可变铁池：细胞氧化应激损伤与心血管疾病

余贵泉 刘 剑

可变铁池：细胞氧化应激损伤与心血管疾病

余贵泉 刘 剑

可变铁池是体内一种特殊的铁存在形式，细胞内可变铁池水平可通过流式细胞技术检测。可变铁池参与氧化还原反应产生氧自由基，导致细胞氧化应激损伤，进而参与多种心血管疾病的发生、发展过程。

可变铁池；铁蛋白；氧化应激损伤；心血管疾病

铁是人体必需的微量元素，在人体内有不同的存在形式和不同的配体。人体通过调节铁与铁调节蛋白的结合以维持细胞内铁平衡。细胞中有一部分铁与铁调节蛋白结合力较弱，称为可变铁池(labile iron pool, LIP)[1]。LIP可造成细胞内氧化应激损伤，与心血管疾病密切相关。

1 LIP的形成及调节

1.1 形成与分布

铁经肠道吸收，以三价铁(Fe3+)形式进入血液循环后与转铁蛋白结合，形成转铁蛋白结合铁(transferrin-ferrum,Tf-Fe)。Tf-Fe与细胞膜表面的转铁蛋白受体1(transferring receptor 1,TfR1)结合，通过内吞作用进入细胞成为内含体。内含体中的Fe3+可被还原为二价铁(Fe2+)，再借助内含体膜上的二价金属转运蛋白1进入细胞质形成LIP。LIP主要分布在细胞内溶酶体、细胞核、线粒体等部位[2]。

1.2 调节

LIP的细胞内水平受两方面调节。(1)LIP自身反馈性调节：细胞内LIP水平过高可反馈性抑制TfR1表达，从而减少Fe3+进入细胞，降低细胞内LIP形成；胞内多余LIP还可通过细胞膜表面的TfR1转运至细胞外，以维持细胞内铁平衡[3]。(2)铁蛋白调节LIP水平：细胞LIP水平较高时，铁与铁蛋白紧密结合，即储存铁，是体内铁最主要的储存形式；而储存铁又是细胞内LIP的来源。因此，细胞可通过控制铁蛋白的表达调节LIP水平[4]。

2 LIP与细胞氧化应激损伤

细胞内LIP可参与氧化还原反应产生氧自由基，促进细胞氧化应激损伤。热休克蛋白(heat shock protein, HSP)60具有氧化应激抑制作用。Cabiscol等[5]将HSP60高表达的酿酒酵母突变细胞及HSP60低表达的野生型酿酒酵母细胞置于过氧化氢环境中，通过荧光金属敏感探针——钙黄绿素检测两组细胞内LIP，发现突变株LIP水平明显低于野生型；再用具有抑制LIP作用的铁螯合剂去铁胺处理野生型细胞，细胞氧化应激损伤及凋亡明显减少。该研究提示高水平LIP可加剧细胞氧化应激损伤。

细胞LIP内的铁有Fe3+和Fe2+两种形式，其中以Fe2+为主[5]。LIP内的Fe2+可以与过氧化氢在催化剂作用下生成活性氧(reactive oxygen species, ROS)，即Fenton反应，这是LIP促进细胞氧化应激损伤的基础。Fenton反应产生的ROS包括羟自由基、超氧阴离子自由基等，具有强氧化性。LIP通过参与Fenton反应，生成强氧化性的ROS。ROS通过参与脂类过氧化反应导致细胞生物膜结构变化及功能障碍[6-7]，而脂类过氧化反应产物壬烯可进一步诱导细胞发生凋亡[8-11]；其次，ROS可导致以线粒体为主的脱氧核糖核酸突变，加重细胞损伤[12-14]。

3 LIP与心血管疾病

LIP及其产生的ROS加重细胞氧化应激损伤，与许多心血管疾病的发生、发展相关。

3.1 动脉粥样硬化

研究表明LIP参与动脉粥样硬化的发展。Li等[5]研究了52例颈动脉粥样硬化患者，发现患者颈动脉斑块组织中巨噬细胞内TfR1、铁蛋白高表达，在严重颈动脉斑块病变中更明显。另一研究发现，细胞LIP及其产生的ROS可促进粥样斑块中泡沫细胞的生成[16]。抑制细胞内铁活性会减缓动脉粥样硬化发展。Zhang等[17]给予动脉粥样硬化的小鼠铁鳌合剂以降低细胞铁活性，10周后发现动脉粥样硬化病变明显减轻，其机制可能是细胞内LIP水平降低，使细胞粘附分子生成减少、组织炎症反应减轻。Westerink等[18]研究发现，降低细胞LIP水平可减轻炎症反应、减缓动脉动脉粥样硬化发展。以上研究均提示高水平LIP可促进动脉粥样硬化发展。

LIP可能通过促进单核细胞黏附于血管内皮参与动脉粥样硬化进展。动脉粥样硬化病变早期，单核细胞在黏附分子及趋化因子作用下募集，浸润内皮下层，形成泡沫细胞，是动脉粥样硬化斑块内最丰富的免疫细胞。单核细胞黏附被认为是动脉粥样硬化的早期病变[19]。Kuo等[20]研究发现，给予血液透析患者静脉铁剂治疗，循环系统内单核细胞过氧化物产物、血管细胞黏附分子-1、细胞间黏附分子-1均明显升高，促进单核细胞黏附在主动脉内皮细胞，进而促进动脉粥样硬化，增加心血管事件。

3.2 冠心病

铁蛋白是调节细胞LIP水平最重要的因素。冠心病患者体内铁蛋白呈高水平状态，其可能参与冠心病发生、发展过程。Holay等[21]检测了75例急性心肌梗死患者及相同数量健康人的血铁蛋白水平等指标，多因素Logistic回归分析显示，高水平铁蛋白是急性心肌梗死的独立危险因素。Eftekhari等[22]同样发现，高水平血铁蛋白与冠心病相关。此外，Zhou等[23]对血铁蛋白水平与冠心病风险的荟萃分析显示，血铁蛋白每升高50 μg/L，冠心病风险升高2.4%。然而，冠心病患者体内铁蛋白如何调节细胞LIP水平，并进一步参与冠心病发生、发展过程还有待进一步研究。

3.3 心力衰竭

研究显示LIP与收缩性心力衰竭的严重程度相关。Korantzopoulos等[24]运用流式细胞技术测定60例左心室射血分数(LVEF)<45%的慢性收缩性心力衰竭患者各种血液细胞的LIP水平，分析包括粒细胞、单核细胞等在内的白细胞亚群LIP水平与LVEF的相关性。多元Logistic回归分析提示，粒细胞LIP水平是严重左心室收缩功能障碍(LVEF<30%)的独立危险因素(OR=0.73，95% CI:0.55～0.98；P=0.039)。Spearman秩相关分析显示，粒细胞LIP水平(r=-0.39，P=0.002)、单核细胞LIP水平 (r=-0.35，P=0.007)均与LVEF呈负相关，提示粒细胞、单核细胞等白细胞亚群LIP水平与左心室功能障碍严重程度相关，即LIP水平越高，心脏射血功能越差。

合并贫血的心力衰竭患者经静脉补充铁剂，可改善心功能及生活质量。Bolger等[25]纳入60例合并贫血的收缩性心力衰竭患者(LVEF为26%±13%)，其纽约心脏协会(NYHA)心功能分级为Ⅱ～Ⅲ，血红蛋白(hemoglobin, Hb)均<12 g/dl，予以研究对象静脉铁剂治疗。随访(92±6) d后，患者Hb升高，6 min步行距离增加，生活质量评分改善。Okonko等[26]给予35例合并贫血的收缩性心力衰竭患者静脉铁剂治疗，随访18周后患者Hb、峰值氧浓度均升高。以上研究提示，对于合并贫血的心力衰竭患者，静脉铁剂治疗可以提升生活质量及改善活动能力。此外，经静脉补充铁剂可减少心力衰竭患者的再住院率[27]。Toblli等[28]研究入选40例合并贫血的收缩性心力衰竭患者(LVEF<35%，NYHA心功能Ⅱ～Ⅳ级，Hb<12.5 g/dl)，予以实验组患者静脉铁剂治疗。随访6个月后，实验组LVEF升高，6 min步行距离增加，生活质量评分改善，再住院人数明显减少。静脉补充铁剂是否通过改变患者体内LIP水平改善心力衰竭患者心脏功能，还缺乏较为严谨的研究，有待进一步探讨。

3.4 血栓

LIP可能参与促进血栓形成。Day等[29]发现过量铁可促进血栓形成。给予实验组小鼠口服过量铁剂(右旋糖酐铁15 mg/d，大于6周)，当颈动脉损伤时，实验组小鼠血栓形成明显快于对照组，而使用氧化清除剂预处理小鼠后，血栓形成时间与对照组无差异。这提示过量铁负荷促进血栓形成，但机制尚不清楚，可能与氧化应激损伤相关。

4 LIP的检测

流式细胞技术可用于检测细胞LIP水平。Clark等[30]采用荧光流式细胞技术检测了疟疾患者血细胞LIP水平。研究采用钙荧光素乙酰氧基甲酯(calcein acetoxymethyl ester，CA-AM)对细胞进行预处理。CA-AM能主动穿过细胞膜，进入细胞后分解成为游离钙黄绿素，游离钙黄绿素因不能穿越细胞膜而滞留细胞内，其发出的荧光可用流式细胞仪检测。细胞内游离钙黄绿素几乎只能与LIP结合，结合后不能发出荧光。因此，通过流式细胞技术测定细胞荧光变化量可作为定量检测LIP水平的方法。

目前，荧光流式细胞技术是检测细胞LIP水平的主要工具，对探索不同病理生理过程中细胞LIP水平及细胞氧化应激损伤很有帮助[31]。

综上所述，LIP可参与细胞氧化应激损伤，与心血管疾病密切相关，通过一定手段改变细胞LIP水平可能成为治疗心血管疾病的方法。但因其作用机制仍不清楚，尚需大量基础、临床研究进行深入探索。

[1] Byrne SL, Krishnamurthy D, Wessling-Resnick M. Pharmacology of iron transport[J]. Annu Rev Pharmacol Toxicol,2013,53:17-36.

[2] Au-Yeung HY, Chan J, Chantarojsiri T, et al. Molecular imaging of labile iron(Ⅱ) pools in living cells with a turn-on fluorescent probe[J]. J Am Chem Soc. 2013, 135(40):15165-15173.

[3] Pierre Brissot, Martine Ropert, Caroline Le Lan, et al. Non-transferrin bound iron: A key role in iron overload and iron toxicity[J]. Biochim Biophys Acta,2012,1820(3):403-410.

[4] Arosio P, Levi S. Cytosolic and mitochondrial ferritins in the regulation of cellular iron homeostasis and oxidative damage[J]. Biochim Biophys Acta,2010,1800(8):783-792.

[5] Cabiscol E, Belli G, Tamarit J, et al. Mitochondrial Hsp60, resistance to oxidative stress, and the labile iron pool are closely connected in saccharomyces cerevisiae[J]. J Biol Chem,2002,277(46):44531-44538.

[6] Jomova K, Valkob M. Advances in metal-induced oxidative stress and human disease[J]. Toxicology,2011,283 (2-3):65-87.

[7] Fibach E, Rachmilewitz EA. The role of antioxidants and iron chelators in the treatment of oxidative stress in thalassemia[J]. Ann N Y Acad Sci,2010,1202:10-16.

[8] Spickett CM. The lipid peroxidation product 4-hydroxy-2-nonenal: Advances in chemistry and analysis[J]. Redox Biol, 2013,1(1):145-152.

[9] Choi IY, Lim JH, Kim C, et al. 4-hydroxy-2(E)-Nonenal facilitates NMDA-induced neurotoxicity via triggering mitochondrial permeability transition pore opening and mitochondrial calcium overload[J]. Exp Neurobiol, 2013, 22(3): 200-207.

[10] Li D, Ellis EM. 4-Hydroxynonenal induces an increase in expression of Receptor for Activating C Kinase 1 (RACK1) in Chinese hamster V79-4 lung cells[J]. Chem Biol Interact, 2014, 213: 13-20.

[11] Lin MH, Yen JH, Weng CY, et al. Lipid peroxidation end product 4-hydroxy-trans-2-nonenal triggers unfolded protein response and heme oxygenase-1 expression in PC12 cells: Roles of ROS and MAPK pathways[J]. Toxicology,2014,315:24-37.

[12] Al-Qenaei A, Yiakouvaki A, Reelfs O, et al. Role of intracellular labile iron, ferritin, and antioxidant defence in resistance of chronically adapted Jurkat T cells to hydrogen peroxide[J]. Free Radic Biol Med,2014,68:87-100.

[13] Aroun A, Zhong JL, Tyrrell RM, et al. Iron, oxidative stress and the example of solar ultraviolet A radiation[J]. Photochem Photobiol Sci,2012,11(1)：118-134.

[14] Kitsati N, Fokas D, Ouzouni MD, et al. Lipophilic caffeic acid derivatives protect cells against H2O2-Induced DNA damage by chelating intracellular labile iron[J]. J Agric Food Chem,2012,60(32):7873-7879.

[15] Li W, Xu LH, Forssell C, et al. Overexpression of transferrin receptor and ferritin related to clinical symptoms and destabilization of human carotid plaques[J]. Exp Biol Med, 2008, 233(7): 818-826.

[16] Li W, Hellsten A, Xu LH, et al. Foam cell death induced by 7beta-hydroxycholesterol is mediated by labile iron-driven oxidative injury: mechanisms underlying induction of ferritin in human atheroma[J]. Free Radic Biol Med,2005,39(7):864-875.

[17] Zhang WJ, Wei H, Frei B. The iron chelator, desferrioxamine, reduces inflammation and atherosclerotic lesion development in experimental mice[J]. Exp Biol Med,2010,235(5):633-641.

[18] Westerink J, Olijhoek JK, Koppen A, et al. The relation between body iron stores and adipose tissue function in patients with manifest vascular disease[J]. Eur J Clin Invest,2013,43(12):1240-1249.

[19] 何流漾,赵建中,戚春建. 免疫细胞在动脉粥样硬化中的作用[J]. 国际心血管病杂志,2013,40(3):139-141.

[20] Kuo KL, Hung SC, Lin YP, et al. Intravenous ferric chloride hexahydrate supplementation induced endothelial dysfunction and increased cardiovascular risk among hemodialysis patients[J]. PLoS One,2012,7(12):e50295.

[21] Holay MP, Choudhary AA, Suryawanshi SD. Serum ferritin-a novel risk factor in acute myocardial infarction[J]. Indian Heart J,2012,64(2):173-177.

[22] Eftekhari MH, Mozaffari-Khosravi H, Shidfar F, et al. Relation between Body Iron Status and Cardiovascular Risk Factors in Patients with Cardiovascular Disease[J]. Int J Prev Med,2013,4(8):911-916.

[23] Zhou Y, Liu T, Tian C, Kang P, et al. Association of serum ferritin with coronary artery disease[J]. Clin Biochem,2012,45(16-17):1336-1341.

[24] Korantzopoulos P, Vlachou C, Kotsia A, et al. Leukocyte labile iron pool in patients with systolic heart failure[J]. Hellenic J Cardiol,2012,53(2): 95-100.

[25] Bolger AP, Bartlett FR, Penston HS, et al. Intravenous iron alone for the treatment of anemia in patients with chronic heart failure[J]. J Am Coll Cardiol,2006,48(6):1225-1227.

[26] Okonko DO, Grzeslo A, Witkowski T, et al. Effect of intravenous iron sucrose on exercise tolerance in anemic and nonanemic patients with symptomatic chronic heart failure and iron deficiency FERRIC-HF: a randomized, controlled, observer-blinded trial[J]. J Am Coll Cardiol,2008,51(2):103-112.

[27] Jelani QU, Katz SD. Treatment of anemia in heart failure: potential risks and benefits of intravenous iron therapy in cardiovascular disease[J]. Cardiol Rev,2010,18(5):240-250.

[28] Toblli JE, Lombraa A, Duarte P, et al. Intravenous iron reduces NT-pro-brain natriuretic peptide in anemic patients with chronic heart failure and renal insufficiency[J]. J Am Coll Cardiol, 2007,50(17):1657-1665.

[29] Day SM, Duquaine D, Mundada LV, et al. Chronic iron administration increases vascular oxidative stress and accelerates arterial thrombosis[J]. Circulation,2003,107(20):2601-2606.

[30] Clark M, Fisher NC, Kasthuri R, et al. Parasite maturation and host serum iron influence the labile iron pool of erythrocyte stage Plasmodium falciparum[J]. Br J Haematol,2013,161(2):262-269.

[31] Cabantchik ZI. Labile iron in cells and body fluids: physiology, pathology, and pharmacology[J]. Front Pharmacol,2014,5:45.

(收稿：2014-05-23 修回：2014-08-06)

(本文编辑：梁英超)

400016 重庆医科大学附属第一医院心血管内科

10.3969/j.issn.1673-6583.2015.01.009