铁超载在肝脏疾病中的研究进展

刘 磊，丁 兰，袁 媛，叶 菁

空军军医大学 基础医学院 病理学教研室，陕西 西安 710032

铁(iron)是所有生物体必不可少的元素,正常成人体内含3～5 g铁,红细胞、肝脏中的含量最高。在机体内,铁主要以血红素(heme)和铁硫簇(iron-sulfur cluster,ISC)蛋白的形式参与多种生理过程,包括氧气转运、线粒体呼吸、物质代谢、核酸复制与修复、免疫反应、细胞信号传导、解毒等,对维持细胞和机体正常的生理功能起重要作用。铁超载(iron overload)通过诱导氧化应激影响组织器官功能,参与多种肝脏疾病的发生发展,损害机体健康。肝脏是铁代谢、调节、存储的主要部位,因此成为铁超载损伤的首要靶器官。

1 铁超载及其分类

铁超载是指机体内源性铁调节蛋白缺乏或外源性铁摄入过多而造成的体内铁含量过高,进而影响组织器官功能、损害机体健康的一种病理生理学现象。现有研究按病因将铁超载分为遗传性铁超载、获得性铁超载、其他原因铁超载。遗传性铁超载也称为原发性铁超载,是一种由基因突变引起的常染色体隐性遗传病,如血色素沉着症(hemochromatosis,HH)。获得性铁超载是反复输血或肠外补铁过多引起的全身性铁超载。其他病因引起的铁代谢相关分子的改变,造成机体铁蓄积,为其他原因铁超载。

2 肝脏铁超载发生的主要原因

铁主要以含铁蛋白的形式存储于肝脏,多种铁代谢调节蛋白由肝脏表达分泌。肝脏既是人体内最大的储铁器官,也是调节整个机体铁代谢的关键脏器。

2.1 肝脏是铁代谢、存储的主要脏器

人体内的铁主要来源于肠道吸收的膳食中铁及巨噬细胞吞噬衰老红细胞形成的再循环铁。食物中消化吸收的Fe3+经细胞色素b还原为Fe2+,二价金属离子转运蛋白将其转运入胞。小肠细胞内铁和再循环铁由铁转运蛋白(ferroportin,FPN)外排,经亚铁氧化酶或铜蓝蛋白氧化,与血清转铁蛋白结合形成转铁蛋白-铁复合物(Tf-Fe3+)进入体循环。肝细胞具有很强的储铁能力,主要通过膜转铁蛋白受体(transferrin receptor,TfR)摄取循环中的铁,形成胞内不稳定铁池。除去肝细胞自身利用的铁外,剩余铁与铁蛋白结合、存储以降低其毒性。

2.2 肝脏是铁代谢调节的关键脏器

肝脏是机体铁调节蛋白分泌的主要场所,主要表达铁调素(hepcidin)、TfR2、铁调素调节蛋白(hemojuvelin,HJV)等物质。铁调素在肝脏高表达,调节机体血清铁浓度,在调控机体铁超载过程中起核心作用。铁调素通过与细胞膜上FPN结合,调节肠道铁及巨噬细胞内铁的吸收,进而调控血清铁浓度,防止形成铁超载。TfR2主要通过多种信号通路调节铁调素表达,对体内铁代谢的调节具有重要作用,肝脏是其表达和发挥活性的主要部位。HJV主要在肝脏中产生,表达水平受机体血清铁浓度的反馈调节,是机体铁稳态调节的重要分子。

3 铁超载引起肝脏损伤的主要途径

铁超载可以通过Fenton反应产生大量的自由基,引起氧化应激反应,诱发DNA氧化损伤,造成肝细胞损伤[1]。在小鼠脂肪肝模型中,铁超载能够显著增加氧化应激反应,导致肝细胞代谢紊乱与功能障碍[2],同时也能够诱发内质网应激,以及非折叠蛋白质反应(unfolded protein response,UPR),加重肝细胞损伤[3-6]。内质网应激和UPR可激活炎性反应,进一步导致炎性因子的释放和ROS的产生[7-8]。铁超载时,细胞膜上的不饱和脂肪酸会被一些脂氧合酶过氧化,抗氧化体系(谷胱甘肽系统)调控的核心酶谷胱甘肽过氧化物酶4(glutathione peroxidase 4,GPX4)等活性降低,诱发细胞出现铁死亡(ferroptosis),产生4-羟基壬烯醛(4-hydroxynonenal,4-HNE)和丙二醛(malondialdehyde,MDA)[5,9]。

另一方面,铁代谢紊乱导致的肝细胞糖脂代谢异常也是损伤肝细胞的重要因素。Heme由Fe2+与原卟啉Ⅸ组成,是很多重要蛋白不可或缺的辅助因子,如过氧化物酶和细胞色素p450等。ISC也是富含铁的辅助因子(co-factor),是生物体普遍存在的最古老的生命物质之一,如线粒体呼吸链复合物Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、顺乌头酸酶等。Heme和ISC作为许多蛋白的功能基团,参与脂肪酸氧化、三羧酸循环、电子传递连、生物素合成、蛋白转录调控等过程,在细胞代谢和氧化应激等方面发挥着重要作用,因此铁代谢紊乱可以通过影响代谢酶的活性,诱发糖脂代谢异常。小鼠肝脏铁超载可以通过激活脂质生物合成信号和氧化应激反应途径,促进肝脏脂质储积,导致肝脏脂肪变性[10]。铁超载也能够通过促使细胞自噬,诱导细胞产生胰岛素抵抗,影响糖代谢过程[11]。铁超载还可以通过胞内代谢产生的脂质过氧化产物(4-HNE,MDA)等多种途径,激活肝固有巨噬细胞(Kupffer cells),参与并促进肝脏炎性反应的产生[12-13]。

4 铁超载在肝脏疾病中的研究进展

肝脏功能与机体铁代谢、存储、调节息息相关,是铁超载损伤的首要靶器官。临床上,多种肝脏疾病的发生发展都与铁超载密不可分,因此,有效地控制肝脏铁超载对肝脏疾病的防治有着重要的临床意义。

4.1 铁超载与病毒性肝炎

病毒性肝炎的一个组织学特征是肝脏铁沉积,其发生与肝细胞铁超载关系密切,病变程度与HH相比较低。铁超载可以通过促进宿主细胞产生病毒核酸、抑制巨噬细胞、淋巴细胞的活性降低宿主免疫反应、损伤细胞及线粒体DNA等,参与病毒性肝炎的发生与发展。大量的铁离子沉积可明显增加肝细胞对病毒性肝炎的易感性,有利于病毒的复制。临床上,丙肝患者体内铁调素分泌降低,TfR2表达升高,肝细胞经TfR2信号途径摄取的铁明显增多,同时丙肝患者体内的铁蓄积高于乙肝患者,也与HCV(hepatitis C virus)蛋白可直接导致十二指肠铁吸收增加、巨噬细胞铁释放和肝脏铁蓄积、FPN水平增高相关。此外,镰状细胞性贫血患者因治疗常需反复输血,肝脏铁超载同HCV感染常作为该疾病的严重并发症共同存在,且二者严重程度呈正相关,说明铁超载与病毒型肝炎的发生发展存在一定相互作用[14-15]。这些研究结果均说明铁超载在一定程度上促进了病毒性肝炎的发展。

4.2 铁超载与非酒精性脂肪性肝病

在中国,非酒精性脂肪性肝病(non-alcoholic fatty liver disease,NAFLD)患病率近十年来呈快速上升趋势,其发病原因与机体铁代谢失调关系密切,但具体分子机制尚不清楚。约20%～30%的NAFLD患者伴有高铁血症及肝脏铁超载,其严重程度与炎性反应、肝脏脂肪变及纤维化程度呈正相关[16-18]。

当过量铁在肝脏中沉积时,肝细胞内产生大量活性氧,通过氧化应激反应诱发细胞脂质过氧化,损伤DNA及蛋白质,消耗细胞内的ATP、NAD、谷胱甘肽,使炎性因子(IL-6、IL-1)显著增加,破坏M1/M2型巨噬细胞极化间的平衡,最终导致细胞炎性反应和纤维化产生[19]。同时,由铁代谢相关基因突变引发的高铁血症和肝脏铁沉积,表明铁超载与NAFLD的进展及更严重的肝脏疾病密切相关[18,20]。此外,由BMP-SAMD信号通路参与调控的铁超载可以加剧NAFLD中肝脏脂肪变性及肝损伤[21]。这些结果均表明,不同途径引起的铁超载造成的肝脏损伤与NAFLD的发病及进展息息相关。

4.3 铁超载与肝脏肿瘤

金属离子代谢紊乱是促进肿瘤发生的因素之一。铁代谢相关蛋白及其转录调控机制的揭示和铁调素的发现使人们对铁与肿瘤关系的认知进入了一个崭新的阶段。近些年,一些新的分子机制和铁调控机制的发现,进一步证明了铁超载是促进肝脏肿瘤发生发展的重要因素。

肝脏F-box富含亮氨酸重复蛋白5(F-box and leucine-rich repeat protein 5,FBXL5)缺乏引起的铁超载及氧化应激反应,在诱发肝细胞DNA损伤、炎性反应产生和代偿性细胞增殖过程中起到了重要作用,促进了肝脏肿瘤的发生,且与肝细胞癌(hepatocellular carcinoma,HCC)患者的不良预后相关[22]。肝癌细胞的快速增殖使其对铁的依赖性明显增强,主要表现在癌细胞可表达大量的铁稳态蛋白存储铁离子,以维持癌细胞的快速增殖对铁的需求。肝脏铁超载也能够促使NAFLD进展为肝癌。铁调素抗菌肽(hepcidin antimicrobial peptide,HAMP)突变造成的HH与肝脏肿瘤的发生具有直接的关系,同时铁超载是HCC发生的独立危险因素,终末期肝病患者发生HCC的风险会因铁过度沉积而增加[23-24]。肝细胞铁死亡是一种依赖铁的细胞程序性死亡,可通过多种调控途径参与肝脏肿瘤的发生与发展,成为HCC治疗的潜在靶点,为肝脏肿瘤的治疗提供了新的方案[25]。

5 问题与展望

机体铁代谢是由多因素调控的复杂过程,肝脏在铁代谢调控、存储、利用的关键地位使其成为机体铁超载损害的主要器官。铁超载与多种肝脏疾病的发生与发展关系紧密,对机体健康造成了极大的危害。越来越多的关于铁代谢调节和细胞铁死亡的分子机制被发现,它们从各个角度阐释了铁超载与肝脏疾病发生之间的关系,拓宽了研究人员对肝脏疾病中铁超载的认识,其中一些已经进入临床试验,为临床治疗肝脏疾病提供了新的思路和方向。

目前,对铁代谢稳态调控相关分子的机制研究仍是了解铁超载引发各种肝脏疾病的主要途径,但仍有许多分子的功能、作用和机制尚不明确,需要科研工作者进一步研究探索。此外,铁超载与心血管疾病、脑神经性病变、糖尿病和多种肿瘤的发生也有着密切的联系。因此,进一步探索机体铁超载在肝脏疾病中的作用具有十分重要的意义,不仅为肝脏疾病发生机制的研究和治疗提供新的科研方向和解决方案,也为其他铁超载相关疾病的诊治提供有价值的参考。