补铁治疗部分有效。IRIDA的表现正好与由Hepc突变引起的青少年血色素病相反。近来研究认为IRIDA是Hepc抑制因子——TMPRSS6突变导致Hepc的过度合成引起的遗传性疾病[ 17]。TMPRSS6是一种膜蛋白酶,通过分解膜表面HJV而降低BMP途径的活性。因此当TMPRSS6突变后,Hepc表达增加,从而抑制铁吸收,最终发展为IDA。TMPRSS6基因具有高度多态性,基因组学研究证实某些TMPRSS6表型与血清铁、转铁蛋白饱和度、MCV和血红蛋白浓度下降相关[ 18]。

3. 伴有产生Hepc肿瘤的铁耐受性贫血 Weinstein等[ 19]发现一种罕见的伴有肝脏腺瘤的铁耐受性贫血,患者往往具有严重慢性病贫血(anemia of chronic disease,ACD)和低铁血症,且腺瘤越大ACD程度越重。而腺瘤摘除术后,未经输血和补铁治疗ACD可自行缓解。通过Northern技术发现,腺瘤组织Hepc表达水平是正常肝细胞的10~30倍。原位杂交证实该患者Hepc主要表达于肝腺瘤组织,而临近正常肝脏细胞表达水平极低。肝脏腺瘤组织Hepc的高表达,影响肠道铁吸收和巨噬细胞铁释放,最终导致患者铁缺乏,发生难治性贫血。

4. 铁过载性贫血 β-地中海贫血和先天性红细胞生成不良性贫血都属于铁过载性贫血。在未输血情况下,患者血和尿液中的Hepc明显降低,肠道铁吸收增加,逐渐发展为铁过载。患者Hepc表达的降低可能是红细胞生成对Hepc的抑制作用远远超过了铁过载对Hepc的促进作用的结果,其中GDF15 和 TWSG1是2个主要抑制Hepc表达的调节因子。Hepc表达降低增加了铁过载的危害,检测Hepc将利于识别该类患者;且Hepc激动剂可防治铁过载的危害。另有研究表明经常输血的β-地中海贫血患者体内的Hepc水平明显高于不输血患者[ 20];二者肝脏铁含量并无明显差别,但不输血的患者铁主要沉积在肝细胞,反复输血的患者铁主要沉积在肝巨噬细胞。这可能是输血后患者体内增高的Hepc减少了肠道铁吸收,把铁限制在巨噬细胞内,这将会延迟其他实质器官的铁沉积和病理损害。因此,Hepc或其激动剂可能对地中海贫血等铁过载性贫血有较好治疗效果,但仍需进一步证实。

5. 炎症性贫血(anemia of inflammation, AI) 炎症性贫血也称为ACD,是一种常见的在慢性感染、炎症和恶性肿瘤患者中出现的贫血,发生率仅次于IDA。目前认为Hepc的升高参与了AI的发病。通过动物和体外实验研究发现,慢性炎症时细菌、致炎症因子和细胞因子可上调肝Hepc mRNA表达[ 21]。在风湿性疾病、炎性肠炎、感染等疾病中均有Hepc的升高[ 13]。AI可能是由Hepc升高抑制肠道铁吸收,引起低铁血症,进而阻碍血红蛋白的合成和红细胞生成所致。检测低铁血症或贫血患者的Hepc能够鉴别AI和IDA。然而,在伴失血或营养不良等慢性炎症性疾病时,炎症引起Hepc的升高可能被由缺铁引起的Hepc下降抵消。甚至即使在无失血或营养不良时,慢性炎症持续多年后,Hepc持续抑制肠道铁吸收也可引起铁缺乏。因此,单纯检测Hepc来区分AI和IDA并不全面。另外,在AI或混合性贫血中,即使Hepc处于正常水平,也可能是一种病理状态。如在大量补铁和无失血时,肥胖患者的缺铁状态可持续存在[ 22]。因为肥胖症本身也是一种慢性炎症状态。绝经期缺铁的肥胖妇女血清Hepc水平与健康铁充足妇女无明显差别,但却比偏瘦的缺铁妇女升高数倍,这说明缺铁的肥胖妇女Hepc水平其实是升高了。因此,在应用Hepc鉴别AI和IDA时,尚需综合考虑患者具体状况。研究发现,给AI小鼠联合注射Brucella abortus(一种中和Hepc的单克隆抗体)和促进红细胞生成的因子,可以使血红蛋白含量恢复到正常水平[ 23],而单独给与促进红细胞生成的因子却是无效的。因此降低Hepc水平将可能是治疗AI的方法。

6. 慢性肾病性贫血 各种因素造成肾脏Epo产生不足或慢性肾衰尿毒症血中毒性物质干扰红细胞生成导致的贫血称为肾性贫血。目前研究认为慢性肾病(chronic kidney disease,CKD)贫血的发生可能与Hepc的累积引起铁利用障碍有关。调查表明CKD患者Hepc水平是升高的,尽管这可能是肾病时慢性炎症所致。但是在没有炎症时,Hepc同样升高,且随肾功能恶化逐步升高[ 24]。也有研究表明肾小球滤过率与血清Hepc水平成负相关。由于肾脏是机体排泄Hepc的主要器官,肾脏滤过功能降低可导致血液Hepc累积,最终导致铁利用障碍性贫血的发生[ 24]。总之在CKD贫血中,肾脏对Hepc排泄减少和炎症因子刺激Hepc合成增加可能是CKD贫血发病的重要机制,而采取针对性的治疗措施可能会非常有用。

四、Hepc在贫血诊断及治疗中的应用

1. 诊断 随着血清和尿液Hepc检测方法的建立和发展,Hepc在诊断中的潜在优势日益明显。检测Hepc的方法包括:使用生物素(酰)化或放射性碘化Hepc作为示踪剂的竞争(性)酶联免疫吸附试验(ELISA)[ 25];使用核素标记Hepc或Hepc片段作为内标准的质谱分析[基质辅助激光解吸电离飞行时间质谱] (MALDI-TOF MS)、蛋白质芯片飞行时间质谱(SELDI)和液相色谱-串联质谱(LC-MS/MS)][ 26]等。虽然血清Hepc前体的检测也有报道,但其并非是评价具有生物活性Hepc的较好指标。检测Hepc可鉴别多种贫血, 表1总结了该指标在不同贫血中的表现。然而,Hepc在铁紊乱疾病诊断和预后中的价值仍需大样本临床调查来证实。另外在评定Hepc水平时尚需考虑其日间波动性及对饮食铁的敏感性等因素[ 27]。

表

2. 治疗 表1中总结了Hepc靶向治疗在贫血中的应用。尽管目前尚无Hepc相关药物,但已开发出几种候选物。Hepc激动剂对降低β地中海贫血等疾病的铁过载非常有用。在小鼠实验中研究发现,Hepc N末端的几个小分子肽可能成为Hepc激动剂,并可能最终被研制成一种口服制剂[ 28]。Hepc拮抗剂在治疗Hepc过多的铁限制性贫血等疾病中将非常有用。Hepc中和抗体已成功应用于AI小鼠模型[ 23]。研究显示干扰BMP信号途径的小分子抑制剂Dorsomorphin可阻碍铁诱导的Hepc产生[ 29]。可溶性HJV作为BMP信号途径的拮抗剂,也可以降低小鼠Hepc的表达。另外,抗细胞因子抗体和红细胞生成刺激因子也可抑制Hepc生成,用于改善贫血。然而对于Hepc靶向治疗的价值和危险性尚需进一步评价。

总之,Hepc通过作用于其受体FP1在铁稳态的维持中起关键作用。Hepc-FP1轴异常参与了铁利用障碍性贫血、铁过载性贫血等的发病机制,然而其中的许多细节还有待继续研究。Hepc在贫血的诊断、预后及其相关靶向治疗在临床应用中的价值已经突显。相信未来的几年里,这方面的研究将成为焦点。

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