鐵代謝與肺動(dòng)脈高壓

程曉玲 綜述 熊長(zhǎng)明 審校

(北京協(xié)和醫(yī)學(xué)院 阜外心血管病醫(yī)院，北京 100037)

肺動(dòng)脈高壓(pulmonary arterial hypertension，PAH)是由多種原因引起的以肺血管重塑、肺循環(huán)阻力進(jìn)行性增高為特點(diǎn)，最終導(dǎo)致右心衰竭和死亡的一類病理生理綜合征，其血流動(dòng)力學(xué)診斷標(biāo)準(zhǔn)為:靜息狀態(tài)下，經(jīng)右心導(dǎo)管測(cè)量的肺平均動(dòng)脈壓≥25 mm Hg(1 mm Hg = 0.133 3 kPa)。PAH 的發(fā)病機(jī)制尚未明確，以往的研究結(jié)果表明鐵代謝在PAH 的發(fā)生發(fā)展過(guò)程中起到重要作用，鐵可能通過(guò)啟動(dòng)氧化應(yīng)激等多種途徑參與肺血管重構(gòu)，最新研究發(fā)現(xiàn)在特發(fā)性肺動(dòng)脈高壓(idiopathic pulmonary arterial hypertension，IPAH)人群中普遍存在鐵缺乏、鐵代謝紊亂等現(xiàn)象，但具體機(jī)制尚未明確?，F(xiàn)對(duì)鐵代謝與PAH 既往研究的結(jié)果做一簡(jiǎn)要綜述。

1 機(jī)體鐵平衡的調(diào)節(jié)

鐵是許多生命活動(dòng)的基本元素，正常機(jī)體內(nèi)鐵含量為3～4 g，其中大部分用于紅細(xì)胞生成，其余以鐵蛋白及含鐵血黃素的形式儲(chǔ)存于細(xì)胞中。鐵代謝包括吸收、轉(zhuǎn)運(yùn)和利用，人體通過(guò)多種調(diào)節(jié)機(jī)制使體內(nèi)的鐵處于平衡狀態(tài)。轉(zhuǎn)鐵蛋白、轉(zhuǎn)鐵蛋白受體(transferrin receptor，TfR)、銅藍(lán)蛋白、二價(jià)金屬轉(zhuǎn)運(yùn)體1 以及鐵調(diào)素等都在維持鐵穩(wěn)態(tài)的過(guò)程中發(fā)揮重要的調(diào)控作用。

在血液中，轉(zhuǎn)鐵蛋白將鐵轉(zhuǎn)運(yùn)至幼紅細(xì)胞，部分鐵用于合成血紅蛋白，衰老的紅細(xì)胞被巨噬細(xì)胞吞噬降解后可釋放出鐵，其中一部分儲(chǔ)存于細(xì)胞內(nèi)，而另一部分釋放出細(xì)胞進(jìn)入循環(huán)，再次用于血紅蛋白的合成。鐵調(diào)素是由肝臟產(chǎn)生的一種含25 個(gè)氨基酸殘基的抗菌肽，通過(guò)減少小腸對(duì)鐵的吸收以及減少網(wǎng)狀內(nèi)皮對(duì)鐵的釋放而起負(fù)性調(diào)節(jié)作用，是維持全身鐵穩(wěn)態(tài)的主要調(diào)節(jié)因子。鐵調(diào)素可直接與表達(dá)于小腸黏膜表面的膜鐵轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白1 結(jié)合，并誘導(dǎo)其內(nèi)化和降解，從而減少腸上皮細(xì)胞的鐵輸出［1-2］。當(dāng)鐵儲(chǔ)備降低或紅系造血需求增多時(shí)，肝臟生成鐵調(diào)素減少，導(dǎo)致鐵吸收率增加。反之，肝鐵儲(chǔ)備增加或紅系造血鐵需求減少時(shí)，鐵調(diào)素生成增多，鐵吸收率降低。血液中的轉(zhuǎn)鐵蛋白與TfR1 結(jié)合，通過(guò)內(nèi)吞作用進(jìn)入細(xì)胞并釋放出Fe3+，后進(jìn)入溶酶體被還原為Fe2+，繼而被二價(jià)金屬轉(zhuǎn)運(yùn)體1 轉(zhuǎn)運(yùn)至自由鐵池，一部分以鐵蛋白或含鐵血黃素的形式儲(chǔ)存［3-4］，大部分返回血液，與轉(zhuǎn)鐵蛋白結(jié)合進(jìn)入再循環(huán)利用。細(xì)胞內(nèi)鐵調(diào)節(jié)蛋白是細(xì)胞內(nèi)鐵穩(wěn)態(tài)的主要調(diào)節(jié)因子，鐵調(diào)節(jié)蛋白可對(duì)TfR1、鐵蛋白、二價(jià)金屬轉(zhuǎn)運(yùn)體1、膜鐵轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白1 等鐵代謝相關(guān)蛋白質(zhì)的mRNA 進(jìn)行轉(zhuǎn)錄后水平的表達(dá)調(diào)控，如在細(xì)胞缺鐵時(shí)，鐵調(diào)節(jié)蛋白與鐵反應(yīng)原件結(jié)合導(dǎo)致TfR1-mRNA穩(wěn)定翻譯，而抑制鐵蛋白的mRNA 翻譯，從而增加細(xì)胞內(nèi)鐵水平。

2 鐵代謝與肺動(dòng)脈血管重構(gòu)

肺血管重構(gòu)是PAH 的基本病理特征，表現(xiàn)為內(nèi)皮細(xì)胞功能紊亂，中膜平滑肌細(xì)胞增殖，細(xì)胞外基質(zhì)沉積，最終使血管壁增厚，肺血管阻力增加，研究表明氧化應(yīng)激在PAH 血管重構(gòu)的過(guò)程中發(fā)揮了重要作用。氧化應(yīng)激是指機(jī)體活性氧(reactive oxygen species，ROS)生成過(guò)多而導(dǎo)致細(xì)胞內(nèi)抗氧化防御系統(tǒng)受損，ROS 及其代謝產(chǎn)物過(guò)量聚集，從而對(duì)細(xì)胞產(chǎn)生多種毒性作用的病理狀態(tài)。研究表明氧化應(yīng)激可通過(guò)抑制肺血管內(nèi)皮的內(nèi)皮型一氧化氮合酶活性，降低血管中一氧化氮含量，并引起平滑肌細(xì)胞和內(nèi)皮細(xì)胞的異常增殖，進(jìn)而促進(jìn)肺血管重構(gòu)和PAH 的發(fā)生［5-8］。ROS含量增加與低氧條件下培養(yǎng)的肺動(dòng)脈平滑肌細(xì)胞呈現(xiàn)異常增殖反應(yīng)有關(guān)［9］。

鐵可通過(guò)與細(xì)胞膜上的鐵轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白結(jié)合進(jìn)入細(xì)胞內(nèi)，胞漿內(nèi)聚集的大量自由鐵能轉(zhuǎn)運(yùn)到線粒體，通過(guò)Fenton 反應(yīng)和Harber-Weiss 途徑催化生成大量ROS。蛋白質(zhì)羰基化是細(xì)胞氧化損傷過(guò)程的重要標(biāo)志之一，以往的研究發(fā)現(xiàn)這一現(xiàn)象存在于肺血管重構(gòu)和細(xì)胞增殖過(guò)程中。蛋白質(zhì)羰基化過(guò)程是鐵依賴性的，因此鐵可能在氧化應(yīng)激促進(jìn)PAH 這一機(jī)制中發(fā)揮重要作用［10-11］。Nikolai 等［12］發(fā)現(xiàn)當(dāng)體外培養(yǎng)的肺血管內(nèi)皮細(xì)胞內(nèi)Fe2+增多時(shí)，細(xì)胞結(jié)構(gòu)、極性發(fā)生改變，并表達(dá)促炎細(xì)胞表型，在隨后的實(shí)驗(yàn)中對(duì)慢性缺氧大鼠注射鐵螯合劑去鐵敏，發(fā)現(xiàn)去鐵敏降低了右心室壓力和肺小動(dòng)脈管壁厚度，但肺動(dòng)脈鐵蛋白含量沒(méi)有受影響。在體外實(shí)驗(yàn)，鐵螯合劑抑制了內(nèi)皮素-1 和血小板源性生長(zhǎng)因子誘導(dǎo)的肺動(dòng)脈平滑肌細(xì)胞增殖，此外還發(fā)現(xiàn)IPAH 患者血清中羰基化的蛋白質(zhì)含量明顯高于正常對(duì)照組，去鐵敏能夠抑制缺氧誘導(dǎo)的鳥(niǎo)嘌呤核苷酸解離抑制因子羰基化。

3 鐵代謝與低氧性PAH

低氧性PAH 形成主要與早期的低氧肺血管反應(yīng)性收縮及后期的肺血管重構(gòu)有關(guān)。低氧誘導(dǎo)因子(hypoxia inducible factor，HIF)作為體內(nèi)重要的氧依賴轉(zhuǎn)錄激活因子，通過(guò)激活下游相關(guān)靶基因，在PAH 的發(fā)生發(fā)展中發(fā)揮重要作用［13-15］。在低氧或Fe2+缺乏條件下，HIF-1α 降解受抑制并轉(zhuǎn)運(yùn)到細(xì)胞核內(nèi)參與缺氧信息傳遞和缺氧誘導(dǎo)基因轉(zhuǎn)錄，從而引起組織細(xì)胞產(chǎn)生一系列病理生理反應(yīng)［16-18］。除了低氧誘導(dǎo)外，鐵離子螯合物去鐵敏也可在常氧或低氧條件下促進(jìn)HIF-1表達(dá)［19］。Smith 等［20］證實(shí)低氧誘導(dǎo)的PAH 與鐵狀態(tài)有關(guān)，靜脈補(bǔ)充鐵離子不僅能降低基礎(chǔ)肺動(dòng)脈收縮壓，還能減低肺動(dòng)脈對(duì)急性缺氧的敏感性，而去鐵敏組增加了肺動(dòng)脈收縮壓和平均肺動(dòng)脈壓;在隨后的臨床研究將健康的受試者移居到高原地區(qū)，靜脈鐵劑治療組較安慰劑組肺動(dòng)脈收縮壓有所降低，而對(duì)于11 例長(zhǎng)久居住高原地區(qū)的慢性高原病患者，通過(guò)間斷靜脈放血2 L 造成的鐵缺乏可使肺動(dòng)脈收縮壓升高，經(jīng)補(bǔ)鐵治療兩周并沒(méi)有糾正增高的肺動(dòng)脈壓力［21］。以上數(shù)據(jù)表明在沒(méi)有出現(xiàn)貧血的情況下，鐵穩(wěn)態(tài)失衡會(huì)影響肺動(dòng)脈張力和肺動(dòng)脈壓力，但具體機(jī)制有待進(jìn)一步探討。

鐵調(diào)素是由肝臟合成的抗菌肽，在維持機(jī)體鐵穩(wěn)態(tài)調(diào)控中發(fā)揮重要作用，大量體內(nèi)體外實(shí)驗(yàn)表明，缺氧或低壓缺氧會(huì)引起鐵調(diào)素表達(dá)下調(diào)［22-24］。以往研究表明鐵調(diào)素的表達(dá)調(diào)控與BMPs/SMAD/BRE 信號(hào)通路有關(guān)，BMPs 同其受體的結(jié)合引起SMAD 蛋白磷酸化，進(jìn)而與BRE 結(jié)合增加基因表達(dá)［25-26］，也有研究認(rèn)為是缺氧誘導(dǎo)的氧化應(yīng)激降低了STAT3 與C/EBP蛋白/DNA 的相互作用，因此導(dǎo)致鐵調(diào)素表達(dá)降低［27］。2013年，Ghosh 等［28］報(bào)道鐵調(diào)節(jié)蛋白1 缺失大鼠出現(xiàn)PAH 和紅細(xì)胞增多癥，并可進(jìn)一步被低鐵飲食加重，鐵調(diào)節(jié)蛋白1 缺失使大鼠腎臟HIF-1α 蛋白表達(dá)增多，進(jìn)而使促紅細(xì)胞生成素高表達(dá)、紅細(xì)胞增多、組織鐵缺乏伴隨出現(xiàn)。低氧對(duì)鐵代謝的影響有待于進(jìn)一步研究，從而進(jìn)一步闡述低氧誘導(dǎo)的PAH 與鐵代謝的關(guān)系。

4 鐵代謝與IPAH

鐵缺乏存在于IPAH 患者。Ruiter 等［29］研究發(fā)現(xiàn)470 例IPAH 患者中30 例存在鐵缺乏，并且鐵缺乏患者6 分鐘步行距離顯著低于鐵正常患者，結(jié)果與是否存在貧血無(wú)關(guān)。在亞組研究中，給予18 例鐵缺乏IPAH 患者常規(guī)口服鐵劑治療4 周后，仍有8 例患者血清鐵蛋白不能達(dá)到正常水平，提示鐵調(diào)素升高引起的鐵吸收障礙可能是鐵缺乏的原因之一。隨后英國(guó)劍橋大學(xué)的Soon 等［30］研究了1995～2008年所有診斷為IPAH 或遺傳性PAH 的患者，結(jié)果發(fā)現(xiàn)50%絕經(jīng)前、14% 絕經(jīng)后女性IPAH 和28% 男性IPAH 以及60%遺傳性PAH 患者存在血清鐵降低，而慢性血栓栓塞性PAH 中血清鐵降低患者比例較低。同時(shí)還發(fā)現(xiàn)這些患者血清白介素-6 水平增高，與血清鐵、轉(zhuǎn)鐵蛋白飽和度成正相關(guān)，與鐵調(diào)素呈負(fù)相關(guān)，因而該研究者認(rèn)為IPAH 患者鐵缺乏的原因可能與炎癥反應(yīng)相關(guān)。Rhodes 等［31-32］對(duì)2002～2009年就診于倫敦Hammersmith 醫(yī)院的IPAH 患者進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，與正常人相比，IPAH 患者血清鐵、鐵蛋白、轉(zhuǎn)鐵蛋白飽和度降低，而紅細(xì)胞分布寬度、鐵調(diào)素、促紅細(xì)胞生成素、可溶性TfR 及白介素-6 升高，同時(shí)還發(fā)現(xiàn)可溶性TfR質(zhì)量濃度與心功能、運(yùn)動(dòng)耐力和預(yù)后相關(guān)。為進(jìn)一步探討IPAH 患者鐵調(diào)素升高的機(jī)制，該研究發(fā)現(xiàn)鐵調(diào)素升高與白介素-6 升高無(wú)關(guān)聯(lián)，而可能與BMPR2 突變影響B(tài)MP/SMAD 信號(hào)通路相關(guān)。以上臨床研究提示鐵代謝紊亂存在于IPAH 患者，但具體機(jī)制尚不明確。2011年另一項(xiàng)臨床研究發(fā)現(xiàn)IPAH 及缺氧相關(guān)性PAH 患者鋅卟啉水平及紅細(xì)胞分布寬度明顯增高，并與疾病嚴(yán)重程度相關(guān)。而在亞組研究中，盡管鋅卟啉和紅細(xì)胞分布寬度增高，TfR 水平與對(duì)照組相比差別不大，故考慮鐵代謝異常與紅細(xì)胞鐵利用障礙有關(guān)［33］。在動(dòng)物實(shí)驗(yàn)中［34］，野百合堿誘導(dǎo)的PAH 大鼠進(jìn)行限鐵飲食后肺動(dòng)脈重構(gòu)和右心衰竭減輕，肺動(dòng)脈組織TfR1 水平增高，右心室心肌中的鐵調(diào)素水平也明顯增高，可能推測(cè)細(xì)胞鐵轉(zhuǎn)運(yùn)異常參與了PAH 與右心衰竭的病理生理過(guò)程。由于鐵穩(wěn)態(tài)失衡可能是PAH發(fā)生發(fā)展的重要原因，因而鐵穩(wěn)態(tài)失衡可能成為治療PAH 的新靶點(diǎn)。

5 小結(jié)

綜上所述，鐵代謝紊亂可能通過(guò)氧化應(yīng)激等多種途徑引起肺血管重構(gòu)，促進(jìn)PAH 的發(fā)生發(fā)展;但近期在IPAH 或遺傳性PAH 患者發(fā)現(xiàn)存在鐵缺乏現(xiàn)象，且與不良預(yù)后有關(guān)。有學(xué)者認(rèn)為，鐵缺乏現(xiàn)象是鐵過(guò)載引起PAH 的負(fù)反饋機(jī)制，雖然靜脈補(bǔ)鐵治療初步取得了積極成果，但過(guò)度補(bǔ)鐵是否能夠加重肺血管的重構(gòu)進(jìn)而加重病情發(fā)展還未可知，因此補(bǔ)鐵劑量、時(shí)限、療程及適用患者還需進(jìn)一步探索，也需要更多的相關(guān)機(jī)制性研究為臨床治療提供證據(jù)。

［1］Delaby C，Pilard N，Gon?alves AS，et al.Presence of the iron exporter ferroportin at the plasma membrane of macrophages is enhanced by iron loading and down-regulated by hepcidin［J］.Blood，2005，106(12):3979-3984.

［2］Nemeth E，Tuttle MS，Powelson J，et al.Hepcidin regulates cellular iron efflux by binding to ferroportin and inducing its internalization［J］.Science，2004，306(5704):2090-2093.

［3］Hentze MW，Muckenthaler MU，Galy B，et al.Two to tango:regulation of mammalian iron metabolism［J］.Cell，2010，142(1):24-38.

［4］Zhang AS，Enns CA.Molecular mechanisms of normal iron homeostasis［J］.Hematology Am Soc Hematol Educ Program，2009:207-214.

［5］Demaro VG，Whaley-Connell AT，Sowers JR，et al.Contribution of oxidative stress to pulmonary arterial hypertension［J］.World J Cardiol，2010，2(10):316-324.

［6］Yen CH，Leu S，Lin YS，et al.Sildenafil limits monocrotaline induced pulmonary hypertention in rats through suppression of pulmonary vascular remodeling［J］.Cardiovasc Pharmacol，2010，55(6):574-584.

［7］Grobe AC，Wells SM，Benavidez E，et al.Increased oxidative stress in lambs with increased pulmonary blood flow and pulmonary hypertention:role of NAPDH oxidase and endothelial NO synthase［J］.Am J Physiol Lung Cell Mol Physiol，2006，290(6):L1069-L1077.

［8］Wunderlich C，Schmeisser A，Heerwagen C，et al.Chronic NOS inhibition prevents adverse lung remodeling and pulmonary arterial hypertention in caveolin-1 knock out mice［J］.Pulm Pharmacol Ther，2008，21(3):507-515.

［9］Zhao JP，Zhou ZG，Hu HL，et al.The relationships among reactive oxygen species，hypoxia inducible factor-1α and cell proliferation in rat pulmonary arterial smooth muscle cells under hypoxia［J］.Sheng Li Xue Bao，2007，59(3):319-324.

［10］Wong CM，Bansal G，Pavlickova L，et al.Reactive oxygen species and antioxidants in pulmonary hypertension［J］.Antioxid Redox Signal，2013，18:1789-1796.

［11］Wong CM，Preston IR，Hill NS，et al.Iron chelation inhibits the development of pulmonary vascular remodeling［J］.Free Radic Biol Med，2012，53:1738-1747.

［12］Nikolai V，Gorbunov N，James L，et al.Iron-induced remodeling in cultured rat pulmonary artery endothelial cells［J］.Biometals，2012，25:203-217.

［13］Smith TG，Robbins PA，Ratclifie PJ.The human side of hypoxia-inducible factor［J］.Br J Haematol，2008，141:325-334.

［14］Yu AY，Shimoda LA，Iyer NV，et al.Impaired physiological responses to chronic hypoxia in mice partially deficient for hypoxia-inducible factor 1a［J］.J Clin Invest，1999，103:691-696.

［15］Brusselmans K，Compernolle V，Tjwa M，et al.Heterozygous deficiency of hypoxia-inducible factor-2α protects mice against pulmonary hypertension and right ventricular dysfunction［J］.J Clin Invest，2003，111:1519-1527.

［16］Ke QD，Costa M.Hypoxia-inducible factor-1(HIF-1)［J］.Mol Pharmacol，2006，70(5):1469-1480.

［17］Peyssonnaux C，Nizet V，Johnson RS.Role of the hypoxia inducible factors in iron metabolism［J］.Cell Cycle，2008，7(1):28-32.

［18］Peyssonnaux C，Zinkernagel AS，Schuepbach RA.Regulation of iron homeostasis by the hypoxia-inducible transcription factors(HIFs)［J］.J Clin Invest，2007，117(7):1926-1932.

［19］Ivan M，Kondo K，Yang H，et al.HIFα targeted for VHL-mediated destruction by proline hydroxylation:implications for O2sensing［J］.Science，2001，292:464-468.

［20］Smith TG，Balanos GM，Croft QP，et al.The increase in pulmonary arterial pressure caused by hypoxia depends on iron status［J］.J Physiol，2008，586:5999-6005.

［21］Smith TG，Talbot NP，Privat C，et al.Effects of iron supplementation and depletion on hypoxic pulmonary hypertension［J］.JAMA，2009，302:1444-1450.

［22］Piperno A，Pelucchi S，Mariani R，et al.The iron-hypoxia link:hepcidin has a central role in the response to acute and chronic exposure to hypobaric hypoxia［J］.J Hypertens，2010，28(S):e186.

［23］Hintze KJ，McClung JP.Hepcidin:a critical regulator of iron metabolism during hypoxia［J］.Adv Hematol，2011，4:1-7.

［24］Leung PS，Srai SK，Mascarenhas M，et al.Increased duodenal iron uptake and transfer in a rat model of chronic hypoxia is accompanied by reduced hepcidin expression［J］.Gut，2005，54(10):1391-1395.

［25］Chepelev N，Willmore WG.Regulation of iron pathways in response to hypoxia［J］.Free Radic Biol Med，2011，50(6):645-666.

［26］Lin L，Goldberg YP，Ganz T.Competitive regulation of hepcidin mRNA by soluble and cell-associated hemojuvelin［J］.Blood，2005，106(8):2884-2889.

［27］Choi SO，Cho YS，Kim HL，et al.ROS mediate the hypoxic repression of the hepcidin gene by inhibiting C/EBP and STAT-3［J］.Biochem Biophys Res Commun，2007，356(1):312-317.

［28］Ghosh MC，Zhang DL，Jeong SY，et al.Deletion of iron regulatory protein 1 causes polycythemia and pulmonary hypertension in mice through translational derepression of HIF2α［J］.Cell Metab，2013，17(2):271-281.

［29］Ruiter G，Lankhorst S，Boonstra A，et al.Iron deficiency is common in idiopathic pulmonary arterial hypertension［J］.Eur Respir J，2011，37:1386-1391.

［30］Soon E，Treacy CM，Toshner MR，et al.Unexplained iron deficiency in idiopathic and heritable pulmonary arterial hypertension［J］.Thorax，2011，66:326-332.

［31］Rhodes CJ，Howard LS，Busbfidge M，et al.Iron deficiency and raised hepcidin in idiopathic pulmonary arterial hypertension:clinical prevalence，outcomes，and mechanistic insights［J］.J Am Coll Cardiol，2011，58:300-309.

［32］Rhodes CJ，Wharton J，Howard L，et al.Iron deficiency in pulmonary arterial hypertension:a potential therapeutie target［J］.Eur Respir J，2011，38:1453-1460.

［33］Decker I，Ghosh S，Comhair SA，et al.High levels of zinc-protoporphyrin identify iron metabolic abnormalities in pulmonary arterial hypertension［J］.Clin Transl Sci，2011，4:253-258.

［34］Naito Y，Hosokawa M，Hao H，et al.Impact of dietary iron restriction on the development of monocrotaline-induced pulmonary vascular remodeling and right ventricular failure in rats［J］.Biochem Biophys Res Commun，2013，436:145-151.

［35］Viethen T，Gerhardt F，Dumitrescu D，et al.Ferric carboxymaltose improves exercise capacity and quality of life in patients with pulmonary arterial hypertension and iron deficiency:a pilot study［J］.Int J Cardiol，2014，175(2):233-239.

［36］Howard LS，Watson GM，Wharton J，et al.Supplementation of iron in pulmonary hypertension:rationale and design of a phase Ⅱclinical trial in idiopathic pulmonary arterial hypertension［J］.Pulm Circ，2013，3:100-107.