破骨細(xì)胞中鐵代謝的研究進(jìn)展

倪碩 袁音 鄺言斌 禹寶慶*

1.上海市浦東醫(yī)院(復(fù)旦大學(xué)附屬浦東醫(yī)院)骨科，上海 201301 2.浙江大學(xué)附屬第一醫(yī)院感染科，傳染病診治國家重點實驗室，浙江 杭州 310003 3.上海交通大學(xué)附屬仁濟醫(yī)院呼吸科，上海 200127

鐵作為人體中重要的微量元素之一，其代謝的異常與多種疾病相關(guān)，導(dǎo)致許多骨科疾病的發(fā)生[1]，尤其是骨質(zhì)疏松癥[2]。鐵缺乏導(dǎo)致患者貧血[3]；原發(fā)性鐵超負(fù)荷(遺傳性血色素沉著癥)及繼發(fā)性鐵超負(fù)荷(地中海貧血、先天性貧血、貧血、鐵粒幼細(xì)胞貧血、骨髓增生異常綜合癥等輸血)引起的鐵超載，造成患者肝臟[4]、內(nèi)分泌[5]、心血管[6]、神經(jīng)系統(tǒng)[7]及骨骼肌肉系統(tǒng)損傷[8]。鐵代謝在疾病的病理生理或進(jìn)展中發(fā)揮重要作用[9]。因此，了解鐵代謝在破骨細(xì)胞中的作用機制，對預(yù)防及治療破骨細(xì)胞過度激活導(dǎo)致的骨丟失疾病具有重要意義。

1 鐵代謝的調(diào)控

人體鐵代謝的調(diào)節(jié)，一方面通過膳食進(jìn)行鐵吸收以維持機體正常的鐵需求，另一方面通過機體內(nèi)的氧化還原系統(tǒng)防止鐵過量所帶來的潛在毒性氧化作用[10]。由于體內(nèi)缺乏鐵排泄的主要通道及途徑，因此體內(nèi)鐵代謝吸收的調(diào)節(jié)顯得格外重要[10]。通過膳食攝入的鐵，在腸腔內(nèi)被吸收，接著被釋放入血液循環(huán)。在這些步驟中，鐵通過腸道基底側(cè)膜向血液循環(huán)釋放鐵，這種方式對全身鐵代謝的影響最大。該步驟通過鐵輸出鐵轉(zhuǎn)運蛋白(Ferroportin，F(xiàn)PN)介導(dǎo)，并受到肝臟分泌的鐵調(diào)素(Hepcidin)調(diào)節(jié)[11]。腸道基底側(cè)釋放的鐵與轉(zhuǎn)鐵蛋白(Transferrin，Tf)結(jié)合后在血漿中運輸。血液循環(huán)中轉(zhuǎn)鐵蛋白通常飽和度通常為30%[12]。轉(zhuǎn)鐵蛋白飽和度<16%表示鐵缺乏，而>45%飽和度則是鐵超負(fù)荷的跡象。當(dāng)飽和度超過60%時，未結(jié)合轉(zhuǎn)鐵蛋白的鐵開始在循環(huán)中蓄積并損害實質(zhì)細(xì)胞[10]。在某些病理情況下，由腸道吸收并且被釋放到血漿中的鐵會超過轉(zhuǎn)鐵蛋白的結(jié)合能力，導(dǎo)致存在未與轉(zhuǎn)鐵蛋白結(jié)合的鐵(non-transferrin bound iron，NTBI)[11]。這種非轉(zhuǎn)鐵蛋白結(jié)合的鐵，被許多不同類型的細(xì)胞吸收，從而引起鐵超負(fù)荷并因此導(dǎo)致細(xì)胞氧化損傷[13]。

人體內(nèi)鐵代謝的調(diào)控主要由鐵調(diào)素(hepcidin)完成。鐵調(diào)素是由肝細(xì)胞分泌的肽類激素，負(fù)責(zé)調(diào)節(jié)腸上皮細(xì)胞吸收鐵以及調(diào)節(jié)鐵從胞內(nèi)(肝細(xì)胞和網(wǎng)狀內(nèi)皮巨噬細(xì)胞系統(tǒng))釋放到循環(huán)系統(tǒng)中[14]。人體細(xì)胞內(nèi)鐵代謝的調(diào)節(jié)主要依賴于鐵調(diào)節(jié)蛋白1(iron regulate orotein 1，IRP1)和鐵調(diào)節(jié)蛋白(iron regulate protein 2I，IRP2)的轉(zhuǎn)錄后調(diào)控。IRP1也稱為順烏頭酸酶1(Aconitase-1，ACO1)，IRP2也稱為鐵反應(yīng)原件結(jié)合蛋白2(iron-response element-binding protein 2，IREB2)。細(xì)胞內(nèi)富鐵時，IRP2被泛素化降解；細(xì)胞內(nèi)缺鐵時，IRP2泛素化降解減少[10]。IRP1的調(diào)節(jié)依賴于線粒體內(nèi)的鐵硫簇。細(xì)胞內(nèi)富鐵時，IRP1與鐵硫簇捆綁并阻止其余鐵反應(yīng)原件(IRE)的結(jié)合，并且充當(dāng)順烏頭酸酶(Aconitase)的角色，因此在這過程中IRP1是雙功能的。當(dāng)細(xì)胞內(nèi)缺鐵時，IRP1失去鐵硫簇及順烏頭酸酶的活性，與IRE相結(jié)合發(fā)揮鐵調(diào)節(jié)的正向作用。線粒體鐵硫簇的破壞刺激IRP的表達(dá)，并導(dǎo)致鐵饑餓反應(yīng)的發(fā)生。因此，IRP1的具體功能決定于線粒體鐵的利用及鐵硫簇的合成，而IRP2則主要感知細(xì)胞內(nèi)鐵水平。

2 鐵與破骨細(xì)胞

2.1 鐵與破骨細(xì)胞的分化

破骨細(xì)胞在分化過程中鐵的需求增加，并且破骨細(xì)胞通過轉(zhuǎn)錄后調(diào)控升高IRP2并由此增加了轉(zhuǎn)鐵蛋白受體1(TfR1)的表達(dá)。因此，TfR1介導(dǎo)的鐵攝取促進(jìn)了破骨細(xì)胞的分化和骨吸收[15]。轉(zhuǎn)鐵蛋白受體1(transferrin receptor 1，Tfr1)與破骨細(xì)胞：轉(zhuǎn)鐵蛋白受體1(Tfr1)是一種廣泛表達(dá)的細(xì)胞表面受體。TF-TFR1復(fù)合物被內(nèi)吞，在細(xì)胞內(nèi)體的酸性環(huán)境中，并在前列腺金屬化還原酶六跨膜上皮抗原(six-transmembrane epithelial antigen of prostate，STEAP)還原酶的輔助下，三價鐵被還原為亞鐵。功能上，首先，Tfr1通過增加鐵的攝入，向線粒體供應(yīng)鐵來增加線粒體呼吸能力。其次，攝入的細(xì)胞內(nèi)鐵通過活性氧(reactive oxygen species，ROS)產(chǎn)生促進(jìn)cAMP反應(yīng)元件結(jié)合蛋白(cAMP response element-binding protein，CREB)對過氧化物酶體增殖物激活的受體-γ共激活劑1β(peroxisome proliferator-activated receptor-γ coactivator 1β，PGC-1β)的轉(zhuǎn)錄誘導(dǎo)，由此促進(jìn)破骨細(xì)胞的分化[15]。在這一過程中，ROS產(chǎn)量的增加進(jìn)一步增強了破骨細(xì)胞的分化，暗示在鐵介導(dǎo)的破骨細(xì)胞分化過程中存在著正反饋調(diào)節(jié)回路。許多文獻(xiàn)報道Tfr1的表達(dá)與破骨細(xì)胞分化及功能正相關(guān)[16-19]。值得注意的是，盡管通過Tfr1依賴性途徑攝取鐵對于破骨細(xì)胞的分化至關(guān)重要，但是通過Tfr1介導(dǎo)的鐵輸入需要經(jīng)過Steap4將其還原為亞鐵以供細(xì)胞使用。Steap4作為破骨前體細(xì)胞中負(fù)責(zé)將三價鐵轉(zhuǎn)化為二價鐵供細(xì)胞使用的亞鐵還原酶，其表達(dá)與破骨細(xì)胞的分化相關(guān)[20]。FPN是目前唯一已知的細(xì)胞鐵輸出蛋白。FPN在與某些與全身鐵穩(wěn)態(tài)有關(guān)的細(xì)胞(例如巨噬細(xì)胞和肝細(xì)胞)中表達(dá)較多。FPN的表達(dá)減少不僅可以增加多發(fā)性骨髓瘤的生長，并且可以促進(jìn)破骨細(xì)胞的分化[21-22]。通過FPN基因敲除小鼠，驗證了FPN對破骨細(xì)胞分化的重要作用，并且認(rèn)為升高的胞內(nèi)鐵可促進(jìn)巨噬細(xì)胞增殖并激活活化的T細(xì)胞1(nuclear factor of activated T cells 1，Nfatc1)和PPARG共激活因子1β(PGC-1β)的核因子表達(dá)[23]。FPN突變小鼠(鐵調(diào)素抵抗)，中軸骨量降低，其原因為體內(nèi)血漿鐵增高所致的成骨形成減少，而破骨相關(guān)指標(biāo)未見明顯改變[24]。此項研究也提示了FPN作為破骨細(xì)胞負(fù)向調(diào)節(jié)蛋白的作用。但是，最近也有報道FPN條件敲除小鼠中具有高骨量表型，并且發(fā)現(xiàn)與體內(nèi)OC形成減少有關(guān)[25]。FPN作為目前唯一已知的細(xì)胞鐵輸出蛋白，其受關(guān)注度正在增加[26]。

2.2 鐵與破骨細(xì)胞的功能

鐵代謝除了影響破骨細(xì)胞的分化外，也影響破骨細(xì)胞的功能。有報道Tfr1缺失的破骨前體細(xì)胞，雖然可以正常分化為破骨細(xì)胞，但是其能量代謝及形態(tài)異常，并且功能受到明顯抑制[27]。鐵蛋白(Ferritin H，F(xiàn)TH)是一種具有24個亞基的蛋白，可以存儲多達(dá)4 500個鐵原子。它由兩個亞基類型組成，稱為鐵蛋白重鏈(ferritin heavy chain，F(xiàn)TH)和鐵蛋白輕鏈(Ferritin L，F(xiàn)TL)亞基。已有文獻(xiàn)報道血清中較高的鐵蛋白與低骨量相關(guān)[28]。同時，也有臨床研究血清鐵蛋白水平升高是絕經(jīng)后女性髖部骨折的獨立預(yù)測因素[29]。這些證據(jù)暗示鐵蛋白與骨代謝，尤其是與破骨細(xì)胞鐵代謝相關(guān)。卵巢切除術(shù)小鼠骨量的變化要晚于鐵蛋白的變化[30]。鐵相關(guān)標(biāo)志物與破骨細(xì)胞分化及功能的關(guān)系見表1。

表1 鐵相關(guān)標(biāo)志物與破骨細(xì)胞分化及功能的關(guān)系Table 1 Relationship between iron related markers and osteoclast differentiation and function

3 鐵與線粒體

線粒體的正常功能對于破骨細(xì)胞的成功分化至關(guān)重要[31]。在破骨細(xì)胞分化過程中，與線粒體生物發(fā)生和功能有關(guān)的一些因素對破骨細(xì)胞的分化起著根本性的作用，例如過PGC1β、過氧化物酶體增殖物激活的受體(peroxisome proliferator-activated receptor，PPAR)和雌激素相關(guān)受體α(ERRα)。這些因素通過不同途徑在破骨細(xì)胞分化過程中調(diào)節(jié)骨重塑[32]。以上這些酶的合成與作用，與線粒體鐵代謝有直接或者間接聯(lián)系[33]。值得一提的是，破骨細(xì)胞的形成以及骨吸收功能的發(fā)揮是一個高耗能的過程，需要大量的ATP供能[31]。線粒體是產(chǎn)生這些ATP的主要場所，而線粒體內(nèi)含鐵蛋白的合成參與了ATP的合成。因此，通過靶向線粒體鐵干預(yù)破骨細(xì)胞能量代謝抑制骨質(zhì)疏松的發(fā)生在未來具有一定的研究及應(yīng)用前景。

4 靶向鐵代謝在骨質(zhì)疏松中的治療

降低細(xì)胞及機體鐵水平被認(rèn)為是治療骨質(zhì)疏松的潛在靶點。DFO被廣泛應(yīng)用破骨細(xì)胞過度激活相關(guān)疾病的基礎(chǔ)及臨床。盡管使用DFO對鐵過載疾病的治療具有良好的治療效果，但由于DFO口服吸收差并且半衰期短，導(dǎo)致患者連續(xù)治療的依從性很差[34]。去鐵酮(DFP)是第一種批準(zhǔn)的口服鐵螯合劑，以3∶1的比例與三價鐵結(jié)合。DFP與鐵具有良好的親和力，可以有效去除體內(nèi)多余的鐵。與傳統(tǒng)的DFO相比，DFP可以口服，并且容易在胃腸道吸收。患者有良好的依從性。由于其親脂的特性，較低的分子量和中性電荷的特征，DFP可以很容易地穿透膜，并有效去除組織中的細(xì)胞鐵[35]。Deferasirox(DFX)是一種三齒口服螯合劑，以2∶1的比例與三價鐵結(jié)合。DFX的半衰期很長，為8～12 h，可確保24 h內(nèi)在治療濃度范圍內(nèi)血漿中的DFX水平。因此，DFX可以每天口服一次。DFX可有效去除心臟和肝臟中過量的鐵，并已被批準(zhǔn)用于治療輸血相關(guān)性貧血患者的鐵超載。DFX不會引起β地中海貧血嚴(yán)重患者內(nèi)分泌失調(diào)的發(fā)生和發(fā)展，并且無論患者是否接受抗骨質(zhì)疏松治療，腰椎骨質(zhì)疏松的情況顯著改善[36]。目前臨床靶向鐵代謝治療骨質(zhì)疏松的藥物見表2。

表2 目前臨床靶向鐵代謝治療骨質(zhì)疏松Table 2 Current clinical targeted iron metabolism in the treatment of osteoporosis

5 觀點及展望

鐵代謝的失調(diào)會干擾骨吸收與骨形成之間的平衡，進(jìn)而導(dǎo)致骨質(zhì)疏松的發(fā)生。有證據(jù)表明，鐵代謝失調(diào)會導(dǎo)致骨吸收增加及骨形成減少[39]。目前，對于鐵代謝與破骨細(xì)胞的基礎(chǔ)研究聚焦于Tfr1與線粒體的生物發(fā)生[15,17]，還有部分集中于鐵輸出蛋白FPN[21-22]，但是對于靶向線粒體鐵影響破骨細(xì)胞能量代謝的研究相對較少。因此，除了針對骨質(zhì)疏松患者鐵代謝及破骨細(xì)胞鐵負(fù)荷，一些針對破骨細(xì)胞線粒體鐵代謝的治療靶點在未來具有極大的研究及應(yīng)用前景。