鐵代謝失衡在動脈粥樣硬化中作用的研究進(jìn)展*

周喆聿 李文文 卞慧敏 李 育

南京中醫(yī)藥大學(xué) 1 醫(yī)學(xué)院·整合醫(yī)學(xué)學(xué)院 2 藥學(xué)院，江蘇省南京市 210023

AS是一種慢性代謝紊亂性疾病，是心腦血管突發(fā)事件和組織器官功能障礙的重要原因，其發(fā)病率在全球范圍內(nèi)呈上升趨勢，也是老年人最常見的死亡因素之一[1]。AS的病理生理學(xué)包括血管脂質(zhì)積累、炎癥、氧化應(yīng)激、內(nèi)皮細(xì)胞激活、VSMCs增殖、巨噬細(xì)胞激活、斑塊形成和鈣化。首次提出的“鐵假說”認(rèn)為鐵超載是心血管疾病的危險因素之一[2]，但鐵是否以及如何影響AS的進(jìn)程仍有很大爭議。最近的研究表明，鐵代謝失衡參與影響AS的各個環(huán)節(jié)，本文將從AS的病理機(jī)制來闡述鐵代謝異常在AS進(jìn)程中的作用。

1 鐵代謝穩(wěn)態(tài)

鐵是人體必需的微量元素之一，參與紅細(xì)胞的生成。機(jī)體每天90%的需鐵量來自體內(nèi)巨噬細(xì)胞通過吞噬衰老或損傷的紅細(xì)胞釋放的血紅蛋白鐵，其余對鐵的需求則來源于空腸及十二指腸吸收的膳食中的鐵。含鐵蛋白、鐵螯合蛋白參與維持線粒體功能、DNA合成及修復(fù)，使細(xì)胞保持正常形態(tài)和功能[3]。但是如果鐵超載，它可能對各種組織和器官產(chǎn)生有害的影響。通常細(xì)胞內(nèi)和血漿中的鐵水平由運(yùn)鐵素(Ferroportin,FPN)-鐵調(diào)素軸調(diào)控。FPN在肝細(xì)胞、十二指腸上皮細(xì)胞及巨噬細(xì)胞表面大量表達(dá)。鐵調(diào)素是肝臟合成的一種肽類激素，可以內(nèi)化并降解細(xì)胞表面的FPN。細(xì)胞內(nèi)Fe2+經(jīng)氧化反應(yīng)成為Fe3+，F(xiàn)PN介導(dǎo)Fe3+從細(xì)胞內(nèi)輸出進(jìn)入血液。當(dāng)血漿鐵水平上升時，鐵調(diào)素分泌相應(yīng)增多，以減少細(xì)胞內(nèi)鐵進(jìn)入外周血，進(jìn)而控制循環(huán)中的鐵水平[4]。機(jī)體的一些異常狀態(tài)可能引起鐵代謝失衡，如貧血或處于低氧狀態(tài)時，鐵調(diào)素表達(dá)降低，血漿鐵水平上升，有利于造血。若同時出現(xiàn)鐵利用障礙，則會在貧血的基礎(chǔ)上出現(xiàn)血漿鐵超載[5]。在炎癥或感染時，鐵調(diào)素表達(dá)增加、血漿鐵水平下降可能會導(dǎo)致炎癥性貧血[6]。這些皆表明全身或局部鐵代謝失衡將會導(dǎo)致相應(yīng)的損傷，進(jìn)而引發(fā)或加重疾病。

2 鐵代謝與動脈粥樣硬化

鐵代謝失衡是AS的危險因素之一。臨床研究顯示，嚴(yán)重AS患者血清鐵水平顯著高于正常和輕、中度冠狀動脈疾病的患者[7]。絕經(jīng)后婦女頸動脈斑塊的存在與鐵調(diào)素的增加以及鐵調(diào)素與鐵蛋白比值的增加顯著相關(guān)[8]。在動物水平的研究中，F(xiàn)PN敲除的ApoE-/-小鼠，其粥樣斑塊中的脂質(zhì)水平上升，而抑制骨形態(tài)發(fā)生蛋白(Bone morphogenetic protein,BMP)信號通路可以有效延緩AS的發(fā)生[9-10]，這是因為BMP是鐵調(diào)素在轉(zhuǎn)錄水平上的調(diào)控因子，有助于維持機(jī)體鐵平衡。由此可見，鐵代謝穩(wěn)態(tài)對AS的進(jìn)程有影響。

2.1 鐵代謝參與內(nèi)皮細(xì)胞損傷 內(nèi)皮細(xì)胞功能障礙被認(rèn)為是AS的起始環(huán)節(jié)，氧化應(yīng)激是內(nèi)皮細(xì)胞受損的重要因素之一。氧化應(yīng)激的特征是活性氧(Reactive oxygen species, ROS)產(chǎn)生和抗氧化能力之間的失衡，這導(dǎo)致一氧化氮(Nitric oxide, NO)的生物利用度下降、血小板聚集增加及炎癥因子釋放進(jìn)而損傷內(nèi)皮細(xì)胞。研究表明，在ApoE-/-小鼠中，鐵超載會導(dǎo)致血管NO生物利用度降低[11]，并且向鼠慢性注射鐵會降低血液和肝臟中過氧化氫酶及超氧化物歧化酶等抗氧化物質(zhì)的含量，這會導(dǎo)致內(nèi)皮細(xì)胞受損[12]。受損的內(nèi)皮細(xì)胞會分泌促炎介質(zhì)、黏附分子及趨化因子，如單核細(xì)胞趨化因子-1(Monocyte chemoattractant protein-1,MCP-1)、血管細(xì)胞黏附分子-1、細(xì)胞間黏附分子-1，它們募集循環(huán)中的單核細(xì)胞和T細(xì)胞等進(jìn)入內(nèi)膜下，促使AS發(fā)生。研究表明，鐵超載會增加內(nèi)皮細(xì)胞的黏附性，促使單核細(xì)胞遷移通過內(nèi)皮層，并使內(nèi)皮細(xì)胞通透性、凋亡增加[9]。以上研究提示鐵超載能通過增加氧化應(yīng)激、降低NO生物利用度、促進(jìn)炎癥反應(yīng)等導(dǎo)致內(nèi)皮細(xì)胞受損而推動AS進(jìn)展。

2.2 鐵代謝影響巨噬細(xì)胞的表型和功能

2.2.1 鐵代謝參與M1/M2型巨噬細(xì)胞表型轉(zhuǎn)換，影響脂質(zhì)水平。巨噬細(xì)胞在AS進(jìn)程中起著核心作用，其不同亞型決定了不同的生物學(xué)功能。經(jīng)典活化的M1型巨噬細(xì)胞促進(jìn)炎癥反應(yīng)，是晚期、不穩(wěn)定、具有脂質(zhì)壞死核心斑塊中的主要表型。代替活化的M2型巨噬細(xì)胞產(chǎn)生如白細(xì)胞介素-10等抑炎細(xì)胞因子，并能通過清除凋亡細(xì)胞和碎片、增加斑塊內(nèi)Ⅰ型膠原的含量來減輕血管炎癥和穩(wěn)定AS斑塊。M1、M2型巨噬細(xì)胞的鐵代謝完全不同。主要表現(xiàn)在M1型巨噬細(xì)胞表達(dá)高水平的鐵儲存蛋白和低水平的FPN，M2型巨噬細(xì)胞則完全與之相反，這有利于細(xì)胞內(nèi)鐵流出，使細(xì)胞內(nèi)鐵處于低水平[13]。此外，M2型巨噬細(xì)胞中血紅素加氧酶-1的激活促使血紅素分解為Fe2+及NO，這進(jìn)一步導(dǎo)致鐵水平的降低[14]。在敲除鐵調(diào)素基因的LDLR-/-小鼠中，巨噬細(xì)胞促炎標(biāo)記物減少、AS程度減輕[15]。巨噬細(xì)胞內(nèi)鐵水平還可直接調(diào)節(jié)其極化，增加的細(xì)胞內(nèi)鐵水平誘導(dǎo)M1型巨噬細(xì)胞。而M2型巨噬細(xì)胞內(nèi)鐵負(fù)載的增加會誘導(dǎo)其向M1表型轉(zhuǎn)換，同時ROS的產(chǎn)生增多，促炎細(xì)胞因子表達(dá)增加。在巨噬細(xì)胞FPN特異性失活的小鼠中，傷口愈合延遲、炎癥反應(yīng)延長，當(dāng)用鐵螯合劑處理巨噬細(xì)胞時，促炎因子的釋放減少[16-17]。

在非炎癥環(huán)境中，巨噬細(xì)胞內(nèi)過多的脂質(zhì)可通過激活肝X受體(Liver X receptors,LXRs)最終由膽固醇轉(zhuǎn)運(yùn)體排出進(jìn)入肝臟代謝。但在AS的炎癥環(huán)境下，巨噬細(xì)胞的膽固醇吞噬、排出之間的相對穩(wěn)態(tài)被打破，M1型巨噬細(xì)胞通過清道夫受體吞噬氧化低密度脂蛋白后會形成泡沫細(xì)胞，從而促進(jìn)斑塊的產(chǎn)生。運(yùn)鐵素—鐵調(diào)素軸和巨噬細(xì)胞膽固醇代謝之間也存在聯(lián)系，BMP可以通過激活SMAD1/5/8的轉(zhuǎn)錄進(jìn)而激活鐵調(diào)素，用小分子抑制劑LDN阻斷BMP1型受體可以減少鐵調(diào)素的表達(dá)，降低巨噬細(xì)胞內(nèi)鐵含量[18]。在ApoE-/-小鼠中，用LDN193189抑制鐵調(diào)素可以增加膽固醇排出，減少泡沫細(xì)胞生成，給予外源性鐵調(diào)素后可逆地改變了這些情況[19]。這些研究都表明，巨噬細(xì)胞內(nèi)的低鐵水平可降低炎癥反應(yīng)、減少脂質(zhì)的積累而減輕AS。

2.2.2 鐵代謝影響斑塊內(nèi)出血區(qū)域巨噬細(xì)胞，加重斑塊不穩(wěn)定性。在AS斑塊形成過程中，血管壁耗氧量增加，斑塊病變處組織發(fā)生缺氧。缺氧會刺激血管新生，但新生血管具有高通透性及易脆性。晚期斑塊的高度炎癥環(huán)境更易破壞脆弱的新生微血管系統(tǒng)，導(dǎo)致斑塊內(nèi)出血(Intraplaque hemorrhage,IPH)，進(jìn)而導(dǎo)致壞死核心擴(kuò)張和斑塊不穩(wěn)定性增加。IPH區(qū)域的巨噬細(xì)胞不同于M1和M2型巨噬細(xì)胞，其以缺少脂質(zhì)沉積、促炎細(xì)胞因子低表達(dá)和CD163高表達(dá)為特征，該巨噬細(xì)胞被命名為M(Hb)巨噬細(xì)胞。由于LXRα的激活、FPN和CD163的表達(dá)增加，M(Hb)巨噬細(xì)胞細(xì)胞內(nèi)鐵水平更低。在低氧條件下，缺氧誘導(dǎo)因子(Hypoxia inducible factor-1α, HIF-1α)被激活，其可誘導(dǎo)血管內(nèi)皮生長因子(Vascular endothelial growth factor,VEGF)等促血管生成基因的轉(zhuǎn)錄，而鐵與HIF-1α的激活間接相關(guān)[4]。這是因為在常氧環(huán)境中，HIF-1α?xí)桓滨Ａu化酶(Prolyl hydroxylase, PHD)在特定位點羥基化，隨后被降解，而鐵是PHD發(fā)揮作用的一個重要輔助因素。在血管生成實驗中，將培養(yǎng)的M(Hb)巨噬細(xì)胞上清處理內(nèi)皮細(xì)胞會導(dǎo)致更多血管生成、更大的血管通透性及核因子-κB的激活[20]。因此，M(Hb)巨噬細(xì)胞內(nèi)低鐵水平會抑制鐵依賴性PHD發(fā)揮作用，最終促進(jìn)VEGF介導(dǎo)的斑塊內(nèi)血管生成、血管通透性增加、炎癥細(xì)胞募集，使斑塊不穩(wěn)定性增加。

2.3 鐵代謝參與血管平滑肌細(xì)胞激活 VSMCs位于血管中膜，具有調(diào)節(jié)血管張力、維持血管彈性的作用。研究發(fā)現(xiàn)，用枸椽酸鐵銨處理VSMCs會導(dǎo)致其炎癥和凋亡水平增加，并使促進(jìn)單核細(xì)胞黏附和遷移的MCP-1產(chǎn)生[9]。同時，VSMCs內(nèi)鐵超載會刺激其增殖并導(dǎo)致ROS生成，這加劇了促氧化微環(huán)境，更有利于泡沫細(xì)胞的形成并增加了斑塊的不穩(wěn)定性[21]。除此以外，M1型巨噬細(xì)胞產(chǎn)生的如血小板源生長因子或轉(zhuǎn)化生長因子-β可導(dǎo)致VSMCs增殖并誘導(dǎo)其向血管內(nèi)膜遷移，從而推動AS的發(fā)展。這表明巨噬細(xì)胞內(nèi)的鐵水平能間接影響VSMCs的激活。鐵還可以調(diào)節(jié)內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激(Endoplasmic reticulum stress,ERS)相關(guān)通路，脂質(zhì)運(yùn)轉(zhuǎn)蛋白-2通過增加平滑肌細(xì)胞內(nèi)的鐵含量，促使其發(fā)生ERS和增殖[22]。ERS是由內(nèi)質(zhì)網(wǎng)管中未折疊蛋白的積累引起的，缺氧、炎癥等均能引起ERS，降低ERS可以緩解AS的進(jìn)程。此外，鐵還可以通過IL-24和BMP2途徑誘導(dǎo)VSMCs鈣化[23]。總之，過高的鐵水平以及各種因素的刺激會使VSMCs異常增殖、鈣化，最終致使血管管腔狹窄，從而促進(jìn)AS的進(jìn)展。

3 展望未來

AS對健康有重大的威脅，識別其新的標(biāo)靶仍然具有重大的意義。鐵代謝是一個非常復(fù)雜的生理過程，目前的研究證實，鐵代謝失衡參與了AS的發(fā)生發(fā)展。

鐵大量沉積在動脈中層，與斑塊形成、血管氧化應(yīng)激和功能障礙有關(guān)。鐵觸發(fā)的脂質(zhì)改變、血管通透性增加、持續(xù)的內(nèi)皮激活、促AS炎性介質(zhì)增多和NO生物利用度降低等可加重AS。除了AS晚期發(fā)生IPH時，抑制巨噬細(xì)胞內(nèi)鐵排出、增加細(xì)胞內(nèi)鐵水平可能對防止斑塊進(jìn)展有益，在AS早期或中期，降低細(xì)胞(尤其是巨噬細(xì)胞)內(nèi)鐵水平可能是一個新的策略。然而應(yīng)當(dāng)注意的是，細(xì)胞內(nèi)鐵水平的降低意味著循環(huán)鐵水平的相對升高，所以在降低細(xì)胞內(nèi)鐵水平的同時，是否降低循環(huán)中的游離鐵也是一個值得考慮的問題?？傊?，鐵代謝和AS之間的聯(lián)系還未完全被闡明，它們之間的作用關(guān)系值得被進(jìn)一步研究。