多发性硬化脑内铁异常沉积的发生机制及其研究进展

杜思霖 综述，李咏梅 审校

多发性硬化(multiple sclerosis, MS)是一种慢性神经系统疾病，其组织病理特征为中枢神经系统广泛脱髓鞘、轴索丢失、胶质增生。最近文献报道了铁在MS患者及其动物模型中均有铁的沉积[1-5]。铁在MS的病理生理中有重要作用，但关于铁沉积的病理生理机制并不清楚，若能对铁沉积的机制及其变化进行定量研究和测定，将有助于理解MS疾病的发生机制和帮助临床治疗，然而，脑内的铁代谢远没有其他器官(如肝脏和小肠)研究清楚，笔者综述MS患者及动物模型中对铁的研究进展。

1 铁在MS中的作用及其分布

铁是机体不可缺少的微量金属离子，它不仅是机体运输氧和蛋白质的必需成分，而且是很多酶的辅助因子。在神经细胞的生长、增殖、分化和髓鞘化等过程中具有关键性的作用。在脑组织中，脂肪成分约为灰质重量的33%，白质重量的55%，髓鞘重量的70%，少突胶质细胞占髓鞘成分的50%以上，在形成髓鞘的过程中产生大量的脂肪，如此大的“脂肪工厂”需要足够的酶参与，而很多酶需要铁作为催化剂[2]。在中枢神经系统中少突胶质细胞和髓鞘均含有丰富的铁，缺铁会造成髓鞘生成不良和髓鞘再生障碍。

2 MRI测量铁含量的技术及其研究进展

MRI可以检测到铁，源于铁蛋白及铁，分别为超顺磁性和顺磁性物质，由于其结构特点的特殊性能显著改变局部磁场，造成局部磁场的不均匀，使邻近质子失相位，导致T2*、T2缩短及相位的改变。在脑内的微量金属中(如锰、镁、铜等)只有铁达到足够的浓度时能够改变MRI信号。铁的定量指标有T2弛豫时间、横向弛豫率(transverse relaxation rate,R2)、有效横向弛豫率(effective transverse relaxation rate, R2*)、磁场不均匀性引起的弛豫率(relaxation rate due to field inhomogeneity, R2＇)，以及磁敏感加权成像(Susceptibility Weighted Imaging, SWI)等技术。Haacke等[3]对27例临床确诊为MS的患者行SWI，分析病灶、病灶周围、看似正常表现的白质及灰质区中的铁沉积，并在SWI相位图上对铁进行定量的研究，结果显示SWI不仅在识别病灶时较常规方法敏感，且与常规方法结合后可发现超过50%的病灶，同时还可以显示MS病灶内铁的不同位置特征，如病灶中心、周围及静脉壁铁的沉积；Chen等[4]用三维增强磁敏感加权血管成像(3D-enhanced susceptibilityweighted angiography, ESWAN)证实42例临床确诊为复发缓解型MS (relapsing-remitting MS, RRMS)部分深部灰质的铁含量高于同龄的视神经脊髓炎患者和对照组。曾春等[5]在ESWAN相位图上对临床确诊为RRMS患者分别测量半卵圆中心和正中侧脑室旁之间层面的病灶和健康志愿者相应感兴趣区(region of interest, ROI)的相位值，得出ESWAN相位图可以量化脑铁含量，有助于研究MS的发病机制和病理改变。苗延巍等[6]对临床确诊为MS的患者及正常对照组行SWI及动态磁敏感灌注成像研究，得出MS患者看似正常脑白质区域(normal-appearing white matter,NAWM)的相位值显著低于正常人，与微循环血量及扩展残疾状态评分(expanded disability status scale,EDSS)有相关性。

3 MS中铁异常沉积与发生机制关系的理论假设及实验研究

实验性自身免疫性脑脊髓炎(experimental autoimmune encephalomyelitis, EAE)是局限于实验动物神经系统内的迟发型超敏反应性自身免疫性疾病，具有与人类MS相同的免疫反应及病理特征，是研究人类MS的理想动物模型，其中大鼠EAE模型是研究EAE病理改变过程、探索MS病因及发病机制等的重要研究平台[7]。在EAE动物模型和MS病解组组织中显示有小胶质细胞、巨噬细胞、脱髓鞘斑块、髓鞘白质和灰质均有铁的异常沉积[2，4，8]。MRI研究MS患者T2WI示皮质、病灶以及基底节区中散在的低信号为病理性的铁沉积，与MS患者的行走障碍、脑萎缩的相关性较常规MRI显示的病灶更密切[3，8]。在MS疾病的过程中，EAE模型和进展型MS的脑脊液中均发现有铁蛋白浓度升高，当缺氧和紧张时，少突胶质细胞增加铁蛋白的合成，且CD4+T细胞的发育和代谢也需要铁，因此在EAE发展过程中铁的调节可能发挥了双刃剑(double-edge sword)功能。针对这些理论，文献从不同的角度和实验研究了铁的异常沉积。

3.1 铁沉积与神经元变性及髓鞘破坏之间的关系

神经元即神经细胞，是神经系统最基本的结构和功能单位之一，神经系统主要由神经细胞和神经胶质组成。神经元大致都可以分为细胞体和突起两部分。自胞体伸出两种突起：呈树枝状的被称为树突，它接收其他神经元的信息并传至胞体；细长的突起称为轴突，它把冲动由胞体传至远处，传给另一个神经元的树突或肌肉与腺体。髓鞘由少突胶质细胞构成，包裹在轴突上，起着绝缘和加速传递作用。而在少突胶质细胞中含有丰富的铁。当免疫细胞(如Th1、Th17)破坏少突胶质细胞时，导致大量的铁沉积[9]。

神经元吸收铁的方式可能有：铁通过血脑屏障后与星型胶质细胞的终足接触，在铁氧化酶血浆铜蓝蛋白作用下变为Fe3+，与转铁蛋白一起通过细胞膜表面的转铁蛋白受体进入神经元；铁还可以与柠檬酸铁和三磷酸腺苷等结合形成复合物，通过Ca2+电通道进入神经元内；通过长链亚单位H-铁蛋白受体吸收铁蛋白进入神经元内[10]。有研究证实MS发生脱髓鞘时，神经元受到破坏后，释放铁导致脑内自由铁含量增加[9]。研究者推测，在炎性脱髓鞘时，巨噬细胞透过血脑屏障后吞噬衰老的红细胞，过多的铁从血液进入脑组织，组织中的自由铁过量，促进自由基的产生，引起脂质过氧化，最终促使神经元变性、凋亡或坏死，从而导致脑组织内铁含量的增加。

Pelizzoni等[11]基于单细胞的荧光分析显示胞内自由Fe2+增加能够促进Fe2+进入神经元，激活N-甲基-D天冬氨酸盐受体和Ca2+的电压门控通道，而不是改变胞内Ca2+浓度。该研究显示铁进入途径不是被胞内铁浓度调控的，铁异常沉积对神经元有损害，组织学研究[12-13]也发现帕金森病(Parkinson disease, PD)、阿尔茨海默病(Alzheimer disease, AD)及其他一些慢性神经系统疾病患者有脑内铁的异常聚集，而且数据还显示在神经退行性变疾病中因铁的代谢紊乱时线粒体可以作为潜在的靶向治疗[11]。在MS患者中，线粒体通过Fenton反应(指H2O2与Fe2+结合后在催化剂的作用下产生自由基)发生氧化应激损伤和释放磷脂质，随着有毒的自由基产生的增加，可能导致铁的含量的增加[14]。过量的铁沉积通过酶促反应会使活性氧的产物增加，而活性氧的增加能影响线粒体的功能和氧化应激破坏脂质、蛋白和核酸等物质[9]。

3.2 铁沉积与炎症的关系

有学者认为铁沉积触发了中枢神经系统的炎症反应[9，15]。慢性脑脊髓静脉功能不全(cerebrospinal venous insufficiency, CCSVI)是颅外主要静脉发育异常引起脑脊髓血管内血流量改变，这些颅外的主要静脉包括颈内静脉、椎静脉和奇静脉等[16]。根据CCSVI相关的大脑静脉流速改变的特征和静脉周围间隙的组织学特征，提出了MS中铁沉积是CCSVI的结果。这个假设是脑脊髓静脉的逆流或改变引起血脑屏障破坏和微循环改变，从而导致红细胞溢出，组织学和MRI证实在颅内有病灶的MS患者中红细胞溢出和存在吞噬铁的巨噬细胞均在静脉周围[9，15]。研究显示小静脉周围炎症是MS最常见的一种病理特征[15]，该研究组用有创的选择性静脉造影术、经颅彩色多普勒超声提示MS患者存在多发性颅外静脉(包括奇静脉)回流障碍、静脉狭窄及逆流异常表现，因此该研究组提出了MS可能类似慢性静脉性疾病(如下肢静脉性溃疡)出现组织内铁的沉积与静脉血流动力学的异常有关。还有学者认为MS的炎症、纤维沉积或者其他因素导致血管闭塞和红细胞外渗，而在这种情况下铁沉积是炎症的结果[17]。但是Worthington等[18]在3年随访MS患者中并没有发现脑脊液中铁蛋白水平有明显的变化，这与CCSVI相关的脑组织内铁沉积相矛盾。

Williams等[19]用立体定向的方法在大鼠大脑内注入致脑炎因子、肿瘤坏死因子-α(tumor necrosis factor, TNF-α)和干扰素-γ(Interferon，IFN-γ)来诱导脑型EAE (cerebral EAE, cEAE)模型，在两对照组中分别用同样的方法注入生理盐水、不含致脑炎因子的生理盐水和细胞因子，用MRI和铁的组织染色来定位铁沉积，用其他的组织化学方法定位炎症细胞的浸润。cEAE组大鼠中MRI显示T2低信号的铁沉积区域在血管周围和一些炎症病变区，并用铁的组织化学方法证实，组织染色发现在激活的小胶质细胞中也观察到铁的沉积，但是在没有铁沉积的区域也可以观察到炎症细胞的浸润，还发现巨噬细胞可能在进入中枢神经系统之前就含有高浓度的铁；而且在没有炎症但有铁沉积的大鼠中，平均血管数比有炎症有铁沉积大鼠的平均血管数明显增加[20]，这些征象说明了血管周围的铁沉积与炎症的发生是独立的，炎症细胞浸润并不是引起铁沉积的诱因。Williams等[19]还用多普勒分析大脑内血管的血流速度，显示了cEAE大鼠的脑血流量比对照组降低，可能是因为炎症细胞引起血管阻塞；还发现炎症刺激物伴随着血管周围的铁沉积，这些征象支持血管炎症导致中枢神经系统血流速度的改变，从而引起铁沉积。然而这个模型也存在争议，脑内局部TNF和IFN同时增加可能使磷酸表面抗原的自身免疫反应自发的发生，在炎症的条件下这个自身免疫反应的修饰会导致一种脑内局部铁沉积。Le Vine等[2]在这之前已经报道在无局部脑注射物时也有类似的铁沉积，但两种模型的优缺点还不清楚。

因此，MS中枢神经系统静脉周围铁沉积可以促发炎症反应；然而炎症、纤维沉积或者其他因素导致血管闭塞和红细胞外渗时可以导致铁的过量沉积，但是铁沉积和炎症到底谁先发生需要进一步的大量实验证明。

4 铁剂治疗MS疗效的研究

过量的铁沉积会导致疾病的恶化，可能主要是通过促进氧化应激反应、阻碍修复机制、激活小胶质细胞和巨噬细胞，从而提高促炎症因子的释放和促进线粒体的改变而导致细胞的变性。Le Vine等[2]在EAE动物模型中，观察到了异常的铁沉积，而在缺铁的动物实验中，却不能诱导EAE模型，铁异常沉积的发生机制研究有助于鉴别对铁的干扰是否对疾病的治疗有效。针对干预铁、铁平衡及铁催化自由基等不同方法来探讨治疗EAE和MS的疗效，大多数直接的方法是利用铁的螯合剂来治疗。Bowern等[21]用铁的螯合剂去铁胺来治疗EAE，研究显示去铁胺通过限制铁所催化的自由基来抑制疾病的活跃期从而阻止破坏组织。控制铁在中枢神经系统不同细胞中的分布或许能够控制MS的发展，而且干预铁催化的酶促反应可能是MS进一步治疗的方向[2]。

5 小结

在炎性脱髓鞘时，巨噬细胞透过血脑屏障后吞噬衰老的红细胞、破坏的髓鞘和少突胶质细胞死亡碎屑；铁的沉积也可能来源于神经元吸收铁后被破坏；铁的沉积还可能来源于胞浆蛋白，因血脑屏障破坏，血浆蛋白进入中枢神经受到破坏；线粒体发生氧化应激反应可能使胞内铁沉积；谷氨酸盐的抗兴奋毒性可能促进铁吸收；脑静脉压的升高引起出血可能使铁沉积在血管周围等，目前这几种可能机制都需要进一步研究。在MS和EAE病程中有铁的沉积，且过量的铁沉积可能会导致疾病的恶化，铁异常沉积的机制研究有助于鉴别对铁的干扰是否对疾病的治疗有效，将来还需要进一步借助于相关组织病理学和MRI技术为MS脑内铁沉积的机制作更深入的研究。

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