鐵調(diào)素和鐵相關(guān)神經(jīng)退行性疾病

馬 娟 張法麗 錢忠明

復(fù)旦大學(xué)藥學(xué)院，上海，201203，中國

1 前言

鐵調(diào)素（hepcidin）是2000年發(fā)現(xiàn)的，主要由肝臟分泌產(chǎn)生的一種肽類激素［1-3］。 現(xiàn)今，已經(jīng)證實鐵調(diào)素多肽除了在宿主防御和炎癥中起著重要作用外，還是系統(tǒng)鐵穩(wěn)態(tài)的主要調(diào)節(jié)激素。鐵調(diào)素表達(dá)異常是幾種常見鐵代謝紊亂疾病的原因之一，包括遺傳性血色病、鐵過載性貧血癥、缺鐵性貧血、自身免疫系統(tǒng)疾病、癌癥和慢性腎臟疾病等［4-5］。鐵調(diào)素通過結(jié)合膜鐵轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白1（ferroportin 1，F(xiàn)pn1）并將其內(nèi)化降解，進(jìn)而控制小腸鐵吸收、肝臟鐵儲存和巨噬細(xì)胞對鐵的再循環(huán)過程，以維持機(jī)體鐵穩(wěn)態(tài)［6-7］。

神經(jīng)退行性疾病包括帕金森?。≒arkinson’s disease，PD）、阿爾茨海默癥（Alzheimer’s disease，AD）和亨廷頓?。℉untington’s disease，HD）等是一類進(jìn)行性發(fā)展的神經(jīng)退行性疾病，嚴(yán)重威脅著人類的身體健康和生活質(zhì)量。到目前為止，還沒有治愈這類疾病的方法。然而許多研究證實某些神經(jīng)退行性疾病包括PD、AD和HD患者病變腦區(qū)鐵異常升高［8-10］。因此，降低腦鐵可能成為治療這些疾病的一個新策略。

因此，鐵調(diào)素作為治療這類鐵代謝疾病的新靶點(diǎn)，與之相關(guān)的多種試劑，包括鐵調(diào)素抗體、激動劑或拮抗劑、細(xì)胞因子受體的抗體和調(diào)節(jié)鐵調(diào)素表達(dá)的小分子等目前正在研發(fā)中［11］。最近，已有大量綜述介紹了鐵調(diào)素靶向治療研究的最新進(jìn)展［7，12-16］和鐵調(diào)素在鐵穩(wěn)態(tài)系統(tǒng)中的關(guān)鍵作用的最新認(rèn)識［6，17-25］。本綜述將重點(diǎn)討論鐵調(diào)素在腦中的表達(dá)情況、調(diào)控作用及其在神經(jīng)退行性疾病中潛在的治療前景。

2 鐵調(diào)素的表達(dá)及其在腦中的調(diào)控作用

2.1 鐵調(diào)素在腦中的分布及表達(dá)

Zechel等［26］證實了鐵調(diào)素mRNA在不同的腦區(qū)域廣泛表達(dá)，包括成年C57/BL6小鼠中樞或周圍神經(jīng)系統(tǒng)的嗅球、皮層、海馬、杏仁核、丘腦、下丘腦、中腦、小腦、腦橋、脊髓、背根神經(jīng)節(jié)的神經(jīng)元以及GFAP陽性神經(jīng)膠質(zhì)細(xì)胞。此后，在雄性Sprague-Dawley（SD）大鼠［27-28］和九周齡BALB/c小鼠的腦中也已經(jīng)證實了鐵調(diào)素 mRNA 的廣泛分布［29］。Raha-Chowdhury 等［30］通過免疫組織化學(xué)也證實了鐵調(diào)素蛋白主要存在在血管內(nèi)皮和正常大鼠腦內(nèi)的脈絡(luò)叢和周皮細(xì)胞中。在小鼠［29］和 SD 大鼠［28］的大腦皮層、海馬和紋狀體中，發(fā)現(xiàn)鐵調(diào)素mRNA水平隨著年齡增加而增加。

在人腦中，2006年 Clardy等人［31］在不寧腿綜合征研究中，首先證實黑質(zhì)和殼核中有鐵調(diào)素的表達(dá)。H?nninen等［32］報道，鐵調(diào)素 mRNA 在大腦很多區(qū)域中均有表達(dá)，包括皮質(zhì)、海馬、丘腦、小腦以及延髓等，在皮質(zhì)和丘腦中表達(dá)量最高。Raha等［33］通過免疫組織化學(xué)證明鐵調(diào)素廣泛分布在正常人腦中，并且與神經(jīng)元和星形膠質(zhì)細(xì)胞中Fpn1共定位。還發(fā)現(xiàn)，AD大腦的海馬裂解物中，鐵調(diào)素和Fpn1的蛋白質(zhì)表達(dá)水平顯著降低。以上這些結(jié)果明確提示大腦存在鐵調(diào)素。然而，目前尚不清楚腦中所含鐵調(diào)素蛋白是以原位產(chǎn)生，還是以經(jīng)典激素作用方式—在循環(huán)過程中轉(zhuǎn)運(yùn)至腦組織?；阼F調(diào)素基因轉(zhuǎn)錄水平與鐵調(diào)素蛋白含量之間的差異，已有資料顯示腦中所含鐵調(diào)素不一定都是原位轉(zhuǎn)錄表達(dá)產(chǎn)生的，可能部分鐵調(diào)素來源于外周系統(tǒng)［30］。鐵調(diào)素的陽離子肽激素特性可能利于其從外周至中樞的循環(huán)過程，但目前尚無證據(jù)表明鐵調(diào)素能夠穿過血腦屏障（blood brain barrier，BBB）。

2.2 腦中鐵調(diào)素的表達(dá)調(diào)控

鐵調(diào)素作為一種抗菌多肽，損傷、感染和炎癥刺激均可上調(diào)該基因的表達(dá)［34-36］。貧血和缺氧則可顯著抑制鐵調(diào)素mRNA的表達(dá)［35，37］。鐵調(diào)素在外周系統(tǒng)主要由肝細(xì)胞產(chǎn)生，在腦內(nèi)幾乎所有類型的細(xì)胞似乎都能表達(dá)這種肽。在肝組織中，已經(jīng)有充分的證據(jù)表明鐵調(diào)素基因表達(dá)受炎癥調(diào)控，主要通過激活白細(xì)胞介素-6/信號轉(zhuǎn)導(dǎo)和轉(zhuǎn)錄激活因子3（interleukin-6 /signal transduction and transcription activator 3，IL-6 /STAT3）途徑上調(diào)鐵調(diào)素的表達(dá)。此外，其表達(dá)也受控于轉(zhuǎn)鐵蛋白受體2/人類血色素沉著蛋白（transferrin receptor 2/ hemochromatosis，TfR2/HFE）和骨形態(tài)發(fā)生蛋白/鐵調(diào)素調(diào)節(jié)蛋白/一種母系的生物皮膚的生長因子蛋白（bone morphogenetic protein / hemojuvelin/ a small mothers of decapentaplegic protein，BMP/HJV/SMAD），并 可 被 erythroferrone（ERFE）下 調(diào)［6，18，38-39］。最近的研究還表明，兩種類固醇激素孕酮和米非司酮可以通過細(xì)胞表面蛋白孕酮受體膜組分1（progesterone receptor membrane component 1，PGRMC1）上調(diào)鐵調(diào)素表達(dá)［40］。而神經(jīng)元、星形膠質(zhì)細(xì)胞、小膠質(zhì)細(xì)胞、內(nèi)皮和周細(xì)胞中即使均檢測到鐵調(diào)素蛋白的存在，但腦中鐵調(diào)素表達(dá)的調(diào)控機(jī)制仍鮮有報道。那腦內(nèi)鐵調(diào)素是如何表達(dá)調(diào)控的呢？

正如外周系統(tǒng)調(diào)控鐵調(diào)素的方式一樣，脂多糖（lipopolysaccharide，LPS）、大腸桿菌感染及腦缺血損傷等均可以誘導(dǎo)中樞神經(jīng)系統(tǒng)中鐵調(diào)素mRNA和蛋白質(zhì)表達(dá)增加［27，41-45］。2008 年，Wang 等［27］的研究表明LPS刺激可以誘導(dǎo)SD大鼠皮層和黑質(zhì)中鐵調(diào)素表達(dá)增加。接著，Marques 等［41］研究表明炎癥會引起雄性Wistar大鼠腦組織的脈絡(luò)叢鐵調(diào)素表達(dá)增加。Urrutia等［42］在2013年用LSP或松節(jié)油處理原代大鼠星形膠質(zhì)細(xì)胞和小膠質(zhì)細(xì)胞也觀察到鐵調(diào)素mRNA和蛋白表達(dá)量增加。最近的一項研究表明［46］，腦室內(nèi)注射LPS可以上調(diào)鐵調(diào)素的表達(dá)，也可下調(diào)大鼠皮層和黑質(zhì)中的Fpn1水平。在細(xì)胞水平，只有當(dāng)LPS與BV-2小膠質(zhì)細(xì)胞共培養(yǎng)時，LPS才能增加神經(jīng)元中的鐵調(diào)素表達(dá)。此外，發(fā)現(xiàn)IL-6而不是IL-1α，IL-1β或腫瘤壞死因子 -α（tumor necrosis factor α，TNF-α）增加皮質(zhì)神經(jīng)元和多巴胺能神經(jīng)元中的鐵調(diào)素表達(dá)和STAT3磷酸化，并且這些作用可被STAT3抑制劑阻斷。這些發(fā)現(xiàn)表明，LPS刺激神經(jīng)元中鐵調(diào)素表達(dá)的上調(diào)是通過IL-6 / STAT3信號通路以及小膠質(zhì)神經(jīng)細(xì)胞介導(dǎo)的過程。正常老齡大鼠脈絡(luò)叢中鐵調(diào)素的表達(dá)也與IL-6 /STAT3信號通路相關(guān)［47］。這表明腦內(nèi)鐵調(diào)素基因表達(dá)也能被炎癥激活。

目前尚不清楚TfR2 / HFE，BMP / HJV / SMAD通路，ERFE和類固醇激素是否在腦中的鐵調(diào)素表達(dá)中起作用。關(guān)于人大腦中鐵相關(guān)基因表達(dá)的研究表明，除了HJV外的所有基因包括HFE，再生蛋白1（neogenin 1，NEO1）和 TfR2 都在腦中表達(dá)［32］。而在大鼠腦中能夠檢測到HJV、以及十二指腸細(xì)胞色素B（duodenal cytochrome B，DcytB），鐵調(diào)節(jié)蛋白 1（iron regulatory protein 1，IRP1） 和 鐵 調(diào) 節(jié) 蛋 白 2（iron regulatory protein 2，IRP2）基因 RNA 的表達(dá)［44］，這表明參與外周系統(tǒng)鐵調(diào)素表達(dá)的所有關(guān)鍵蛋白質(zhì)或分子很可能也在腦中表達(dá)，但這仍需要進(jìn)一步研究來證明。這些蛋白質(zhì)在腦內(nèi)可能與在外周組織中發(fā)揮相同作用，在控制鐵調(diào)素表達(dá)的同時也具有其他功能。最近用TfR2敲除小鼠模型進(jìn)行的研究支持這一觀點(diǎn)，研究表明TfR2敲除引起神經(jīng)組織中不伴腦鐵調(diào)素反應(yīng)的特定區(qū)域產(chǎn)生鐵積聚現(xiàn)象［24］。小鼠和SD大鼠腦中鐵調(diào)素mRNA水平隨著年齡升高［28-29］。這一發(fā)現(xiàn)意味著鐵調(diào)素在腦中的表達(dá)隨增長而增加，但確切的原因和相關(guān)機(jī)制目前還未知。此外，鐵調(diào)素的表達(dá)還受機(jī)體鐵水平的影響。當(dāng)體內(nèi)鐵水平升高時，肝生成鐵調(diào)素增多，鐵調(diào)素與小腸細(xì)胞膜上的Fpn1結(jié)合，使其內(nèi)化并降解，最終使腸上皮細(xì)胞中的鐵向血漿轉(zhuǎn)運(yùn)減少；反之，當(dāng)體內(nèi)鐵儲存減少時，鐵調(diào)素合成受到抑制，腸上皮細(xì)胞內(nèi)鐵轉(zhuǎn)運(yùn)入血漿增多。基于鐵在鐵調(diào)素表達(dá)中的作用，我們假設(shè)鐵調(diào)素表達(dá)增加可能是由于年齡引起腦鐵積聚導(dǎo)致的。雖然鐵調(diào)素表達(dá)增加了，但是腦中鐵的水平仍較高。這可能表明鐵調(diào)素的作用在老年大鼠中已經(jīng)受損，也有可能是鐵調(diào)素表達(dá)量的增加不足以使老年鼠腦中鐵含量恢復(fù)正常狀態(tài)［28］。顯然需要進(jìn)一步的工作來證實這些可能性。

2.3 鐵調(diào)素在中樞神經(jīng)系統(tǒng)中的調(diào)控作用

鐵調(diào)素通過控制腸鐵吸收、巨噬細(xì)胞鐵回收、肝儲存鐵移動以及外周骨髓細(xì)胞鐵利用來調(diào)節(jié)血漿鐵濃度，是組織鐵分布的中心參與者［4-7］。且人們普遍認(rèn)為，鐵調(diào)素也是腦鐵穩(wěn)態(tài)的核心參與者，并且在鐵穿越BBB中起著關(guān)鍵調(diào)控作用。生理情況下，腦細(xì)胞可能并不攝取進(jìn)入大腦的所有鐵，因為腦細(xì)胞攝取的鐵含量是由膜上鐵攝取蛋白表達(dá)量控制的。換句話說，大腦內(nèi)可能有兩種鐵轉(zhuǎn)運(yùn)途徑：“細(xì)胞攝取途徑”（“主要途徑”）和“非細(xì)胞攝取途徑”（“旁路途徑”）。在生理條件下，“旁路途徑”中鐵的攝取量非常小。當(dāng)腦細(xì)胞攝取鐵增加時，鐵調(diào)素表達(dá)會增加，進(jìn)而保持腦鐵穩(wěn)態(tài)。鐵調(diào)素表達(dá)增加可使神經(jīng)元和星形膠質(zhì)細(xì)胞鐵攝取減少。此外，鐵調(diào)素還可以抑制外周鐵穿過BBB，進(jìn)而降低腦鐵含量。然而，對大腦如何感測鐵水平、如何通過控制BBB中鐵轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白表達(dá)來調(diào)節(jié)鐵從體循環(huán)轉(zhuǎn)入大腦，鐵調(diào)素在大腦的哪個部位釋放及腦細(xì)胞間如何通過不同細(xì)胞間的相互作用和調(diào)控途徑來調(diào)節(jié)腦鐵含量等問題知之甚少。而闡明這些問題是至關(guān)重要的。

研究發(fā)現(xiàn)鐵調(diào)素肽能夠抑制Fpn1、TfR1和二價金屬離子轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白 1（divalent metal transporter 1，DMT1）的表達(dá)，從而減少培養(yǎng)的神經(jīng)元和星形膠質(zhì)細(xì)胞中鐵的吸收和釋放［48-49］。除鐵釋放蛋白Fpn1外，還發(fā)現(xiàn)鐵調(diào)素顯著抑制培養(yǎng)的微血管內(nèi)皮細(xì)胞、神經(jīng)元和星形膠質(zhì)細(xì)胞中鐵攝取蛋白TfR1和DMT1的表達(dá)［48-49］。鐵調(diào)素對鐵攝取蛋白的抑制作用也在鐵耗竭的星形膠質(zhì)細(xì)胞中得到證實［48］，這表明鐵調(diào)素對鐵攝取蛋白的抑制作用是直接的，而不是通過其誘導(dǎo)Fpn1減少使細(xì)胞鐵增加。此外，發(fā)現(xiàn)鐵調(diào)素通過cAMP-蛋白激酶A途徑抑制TfR1的表達(dá)。通常，肽激素的受體位于靶細(xì)胞膜表面，靶細(xì)胞對肽激素的反應(yīng)由第二信使如cAMP介導(dǎo)［50］。因此，這些發(fā)現(xiàn)可能意味著星形膠質(zhì)細(xì)胞膜上存在鐵調(diào)素的新型受體，鐵調(diào)素對TfR1的直接抑制作用可能是由這種未知的受體介導(dǎo)的。鐵調(diào)素對神經(jīng)元和星形膠質(zhì)細(xì)胞中鐵攝取的抑制作用，提示腦中存在“鐵調(diào)素介導(dǎo)的細(xì)胞自我保護(hù)（或防御）機(jī)制”。當(dāng)腦鐵增加時，鐵調(diào)素的表達(dá)將增加，增加的鐵調(diào)素通過關(guān)閉鐵的進(jìn)出使腦細(xì)胞和外界隔絕，然后保持相對穩(wěn)定的內(nèi)部環(huán)境使細(xì)胞存活。這種鐵調(diào)素受體和“鐵調(diào)素介導(dǎo)的細(xì)胞自我保護(hù)機(jī)制”的假說有待進(jìn)一步研究證明。

最近研究表明AD患者大腦海馬裂解物中鐵調(diào)素和Fpn1蛋白表達(dá)水平顯著降低［33］。目前尚不清楚為什么AD患者大腦鐵調(diào)素表達(dá)降低，以及為什么在AD患者腦中鐵調(diào)素表達(dá)降低的情況下，F(xiàn)pn1蛋白水平也較低。理論上，鐵調(diào)素表達(dá)下降可能導(dǎo)致腦鐵的增加。這意味著某些AD患者中發(fā)現(xiàn)的腦鐵積聚可能是由于鐵調(diào)素含量降低導(dǎo)致。研究還表明，大腦腫瘤樣本（包括少突膠質(zhì)細(xì)胞瘤、低分子膠質(zhì)細(xì)胞瘤和星形細(xì)胞膠質(zhì)瘤）與正常腦皮層相比，鐵調(diào)素表達(dá)較低，表明鐵調(diào)素在腦瘤中的表達(dá)可能失調(diào)［32］。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)TfR1在腫瘤細(xì)胞中顯著增加［51-52］，因此已經(jīng)被作為將治療劑遞送到腫瘤細(xì)胞的靶向載體［53-55］。然而，目前尚不清楚腫瘤細(xì)胞中增加的TfR1表達(dá)是否與鐵調(diào)素表達(dá)失調(diào)（降低）相關(guān)，因為在星形膠質(zhì)細(xì)胞的研究中表明鐵調(diào)素可通過環(huán)AMP-蛋白激酶A途徑直接抑制TfR1表達(dá)［48］。最近Yorka等的一項研究表明，PD患者腦內(nèi)也有鐵積聚現(xiàn)象，且這與IRP1的激活有關(guān)。IRP1激活導(dǎo)致鐵在腦中積聚，引起氧化應(yīng)激，最終導(dǎo)致線粒體損傷［56］。推測腦鐵積聚也可能是由腦內(nèi)鐵調(diào)素表達(dá)下降所導(dǎo)致的。這些研究均表明鐵調(diào)素在腦內(nèi)鐵穩(wěn)態(tài)的調(diào)節(jié)中發(fā)揮著重要的作用，需要通過進(jìn)一步的研究來闡明這些問題。因此，需要準(zhǔn)確地研究以下問題：①是否所有類型的腦細(xì)胞都能合成鐵調(diào)素？②腦內(nèi)是否存在一類細(xì)胞是表達(dá)鐵調(diào)素的主要細(xì)胞，其功能上類似于腦外肝細(xì)胞？③在一種類型腦細(xì)胞中檢測到的鐵調(diào)素是否是其他類型腦細(xì)胞合成并分泌的，而不是由其本身合成？于是在全面了解鐵調(diào)素在腦鐵穩(wěn)態(tài)中的作用之前，我們需要解析所有這些可能性。

3 鐵調(diào)素在神經(jīng)退行性疾病中潛在的治療作用

腦中病理性鐵積聚在某些神經(jīng)退行性疾病發(fā)生發(fā)展中的作用［57-58］，表明鐵調(diào)素是干預(yù)這類疾病的新靶點(diǎn)。除了通過化學(xué)或生物螯合劑從某些腦區(qū)螯合掉多余的鐵之外［59-62］，還可以通過內(nèi)源性分子調(diào)節(jié)鐵代謝蛋白表達(dá)將腦鐵水平恢復(fù)至正常水平。這也許是所有鐵相關(guān)神經(jīng)退行性疾病另一種有希望的治療策略。相關(guān)研究可能為預(yù)防或治療這些疾病開辟新途徑。

已經(jīng)證明，機(jī)體鐵負(fù)荷會誘導(dǎo)皮層、海馬紋狀體和黑質(zhì)中鐵含量顯著增加［63-64］，而用重組腺病毒的鐵調(diào)素（Ad-hepcidin）轉(zhuǎn)染腦組織，會誘導(dǎo)鐵調(diào)素含量顯著增加，降低大鼠四個腦區(qū)的鐵含量［49，65］。通過注射鐵葡聚糖可誘導(dǎo)四個腦區(qū)中鐵、二氯熒光素和8-異前列烷水平（活性氧水平檢測的標(biāo)志物）增加，而這種現(xiàn)象可通過用Ad-hepcidin預(yù)處理大鼠來有效地預(yù)防［65］，這些發(fā)現(xiàn)提供了鐵調(diào)素可以預(yù)防大鼠腦鐵增加和減少鐵過載大鼠腦內(nèi)產(chǎn)生活性氧的證據(jù)。另外，發(fā)現(xiàn)用Adhepcidin治療能夠抑制放射性標(biāo)記的鐵（Tf-Fe55）從左頸動脈向腦的轉(zhuǎn)運(yùn)通過BBB，表明Ad-hepcidin具有減少鐵從外周組織轉(zhuǎn)運(yùn)至大腦的重要作用。對所涉及的機(jī)制進(jìn)一步研究，發(fā)現(xiàn)Ad-hepcidin和鐵調(diào)素肽均能顯著抑制細(xì)胞鐵釋放蛋白Fpn1的表達(dá)，抑制細(xì)胞鐵攝取蛋白TfR1和DMT1的表達(dá)，從而降低微血管內(nèi)皮細(xì)胞中轉(zhuǎn)鐵蛋白依賴方式、非轉(zhuǎn)鐵蛋白依賴方式鐵的攝取和鐵的釋放。但用鐵調(diào)素siRNA逆轉(zhuǎn)錄病毒下調(diào)鐵調(diào)素的表達(dá)可以逆轉(zhuǎn)這些現(xiàn)象［49］。研究結(jié)果表明，鐵調(diào)素通過抑制BBB內(nèi)皮細(xì)胞中鐵攝取和釋放蛋白的表達(dá)，從而減少鐵通過BBB轉(zhuǎn)運(yùn)至腦內(nèi)。

上述表明鐵調(diào)素對所有鐵相關(guān)神經(jīng)退行性疾病具有可能的治療潛力，特別是腦內(nèi)鐵調(diào)素含量顯著下降的疾?。?3］。研究結(jié)果還表明鐵調(diào)素具有預(yù)防與年齡有關(guān)的神經(jīng)退行性疾病的作用，減緩了腦鐵含量隨年齡增加而增長的速度，因而延緩神經(jīng)退行性疾病發(fā)展的進(jìn)程。近年來，已經(jīng)開展了相當(dāng)多的研究工作來克服鐵調(diào)素臨床應(yīng)用的兩個關(guān)鍵問題，即生物利用度差和合成成本高［66-71］，相信這兩個問題在不久的將來會得到解決。

4 結(jié)果和展望

鑒于過去幾年在生理和病理條件下對鐵調(diào)素在腦中的表達(dá)和功能研究的迅速進(jìn)展，這種天然存在的、可生物降解的、無毒的和非免疫的多肽，具有很大的潛力被發(fā)展成為一種新穎的、非常有效的預(yù)防和治療鐵相關(guān)神經(jīng)退行性疾病的藥物。提高生物利用度，降低合成成本是目前需要進(jìn)一步研究的關(guān)鍵課題。此外，對腦在生理條件下如何保持鐵穩(wěn)態(tài)以及何種病理生理學(xué)條件下腦部某些區(qū)域鐵含量異常升高這兩個基本問題進(jìn)行深入研究仍然是必需的。這些努力和調(diào)查將有效縮短從實驗室向臨床轉(zhuǎn)化的時間，從而有效地將鐵調(diào)素的基礎(chǔ)研究成果轉(zhuǎn)化為臨床應(yīng)用。

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