铁超载诱导心肌细胞损伤机制的研究进展

杨育超，杨忠明，武 雪，王晔玲

（1.吉林大学第一医院心血管疾病诊疗中心，吉林 长春 130021；2.吉林省人民医院营养科，吉林 长春 130021；3.吉林大学第一医院老年病科，吉林 长春 130021）

铁是人体必需的微量元素之一，其通过催化、氧化和还原反应参与电子传递、细胞呼吸、能量代谢和解毒等许多重要生理过程，是多种酶类的重要组成部分，对维持细胞的生长、发育和代谢起重要作用。铁具有生物活性作用，主要是由于铁作为过渡金属元素，容易发生氧化还原反应。近年来铁超载获得越来越多的重视。在生理的条件下，铁的运输是高度保守的，并通过负反馈机制保持稳定。然而在临床条件下，铁代谢会被干扰导致铁超载，铁超载的主要成因包括原发铁超载和继发铁超载，前者是主要由遗传性血色素沉着症基因 （hereditary hemochromatosis gene，HFE）突变所致的一种常染色体隐性遗传疾病，后者与膳食结构不合理、不适当补血、补铁以及丙型肝炎有关联。铁超载不仅增加血色素沉着症、心肌梗死等慢性病的患病危险，同时也可引发心脏、肝脏和肾组织在内的多脏器广泛损伤［1－3］。鉴于铁超载在心血管疾病中的介导作用，本文作者就铁超载对心肌细胞损伤机制作一综述。

1 正常心肌细胞铁代谢的特点

在人体中，铁经小肠吸收进入循环，主要储存于肝脏和网状内皮系统，部分铁在骨髓的网织红细胞中合成血红素。巨噬细胞可通过吞噬衰老的红细胞而获得铁，并将铁一部分储存于细胞内，而另一部分从细胞释放进入循环，再次用于血红素的合成。在血液中，铁与转铁蛋白（transferrin，Tf）结合，Tf是一种运输蛋白，能携带血浆及细胞外液的铁以供应组织的需要，是机体组织之间唯一的铁生理携带者。与其他运输蛋白不同，Tf在释放铁时仍保持本身的结构不会丧失，是真正的铁携带者，因此其循环量与血浆铁的循环量无关联。血浆Tf浓度由肝内铁蛋白的调节，铁缺乏时Tf水平升高，铁超载时Tf水平降低。

转铁蛋白受体 （transferrin receptor，TfR）是一种细胞膜受体，是细胞铁吸收的决定因素。不仅提供结合铁进入细胞的通道，而且在细胞内的铁释放中起关键作用。单基因的TfR已被识别，其完整的结构也已清楚。该基因定位于3号染色体长臂远端一区，相对分子质量为185000。TfR是跨膜糖蛋白二聚体，由2个相同的亚单位组成，并由1个二硫键连接。TfR能结合2个Tf分子，如果Tf是双铁的，这个受体就能携带共4个结合的铁原子。TfR对铁的亲和力取决于Tf所结合的铁原子数量及pH值。心肌细胞可以通过与血液中的Tf结合，在细胞膜通过Tf／TfR介导的内吞过程进入细胞。溶酶体中的蛋白酶可以使细胞表面的TfR释放三价铁进入酸性的溶酶体中。在溶酶体内，三价铁被还原为二价铁，继而转运至进入自由铁池，一部分铁进入线粒体参与血红素的合成，其余的合成铁蛋白储存于细胞内［4］。

心肌细胞还可以通过非TfR介导方式吸收铁，其机制可能与L型Ca2＋通道和二价金属转运子1（divalent metal transporter 1，DMT1）有关联。DMT mRNA中有铁反应元件 （iron responsive element，IRE）结构，其与铁调节蛋白 （iron regulatory protein，IRP）有很高的亲和力。IRE／IRP复合物可通过改变其空间结构或者蛋白水解酶的降解作用，从而改变活性进而达到调节细胞的铁摄取、储存及输出功能，维持细胞的铁稳态［5］。IRE／IRP复合物调节铁代谢中除了受细胞内铁浓度影响，还受到其他特殊刺激物的影响。氧化应激、一氧化氮、低氧和细胞磷酸化状态等均可影响结合铁的亲和力。

2 铁超载与心肌细胞的代谢

2.1 铁超载与心肌细胞的氧化应激损伤 铁超载使血清Tf饱和度增加，导致血液里未与Tf结合的铁增加，当细胞中铁超过了Tf的储存能力，产生的游离铁会抑制超氧化物歧化酶 （superoxide dismutase，SOD）和过氧化氢酶的活性。铁的生物毒性作用主要是催化氧自由基、过氧化物、单线态氧、过氧化氢等活性氧自由基 （reactive oxygen species，ROS）生成，胞质中出现大量的对组织有高度毒性的自由基，这些自由基还会增加脂质、蛋白质和核酸的过氧化和破坏，不仅导致了细胞的损伤还导致了抗氧化物质的大量消耗［6－7］，而且进一步加重氧化应激损伤。慢性铁过载可通过损伤线粒体DNA （mtDNA）影响细胞呼吸功能。Gao等［8］发现：细胞经高铁处理后，失去了完整的mtDNA，在铁超载相关疾病中，细胞和组织的长期、慢性损伤与铁诱发线粒体ROS升高有关联，并最终引起mtDNA累积性损害和线粒体呼吸链酶功能下降。因此，慢性铁过载可引起线粒体呼吸功能障碍并导致心肌的慢性损害。

2.2 铁超载与脂质过氧化 铁离子是一种脂质氧化的催化剂，产生过氧化自由基及终产物丙二醛 （malonaldehyde，MDA），自由基攻击细胞膜上膜脂的不饱和链，启动脂质过氧化。Crist等［9］发现：低密度脂蛋白 （low density lipoprotein，LDL）在ROS作用下，可以成为氧化LDL（ox－LDL）。也有报道［10］显示：ROS可以促进主动脉平滑肌细胞对LDL的氧化作用。而ox－LDL在动脉粥样硬化过程中起重要作用，有可能导致心肌细胞的损伤。肝脏是铁和脂质代谢的重要部位，铁超载时能诱导肝细胞的氧化应激和炎症反应，间接影响脂质代谢，导致脂质代谢的紊乱和过氧化。大量研究［11－12］表明：铁超载导致的脂质过氧化可以导致DNA的错译和损伤，同时还抑制了DNA的修复过程，并且该过程与铁的水平有关联。国内外报道［12－14］显示：动脉硬化斑块中存在着铁离子，同时铁在动脉粥样硬化的发生发展过程中起重要作用。

2.3 铁超载与胰岛素抵抗 铁超载对肝细胞和胰岛细胞氧化应激损伤导致了胰岛素抵抗。发生胰岛素抵抗时，胰岛素的抗脂解作用减弱，血中游离脂肪酸 （free fatty acid，FFA）升高，导致肝脏中FFA水平升高，甘油三酯（triglyceride，TG）合成的限速酶肝脏脂酰辅酶A活性及其 mRNA 水平升高，导致 TG 水平升高［15－16］。有研究［17］表明：铁蛋白水平与胰岛素抵抗呈正相关关系，支持了铁超载与胰岛素抵抗有关联的观点。Kok等［18－19］研究证实：发生胰岛素抵抗时，机体葡萄糖摄取利用能力降低，心肌能量供应效率下降造成心肌损伤；同时还导致TG和血清总胆固醇 （total cholesterol，TC）等脂滴颗粒在心肌细胞中聚积增多，形成高脂血症而损伤心肌细胞。

总之，铁超载通过氧化产物的直接损伤作用、诱导胰岛素抵抗产生脂质过氧化等效应导致了心肌细胞的损伤和动脉粥样硬化的产生，表现出对心脏的毒性并且成为冠心病的独立危险因素［20］。

3 铁超载对心肌细胞兴奋－收缩耦联及电生理的影响

研究［7，21］表明：二价铁离子通过心脏L－型钙离子通道（cardiac L－type Ca2＋channels，LTCC）渗透至心肌细胞，控制心脏兴奋收缩耦联，在这一过程中，随着二价铁离子的不断聚集，铁离子内流与钙离子内流产生竞争，从而导致L型钙电流 （ICa－L）不断变小［22－23］，引起心肌细胞收缩功能障碍。此外，铁超载介导的氧化应激能从多个方面影响心肌细胞的电生理活动和舒张收缩活动。研究［24－28］表明：铁超载氧化应激损伤导致的细胞凋亡是心肌纤维化的重要因素，心肌细胞的减少连同心肌间质性纤维化的增多会影响心肌兴奋－收缩偶联的调节功能，继而对心肌的收缩和舒张功能造成损伤。同时，有研究［24］显示：窦房结和房室结传导疾病也可能是由于该处的铁沉积以及其导致的间质纤维化产生的。随着氧化损伤的加剧，由于蛋白质的氧化或脂质过氧化［30－32］，肌浆网 （SR）中的Ca2＋通过利阿诺定受体 （RyR）的渗漏不断增多，肌浆网Ca2＋－ATP酶的功能被抑制，Na＋－Ca2＋交换体的活动增强［30］，LTCC活动减少，而Na＋和K＋的流动可能增强也可能受到抑制。这会导致心肌收缩的Ca2＋峰值降低，心肌舒张的Ca2＋峰值升高，损伤铁超载心肌病患者心脏收缩和舒张功能，从而导致严重的心律失常，甚至猝死等［33］。

Laurita等［34］在铁超载的小鼠模型中观察到铁超载对心肌电生理的整体作用：QRS延长伴传导速度减慢、心动过缓和PR期延长伴二度房室传导阻滞，表明铁超载和氧化损伤导致的离子通道、电压门控通道的功能改变可引起心律不齐。

4 铁超载诱导心肌细胞凋亡的机制

细胞凋亡是受基因调控的、自发性的细胞程序性死亡，与细胞增殖一起维持细胞群生长消亡平衡。铁过载引起组织损伤可能与其激活细胞凋亡信号有关联。Wang等［2］发现：铁超载与心肌细胞的凋亡和纤维化有着密切的关系。铁超载时磷酸化丝氨酸／苏氨酸蛋白激酶 （serine／threonine protein kinases，AKT）表达下调，AKT是细胞信号网络的中枢位点，其在细胞代谢反应、细胞生存、增殖、生长和分化等过程中起重要作用。哺乳动物雷帕霉素靶蛋白（mammalian target of rapamycin，mTOR）是AKT下游的重要信号因子，AKT可以直接或间接地磷酸化mTOR，从而激活mTOR。通常认为mTOR是通过磷酸化激活其下游2个主要调节蛋白质翻译的信号分子－真核生物启动因子4E结合蛋白 （4E－BP1）和p70核糖体蛋白激酶 （P70S6K）而发挥其作用的。也有报道［6－7］显示：ROS介导的 AKT／mTOR／P70S6K信号通路激活可以抑制细胞凋亡和促进细胞增殖。

铁超载与蛋白激酶AKT活性减退、凋亡前体调节蛋白Bad去磷酸化、Bax／Bcl－2比值增加有关联，上述变化引起下游Caspase－9和凋亡蛋白Caspase－3活性增加、细胞骨架α－胞衬蛋白 （α－fodrin）碎片增加、心肌膜不 连续 性和TUNEL（核DNA碎片）阳性细胞增加，导致DNA的裂解和细胞膜完整性的破坏，这将引起心肌纤维化。铁螯合剂可减弱胱天蛋白酶信号活性、减少α－胞衬蛋白碎片和增加细胞膜完整性而减少心肌纤维化，这也提示Caspase信号活性在铁超载诱导心肌细胞凋亡过程中起一定作用。

5 铁超载相关心脏疾病

缺血再灌注损伤发生于短暂缺血的组织，器官再灌注将引起二次损伤，导致大量组织坏死。在短暂的缺血之后，器官功能紊乱可能出现在再灌注的多个阶段，随之逐渐恢复。既往实验［35］证明：在缺血再灌注模型中，缺血再灌注动物心肌细胞铁和TfR表达水平高于假手术动物，表明铁在缺血再灌注损伤中产生影响。

研究［36－37］表明：原发性血色病导致的铁在心外膜、心室壁和其他组织均有沉积，而β地中海贫血等需要输血治疗的疾病均易导致铁超载。铁超载诱导的心功能障碍和肺动脉高压成为了这类患者的主要死亡病因［38］。同时，用于治疗肿瘤的蒽环类药物有明显的剂量依赖心脏毒性作用［39］。心肌细胞铁沉积可能是通过线粒体损伤导致的，也有观点认为是蒽环类物质及其代谢产物与铁形成复合物，进一步产生氧化应激引起心肌细胞损伤和心脏毒性作用。

动脉粥样硬化已经成为引起心血管事件的主要因素［20］，铁超载可通过氧化应激和脂质过氧化等方面导致动脉粥样硬化［6，9，12］。同时由于铁超载导致的胰岛素抵抗及脂质代谢异常也在动脉粥样硬化起到了一定的作用［17］。

6 结 语

铁超载致心肌细胞损伤已经成为铁超载的研究热点，大量研究［12，20，33］均表明：在各类心血管疾病中均存在铁超载。同时输血治疗和高铁食物的大量摄入均可导致铁超载的产生。

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