李丰益 贾苍松

四川大学 华西第二医院儿科血液肿瘤研究室

发表于：《临床儿科杂志》 2006 ； 24(2):86-89.

铁作为一种微量元素在机体内具有非常重要的作用，如通过形成血红蛋白、肌红蛋白参与体内氧和二氧化碳气体等在组织间的运输；通过形成多种细胞色素蛋白参与细胞线粒体内电子传递和能量的代谢；通过作为核糖核苷酸还原酶、腺苷脱氨酶、 NADPH 氧化酶等的辅基而参与遗传物质 DNA 的合成、免疫反应等机体内许多重要的生命过程。缺铁不仅会使机体出现贫血，也会导致对机体免疫系统、肌肉运动系统、智能与神经系统的损害；相反体内铁负荷过重，又会增加氧化应急，导致体内组织细胞发生自由基过氧化损伤，特别是肝脏、心脏等器官的实质细胞内长期过量铁沉积，将使机体继发皮肤色素沉着、糖尿病、关节炎、器官硬化、睾丸萎缩等 [1] 。

大量研究已证实，在长期的生物进化过程中，机体似乎并未获得调控铁从体内合理排出的能力。因此要维持机体内铁的平衡，满足细胞增殖分化，特别是红系造血对铁的需要，机体通过对铁吸收、储存及再动用等过程进行精确调控是特别重要的。目前已基本弄清机体吸收外源性铁的部位主要在小肠上段，大致过程是：首先由面向肠腔的小肠细胞膜上的二价金属转运体 1 （ divalent metal transporter 1, DMT1 ）和血红素受体分别负责将肠腔中的游离无机铁和有机铁（血红素铁）转入肠细胞内，其中血红素可经胞内血红素氧化酶（ haem oxygenase, HO ）作用后，分解并游离出铁离子。进入肠细胞内的铁可暂时以铁蛋白的形式储存，或经面向血循环的小肠细胞膜上的高铁转运体 1 （ ferroportin 1, FPN1 ）进一步转入血中。体内储存铁的部位主要是肝细胞，而参与衰老红细胞等的吞噬并分解血红素、储存和再动用铁的细胞主要是脾、骨髓和肝等组织中的单核巨噬细胞，肝脏中的单核巨噬细胞也称枯否氏细胞 [2-3] 。

至今所认识的机体铁代谢调控大体可分为两个层次。一个经典的铁代谢转录后调控模式；另一个是由近年来发现的肝抗微生物肽（ hepcidin antimicrobial peptide, HAMP ）与参与铁吸收的小肠细胞、以及参与铁储存和再动用的单核巨噬细胞上的靶蛋白—— FPN1 相互作用而完成的体内系统间铁动态平衡调控模式 [4] 。前者可以理解为是组织内细胞水平上的一种调控方式，后者则是体内组织或系统间的一种铁动态平衡调控方式，但两者间又存在某些必然的联系。

经典的铁代谢转录后调控模式广泛存在于正常实体组织细胞、造血细胞或肿瘤细胞等的增殖分化过程中，主要通过位于铁代谢相关基因 mRNA 分子 5' 或 3' 端未翻译区的铁效应元件（ iron responsive element, IRE ）与铁调节蛋白（ iron regulated protein, IRP ）相互作用而完成， IRP 包括 IRP1 和 IRP2 ，与 IRE 间的结合活性受胞内可变铁池（ labile iron pool, LIP ）等因素的影响。当 LIP 增加时， IRP/IRE 间结合活性下降，导致 mRNA 5' 端含 IRE 的铁代谢相关基因由于去抑制效应而表达增加；同时 mRNA 3' 端含 IRE 的铁代谢相关基因由于其稳定性下降而表达减少。最终结果是胞内铁的储存和动用趋向于增加，而铁的吸收和转运则减少。 LIP 下降时， IEP/IRE 间结合活性增加，则导致与上述调控相反方向的结果 [5] 。

长期以来，机体内组织系统间铁代谢动态平衡的调控机制问题一直深受关注，较早有学者基于经典铁代谢转录后调控机制，提出了肠道铁吸收过程的“隐窝细胞编程调控说”。认为：隐窝细胞作为成熟小肠细胞的前体细胞，在其分化成熟过程中可感知血循环中铁浓度的变化，再通过胞内 LIP 的变化影响 IRP/IRE 间的结合活性，进而使成熟小肠细胞 DMT1 、 FPN1 的表达水平和铁吸收转运能力发生相应的变化 [2] 。 DMT1 不仅参与铁从肠腔到小肠细胞内的转运，还参与体内许多组织细胞内的铁转运； FPN1 则主要参与小肠细胞、单核巨噬细胞等细胞内的铁向血循环中进行转运。研究显示：机体缺铁时，隐窝细胞内 LIP 是下降的， DMT-1 和 FPN1 的表达、以及铁吸收转运能力是明显增加的。另外从机体产生缺铁到肠道铁吸收转运能力增加所需的间隔期，也与隐窝细胞分化为成熟小肠细胞的时间是一致的。血色素沉着症基因（ HFE ）可能参与了隐窝细胞对循环中铁浓度的感受过程，研究结果表明 HFE 突变可使隐窝细胞内 LIP 明显下降，肠道铁吸收转运能力增加数倍。这可能是 I 型遗传性血色素沉着症（ hereditary hemochromatosis, HH ）患者发生铁负荷过重的病理基础。但无论是小肠隐窝细胞，还是成熟小肠细胞均不是 TfR2 表达的优势细胞，因此很难用肠道隐窝细胞编程说解释因 TfR2 基因突变所致的Ⅲ型 HH 发生体内铁负荷过重的机制。

HAMP 基因定位于 19q13.1 ，含有 3 个外显子，编码一个 84 氨基酸残基的前体蛋白，循环中的 HAMP 仅包括前体蛋白的 C- 端 20 、 22 或 25 个氨基酸残基，其 N- 端 24 个氨基酸残基的信号肽部分，及信号肽后直到含 5 个寡聚精氨酸残基的蛋白酶水解位点的整个 N- 端部分均在成熟过程中则被剪去 [6] 。目前认为 HAMP 的功能主要是参与体内铁代谢的调控，它对肠道铁吸收可起负调控作用，而同时对单核巨噬细胞系统铁储存起正调控作用。

近年来随着 HAMP 的发现，大量的基础和临床研究 [7-11] 发现 HAMP 表达的变化与机体正常铁代谢调控，或与产生异常铁代谢紊乱间均有关。已证实缺铁、贫血、低氧诱导和高 EPO 等因素可抑制 HAMP 的表达，而高铁膳食、脂多糖（ LPS ）或炎症性细胞因子（如 IL-6 ）等则可刺激 HAMP 的表达。相反由于 HAMP 基因本身突变，或调节 HAMP 基因表达的顺式和反式作用元件【如 USF2 、 C/EBP a 、 Hemojuvelin(HJV) 等】的缺失或突变，造成 HAMP 低表达或无意义表达时，机体就会发生严重的铁负荷过重；而通过转基因方法造成 HAMP 异常高表达的模型动物（特别是其 F1 子代）则会出现严重的缺铁性贫血。

基于大量的实验依据 Frazer DM 和 Anderson GJ [12] 提出了一个机体铁代谢调控的新模型，他们认为：肝细胞膜上的 HFE 、 TfR1 和 TfR2 分子可以感知血循环中 Fe-Tf/2Fe-Tf 与去铁转铁蛋白（ apo-transferritin, apo-Tf ）间浓度的变化。由于 TfR1 同 HFE 结合的部位与同 Tf 结合的部位相同，并存在竞争性关系。他们推测游离 HFE 分子和 TfR2-2Fe-Tf 复合物均可作为激活 HAMP 表达的信号，这样血循环中转铁蛋白饱和度的变化就会影响到肝脏 HAMP 合成信号的强弱。当铁浓度增加时，刺激信号增强， HAMP 表达增加，可使肠细胞和单核巨噬细胞释放的铁减少；当铁浓度下降时，刺激信号减弱， HAMP 表达降低，可使肠细胞和单核巨噬细胞释放的铁增加。有关 HAMP 与其靶蛋白间的作用机制已在 Nemeth E 等 [4] 的研究中得到一定的解释。该模型将肝脏作为体内铁稳态调控的中心，阐明了体内铁浓度、 HAMP 浓度同肠道铁吸收转运与单核巨噬细胞铁代谢间的关系，也可较好地从 HAMP 产生的质 / 量变化方面，以及功能发挥的角度解释Ⅰ型（与 HFE 基因有关）、Ⅱ型（与 HAMP 或 HJV 基因有关）、Ⅲ型（与 TfR2 基因有关）和 IV 型（与 FPN1 基因有关） HH 患者发生铁负荷过重的病理机制，特别是可以很好地从铁代谢角度部分解释感染、炎症、肿瘤等疾病患者发生铁代谢紊乱并继发慢性病贫血（ anemia of chronic disease, ACD ）的机制。

有关铁代谢紊乱和铁代谢异常的概念至今并未见有准确的定义，从铁稳态调控的角度，可以理解为是机体铁代谢的一种失代偿状态。它可导致机体缺铁或发生铁负荷过重，既可由遗传因素引发，也可由某些环境因素所致，或继发于某些疾病，其临床铁代谢检测指标常不能真实反映体内的铁状况。如慢性炎症性、感染性贫血（ anemia of chronic inflammation/infection ， ACI ）或肿瘤性贫血伴缺铁患者，其血清 Fn 常是明显增高的。 ACI 发生铁代谢紊乱的典型表现是铁的异常分布，即在肝脾等组织中铁含量异常增高，而骨髓造血组织却处于相对缺铁状态，进而影响红系造血。

ACD 是发病率仅次于 IDA 的一种常见病，其贫血病因被认为主要与红细胞寿命缩短、骨髓造血代偿不足和铁代谢紊乱等有关，长期以来除针对原发病进行治疗外，其贫血的临床治疗常比较混乱。我们研究室曾用一氧化氮（ NO ）合成酶抑制剂处理 ACI 模型动物后发现：不仅 NO 明显下降，而且铁代谢指标和贫血症状也显著改善，说明由炎症引发的铁代谢紊乱可能在 ACD 的发病中具有相当重要的作用。不过国外和我们研究室从 NO 、 IL-1 和 g - 干扰素等炎症性因子影响铁代谢相关基因表达的角度，对 ACD 时发生铁代谢紊乱进行研究的结果，均很难简单地从经典铁代谢转录后调控的角度对其进行合理的解释。如 ACI 时， NO 水平的增高与骨髓细胞 TfR 表达水平下降、红细胞内 Fn 水平下降相关；同时 NO 使肝细胞 IRP/IRE 间结合活性增加，但炎症时肝细胞 IRP2 mRNA 表达水平却又明显下降， Fn mRNA 水平明显升高 [13-15] 。提示炎性因子对不同组织细胞铁代谢的影响可能有差异， ACI 时可能存在系统间铁动态平衡调控的异常，这些均值得进一步的研究。

在肿瘤铁代谢紊乱方面，国外和我们研究室的研究结果主要有 [16-22] ： ① 证实肿瘤细胞 TfR 、胞内和血清 Fn 表达常增高。 ② 发现去铁胺可抑制肿瘤细胞增殖、诱导肿瘤细胞凋亡，其机制可能与影响其铁代谢过程有关，国外已有不少从铁代谢角度成功治愈肿瘤、白血病患者的临床病例报告。 ③ 发现某些肿瘤细胞存在 TfR2 或线粒体铁蛋白（ MtF ）的异常表达，初步推断可能与其异常铁代谢和细胞癌变有关。因 TfR2 和 MtF 分子的 mRNA 均不含 IRE ，其表达不受细胞铁代谢转录后调控机制的影响；而 MtF 在胞内铁代谢过程中具重要作用，其在正常细胞中的表达是受到严格控制的，肿瘤细胞 MtF 的异常高表达可能与其细胞内活跃的铁代谢和恶性增殖有关。 ④ 发现某些癌基因产物（如 c-myc ）作为转录因子，其过量表达可能与肿瘤细胞某些铁代谢分子的异常表达有关，采用反义寡核苷酸技术干扰 c-myc 表达，可使 TfR 表达下降，并导致肿瘤细胞凋亡。 ⑤ Weintein DA 等发现肝脏腺瘤患者伴异常高水平的 HAMP 表达，其临床上呈严重的难治性缺铁性贫血表现，当肿瘤切除后， HAMP 表达下降，其缺铁性贫血症状不治而愈。 ⑥ 发现 EPO 和铁均可促进肿瘤细胞增殖，因此在治疗肿瘤性贫血时应慎用。总之，肿瘤发生的原因虽不完全清楚，但其与肿瘤细胞铁代谢异常有关是肯定的，因此加强相关基础和临床研究，将有望从铁代谢角度提出有效的肿瘤治疗新方法。

另外，象神经退行性疾病，缺氧缺血性脑损伤，肝、肾、心功能衰竭，地中海贫血、肿瘤和白血病等患者反复多次输血后，其体内均存在程度或轻或重、时间或长或短的铁代谢紊乱问题。如 HH 及地贫等反复输血所继发的铁负荷过重患者，常发生肝硬化、肝癌和肝功能衰竭等，他们的发病机制可能与异常铁代谢所导致的组织细胞过氧化损伤有关。 HAMP 分子作为目前所认识的一种重要的体内铁稳态调控分子，它在上述疾病中的变化情况和作用值得研究。但成熟 HAMP 分子小，抗原性低，循环中半衰期可能很短，用常规方法进行检测较困难，这在一定程度上限制了临床相关研究工作的开展。目前国外已有 HAMP 前体肽（ Pro-Hepc ）的 ELISA 测定药盒，我们研究室也开展了慢性肾功衰（ chronic renal failure, CRF ）及肾移植前后患者血或尿 Pro-Hepc 的测定和临床意义方面的初步研究，结果发现 CRF 伴贫血患者血清 pro-Hepc 水平下降，与国外相关研究的结论基本相似 [23] ，提示： pro-Hepc 浓度的变化有与 HAMP 相一致的趋势。虽然一般认为体内 HAMP 在肝脏产生并分泌入血循环，但其表达和代谢调控的方式尚待明确。 Kulaksiz H 等 [24] 新近对哺乳动物肾脏HAMP细胞定位的研究结果表明：肾脏本身也存在HAMP的高表达，但对肾脏HAMP表达与体内HAMP或pro-Hepc浓度变化间的关系，以及其与肾脏或体内铁代谢调控间的关系尚不清楚，值得进一步深入研究。

由北京儿童医院和我院共同主持完成的最近一次全国性妇女儿童缺铁 (iron deficiency, ID) 流调结果显示 [25-26] ： ID 和缺铁性贫血 (iron deficiency anemia, IDA) 的发病率在学龄前儿童分别为 40.3% 和 7.8% ，在孕妇中则高达 61.7% 和 19.1% 。说明 ID （乃至 IDA ）仍然是严重危害人体健康的一种常见和多发性疾病，特别是围产期孕妇缺铁，不仅影响孕妇自身，而且可影响其胎儿和 6 个月内小婴儿铁代谢，导致多器官系统（特别是大脑）的生长发育和功能受到损害。虽然单纯性 ID （ IDA ）的治疗和预防方法成熟，但由于其发病率相对较高，广大临床医师和社会各界仍应重视对该病的治疗，特别是加强对该病的预防。

当前，我们应注意到还有相当一部分疾病的铁代谢紊乱发生机制尚不完全清楚，其临床治疗存在一定的盲目性。加强这方面的基础和临床研究，对其制订出有针对性的干预治疗方案是非常必要的。另外我们还应重视某些不明原因所致的缺铁或铁负荷过重的问题，它们往往与遗传因素可能有关。我国是发展中国家，人口众多，具有一定的遗传资源优势。随着基因组和蛋白质组学研究技术的发展，我们应争取在这方面有所突破，赶上该研究领域的国际先进水平。

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