鐵過載在β-地中海貧血無效造血中的機(jī)制研究進(jìn)展

謝燕妮 劉容容 賴永榕

β-地中海貧血是一種由于β-珠蛋白基因突變導(dǎo)致的的單基因遺傳性溶血性貧血,其主要病理特征為骨髓中紅系祖細(xì)胞過早凋亡和循環(huán)中成熟紅細(xì)胞壽命縮短。β-地中海貧血呈世界性分布,廣泛流行于地中海流域、中東、東南亞和非洲,我國廣東省、廣西省、福建省、湖南省、云南省、貴州省、四川省和中華人民共和國香港特別行政區(qū)、中華人民共和國澳門特別行政區(qū)等均為β-地中海貧血的高發(fā)區(qū)[1]。在β-地中海貧血中,由于β-珠蛋白合成缺如或不足引起α、β-珠蛋白鏈比例失衡,相對過剩的游離α-珠蛋白鏈沉積、變性及降解,從而產(chǎn)生細(xì)胞毒性活性氧化物,損害紅細(xì)胞的成熟和活力,破壞紅細(xì)胞膜結(jié)構(gòu),導(dǎo)致無效造血(ineffective erythropoiesis,IE)[2]。IE致貧血可抑制hepcidin表達(dá),促進(jìn)腸道鐵吸收增加,導(dǎo)致患者出現(xiàn)臨床相關(guān)的繼發(fā)性鐵過載[3]。鐵沉積過多可形成鐵相關(guān)的游離羥基自由基,繼而造成活性氧(reactive oxygen species,ROS)堆積和紅細(xì)胞氧化損傷,加速IE的進(jìn)展[4]。IE和鐵過載的相互作用形成惡性循環(huán),加重β-地中海貧血的疾病嚴(yán)重程度。本文將對鐵過載在β-地中海貧血無效造血中的機(jī)制研究進(jìn)展進(jìn)行討論,靶向鐵過載為β-地中海貧血中IE的治療提供更多的參考。

一、ROS在β-地中海貧血無效造血中的作用機(jī)制

IE是β-地中海貧血的主要病理特征,表現(xiàn)為早期紅系祖細(xì)胞增殖增加,去核成熟紅細(xì)胞生成減少,增殖和分化的失衡導(dǎo)致IE和貧血。IE包括紅系祖細(xì)胞增殖擴(kuò)增、紅細(xì)胞分化加速至嗜多色細(xì)胞階段、嗜多色細(xì)胞成熟停滯和凋亡增加4個(gè)典型步驟[5]。研究發(fā)現(xiàn),β-地中海貧血患者骨髓紅系祖細(xì)胞數(shù)量約為健康人的6倍,而細(xì)胞凋亡率約為健康人的4倍[3]。有研究發(fā)現(xiàn),ROS在β-地中海貧血IE中發(fā)揮重要作用。

在β-地中海貧血中,過量的游離α-珠蛋白鏈形成包涵體或與血紅蛋白結(jié)合形成有毒的不溶性聚集體可沉淀并破壞紅細(xì)胞膜結(jié)構(gòu),導(dǎo)致IE[2]。游離α-珠蛋白鏈不僅可以直接損傷紅細(xì)胞膜結(jié)構(gòu),還可產(chǎn)生大量 ROS導(dǎo)致紅細(xì)胞氧化損傷。高ROS水平是IE的標(biāo)志之一。研究發(fā)現(xiàn),β-地中海貧血患者紅細(xì)胞ROS水平較正常人明顯升高[6]。已有研究表明,除了過量的游離α-珠蛋白鏈外,長期貧血引起的慢性缺氧及無效紅細(xì)胞生成導(dǎo)致的線粒體損傷、繼發(fā)性鐵過載也是引起ROS異常升高的主要原因[7]。

ROS增加可以氧化細(xì)胞脂質(zhì)、核酸、蛋白質(zhì),并改變轉(zhuǎn)錄因子、膜通道和信號(hào)通路的活性,引起許多細(xì)胞器功能失調(diào)。位于質(zhì)膜上的 ROS通過脂質(zhì)過氧化改變細(xì)胞膜通透性,導(dǎo)致ATP 產(chǎn)生效率降低并縮短紅細(xì)胞壽命,最終導(dǎo)致IE[3]。此外,質(zhì)膜上的 ROS可誘導(dǎo)紅細(xì)胞磷脂酰絲氨酸外化,以及介導(dǎo)紅細(xì)胞陰離子跨膜轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白(Band 3)磷酸化和聚集并被抗Band 3 抗體識(shí)別,進(jìn)而介導(dǎo)巨噬細(xì)胞對紅細(xì)胞的吞噬作用,縮短紅細(xì)胞壽命,促進(jìn)IE 的發(fā)生[8]。研究已證實(shí)異常增加的ROS可氧化損傷線粒體功能,觸發(fā)細(xì)胞凋亡,進(jìn)而損害地中海貧血患者的骨髓造血功能[6]。Elisa等[9]研究結(jié)果顯示,地中海貧血患者細(xì)胞內(nèi)ROS和脂質(zhì)過氧化物水平較對照組明顯升高,而線粒體跨膜電位顯著降低,證實(shí)了地中海貧血患者細(xì)胞內(nèi)異常增加的ROS可誘導(dǎo)細(xì)胞氧化損傷,引發(fā)線粒體功能紊亂,觸發(fā)細(xì)胞凋亡。異常增加的ROS是β-地中海貧血紅系細(xì)胞凋亡增加導(dǎo)致IE的重要原因。然而,ROS導(dǎo)致β-地中海貧血紅系細(xì)胞凋亡的機(jī)制尚未明確。在骨髓增生異常綜合征(myelodysplastic syndromes,MDS)小鼠模型中研究發(fā)現(xiàn),高水平ROS抑制骨髓紅系造血功能并且增加造血干細(xì)胞的更新頻率,導(dǎo)致造血干細(xì)胞壽命縮短并提前耗竭,最終導(dǎo)致IE[10]。

綜上所述,大量ROS是導(dǎo)致β-地中海貧血IE 的重要原因,其可通過誘導(dǎo)細(xì)胞氧化損傷引發(fā)細(xì)胞膜和線粒體等細(xì)胞器功能紊亂,觸發(fā)紅系祖細(xì)胞凋亡,加重貧血和IE。

二、鐵過載和無效造血的關(guān)系

在β-地中海貧血中,IE 的過程伴隨著大量的鐵過載。近年來有關(guān)鐵過載的研究結(jié)果顯示,過多的鐵沉積不僅會(huì)損害心臟、肝臟、內(nèi)分泌腺體等器官功能,還會(huì)沉積在骨髓損傷骨髓造血功能和骨髓微環(huán)境。反復(fù)輸血是鐵過載的重要原因,但I(xiàn)E可抑制hepcidin表達(dá)引起腸道鐵吸收增加和鐵過載。

全身鐵穩(wěn)態(tài)受到hepcidin的嚴(yán)格調(diào)控,hepcidin能夠靶向作用于人體內(nèi)膜鐵轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白(recombinant ferroportin,FPN),從而發(fā)揮負(fù)性調(diào)節(jié)鐵水平的作用。一方面,hepcidin與FPN結(jié)合并誘導(dǎo)其降解以減少十二指腸的鐵吸收,另一方面,可減少肝臟、脾細(xì)胞釋放鐵,最終降低血清鐵水平[11]。在正常生理?xiàng)l件下,hepcidin受鐵水平和鐵需求量的調(diào)節(jié),鐵過載可增加hepcidin表達(dá)抑制腸道鐵吸收,而缺鐵則有相反的效果。

有研究發(fā)現(xiàn),盡管β-地中海貧血患者存在著鐵過載,但hepcidin水平較健康人顯著降低,這是由于IE抑制hepcidin表達(dá)所致[12]。hepcidin的表達(dá)主要由BMP-Smad信號(hào)通路調(diào)控,造成IE抑制hepcidin基因表達(dá)導(dǎo)致鐵過載發(fā)生的因素主要如下：(1)在缺鐵、紅細(xì)胞生成和低鐵調(diào)素水平的條件下,調(diào)節(jié)鐵吸收的主要因子是腸道缺氧誘導(dǎo)因子-2α (hypoxia inducible factor-2,HIF-2α)[2]。TMPRSS6是一種跨膜絲氨酸蛋白酶,具有從肝細(xì)胞膜上裂解鐵調(diào)素調(diào)節(jié)蛋白(hemojuvelin,HJV)進(jìn)而拮抗BMP-Smad 信號(hào)通路發(fā)揮抑制hepcidin表達(dá)的作用,HIF-2α通過上調(diào)TMPRSS6進(jìn)而抑制hepcidin表達(dá),導(dǎo)致鐵過載[13]。此外,HIF-2α還是促進(jìn)腸道鐵吸收的關(guān)鍵調(diào)節(jié)因子,通過調(diào)控鐵相關(guān)蛋白如FPN、二價(jià)金屬轉(zhuǎn)運(yùn)體1 (divalent metal transport1,DMT1)、十二指腸細(xì)胞色素b (Dcytb)的表達(dá),促進(jìn)十二指腸鐵吸收增加[14]。(2)IE導(dǎo)致貧血和缺氧后可介導(dǎo)紅細(xì)胞生成素刺激紅細(xì)胞生成擴(kuò)張,高水平紅細(xì)胞調(diào)節(jié)劑抑制hepcidin表達(dá)、增加腸道鐵吸收以滿足紅細(xì)胞生成所需的鐵,進(jìn)而補(bǔ)償IE引起的貧血。在β-地中海貧血中,已經(jīng)報(bào)道了幾種紅細(xì)胞調(diào)節(jié)劑,如GDF11、紅富鐵激素(erythroferrone,ERFE),主要通過BMP-Smad 信號(hào)通路抑制hepcidin表達(dá)[15,16]。綜上所述,IE、貧血、缺氧和紅細(xì)胞調(diào)節(jié)劑等因素均可抑制hepcidin表達(dá),導(dǎo)致腸道鐵吸收增加和鐵過載。此外,IE和慢性溶血可導(dǎo)致各種異形紅細(xì)胞破裂增加,釋放血紅蛋白結(jié)合鐵和游離鐵,進(jìn)而加重鐵過載[3]。

近年來,越來越多證據(jù)表明鐵過載可通過誘導(dǎo)細(xì)胞內(nèi)ROS水平增加損傷骨髓造血功能。Chai等[17]研究發(fā)現(xiàn),鐵過載可通過NOX4-ROS-P38 MAPK信號(hào)通路增加細(xì)胞內(nèi) ROS 水平,進(jìn)而損害鼠模型中造血干細(xì)胞的克隆功能、降低骨髓造血干/祖細(xì)胞的比例及影響細(xì)胞的分化過程。Muto等[18]研究證實(shí),大量鐵劑處理后可顯著提高細(xì)胞內(nèi)ROS及凋亡水平,損傷造血干/祖細(xì)胞功能,抑制紅系祖細(xì)胞分化,細(xì)胞呈現(xiàn)病態(tài)造血征象。當(dāng)發(fā)生鐵過載時(shí),過量的鐵沉積于細(xì)胞內(nèi)形成可變鐵池(labile iron pool,LIP),LIP具有氧化還原活性,能夠催化Fenton和Haber-Weiss反應(yīng)產(chǎn)生大量ROS,ROS的堆積增加脂質(zhì)過氧化和細(xì)胞器損傷,導(dǎo)致紅系祖細(xì)胞凋亡增加,加速貧血和IE[19]。Fibach等[20]對β-地中海貧血患者研究證實(shí),過多的鐵沉積在骨髓內(nèi)可引起紅系祖細(xì)胞凋亡增加,從而導(dǎo)致IE;鐵沉積在外周循環(huán)中可縮短成熟紅細(xì)胞壽命,加速慢性溶血性貧血。此外,已有研究表明鐵過載可通過HIF-1α/ROS信號(hào)通路誘導(dǎo)骨髓紅系凋亡增加,促進(jìn)IE[21]。Li等[22]研究證明,在β-地中海貧血小鼠模型中,降低紅細(xì)胞內(nèi)的鐵水平可減少α-珠蛋白鏈和含鐵血紅素聚集體的形成,并改善貧血和IE。既往研究結(jié)果顯示,鐵過載主要通過細(xì)胞內(nèi)ROS介導(dǎo)氧化損傷作用損害骨髓造血功能,加速IE。

綜上所述,大量研究證明,β-地中海貧血患者由于IE致貧血導(dǎo)致腸道鐵吸收增加繼而發(fā)生鐵過載,并且鐵過載狀況隨年齡增長日益加重。過量的鐵沉積發(fā)生氧化應(yīng)激反應(yīng)刺激大量ROS的產(chǎn)生,異常增加的ROS可損傷骨髓造血功能和骨髓微環(huán)境,導(dǎo)致紅系祖細(xì)胞凋亡增加而成熟紅細(xì)胞生成減少,進(jìn)一步加速貧血和IE的進(jìn)展。鐵過載和IE的雙向作用導(dǎo)致IE和貧血日益加重,形成惡性循環(huán),嚴(yán)重影響患者的生存質(zhì)量。

三、靶向鐵代謝改善無效造血的治療方法

在β-地中海貧血中,IE和反復(fù)輸血均會(huì)導(dǎo)致鐵過載。鐵過載是β-地中海貧血的一種重要且具有潛在破壞性的并發(fā)癥,過多的鐵沉積在組織器官中,尤其是心臟、肝臟和內(nèi)分泌器官,可引起相應(yīng)的細(xì)胞損傷和臟器功能衰竭。因此,去鐵治療對β-地中海貧血患者尤為重要,在一定程度上可改善貧血和IE的程度,提高患者的生活質(zhì)量。目前應(yīng)用于去鐵治療的主要方式有上調(diào)hepcidin、抑制FPN、輸注脫鐵運(yùn)鐵蛋白(apoTf)和使用鐵螯合劑,這幾種方式通過不同的機(jī)制減輕鐵過載水平進(jìn)而改善IE。

1.上調(diào)hepcidin的表達(dá)：hepcidin是鐵穩(wěn)態(tài)的主要調(diào)節(jié)器,使用Minihepcidins和TMPRSS6抑制劑可上調(diào)hepcidin表達(dá)進(jìn)而抑制腸道鐵吸收。Minihepcidins是一種hepcidin激動(dòng)劑,靶向作用于FPN以降低腸道鐵吸收。Casu等[23]研究證實(shí),在β-地中海貧血小鼠模型中,使用Minihepcidins治療可減少ROS和鐵過載,并改善貧血和IE。TMPRSS6對hepcidin具有負(fù)調(diào)控作用,反之可運(yùn)用TMPRSS6抑制劑增強(qiáng)BMP-Smad信號(hào)通路刺激hepcidin表達(dá)改善鐵過載。采用TMPRSS6反義寡核苷酸或小干擾RNA方法治療β-地中海貧血小鼠可成功抑制TMPRSS6導(dǎo)致hepcidin表達(dá)增加,減輕鐵過載,而且hepcidin水平增加與改善紅細(xì)胞生成、減少紅細(xì)胞擴(kuò)張、促進(jìn)紅細(xì)胞成熟相關(guān)。有研究表明,TMPRSS6抑制劑和鐵螯合劑的聯(lián)合治療在改善鐵過載和IE的作用效果優(yōu)于單一療法[24]。

2.抑制FPN：VIT-2763是一種FPN抑制劑,通過與hepcidin競爭性結(jié)合FPN并觸發(fā)其降解以阻斷細(xì)胞內(nèi)鐵外流。研究發(fā)現(xiàn),VIT-2763單獨(dú)治療后可減輕β-地中海貧血小鼠的肝臟鐵過載,同時(shí)還改善IE和貧血,延長紅細(xì)胞壽命;VIT-2763與鐵螯合物的聯(lián)合治療對改善鐵過載和IE的效果較單一療法顯著[25]。

3.輸注apoTf：apoTf可作為一種鐵離子清除劑,抑制細(xì)胞吸收游離鐵以減少鐵過載的發(fā)生。Gelderman等[26]研究發(fā)現(xiàn),運(yùn)用apoTf治療β-地中海貧血小鼠可提高h(yuǎn)epcidin水平并且改善臟器中的鐵沉積,同時(shí)還可減少紅細(xì)胞中α-珠蛋白鏈沉積和細(xì)胞凋亡,證實(shí)了apoTf具有改善鐵過載和IE的作用。

4.使用鐵螯合劑：去鐵銅(deferiprone,DFP)、去鐵胺(desferrioxamine,DFO)和地拉羅司(deferasirox,DFX)是目前已運(yùn)用于臨床β-地中海貧血患者鐵負(fù)荷管理的鐵螯合劑,通過與細(xì)胞內(nèi)游離鐵結(jié)合形成螯合物以減少ROS生成,繼而減少細(xì)胞和器官的功能損害。這3種鐵螯合劑有效改善了β-地中海貧血患者鐵過載情況,減少患者鐵過載引起的相關(guān)并發(fā)癥,降低發(fā)生率和病死率。然而與鐵螯合劑相關(guān)的并發(fā)癥限制了其在臨床的應(yīng)用,因此仍需探究對患者受益更大的治療方案改善IE。

四、展 望

IE是β-地中海貧血的主要病理特征,最終導(dǎo)致慢性貧血、髓外造血、肝脾腫大和全身鐵過載?；颊哂捎陂L期貧血、缺氧致腸道鐵吸收異常及反復(fù)輸血導(dǎo)致繼發(fā)性鐵過載,鐵過載可以加速IE的進(jìn)展,導(dǎo)致溶血性貧血日益加重,形成惡性循環(huán)。此外,鐵沉積過多會(huì)引起進(jìn)行性組織損傷和器官衰竭,增加β-地中海貧血的發(fā)生率和病死率。了解鐵穩(wěn)態(tài)失調(diào)與IE之間的關(guān)系,通過針對鐵過載在IE的潛在發(fā)病機(jī)制,靶向調(diào)節(jié)鐵代謝的新治療策略有助于減少氧化損傷和改善IE,有利于幫助患者及早預(yù)防或減少相關(guān)并發(fā)癥的發(fā)生,提高他們的生存質(zhì)量及在未來開辟新的治療途徑。