鐵超載在肝臟疾病中的研究進(jìn)展

劉 磊，丁 蘭，袁 媛，葉 菁

空軍軍醫(yī)大學(xué) 基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)院 病理學(xué)教研室，陜西 西安 710032

鐵(iron)是所有生物體必不可少的元素,正常成人體內(nèi)含3～5 g鐵,紅細(xì)胞、肝臟中的含量最高。在機(jī)體內(nèi),鐵主要以血紅素(heme)和鐵硫簇(iron-sulfur cluster,ISC)蛋白的形式參與多種生理過程,包括氧氣轉(zhuǎn)運(yùn)、線粒體呼吸、物質(zhì)代謝、核酸復(fù)制與修復(fù)、免疫反應(yīng)、細(xì)胞信號(hào)傳導(dǎo)、解毒等,對(duì)維持細(xì)胞和機(jī)體正常的生理功能起重要作用。鐵超載(iron overload)通過誘導(dǎo)氧化應(yīng)激影響組織器官功能,參與多種肝臟疾病的發(fā)生發(fā)展,損害機(jī)體健康。肝臟是鐵代謝、調(diào)節(jié)、存儲(chǔ)的主要部位,因此成為鐵超載損傷的首要靶器官。

1 鐵超載及其分類

鐵超載是指機(jī)體內(nèi)源性鐵調(diào)節(jié)蛋白缺乏或外源性鐵攝入過多而造成的體內(nèi)鐵含量過高,進(jìn)而影響組織器官功能、損害機(jī)體健康的一種病理生理學(xué)現(xiàn)象?，F(xiàn)有研究按病因?qū)㈣F超載分為遺傳性鐵超載、獲得性鐵超載、其他原因鐵超載。遺傳性鐵超載也稱為原發(fā)性鐵超載,是一種由基因突變引起的常染色體隱性遺傳病,如血色素沉著癥(hemochromatosis,HH)。獲得性鐵超載是反復(fù)輸血或腸外補(bǔ)鐵過多引起的全身性鐵超載。其他病因引起的鐵代謝相關(guān)分子的改變,造成機(jī)體鐵蓄積,為其他原因鐵超載。

2 肝臟鐵超載發(fā)生的主要原因

鐵主要以含鐵蛋白的形式存儲(chǔ)于肝臟,多種鐵代謝調(diào)節(jié)蛋白由肝臟表達(dá)分泌。肝臟既是人體內(nèi)最大的儲(chǔ)鐵器官,也是調(diào)節(jié)整個(gè)機(jī)體鐵代謝的關(guān)鍵臟器。

2.1 肝臟是鐵代謝、存儲(chǔ)的主要臟器

人體內(nèi)的鐵主要來源于腸道吸收的膳食中鐵及巨噬細(xì)胞吞噬衰老紅細(xì)胞形成的再循環(huán)鐵。食物中消化吸收的Fe3+經(jīng)細(xì)胞色素b還原為Fe2+,二價(jià)金屬離子轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白將其轉(zhuǎn)運(yùn)入胞。小腸細(xì)胞內(nèi)鐵和再循環(huán)鐵由鐵轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白(ferroportin,FPN)外排,經(jīng)亞鐵氧化酶或銅藍(lán)蛋白氧化,與血清轉(zhuǎn)鐵蛋白結(jié)合形成轉(zhuǎn)鐵蛋白-鐵復(fù)合物(Tf-Fe3+)進(jìn)入體循環(huán)。肝細(xì)胞具有很強(qiáng)的儲(chǔ)鐵能力,主要通過膜轉(zhuǎn)鐵蛋白受體(transferrin receptor,TfR)攝取循環(huán)中的鐵,形成胞內(nèi)不穩(wěn)定鐵池。除去肝細(xì)胞自身利用的鐵外,剩余鐵與鐵蛋白結(jié)合、存儲(chǔ)以降低其毒性。

2.2 肝臟是鐵代謝調(diào)節(jié)的關(guān)鍵臟器

肝臟是機(jī)體鐵調(diào)節(jié)蛋白分泌的主要場(chǎng)所,主要表達(dá)鐵調(diào)素(hepcidin)、TfR2、鐵調(diào)素調(diào)節(jié)蛋白(hemojuvelin,HJV)等物質(zhì)。鐵調(diào)素在肝臟高表達(dá),調(diào)節(jié)機(jī)體血清鐵濃度,在調(diào)控機(jī)體鐵超載過程中起核心作用。鐵調(diào)素通過與細(xì)胞膜上FPN結(jié)合,調(diào)節(jié)腸道鐵及巨噬細(xì)胞內(nèi)鐵的吸收,進(jìn)而調(diào)控血清鐵濃度,防止形成鐵超載。TfR2主要通過多種信號(hào)通路調(diào)節(jié)鐵調(diào)素表達(dá),對(duì)體內(nèi)鐵代謝的調(diào)節(jié)具有重要作用,肝臟是其表達(dá)和發(fā)揮活性的主要部位。HJV主要在肝臟中產(chǎn)生,表達(dá)水平受機(jī)體血清鐵濃度的反饋調(diào)節(jié),是機(jī)體鐵穩(wěn)態(tài)調(diào)節(jié)的重要分子。

3 鐵超載引起肝臟損傷的主要途徑

鐵超載可以通過Fenton反應(yīng)產(chǎn)生大量的自由基,引起氧化應(yīng)激反應(yīng),誘發(fā)DNA氧化損傷,造成肝細(xì)胞損傷[1]。在小鼠脂肪肝模型中,鐵超載能夠顯著增加氧化應(yīng)激反應(yīng),導(dǎo)致肝細(xì)胞代謝紊亂與功能障礙[2],同時(shí)也能夠誘發(fā)內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激,以及非折疊蛋白質(zhì)反應(yīng)(unfolded protein response,UPR),加重肝細(xì)胞損傷[3-6]。內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激和UPR可激活炎性反應(yīng),進(jìn)一步導(dǎo)致炎性因子的釋放和ROS的產(chǎn)生[7-8]。鐵超載時(shí),細(xì)胞膜上的不飽和脂肪酸會(huì)被一些脂氧合酶過氧化,抗氧化體系(谷胱甘肽系統(tǒng))調(diào)控的核心酶谷胱甘肽過氧化物酶4(glutathione peroxidase 4,GPX4)等活性降低,誘發(fā)細(xì)胞出現(xiàn)鐵死亡(ferroptosis),產(chǎn)生4-羥基壬烯醛(4-hydroxynonenal,4-HNE)和丙二醛(malondialdehyde,MDA)[5,9]。

另一方面,鐵代謝紊亂導(dǎo)致的肝細(xì)胞糖脂代謝異常也是損傷肝細(xì)胞的重要因素。Heme由Fe2+與原卟啉Ⅸ組成,是很多重要蛋白不可或缺的輔助因子,如過氧化物酶和細(xì)胞色素p450等。ISC也是富含鐵的輔助因子(co-factor),是生物體普遍存在的最古老的生命物質(zhì)之一,如線粒體呼吸鏈復(fù)合物Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、順烏頭酸酶等。Heme和ISC作為許多蛋白的功能基團(tuán),參與脂肪酸氧化、三羧酸循環(huán)、電子傳遞連、生物素合成、蛋白轉(zhuǎn)錄調(diào)控等過程,在細(xì)胞代謝和氧化應(yīng)激等方面發(fā)揮著重要作用,因此鐵代謝紊亂可以通過影響代謝酶的活性,誘發(fā)糖脂代謝異常。小鼠肝臟鐵超載可以通過激活脂質(zhì)生物合成信號(hào)和氧化應(yīng)激反應(yīng)途徑,促進(jìn)肝臟脂質(zhì)儲(chǔ)積,導(dǎo)致肝臟脂肪變性[10]。鐵超載也能夠通過促使細(xì)胞自噬,誘導(dǎo)細(xì)胞產(chǎn)生胰島素抵抗,影響糖代謝過程[11]。鐵超載還可以通過胞內(nèi)代謝產(chǎn)生的脂質(zhì)過氧化產(chǎn)物(4-HNE,MDA)等多種途徑,激活肝固有巨噬細(xì)胞(Kupffer cells),參與并促進(jìn)肝臟炎性反應(yīng)的產(chǎn)生[12-13]。

4 鐵超載在肝臟疾病中的研究進(jìn)展

肝臟功能與機(jī)體鐵代謝、存儲(chǔ)、調(diào)節(jié)息息相關(guān),是鐵超載損傷的首要靶器官。臨床上,多種肝臟疾病的發(fā)生發(fā)展都與鐵超載密不可分,因此,有效地控制肝臟鐵超載對(duì)肝臟疾病的防治有著重要的臨床意義。

4.1 鐵超載與病毒性肝炎

病毒性肝炎的一個(gè)組織學(xué)特征是肝臟鐵沉積,其發(fā)生與肝細(xì)胞鐵超載關(guān)系密切,病變程度與HH相比較低。鐵超載可以通過促進(jìn)宿主細(xì)胞產(chǎn)生病毒核酸、抑制巨噬細(xì)胞、淋巴細(xì)胞的活性降低宿主免疫反應(yīng)、損傷細(xì)胞及線粒體DNA等,參與病毒性肝炎的發(fā)生與發(fā)展。大量的鐵離子沉積可明顯增加肝細(xì)胞對(duì)病毒性肝炎的易感性,有利于病毒的復(fù)制。臨床上,丙肝患者體內(nèi)鐵調(diào)素分泌降低,TfR2表達(dá)升高,肝細(xì)胞經(jīng)TfR2信號(hào)途徑攝取的鐵明顯增多,同時(shí)丙肝患者體內(nèi)的鐵蓄積高于乙肝患者,也與HCV(hepatitis C virus)蛋白可直接導(dǎo)致十二指腸鐵吸收增加、巨噬細(xì)胞鐵釋放和肝臟鐵蓄積、FPN水平增高相關(guān)。此外,鐮狀細(xì)胞性貧血患者因治療常需反復(fù)輸血,肝臟鐵超載同HCV感染常作為該疾病的嚴(yán)重并發(fā)癥共同存在,且二者嚴(yán)重程度呈正相關(guān),說明鐵超載與病毒型肝炎的發(fā)生發(fā)展存在一定相互作用[14-15]。這些研究結(jié)果均說明鐵超載在一定程度上促進(jìn)了病毒性肝炎的發(fā)展。

4.2 鐵超載與非酒精性脂肪性肝病

在中國(guó),非酒精性脂肪性肝病(non-alcoholic fatty liver disease,NAFLD)患病率近十年來呈快速上升趨勢(shì),其發(fā)病原因與機(jī)體鐵代謝失調(diào)關(guān)系密切,但具體分子機(jī)制尚不清楚。約20%～30%的NAFLD患者伴有高鐵血癥及肝臟鐵超載,其嚴(yán)重程度與炎性反應(yīng)、肝臟脂肪變及纖維化程度呈正相關(guān)[16-18]。

當(dāng)過量鐵在肝臟中沉積時(shí),肝細(xì)胞內(nèi)產(chǎn)生大量活性氧,通過氧化應(yīng)激反應(yīng)誘發(fā)細(xì)胞脂質(zhì)過氧化,損傷DNA及蛋白質(zhì),消耗細(xì)胞內(nèi)的ATP、NAD、谷胱甘肽,使炎性因子(IL-6、IL-1)顯著增加,破壞M1/M2型巨噬細(xì)胞極化間的平衡,最終導(dǎo)致細(xì)胞炎性反應(yīng)和纖維化產(chǎn)生[19]。同時(shí),由鐵代謝相關(guān)基因突變引發(fā)的高鐵血癥和肝臟鐵沉積,表明鐵超載與NAFLD的進(jìn)展及更嚴(yán)重的肝臟疾病密切相關(guān)[18,20]。此外,由BMP-SAMD信號(hào)通路參與調(diào)控的鐵超載可以加劇NAFLD中肝臟脂肪變性及肝損傷[21]。這些結(jié)果均表明,不同途徑引起的鐵超載造成的肝臟損傷與NAFLD的發(fā)病及進(jìn)展息息相關(guān)。

4.3 鐵超載與肝臟腫瘤

金屬離子代謝紊亂是促進(jìn)腫瘤發(fā)生的因素之一。鐵代謝相關(guān)蛋白及其轉(zhuǎn)錄調(diào)控機(jī)制的揭示和鐵調(diào)素的發(fā)現(xiàn)使人們對(duì)鐵與腫瘤關(guān)系的認(rèn)知進(jìn)入了一個(gè)嶄新的階段。近些年,一些新的分子機(jī)制和鐵調(diào)控機(jī)制的發(fā)現(xiàn),進(jìn)一步證明了鐵超載是促進(jìn)肝臟腫瘤發(fā)生發(fā)展的重要因素。

肝臟F-box富含亮氨酸重復(fù)蛋白5(F-box and leucine-rich repeat protein 5,FBXL5)缺乏引起的鐵超載及氧化應(yīng)激反應(yīng),在誘發(fā)肝細(xì)胞DNA損傷、炎性反應(yīng)產(chǎn)生和代償性細(xì)胞增殖過程中起到了重要作用,促進(jìn)了肝臟腫瘤的發(fā)生,且與肝細(xì)胞癌(hepatocellular carcinoma,HCC)患者的不良預(yù)后相關(guān)[22]。肝癌細(xì)胞的快速增殖使其對(duì)鐵的依賴性明顯增強(qiáng),主要表現(xiàn)在癌細(xì)胞可表達(dá)大量的鐵穩(wěn)態(tài)蛋白存儲(chǔ)鐵離子,以維持癌細(xì)胞的快速增殖對(duì)鐵的需求。肝臟鐵超載也能夠促使NAFLD進(jìn)展為肝癌。鐵調(diào)素抗菌肽(hepcidin antimicrobial peptide,HAMP)突變?cè)斐傻腍H與肝臟腫瘤的發(fā)生具有直接的關(guān)系,同時(shí)鐵超載是HCC發(fā)生的獨(dú)立危險(xiǎn)因素,終末期肝病患者發(fā)生HCC的風(fēng)險(xiǎn)會(huì)因鐵過度沉積而增加[23-24]。肝細(xì)胞鐵死亡是一種依賴鐵的細(xì)胞程序性死亡,可通過多種調(diào)控途徑參與肝臟腫瘤的發(fā)生與發(fā)展,成為HCC治療的潛在靶點(diǎn),為肝臟腫瘤的治療提供了新的方案[25]。

5 問題與展望

機(jī)體鐵代謝是由多因素調(diào)控的復(fù)雜過程,肝臟在鐵代謝調(diào)控、存儲(chǔ)、利用的關(guān)鍵地位使其成為機(jī)體鐵超載損害的主要器官。鐵超載與多種肝臟疾病的發(fā)生與發(fā)展關(guān)系緊密,對(duì)機(jī)體健康造成了極大的危害。越來越多的關(guān)于鐵代謝調(diào)節(jié)和細(xì)胞鐵死亡的分子機(jī)制被發(fā)現(xiàn),它們從各個(gè)角度闡釋了鐵超載與肝臟疾病發(fā)生之間的關(guān)系,拓寬了研究人員對(duì)肝臟疾病中鐵超載的認(rèn)識(shí),其中一些已經(jīng)進(jìn)入臨床試驗(yàn),為臨床治療肝臟疾病提供了新的思路和方向。

目前,對(duì)鐵代謝穩(wěn)態(tài)調(diào)控相關(guān)分子的機(jī)制研究仍是了解鐵超載引發(fā)各種肝臟疾病的主要途徑,但仍有許多分子的功能、作用和機(jī)制尚不明確,需要科研工作者進(jìn)一步研究探索。此外,鐵超載與心血管疾病、腦神經(jīng)性病變、糖尿病和多種腫瘤的發(fā)生也有著密切的聯(lián)系。因此,進(jìn)一步探索機(jī)體鐵超載在肝臟疾病中的作用具有十分重要的意義,不僅為肝臟疾病發(fā)生機(jī)制的研究和治療提供新的科研方向和解決方案,也為其他鐵超載相關(guān)疾病的診治提供有價(jià)值的參考。