脓毒症中的铁代谢紊乱及其对器官功能的影响
摘要：
铁作为人体重要的营养元素，对氧气的运输，组织的修复起到重要作用。通过食物或衰老破损的红细胞获得的铁与铁蛋白或转铁蛋白结合后，通过Scara5、转铁蛋白受体1转运至细胞内。由于受到铁调节蛋白/铁反应元件的调节，细胞内的铁离子一部分与铁蛋白结合储存起来，另一部分则以不稳定的铁池形式参与代谢、呼吸等过程。研究发现，脓毒症患者，由于铁调素大量分泌造成“铁调素-膜铁转运蛋白(Hepc-FPN)”轴失衡，进而出现细胞内铁超载。大量铁离子聚集在细胞内，通过芬顿反应产生大量氧自由基和过氧化氢等，进而引发细胞氧化应激损伤。同时，铁离子可以攻击细胞膜、线粒体等细胞成分，造成细胞铁死亡。在临床中则表现为毛细血管渗漏、急性肝损伤、急性肺损伤等一系列器官功能障碍。
关键词：
脓毒症;铁超载;器官损伤;
铁作为地球上含量第二丰富的金属，在氧输送、DNA修复、细胞增殖等生理过程中起到重要的作用，是生物赖以生存的重要营养元素。对重症患者而言，血清铁降低，以及由此带来的“炎症性贫血”与疾病的严重程度及预后相关。然而，在之后一些动物及临床研究中证明，口服或者静脉补充铁剂虽然可以增加血清铁含量，并不能改善脓毒症患者血红蛋白含量，甚至会造成病死率升高。近期的研究发现，脓毒症病理过程中，由于大量铁离子进入细胞内造成的器官损伤对脓毒症的发生、发展起到重要的作用。现就细胞内铁超载对脓毒症器官功能的影响、可能的机制以及调节进行综述。
一、铁代谢的生理过程
从宏观层面上来说，铁代谢的过程包括：铁的摄取、储存及利用。人体通过食物以及衰老受损的红细胞来获得铁。这些铁离子分别通过十二指肠肠腔面微绒毛和巨噬细胞吸收入血液循环中。由于铁在血浆的溶解度很低，通常以铁蛋白、转铁蛋白的形式进入血液循环。大部分的血清铁被运送至肝脏、脾脏等部位储存，当人体需要时被转运至骨髓造血组织，参与血红蛋白的合成。除月经会导致铁直接流失外，人体每日铁排泄量仅1～2mg。从微观层面来说，铁代谢则被分为：铁摄取、铁利用及铁输出三个过程。(一)铁摄取入细胞内
根据铁在循环中存在的形式不同，其摄取入细胞的方式存在差异。铁蛋白是铁的主要储存形式，根据其亚基不同分为铁蛋白重链(ferritin heavy chain, FTH)和铁蛋白轻链(ferritin light chain, FTL)。两种铁蛋白分别通过Scara5、转铁蛋白受体1(transferrin receptor 1, TfR1)以铁蛋白的形式整体进入细胞内并储存起来。而作为将铁离子运送至骨髓的主要转运体，转铁蛋白结合的铁与细胞膜上的TfR1结合，以内吞的形式将铁离子转运至细胞内。非转铁蛋白结合的铁则主要通过金属离子转运体DMT1、ZIP14等通道直接进入细胞内。以血红蛋白或血红素形式存在的铁主要通过CD163、CD19以及HRG1等直接或间接进入细胞质。特别是CD163,作为清道夫受体超家族的成员，在巨噬细胞表面特异性表达，联合CD19降解血红蛋白，将铁离子转运至细胞内。(二)细胞内铁的储存和利用
进入到细胞内的铁离子一部分与铁蛋白结合并储存起来。铁蛋白(ferritin)是一种有24个H和L型亚基组成的贝壳样多聚体蛋白，其中空样结构内最多可容纳4500个铁原子。一旦细胞内铁含量降低或需铁量增加时，随时可被铁蛋白释放。另一部分铁离子则作为不稳定的铁池(labile iron pool, LIP)参与血红蛋白的合成，或者形成铁硫簇(Fe-S cluster)参与线粒体呼吸链的电子传递、作为三羧酸循环重要辅酶(顺乌头酸酶、延胡索酸酶)参与代谢、呼吸、DNA合成和修复等重要生理过程。细胞内的铁离子浓度受到铁调节蛋白/铁反应元件(iron regulatory protein/ iron responsive element, IRP/IRE)的调节。IRP是存在于细胞质中的铁调节蛋白，包括IRP1和IRP2两型。IRE是指具有高度保守的RNA茎环结构，许多与铁代谢相关蛋白的合成基因上都存在IRE,当细胞内铁离子浓度降低时，IRP1可以特异性的结合铁输入蛋白TfR1、DMT1的mRNA位于3'-非翻译区(3'-UTR)的IRE结构，从而促进TfR1、DMT1在细胞膜上的表达，增加铁摄入。而当细胞内铁离子浓度过高时，IRP的活性中心被铁硫簇占据，无法结合IRE,从而降低TfR1、DMT1蛋白的合成，导致铁摄入减少。(三)铁输出
细胞内铁的输出过程比较简单。铁离子主要通过膜铁转运蛋白(ferroportin, FPN)回到循环系统，而细胞内合成的血红素则通过FLVCR1b(feline leukaemia virus, subgroup C,receptor 1b)直接输出。近年的研究发现，除上述铁输出方式外，上皮细胞和肿瘤细胞在出现铁超载时还可以通过外泌体的形式输出铁蛋白。二、脓毒症状态下铁代谢的变化
多项临床研究发现，60%～80%的脓毒症患者在收入ICU后短期内会合并血清铁离子降低以及贫血等表现。从红细胞形态学来看，与缺铁性贫血一样，脓毒症患者也会出现以平均红细胞体积(MCV)、平均血红蛋白含量(MCH)/平均血红蛋白浓度(MCHC)以及红细胞分布宽度(RDW)下降为特征的缺铁性贫血表现。但是在铁代谢方面，脓毒症造成的贫血与缺铁性贫血却大相径庭。Tacke等发表在《Critical Care Medicine》中的一项前瞻观察性研究，对脓毒症患者长达3年的随访期间发现，血清转铁蛋白饱和度>55%、血清转铁蛋白浓度< 1.6g/L是患者短期/长期死亡率增加的危险因素。转铁蛋白饱和度的升高意味着非转铁蛋白结合铁的增多。作为LIP的组成部分，非转铁蛋白结合铁不但作为病原体的重要营养物质导致感染加重，而且其进入细胞后可以产生大量活性氧(reactive oxygen species, ROS)导致过氧化应激损伤。另一个具有显著差别的指标为铁蛋白。作为反应铁储备的指标，铁蛋白升高也是脓毒症预后不良的预测因素之一。当脓毒症发生时，细胞内铁浓度升高通过铁调节蛋白-铁反应元件系统(IRP-IRE)增加铁蛋白mRNA的表达。在动物实验中发现，LPS刺激及NF-κB信号通路高表达都会导致铁蛋白合成增加。铁蛋白的增加对于阻止细胞内铁超载导致的氧化应激反应及线粒体损伤起到保护作用，然而铁蛋白同时也会导致促炎因子大量产生，所以目前对于铁调素在脓毒症进程中的影响还未完全明确。相对于铁蛋白，可溶性转铁蛋白受体(soluble transferrin receptor, sTfR)不受急性炎症反应的影响，其在血清中的浓度与细胞膜上转铁蛋白受体含量呈正比。与脓毒症存活组患者相比，脓毒症死亡组患者sTfR并没有明显变化，sTfR/log ferritin则明显降低，具有统计学差异。铁调素(hepcidin, Hepc)是一种由肝脏细胞HAMP基因编码的一种小分子多肽，也是目前已知的对机体铁代谢起主要调节作用的激素。从宏观层面来说，铁调素可以下调小肠黏膜细胞的铁转运蛋白，抑制肠道内铁摄取导致低铁血症。从细胞层面来说，“Hepc-FPN”轴对于维持细胞内铁稳态起到重要的作用。FPN是细胞膜负责铁输出的重要通路，Hepc可以通过特异性的结合FPN使其降解，进而阻止铁输出。大量关于脓毒症的临床及动物研究发现，血清铁调素升高以及肝脏中促进铁调素合成信号通路：骨形态发生蛋白(bone morphogenetic protein, BMP)/SMAD蛋白(SMAD)以及JAK激酶(JAK)/信号转导子和转录激活子(signal transduction and activator of transcription, STAT)的激活是导致严重铁超载、脓毒症死亡率升高的危险因素。三、脓毒症中铁代谢紊乱对器官功能的影响
(一)毛细血管内皮细胞损伤
作为血液和组织之间的屏障，内皮细胞在脓毒症的发生、发展过程中起到重要的作用。近期的研究发现，铁超载会导致血管内皮损伤，进而引发多脏器功能不全。一项来自荷兰的RCT研究发现，铁超载可以影响内毒素血症患者血管的舒张功能。导致这一现象的原因与非对称性二甲基精氨酸(asymmetric dimethylarginine, ADMA)的升高有关。脓毒症引起的内皮细胞铁超载可以导致细胞内ROS升高，而作为ADMA的代谢酶-二甲基甘精氨酸二甲基酰胺水解酶(Dimethylarginine dimethylaminohydrolase, DDAH),可以被ROS降解。ADMA在体内的大量堆积可以降低内皮型一氧化氮合酶(endothelial nitric oxide synthase, eNOS)活性，影响NO合成，导致内皮细胞功能障碍。从内皮细胞结构来说，细胞内铁超载以及游离铁离子增多不但可以导致内皮细胞间紧密连接减少、毛细血管通透性升高，而且可以增加NF-κB诱导的黏附分子合成增加，导致炎症扩散。(二)急性肝损伤
肝脏作为储存、合成铁相关蛋白的主要场所，是脓毒症造成铁代谢紊乱的首要受损器官。一项来自韦恩州立大学的动物实验，以8mL/kg脂多糖(lipopolysaccharide, LPS)静脉注射于大鼠，连续性观察血液及肝脏变化。研究发现，在LPS作用4～8h后，肝脏细胞中的游离铁含量明显增加。从机制方面来说，LPS可以增加血浆中血红素加氧酶-1(heme oxygenase, HO-1)的含量，进而引起铁蛋白升高，膜铁转运蛋白表达减少，大量的铁离子无法转运出细胞造成肝细胞铁超载。大量的铁离子聚集会导致线粒体损伤、减少ATP合成，在临床表现为肝损伤。我国的学者在对急性肝损伤的动物实验发现，肝细胞内铁超载是导致肝细胞凋亡的重要因素。(三)急性肺损伤
在脓毒症患者中，由于大量炎症因子释放及血管通透性升高，导致不同程度的肺间质水肿，在临床表现为以顽固性低氧血症为特征的急性呼吸窘迫综合征。在后续的脓毒症引起的急性肺损伤模型中发现，肺上皮细胞内游离铁升高不但可以导致细胞膜及线粒体膜发生脂质过氧化损伤，而且会导致上皮细胞铁死亡进而出现炎症性肺水肿。同时，脓毒症引起的铁超载还可以出现在巨噬细胞，进而出现中性粒细胞黏附、迁移，增加肺部炎症反应。(四)急性肾损伤
40%～50%的脓毒症患者都会发生不同程度的急性肾损伤，而发生急性肾损伤的患者其住院病死率及进展为慢性肾脏疾病的风险均高于其他患者。近期的研究表明，急性肾小管坏死或凋亡并不是急性肾损伤的特点，肾脏的改变主要表现为肾小管周围组织血流缓慢以及肾小管上皮细胞过氧化损伤。其中，铁代谢紊乱介导的细胞损伤在急性肾损伤的发病机制中起到重要作用。肾小管对循环中的铁离子具有强大的重吸收功能。生理状态下，肾小管上皮细胞内的铁离子与转铁蛋白、铁蛋白等结合，以Fe3+的形式稳定存在。当肾脏出现缺血/再灌注损伤、炎症反应等病理状态下，一方面，Fe3+很容易发生电子转移形成Fe2+,另一方面，细胞内源性铁螯合剂—FTH被大量降解，增加了细胞中Fe2+含量。Fe2+可以通过芬顿反应产生大量氧自由基和过氧化氢等ROS,攻击脂质、核酸以及蛋白质等细胞组成成分，造成结构及功能损伤，甚至发生铁死亡。(五)脓毒症心肌病
脓毒症心肌病虽然是一种可逆性的疾病，但合并心脏损伤的脓毒症患者死亡率明显升高。从病理方面来看，脓毒症心肌病往往表现为心肌细胞的水肿，伴随淋巴细胞、巨噬细胞等浸润以及心肌纤维化。但对于导致心肌炎症性水肿的机制还不清楚。体外研究发现，由于心肌细胞内核受体共激活因子(nuclear receptor coactivator, NCOA4)表达升高，细胞内铁蛋白降低、游离铁离子浓度升高，大量的铁离子进入线粒体，导致脂质过氧化损伤，进而发生心肌损伤。而近期的盲肠结扎穿孔小鼠模型(cecal ligation and puncture, CLP)的体内研究也证实，脓毒症可以导致心肌细胞内铁离子浓度升高，进而造成铁死亡。(六)脓毒症相关性脑病
由于脓毒症导致患者新出现的谵妄，甚至意识障碍在临床中并不少见，而这类患者往往缺乏颅内感染的证据。近期的临床研究发现，由于脓毒症导致的炎症因子风暴不但可以导致抗氧化系统失衡，引发神经细胞发生脂质过氧化损伤，而且还可以破坏血脑屏障，造成炎症扩散。目前对于脓毒症脑病与铁代谢紊乱的研究并不多。一项来自武汉科技大学的研究发现，与对照组相比，出现认知功能障碍的脓毒症大鼠中，海马区铁沉淀量以及过氧化代谢产物均明显升高，而这可能与Nrf2/GPX4信号通路激活相关。铁作为人体重要的营养元素，对许多的代谢过程至关重要。在脓毒症患者中，细胞内游离体铁既作为氧化应激和炎症的关键启动剂，又作为细胞死亡的调节因子，对于脓毒症导致的多脏器功能障碍产生十分重要的影响。然而，研究对于铁作用的机制方面认识还存在欠缺，将其应用于脓毒症的临床诊疗仍是面临的挑战之一。
作者：郭喆,柴彦,王雪松,廖海燕,张会娟,王仲。来源：实用休克杂志(中英文)
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