可變鐵池：細(xì)胞氧化應(yīng)激損傷與心血管疾病

余貴泉 劉 劍

可變鐵池：細(xì)胞氧化應(yīng)激損傷與心血管疾病

余貴泉 劉 劍

可變鐵池是體內(nèi)一種特殊的鐵存在形式，細(xì)胞內(nèi)可變鐵池水平可通過(guò)流式細(xì)胞技術(shù)檢測(cè)?？勺冭F池參與氧化還原反應(yīng)產(chǎn)生氧自由基，導(dǎo)致細(xì)胞氧化應(yīng)激損傷，進(jìn)而參與多種心血管疾病的發(fā)生、發(fā)展過(guò)程。

可變鐵池；鐵蛋白；氧化應(yīng)激損傷；心血管疾病

鐵是人體必需的微量元素，在人體內(nèi)有不同的存在形式和不同的配體。人體通過(guò)調(diào)節(jié)鐵與鐵調(diào)節(jié)蛋白的結(jié)合以維持細(xì)胞內(nèi)鐵平衡。細(xì)胞中有一部分鐵與鐵調(diào)節(jié)蛋白結(jié)合力較弱，稱為可變鐵池(labile iron pool, LIP)[1]。LIP可造成細(xì)胞內(nèi)氧化應(yīng)激損傷，與心血管疾病密切相關(guān)。

1 LIP的形成及調(diào)節(jié)

1.1 形成與分布

鐵經(jīng)腸道吸收，以三價(jià)鐵(Fe3+)形式進(jìn)入血液循環(huán)后與轉(zhuǎn)鐵蛋白結(jié)合，形成轉(zhuǎn)鐵蛋白結(jié)合鐵(transferrin-ferrum,Tf-Fe)。Tf-Fe與細(xì)胞膜表面的轉(zhuǎn)鐵蛋白受體1(transferring receptor 1,TfR1)結(jié)合，通過(guò)內(nèi)吞作用進(jìn)入細(xì)胞成為內(nèi)含體。內(nèi)含體中的Fe3+可被還原為二價(jià)鐵(Fe2+)，再借助內(nèi)含體膜上的二價(jià)金屬轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白1進(jìn)入細(xì)胞質(zhì)形成LIP。LIP主要分布在細(xì)胞內(nèi)溶酶體、細(xì)胞核、線粒體等部位[2]。

1.2 調(diào)節(jié)

LIP的細(xì)胞內(nèi)水平受兩方面調(diào)節(jié)。(1)LIP自身反饋性調(diào)節(jié)：細(xì)胞內(nèi)LIP水平過(guò)高可反饋性抑制TfR1表達(dá)，從而減少Fe3+進(jìn)入細(xì)胞，降低細(xì)胞內(nèi)LIP形成；胞內(nèi)多余LIP還可通過(guò)細(xì)胞膜表面的TfR1轉(zhuǎn)運(yùn)至細(xì)胞外，以維持細(xì)胞內(nèi)鐵平衡[3]。(2)鐵蛋白調(diào)節(jié)LIP水平：細(xì)胞LIP水平較高時(shí)，鐵與鐵蛋白緊密結(jié)合，即儲(chǔ)存鐵，是體內(nèi)鐵最主要的儲(chǔ)存形式；而儲(chǔ)存鐵又是細(xì)胞內(nèi)LIP的來(lái)源。因此，細(xì)胞可通過(guò)控制鐵蛋白的表達(dá)調(diào)節(jié)LIP水平[4]。

2 LIP與細(xì)胞氧化應(yīng)激損傷

細(xì)胞內(nèi)LIP可參與氧化還原反應(yīng)產(chǎn)生氧自由基，促進(jìn)細(xì)胞氧化應(yīng)激損傷。熱休克蛋白(heat shock protein, HSP)60具有氧化應(yīng)激抑制作用。Cabiscol等[5]將HSP60高表達(dá)的釀酒酵母突變細(xì)胞及HSP60低表達(dá)的野生型釀酒酵母細(xì)胞置于過(guò)氧化氫環(huán)境中，通過(guò)熒光金屬敏感探針——鈣黃綠素檢測(cè)兩組細(xì)胞內(nèi)LIP，發(fā)現(xiàn)突變株LIP水平明顯低于野生型；再用具有抑制LIP作用的鐵螯合劑去鐵胺處理野生型細(xì)胞，細(xì)胞氧化應(yīng)激損傷及凋亡明顯減少。該研究提示高水平LIP可加劇細(xì)胞氧化應(yīng)激損傷。

細(xì)胞LIP內(nèi)的鐵有Fe3+和Fe2+兩種形式，其中以Fe2+為主[5]。LIP內(nèi)的Fe2+可以與過(guò)氧化氫在催化劑作用下生成活性氧(reactive oxygen species, ROS)，即Fenton反應(yīng)，這是LIP促進(jìn)細(xì)胞氧化應(yīng)激損傷的基礎(chǔ)。Fenton反應(yīng)產(chǎn)生的ROS包括羥自由基、超氧陰離子自由基等，具有強(qiáng)氧化性。LIP通過(guò)參與Fenton反應(yīng)，生成強(qiáng)氧化性的ROS。ROS通過(guò)參與脂類過(guò)氧化反應(yīng)導(dǎo)致細(xì)胞生物膜結(jié)構(gòu)變化及功能障礙[6-7]，而脂類過(guò)氧化反應(yīng)產(chǎn)物壬烯可進(jìn)一步誘導(dǎo)細(xì)胞發(fā)生凋亡[8-11]；其次，ROS可導(dǎo)致以線粒體為主的脫氧核糖核酸突變，加重細(xì)胞損傷[12-14]。

3 LIP與心血管疾病

LIP及其產(chǎn)生的ROS加重細(xì)胞氧化應(yīng)激損傷，與許多心血管疾病的發(fā)生、發(fā)展相關(guān)。

3.1 動(dòng)脈粥樣硬化

研究表明LIP參與動(dòng)脈粥樣硬化的發(fā)展。Li等[5]研究了52例頸動(dòng)脈粥樣硬化患者，發(fā)現(xiàn)患者頸動(dòng)脈斑塊組織中巨噬細(xì)胞內(nèi)TfR1、鐵蛋白高表達(dá)，在嚴(yán)重頸動(dòng)脈斑塊病變中更明顯。另一研究發(fā)現(xiàn)，細(xì)胞LIP及其產(chǎn)生的ROS可促進(jìn)粥樣斑塊中泡沫細(xì)胞的生成[16]。抑制細(xì)胞內(nèi)鐵活性會(huì)減緩動(dòng)脈粥樣硬化發(fā)展。Zhang等[17]給予動(dòng)脈粥樣硬化的小鼠鐵鰲合劑以降低細(xì)胞鐵活性，10周后發(fā)現(xiàn)動(dòng)脈粥樣硬化病變明顯減輕，其機(jī)制可能是細(xì)胞內(nèi)LIP水平降低，使細(xì)胞粘附分子生成減少、組織炎癥反應(yīng)減輕。Westerink等[18]研究發(fā)現(xiàn)，降低細(xì)胞LIP水平可減輕炎癥反應(yīng)、減緩動(dòng)脈動(dòng)脈粥樣硬化發(fā)展。以上研究均提示高水平LIP可促進(jìn)動(dòng)脈粥樣硬化發(fā)展。

LIP可能通過(guò)促進(jìn)單核細(xì)胞黏附于血管內(nèi)皮參與動(dòng)脈粥樣硬化進(jìn)展。動(dòng)脈粥樣硬化病變?cè)缙冢瑔魏思?xì)胞在黏附分子及趨化因子作用下募集，浸潤(rùn)內(nèi)皮下層，形成泡沫細(xì)胞，是動(dòng)脈粥樣硬化斑塊內(nèi)最豐富的免疫細(xì)胞。單核細(xì)胞黏附被認(rèn)為是動(dòng)脈粥樣硬化的早期病變[19]。Kuo等[20]研究發(fā)現(xiàn)，給予血液透析患者靜脈鐵劑治療，循環(huán)系統(tǒng)內(nèi)單核細(xì)胞過(guò)氧化物產(chǎn)物、血管細(xì)胞黏附分子-1、細(xì)胞間黏附分子-1均明顯升高，促進(jìn)單核細(xì)胞黏附在主動(dòng)脈內(nèi)皮細(xì)胞，進(jìn)而促進(jìn)動(dòng)脈粥樣硬化，增加心血管事件。

3.2 冠心病

鐵蛋白是調(diào)節(jié)細(xì)胞LIP水平最重要的因素。冠心病患者體內(nèi)鐵蛋白呈高水平狀態(tài)，其可能參與冠心病發(fā)生、發(fā)展過(guò)程。Holay等[21]檢測(cè)了75例急性心肌梗死患者及相同數(shù)量健康人的血鐵蛋白水平等指標(biāo)，多因素Logistic回歸分析顯示，高水平鐵蛋白是急性心肌梗死的獨(dú)立危險(xiǎn)因素。Eftekhari等[22]同樣發(fā)現(xiàn)，高水平血鐵蛋白與冠心病相關(guān)。此外，Zhou等[23]對(duì)血鐵蛋白水平與冠心病風(fēng)險(xiǎn)的薈萃分析顯示，血鐵蛋白每升高50 μg/L，冠心病風(fēng)險(xiǎn)升高2.4%。然而，冠心病患者體內(nèi)鐵蛋白如何調(diào)節(jié)細(xì)胞LIP水平，并進(jìn)一步參與冠心病發(fā)生、發(fā)展過(guò)程還有待進(jìn)一步研究。

3.3 心力衰竭

研究顯示LIP與收縮性心力衰竭的嚴(yán)重程度相關(guān)。Korantzopoulos等[24]運(yùn)用流式細(xì)胞技術(shù)測(cè)定60例左心室射血分?jǐn)?shù)(LVEF)<45%的慢性收縮性心力衰竭患者各種血液細(xì)胞的LIP水平，分析包括粒細(xì)胞、單核細(xì)胞等在內(nèi)的白細(xì)胞亞群LIP水平與LVEF的相關(guān)性。多元Logistic回歸分析提示，粒細(xì)胞LIP水平是嚴(yán)重左心室收縮功能障礙(LVEF<30%)的獨(dú)立危險(xiǎn)因素(OR=0.73，95% CI:0.55～0.98；P=0.039)。Spearman秩相關(guān)分析顯示，粒細(xì)胞LIP水平(r=-0.39，P=0.002)、單核細(xì)胞LIP水平 (r=-0.35，P=0.007)均與LVEF呈負(fù)相關(guān)，提示粒細(xì)胞、單核細(xì)胞等白細(xì)胞亞群LIP水平與左心室功能障礙嚴(yán)重程度相關(guān)，即LIP水平越高，心臟射血功能越差。

合并貧血的心力衰竭患者經(jīng)靜脈補(bǔ)充鐵劑，可改善心功能及生活質(zhì)量。Bolger等[25]納入60例合并貧血的收縮性心力衰竭患者(LVEF為26%±13%)，其紐約心臟協(xié)會(huì)(NYHA)心功能分級(jí)為Ⅱ～Ⅲ，血紅蛋白(hemoglobin, Hb)均<12 g/dl，予以研究對(duì)象靜脈鐵劑治療。隨訪(92±6) d后，患者Hb升高，6 min步行距離增加，生活質(zhì)量評(píng)分改善。Okonko等[26]給予35例合并貧血的收縮性心力衰竭患者靜脈鐵劑治療，隨訪18周后患者Hb、峰值氧濃度均升高。以上研究提示，對(duì)于合并貧血的心力衰竭患者，靜脈鐵劑治療可以提升生活質(zhì)量及改善活動(dòng)能力。此外，經(jīng)靜脈補(bǔ)充鐵劑可減少心力衰竭患者的再住院率[27]。Toblli等[28]研究入選40例合并貧血的收縮性心力衰竭患者(LVEF<35%，NYHA心功能Ⅱ～Ⅳ級(jí)，Hb<12.5 g/dl)，予以實(shí)驗(yàn)組患者靜脈鐵劑治療。隨訪6個(gè)月后，實(shí)驗(yàn)組LVEF升高，6 min步行距離增加，生活質(zhì)量評(píng)分改善，再住院人數(shù)明顯減少。靜脈補(bǔ)充鐵劑是否通過(guò)改變患者體內(nèi)LIP水平改善心力衰竭患者心臟功能，還缺乏較為嚴(yán)謹(jǐn)?shù)难芯?，有待進(jìn)一步探討。

3.4 血栓

LIP可能參與促進(jìn)血栓形成。Day等[29]發(fā)現(xiàn)過(guò)量鐵可促進(jìn)血栓形成。給予實(shí)驗(yàn)組小鼠口服過(guò)量鐵劑(右旋糖酐鐵15 mg/d，大于6周)，當(dāng)頸動(dòng)脈損傷時(shí)，實(shí)驗(yàn)組小鼠血栓形成明顯快于對(duì)照組，而使用氧化清除劑預(yù)處理小鼠后，血栓形成時(shí)間與對(duì)照組無(wú)差異。這提示過(guò)量鐵負(fù)荷促進(jìn)血栓形成，但機(jī)制尚不清楚，可能與氧化應(yīng)激損傷相關(guān)。

4 LIP的檢測(cè)

流式細(xì)胞技術(shù)可用于檢測(cè)細(xì)胞LIP水平。Clark等[30]采用熒光流式細(xì)胞技術(shù)檢測(cè)了瘧疾患者血細(xì)胞LIP水平。研究采用鈣熒光素乙酰氧基甲酯(calcein acetoxymethyl ester，CA-AM)對(duì)細(xì)胞進(jìn)行預(yù)處理。CA-AM能主動(dòng)穿過(guò)細(xì)胞膜，進(jìn)入細(xì)胞后分解成為游離鈣黃綠素，游離鈣黃綠素因不能穿越細(xì)胞膜而滯留細(xì)胞內(nèi)，其發(fā)出的熒光可用流式細(xì)胞儀檢測(cè)。細(xì)胞內(nèi)游離鈣黃綠素幾乎只能與LIP結(jié)合，結(jié)合后不能發(fā)出熒光。因此，通過(guò)流式細(xì)胞技術(shù)測(cè)定細(xì)胞熒光變化量可作為定量檢測(cè)LIP水平的方法。

目前，熒光流式細(xì)胞技術(shù)是檢測(cè)細(xì)胞LIP水平的主要工具，對(duì)探索不同病理生理過(guò)程中細(xì)胞LIP水平及細(xì)胞氧化應(yīng)激損傷很有幫助[31]。

綜上所述，LIP可參與細(xì)胞氧化應(yīng)激損傷，與心血管疾病密切相關(guān)，通過(guò)一定手段改變細(xì)胞LIP水平可能成為治療心血管疾病的方法。但因其作用機(jī)制仍不清楚，尚需大量基礎(chǔ)、臨床研究進(jìn)行深入探索。

[1] Byrne SL, Krishnamurthy D, Wessling-Resnick M. Pharmacology of iron transport[J]. Annu Rev Pharmacol Toxicol,2013,53:17-36.

[2] Au-Yeung HY, Chan J, Chantarojsiri T, et al. Molecular imaging of labile iron(Ⅱ) pools in living cells with a turn-on fluorescent probe[J]. J Am Chem Soc. 2013, 135(40):15165-15173.

[3] Pierre Brissot, Martine Ropert, Caroline Le Lan, et al. Non-transferrin bound iron: A key role in iron overload and iron toxicity[J]. Biochim Biophys Acta,2012,1820(3):403-410.

[4] Arosio P, Levi S. Cytosolic and mitochondrial ferritins in the regulation of cellular iron homeostasis and oxidative damage[J]. Biochim Biophys Acta,2010,1800(8):783-792.

[5] Cabiscol E, Belli G, Tamarit J, et al. Mitochondrial Hsp60, resistance to oxidative stress, and the labile iron pool are closely connected in saccharomyces cerevisiae[J]. J Biol Chem,2002,277(46):44531-44538.

[6] Jomova K, Valkob M. Advances in metal-induced oxidative stress and human disease[J]. Toxicology,2011,283 (2-3):65-87.

[7] Fibach E, Rachmilewitz EA. The role of antioxidants and iron chelators in the treatment of oxidative stress in thalassemia[J]. Ann N Y Acad Sci,2010,1202:10-16.

[8] Spickett CM. The lipid peroxidation product 4-hydroxy-2-nonenal: Advances in chemistry and analysis[J]. Redox Biol, 2013,1(1):145-152.

[9] Choi IY, Lim JH, Kim C, et al. 4-hydroxy-2(E)-Nonenal facilitates NMDA-induced neurotoxicity via triggering mitochondrial permeability transition pore opening and mitochondrial calcium overload[J]. Exp Neurobiol, 2013, 22(3): 200-207.

[10] Li D, Ellis EM. 4-Hydroxynonenal induces an increase in expression of Receptor for Activating C Kinase 1 (RACK1) in Chinese hamster V79-4 lung cells[J]. Chem Biol Interact, 2014, 213: 13-20.

[11] Lin MH, Yen JH, Weng CY, et al. Lipid peroxidation end product 4-hydroxy-trans-2-nonenal triggers unfolded protein response and heme oxygenase-1 expression in PC12 cells: Roles of ROS and MAPK pathways[J]. Toxicology,2014,315:24-37.

[12] Al-Qenaei A, Yiakouvaki A, Reelfs O, et al. Role of intracellular labile iron, ferritin, and antioxidant defence in resistance of chronically adapted Jurkat T cells to hydrogen peroxide[J]. Free Radic Biol Med,2014,68:87-100.

[13] Aroun A, Zhong JL, Tyrrell RM, et al. Iron, oxidative stress and the example of solar ultraviolet A radiation[J]. Photochem Photobiol Sci,2012,11(1)：118-134.

[14] Kitsati N, Fokas D, Ouzouni MD, et al. Lipophilic caffeic acid derivatives protect cells against H2O2-Induced DNA damage by chelating intracellular labile iron[J]. J Agric Food Chem,2012,60(32):7873-7879.

[15] Li W, Xu LH, Forssell C, et al. Overexpression of transferrin receptor and ferritin related to clinical symptoms and destabilization of human carotid plaques[J]. Exp Biol Med, 2008, 233(7): 818-826.

[16] Li W, Hellsten A, Xu LH, et al. Foam cell death induced by 7beta-hydroxycholesterol is mediated by labile iron-driven oxidative injury: mechanisms underlying induction of ferritin in human atheroma[J]. Free Radic Biol Med,2005,39(7):864-875.

[17] Zhang WJ, Wei H, Frei B. The iron chelator, desferrioxamine, reduces inflammation and atherosclerotic lesion development in experimental mice[J]. Exp Biol Med,2010,235(5):633-641.

[18] Westerink J, Olijhoek JK, Koppen A, et al. The relation between body iron stores and adipose tissue function in patients with manifest vascular disease[J]. Eur J Clin Invest,2013,43(12):1240-1249.

[19] 何流漾,趙建中,戚春建. 免疫細(xì)胞在動(dòng)脈粥樣硬化中的作用[J]. 國(guó)際心血管病雜志,2013,40(3):139-141.

[20] Kuo KL, Hung SC, Lin YP, et al. Intravenous ferric chloride hexahydrate supplementation induced endothelial dysfunction and increased cardiovascular risk among hemodialysis patients[J]. PLoS One,2012,7(12):e50295.

[21] Holay MP, Choudhary AA, Suryawanshi SD. Serum ferritin-a novel risk factor in acute myocardial infarction[J]. Indian Heart J,2012,64(2):173-177.

[22] Eftekhari MH, Mozaffari-Khosravi H, Shidfar F, et al. Relation between Body Iron Status and Cardiovascular Risk Factors in Patients with Cardiovascular Disease[J]. Int J Prev Med,2013,4(8):911-916.

[23] Zhou Y, Liu T, Tian C, Kang P, et al. Association of serum ferritin with coronary artery disease[J]. Clin Biochem,2012,45(16-17):1336-1341.

[24] Korantzopoulos P, Vlachou C, Kotsia A, et al. Leukocyte labile iron pool in patients with systolic heart failure[J]. Hellenic J Cardiol,2012,53(2): 95-100.

[25] Bolger AP, Bartlett FR, Penston HS, et al. Intravenous iron alone for the treatment of anemia in patients with chronic heart failure[J]. J Am Coll Cardiol,2006,48(6):1225-1227.

[26] Okonko DO, Grzeslo A, Witkowski T, et al. Effect of intravenous iron sucrose on exercise tolerance in anemic and nonanemic patients with symptomatic chronic heart failure and iron deficiency FERRIC-HF: a randomized, controlled, observer-blinded trial[J]. J Am Coll Cardiol,2008,51(2):103-112.

[27] Jelani QU, Katz SD. Treatment of anemia in heart failure: potential risks and benefits of intravenous iron therapy in cardiovascular disease[J]. Cardiol Rev,2010,18(5):240-250.

[28] Toblli JE, Lombraa A, Duarte P, et al. Intravenous iron reduces NT-pro-brain natriuretic peptide in anemic patients with chronic heart failure and renal insufficiency[J]. J Am Coll Cardiol, 2007,50(17):1657-1665.

[29] Day SM, Duquaine D, Mundada LV, et al. Chronic iron administration increases vascular oxidative stress and accelerates arterial thrombosis[J]. Circulation,2003,107(20):2601-2606.

[30] Clark M, Fisher NC, Kasthuri R, et al. Parasite maturation and host serum iron influence the labile iron pool of erythrocyte stage Plasmodium falciparum[J]. Br J Haematol,2013,161(2):262-269.

[31] Cabantchik ZI. Labile iron in cells and body fluids: physiology, pathology, and pharmacology[J]. Front Pharmacol,2014,5:45.

(收稿：2014-05-23 修回：2014-08-06)

(本文編輯：梁英超)

400016 重慶醫(yī)科大學(xué)附屬第一醫(yī)院心血管內(nèi)科

10.3969/j.issn.1673-6583.2015.01.009