蛛网膜下腔出血后铁代谢机制的研究进展

田卫东，王业忠

蛛网膜下腔出血 (subarachnoid hemorrhage，SAH)最严重的并发症是脑血管痉挛 (cerebral vasospasm，CVS)，其发生率高达30%～90%，治疗棘手，常引起严重局部脑组织缺血或迟发性缺血性脑损害［1］，是影响患者预后，导致病情加重甚至死亡的重要原因。SAH患者中70%出现CVS，36%可致症状性脑缺血或脑梗死［2］。据统计，SAH患者中有12%在CVS尚未治疗时就已死亡，25%于24h内死亡，另有40% ～60%的患者于30d内死亡，可见其危害之巨大［3］。因此探讨CVS的发病机制对临床治疗有着重要的指导意义。近年来，随着分子生物学技术的发展，对SAH后并发CVS中铁代谢机制进行不断的深入研究，出现新的进展，综述如下。

根据SAH后CVS的发生时相不同，分为两种:一种是SAH后破入脑脊液中的血液对脑血管的机械性刺激所致的早发性CVS，早发性CVS，多发生于SAH后0.5h至3d内，常于数小时内缓解。二是持续时间较长的、目前机制尚未明了的迟发性CVS(dalei cerebral vasospasm，DCV)。DCV发生于出血后4～15d，7～10d为高峰期，12～14d开始缓解［4］。DCV不同于早期CVS，病理解剖学上可观察到痉挛血管平滑肌细胞的坏死和内皮细胞的剥离［5］。

1 铁在脑组织的分布和功能

铁在正常脑组织中浓度为 (63±24)μmol/g，在脑的各个部位均有铁离子广泛存在，但分布很不均匀，以海马、桥脑、中脑、延髓中浓度最高［6］，基底神经节最多，少突胶质细胞是铁离子浓度最高的脑细胞［7］。脑组织中的铁离子几乎总是与蛋白或其他大分子结合，或作为小分子复合物配体(如柠檬酸盐、磷酸盐和氨基酸)的形式存在［8］。细胞内铁主要存在于铁蛋白中，细胞内仅含10～17mol/L游离铁，结合在铁蛋白上的铁为氧化态，无活性作用，其可从大分子物质上解离出来，变成游离铁或低分子物质则具有活性。

脑铁及其生理平衡在脑的功能活动中有着十分重要的作用［9］。大脑需要大量ATP以保持细胞膜内外的离子梯度、实现突触传递和轴突转运，而铁离子是氧化链中细胞色素、细胞色素氧化酶以及铁－硫复合物的必需成分，因此在脑组织ATP生成中起重要作用。铁离子还作为酪氨酸羟化酶和色氨酸羟化酶的协同因子，参与神经递质合成、DNA合成和三羧酸循环，在脂质和胆固醇合成中也必不可少，而后两者是合成髓鞘的重要底物。另外，铁离子也参与γ－氨基丁酸 (γ－aminobutyric acid，GABA)能神经元的活动［10］。在脑内参与铁代谢的蛋白质包括转铁蛋白、转铁蛋白受体、血红蛋白、铁蛋白等。

2 转铁蛋白及其受体

2.1 转铁蛋白 血浆转铁蛋白 (transferrin，Tf)主要在肝脏合成，脑组织也合成该蛋白，Tf存在于发育期及成熟的神经元，以及脑毛细血管内皮细胞、室管膜细胞。TfmRNA存在于脉络丛上皮细胞、少突胶质细胞、星形细胞及神经元中。脉络丛细胞中TfmRNA浓度相对较高，因此合成Tf能力较强［11］。

成人脑内的Tf与脑脊液和细胞外间隙中的铁离子结合［12］。Tf在氨基酸及碳酸盐的协同作用下，当pH值＞7时才能与铁结合。每个转铁蛋白有两个结合铁的位点，一分子Tf可与两个Fe3+结合，形成Fe－Tf复合体。

2.2 转铁蛋白受体 转铁蛋白受体 (transferrin recept，TfR)是由2个亚基组成的跨膜蛋白，包括胞内、跨膜和胞外三部分。TfR主要存在于管腔侧内皮细胞和神经元中。在蛋白水解酶作用下，TfR在Argl02Leul01处与细胞脱落，失去膜内和跨膜部分，以单体形式游离于血中，形成 (soluble transferrin receptor，sTfR)，sTfR浓度与细胞的TfR总量成比例［13］。

结合了铁的转铁蛋白 (Fe－Tf)运输至血 －脑屏障(BBB)，与BBB内皮细胞上的TfR结合内吞，形成的内吞小体膜上有H泵可使内吞小体内pH值下降至大约5.5～6.5，导致Fe与Tf解离并还原至Fe2+。然后Fe2+经二价金属离子转运－1(divalent cation transporter－1，DMT－1)介导穿越内吞小体膜进入内皮细胞胞质内，与TfR结合的非结合铁转铁蛋白(apo.transferrin，apo.Tf)则返回细胞表面，在pH值7.4的环境下，apo－Tf与TfR解离回到血液循环中。TfR通过与Tf的可逆结合介导细胞摄取Fe－Tf。

3 铁在脑毛细血管的转运及调节

3.1 转运途径 铁离子被吸收进入内皮细胞主要通过3条途径:经典铁离子摄取途径 (Tf/TfR途径［14］)、Tf有关的非TfR依赖途径、非Tf依赖途径。

转铁蛋白－转铁蛋白受体转运系统 (Tf/TfR)是铁跨越脑毛细血管内皮腔膜的主要途径。铁离子通过转铁蛋白－转铁蛋白受体 (Tf/TfR)、二价金属离子转运 －1(divalent cation transporter－1，DMT－1)、铁转运激活物 (stimulator of Fetransport，SFT)或其他途径转运进入脑血管内皮细胞，然后穿过血脑屏障进入脑组织。

毛细血管内皮细胞中也存在黑色素转铁蛋白 (melanotransferrin，MTf)，它既能与细胞膜结合，也能以可溶性形式存在。DMT－1和SFT是Tf有关的非TfR依赖途径的主要功能蛋白，而MTf在非Tf依赖途径中起重要作用。另外，乳铁蛋白－转铁蛋白同族体与Fe3+结合后可刺激发生胞吞作用，转运铁离子进入内皮细胞。铁离子从内皮细胞进入脑组织的机制尚不清楚。

此外，铜蓝蛋白、人乳铁蛋白 (1actoferrin，Lf)/Lf R等在Fe转运通过BBB过程中可能也发挥一定作用，少量Fe也可能以完整的Tf结合成Fe复合体形式通过受体机制穿过BBB。

3.2 转运的调节 目前已知参与对TfR调节的因素除与细胞的分化状态有关外，还与细胞内的血红素含量 (细胞内游离血红素含量增高时，可抑制TfR的表达。反之，则TfR的表达增加)及细胞内铁代谢的状况有关。Fe2+供应水平和细胞增殖率决定TfR的数目，后者直接影响细胞摄取Fe2+。Fe缺乏能刺激受体合成，反之就会抑制其合成。TfR的表达主要是根据细胞内铁水平进行转录后水平的调节。当细胞内铁过多时，胞浆内的铁反应因子 (IRF)与TfRmRNA3翻译区的铁反应元件(IRE)亲和力下降，TfRmRNA的降解增加，细胞内TfRmRNA减少，TfR合成减少，使细胞摄取铁减少;当细胞处于铁缺乏时，IRF与 IRE结合增强，使 TfRmRNA稳定，不被降解，TfmRNA数量增加，TfR合成增多，细胞摄取铁增加。从体外细胞培养可观察到，当培养基中铁供给减少时，细胞表达TfR明显增强;反之，向培养细胞供给过量的铁，细胞表达TfR减少。

目前DMT－1对铁代谢的调节机制不明。DMT－1－IREmRNA含有与TfR相似的IRE结构，推测DMT－1的表达调控可能与TfR的表达调控方式类似，即IRP－IRE介导的转录后水平的表达调节。当铁水平过低时，DMT－1－IREmRNA的IRE与IRP紧密结合，增加了DMT－1－IREmRNA的稳定性，DMT－1表达增加。缺铁动物的小肠、脑等组织发现DMT－1的表达增加。均支持DMT－1－IREmRNA表达可能是受IRP－IRE介导的转录后调控的观点。

SFT具有刺激细胞表面的非转铁蛋白结合铁或转铁蛋白结合铁的摄取功能，其基因表达存在转录水平和转录后水平两种调控机制，主要受细胞内铁浓度的负向调控。

4 研究现状

SAH后血液流至蛛网膜下腔，红细胞溶解后的降解产物有血红素、胆绿素、铁离子 (Fe3+)和一氧化碳 (CO)。高分子溶血产物氧合血红蛋白是引起血管痉挛的早期关键因素，也是目前较为肯定的致血管痉挛物质。Horky等［15］进一步认为，OxyHb中亚铁状态的铁离子很可能在CVS发生过程中起重要作用，在其后的有关实验动物模型中也证实了上述推断。Pluta［16］的设想，SAH后凝血块中红细胞裂解释放的含二价铁血红蛋白 (HbO2和亚铁血红蛋白)迅速与内源性的一氧化氮反应结合形成沉淀，降低了血管舒张作用，从而导致脑血管痉挛的发生。铁螯合剂消除铁能预防或减轻CVS，也证明了SAH后铁超载、铁代谢障碍与CVS的发生有密切的关系。细胞内铁主要存在于铁蛋白中，结合在铁蛋白上的铁为氧化态，无活性作用，其可从大分子物质上解离出来，变成游离铁或低分子物质则具有活性。SAH后红细胞溶解，CSF中铁离子浓度明显增高，亚铁离子还能与内皮衍生舒张因子结合，导致内皮细胞内铁离子减少，氧化及活性降低，使血管舒张功能减退，致使 CVS［17］。

活性铁涉及机体许多细胞内过程，并参与维持哺乳动物细胞正常结构和功能。铁作为潜在的脂质过氧化催化剂，具有很强的氧化还原活性，可产生大量氧自由基，造成脂质过氧化损伤，氧自由基和脂质氧化产物都可通过血管壁，造成血管的直接反应性，损害血管内皮及平滑肌细胞［18］。窦岩等［19］用脑室注入高浓度铁离子的方法诱发大鼠神经细胞凋亡，结果表明脑脊液中高浓度铁离子能促进神经元凋亡。

Tf/TfR转运系统是铁跨越脑毛细血管内皮腔膜的主要途径。铁向细胞内的转运是由细胞表面特异性的受体－转铁蛋白受体数目所决定的［20］。sTfR浓度与细胞的TfR总量成比例。袁安芝等［21］研究显示，在所有SAH患者的CSF中均发现在发病后5、7、10 d时Tf浓度与1 d时比明显升高，CSF中的Tf浓度变化与CVS发生时间窗基本一致，而sTfR浓度无明显改变。研究表明，蛛网膜下隙的红细胞分解产物可以引起CVS，然而在脑实质出血模型上，红细胞分解产物并不导致血肿周围组织产生明显缺血［22－23］，推测是SAH出血的RBC大量溶解后分解出铁，间接刺激脉络丛Tf分泌所致［24］。可认为Tf的升高与铁清除有密切关系，推测Tf可能在SAH并发CVS中起着重要作用。

5 展望

综上所述，SAH后CSF铁超载在CVS中起一定作用，铁螯合剂消除铁能预防或减轻CVS也进一步验证了此推断。SAH后CSF中Tf反应性增高，并且与CVS发生时间窗基本一致，而TfR并没有反应性升高，我们推测CVS的发生与铁代谢障碍有关系，具体机制有待于进一步的研究。SAH患者CSF中Tf的变化可以作为判断SAH后是否发生CVS的一个重要指标，也为应用阻止CVS的药物、用药时间及用量大小提供了重要理论依据，而SAH患者CSF中铁离子的变化是否可以作为判断SAH后是否发生CVS的一个指标也有待于进一步的研究。

此外，研究发现乳酸水平升高与脑组织缺血的临床症状密切相关，高浓度乳酸与严重缺血和完全性缺血亦有良好的相关性［25］。赵卫华等应用微透析技术监测脑脊液中的乳酸水平发现，SAH急性CVS期乳酸水平并无明显改变，SAH后第5天开始升高，提示迟发性CVS与其病理演变过程具有一致性，而SAH患者CSF中乳酸水平的变化是否与CVS发生的时间窗一致也有待于进一步的研究。

1 Hirashima Y，Endo S，Kato R，et al.Prevention of cerebrovasospasm following subarachnoid hemorrhage in rabbits by the platelet－activating factor antagonist，E 5880 ［J］.J Neurosurg，1996，84(5):826 －830.

2 王新德.神经系统血管性疾病 ［M］.北京:人民军医出版社，2001:170－188.

3 Mayberg MR.Cerebral vasospasm ［J］.Neurosurg Clinial，1998，9:615－627.

4 Zhang JH.Progress in reuroscience［M］.BeiJing:Higher Education Press，2004.

5 Vatter H，Weidauer S，Konczalla J，et al.Time course in the development of cerebral vasospasm after experimental subarachnoid hemorrhage:clinical and neuroradiologica assessment of therat double hemorrhage model［J］.Neurosurgery，2006，58(6):1190－1197.

6 Lipscomb DC，Gorman LG，Traystman RJ，et al.Low molecular weight iron in cerebral ischemic acidosis in vivo ［J］.Stroke，1998，29(2):487－492.

7 Connor JR，Menzies SL.Relationship of iron to oligodendrocytes and myelination ［J］.Glia，1996，17:83－93.

8 Schenck JF，Zmimerman EA.High－field magnetic resonance miaging of brain iron:birth of a biomarker［J］.NMR Biomed，2004，17:433－445.

9 Qian ZM，Pu Y，Wang Q，et al.Iron metabolism and CNS diseases［M］.Beijing:Science Press，2000:329－352.

10 Connor JR，Menzies SL，Burdo JR，et al.Iron and iron management proteins in neurobiology［J］.Pediatr Neuro，2001，25:118－129.

11 Koeppen AH，Dickson AC，Mcevoy JA.The hetero.geneous distribution fobriantransferrin ［J］.J Neuropathol ExpNeurol，1995，54(3):395－403.

12 Wagner KR，Sharp FR，Ardizzone TD，et al.Heme and iron metabolism:role in cerebral hemorrhage［J］.J Cereb Blood Flow Metab，2003，23:629－652.

13 Khumalo H，Gomoz A，Moyov M，et al.Serum trasnfer rinreceptors are decreased in htepresence of iron overload ［J］.Cain Chem，1998，44(1):40－44.

14 Qina ZM，Shen X.Brain iorn transoprtand neuro degeneration［J］.Trend Mol Med，2001，7:103 －108.

15 Horky LL，Pluta RM，Boock RJ，et al.Role of ferrous iron chela －tor 2，2－dipyridyl in preventing delayed vasospasm in a primatemodel of subarachnoid hemorrhage［J］.J Neurosurg，1998，88(2):298－303.

16 Pluta RM.Delayed cerebral vasospasm and nitric oxide review，new hypothesis，and proposed treatment［J］.Pharma－ col Ther，2005，105:23－56.

17 Farbiszewski R，Bielawska A，Szymanska M，et al.Spermine partially normalizes in vivo antioxidant defense potential in certain brain regions in transiently hypoperfused rat brain ［J］.Neurochem Res，1996，21(12):1497－1503.

18 Weir B，Macdonald RL，Stoodley M.Etiology of cerebral vasospasm［J］.Acta Neurochir Suppl，1999，72:27 －46.

19 窦岩，刘继英，吴建良，等.脑室注入高浓度铁离子诱发大鼠神经细胞凋亡 ［J］.山西医科大学学报，2005，36(6):665－666.

20 Miller YE，Jonesc，Scoggi NC，et al.Chrom －osome 3q(22 －ter)encodes the human transferring receptor ［J］.Am JHum genet，1983，35:573－583.

21 袁安芝.蛛网膜下隙出血并发脑血管痉挛患者脑脊液中转铁蛋白及其可溶性受体变化与意义［J］.汕头大学医学院学报，2009，22(1):41－43.

22 Xi G，Keep RF，Hoff JT.Erythrocytes and delayed brain edema formation following intracerebral hemorr－ hage in rats［J］.J Neurosurg，1998，89(6):991－996.

23 Xi G，Hua Y，Bhasin RR，et al.Mechanisms of edema formation after intracerebral hemorrhage:effects of extravasated red blood cells on blood flow and blood－brain barrier integrity［J］.Stroke，2001，32(12):2932－2938.

24 Kenneth RW，Frank RS，Timothy DA，et al.Heme and iron metabolism:Role in cerebral hemorrhage［J］. Cerebral Blood Flow＆Metabolism，2003，23:629－652.

25 Nilsson OG，Brandt L，Ungerstedt U，et al.Bedside detection of brain ischemia using intracerebral microdialysis:subarachnoid hemorrhage and delayed ischemic deterioration ［J］.Neurosurgery，1999，45:1176－1184.