铁调节蛋白与白细胞介素6在铁代谢中的研究进展

张亚平，李 姣(综述)，史 敏*(审校)

(1.河北医科大学第二医院输血科，河北 石家庄 050000；2.河北医科大学第二医院检验科，河北 石家庄 050000)

铁是机体必需的微量元素，主要储存在肝脏、脾脏及骨髓，参与机体的生物代谢、肌红蛋白合成、血红蛋白合成，还参与细胞的呼吸、各种酶的合成以及生物氧化过程中的电子转运等，对于细胞保持稳定性有重要作用。机体铁代谢的异常可引发多种疾病，如因铁缺乏引起的免疫力下降、缺铁性贫血、生育障碍等症状，若铁负荷过重可能会引起肝脏疾病、心脏疾病、糖尿病等疾病。近些年研究发现存在一种调节铁代谢的蛋白，即铁调素，又称铁调节蛋白(hepatic bactericidal protein，hepcidin)。Hepcidin是由肝脏合成的具有丰富二硫键的多肽，主要作用是调节哺乳动物全身铁代谢。Hepcidin在肝脏中高表达，这可能是许多贫血包括炎症和慢性病贫血的根本原因[1]，而hepcidin的诱导依赖白细胞介素6(interleukin-6，IL-6)，在各种炎症和感染中IL-6对hepcidin调节起到关键的作用[2]。

1 铁代谢

人体造血每天需要铁超过20 mg，大多来自巨噬细胞从衰老红细胞中吞噬回收的铁，少部分来源于膳食中的铁(仅占1～2 mg)。红细胞的生成过程中需要转铁蛋白(transferrin，TRf)结合铁，铁缺乏会导致贫血。小肠作为铁吸收的唯一部位，主要由十二指肠和空肠上段吸收铁[3]，进行铁的摄取、转运和跨膜入血液循环三个过程，非血红素铁中的高价铁(Fe3+)由小肠细胞的细胞色素b还原成低价铁(Fe2+)，而后Fe2+在二价金属离子转运蛋白1(divalent metal transporter 1，DMT1)的介导作用下进入到小肠上皮细胞[4]。血红素铁在血红素转运体的介导下以金属卟啉的形式完整地进入肠黏膜上皮细胞，在血色素氧化酶的作用下胞浆中卟啉环打开并释放Fe2+，被膜铁转运辅助蛋白则氧化为Fe3+，之后在膜铁转运蛋白1(ferroportin1，FPN1)的介导下进入血液循环，到达各个组织与TRf结合，当遇到具有转铁蛋白受体(transferrin receptor，TfR)的巨噬细胞和肝细胞时，则会被吸收并贮存起来[5-6]。当机体需要造血时，肝细胞释放铁通过血液循环进入骨髓参与造血，而巨噬细胞则会吞噬衰老的红细胞回收铁。

铁代谢中没有可以调节的排泄途径，主要通过肠细胞脱落排出体外，按成人计算男性每天排出约1 mg，女性每天排出约2 mg。近几年的研究表明，hepcidin是体内铁储存和稳态的主要生理调节，其调节铁代谢的功能越来越引起关注[7]。

2 Hepcidin

Hepcidin游离在血浆中，经过肾脏过滤排入尿液，具有抵抗细菌和真菌的生物特性[8]。人体的hepcidin基因位于第19号染色体，小鼠的hepcidin基因位于第7号染色体，2者都含有3个外显子和2个内含子，均由第3个外显子编码氨基酸序列。不同生物物种间hepcidin的蛋白结构是高度保守的，都含有丰富的赖氨酸、精氨酸等氨基酸残基，可调节hepcidin调节铁的组织分布、吸收、积累、血浆中的含量、以及红细胞生成的需求和炎症反应[9]。

观察hepcidin基因敲除后铁蓄积小鼠骨代谢试验证实此基因敲除后hepcidin表达受到抑制，血清铁水平升高导致铁蓄积[10]。另有研究证实hepcidin基因条件性过表达后小鼠血清铁蛋白降低[11]。

慢性肾脏疾病患者血hepcidin处于较高的水平，研究表明相同的慢性肾病小鼠与hepcidin基因敲除的慢性肾病小鼠相比贫血更加严重，hepcidin基因消除明显改善贫血状态[12]。Ribeiro等[13]研究表明通过抑制hepcidin的合成，有利于铁的吸收和红细胞的生成。Honda等[14]证实血液透析患者激素Erythroferrone(ERFE)与铁蛋白和hepcidin水平均呈负相关，与TfR呈正相关，红细胞生成刺激剂可增加ERFE并抑制hepcidin。

Hepcidin的主要作用是诱导细胞膜上FPN1的表达与调控，通过降低FPN1的表达并促进其内化和分解，抑制铁向细胞外的释放。Hepcidin还可调节膳食中由十二指肠吸收的铁和衰老红细胞由巨噬细胞吸收的铁，从而减少细胞表面的铁由细胞内释放到细胞外。Hepcidin抑制肠道铁吸收的途径主要是通过抑制DMT1的转录，对巨噬细胞通过结合TRf及TRf复合物达到内化、降解、抑制铁的释放。

Hepcidin在各种感染中可被诱导，Chen等[15]利用小鼠模型和离体的人类肝细胞模型分析hepcidin在病原体及其相关分子导致感染或炎症时的变化研究表明，转化生长因子β1(transforming growth factor-β1,TGF-β1)增加了hepcidin mRNA的表达，炎症或感染的情况下hepcidin的表达增加，铁吸收和释放均减少，血清铁浓度下降，导致慢性贫血或炎症性贫血。

炎症过程中，肝脏BMP-SMAD通路也需要JAK2/STAT3信号通路的配合以实现hepcidin的完全激活，可通过药物控制BMP-SMAD通路增加或抑制hepcidin的表达，进而改善机体铁超载或铁缺乏状况[16]。

3 Hepcidin与IL-6

研究表明机体内肝脏hepcidin的表达有2条调节途径：骨形成蛋白(bone morphogenetic protein，BMP)途径[17]和JAK2/STAT3途径。在肝细胞膜上IL-6与IL-6受体结合后形成受体配体复合物，此复合物进一步激活JAK2/STAT3途径，增加hepcidin的基因表达。其余炎症因子如肿瘤坏死因子α(tumor necrosis factor-α,TNF-α)、IL-1等被认为是通过先升高IL-6，后再作用于JAK2/STAT3，从而增加hepcidin表达[18-19]。

炎症、感染和恶性肿瘤等发生时，机体内的血清铁显著减少，hepcidin表达增加。细菌和病毒等引起的炎症可被宿主的识别受体识别，如Toll样受体(Toll-like receptors，TLRs) 。Abreu等[20]研究表明TLR2、TLR6、TLR1/2激活后作用于巨噬细胞抑制铁蛋白转录，降低血清铁，TLR4和TLR7/8通过转录和翻译诱导hepcidin增加而限制巨噬细胞内的血清铁水平，但并不改变铁蛋白的表达；TLR3、TLR5、TLR9既不能诱导hepcidin增加，也不能降低人巨噬细胞中的铁蛋白表达。

感染过程中hepcidin表达主要依赖IL-6，Jiang等[21]研究，观察感染败血症患者在ICU住院期间28 d的存活情况，结果显示与对照组相比败血症患者在1，3和7 d血红蛋白、血清铁和TRf显著减少，血浆hepcidin、IL-6、铁蛋白显著增加，血红蛋白与血浆hepcidin、IL-6均呈负相关，血浆IL-6与hepcidin呈正相关，表明败血症患者IL-6的增加可诱导hepcidin的水平增加，hepcidin有较高的特异性，是控制炎症相关性贫血的重要因子。炎症与铁代谢的相互作用可能干扰其他相关炎症因子，使败血症患者的铁代谢复杂化[22]。

Li等[23]研究表明，柠檬酸铁铵通过IL-6/STAT3途径诱导hepcidin的表达。IL-6调节hepcicin表达主要在肝脏中进行，通过STAT3信号转导通路与受体细胞相互作用。

4 Hepcidin与铁代谢

铁对于大多数微生物及其宿主来说均是必须的微量元素，机体感染期间抵御病原体的多种作用机制也需要铁的参与[24]。炎症发生时IL-6和其他炎性因子诱导hepcidin增多[25]，进而导致肠细胞、巨噬细胞和血浆中铁的含量迅速下降；另一方面，病原体从多种途径获取吸收铁，使TfR的作用机制受到限制[26]。大肠杆菌是败血症患者的血液中分离出来的最常见的病原体，Stefanova等[27]研究表明遗传性和医源性铁超载均会提高小鼠因感染大肠杆菌败血症的死亡率，表明hepcidin缺乏和相关性铁超载促进了机体组织的细菌感染和传播。

Hepcidin是一种对抗病原体感染的免疫反应的重要组成部分，通过2种重要途径发挥作用：一是通过控制机体铁含量预防局部感染引起的一系列炎症反应，同时因感染导致hepcidin的含量增加数倍；二是血浆中铁消耗被hepcidin抑制。Stefanova等[27]利用铁的消耗实验证明hepcidin的杀菌作用是通过限制铁的消耗而不是直接作用于病原菌，在感染和验证期间，血浆中hepcidin浓度显著增加，导致巨噬细胞和肠细胞中铁浓度下降。

5 Hepcidin与贫血

慢性病贫血是临床常见的贫血类型，是由许多慢性疾病如感染(艾滋病、肺结核、肠炎、败血症等)、风湿性疾病、多发性骨髓瘤、肿瘤等引起的一种继发性贫血，目前发病机制尚不清楚。慢性病贫血典型临床特征为正细胞正色素性贫血、血清铁降低、铁蛋白正常或增高，网状内皮细胞系统铁滞留及机体对促红细胞生成素反应迟钝是导致贫血的主要因素。Hepcidin可能与慢性病贫血铁代谢异常有关，慢性病炎症发生后，hepcidin表达增加，IL-6水平明显增加，当特异性阻断IL-6后炎症对铁调素的诱导效应消失，意味着IL-6参与了炎症对铁调素的上调作用。研究显示慢性病贫血患者hepcidin显著升高，其水平与IL-6的水平具有正相关性。JAK2/STAT3信号通路可介导IL-6对hepcidin的调节，但此过程亦受BMP/SMAD信号通路影响，表明各个信号通路都是相关的，在JAK2/STAT3途径中，hepcidin信号分子的作用机制需要进一步深入研究。研究表明缺铁性贫血患者血清中hepcidin的含量显著降低，而慢性病贫血患者显著升高，证实hepcidin与铁的代谢直接相关，不同贫血类型血清中hepcidin水平表达不同[28-29]。

目前治疗贫血主要是应用铁剂或者激素，手段单一且盲目性大，效果也不佳,静脉补铁效果较好但应用不当会导致严重的不良反应，如铁超载、缺氧等[30]。检测血清中hepcidin水平有利于辅助鉴别贫血类型，了解患者病情，指导患者用药。Hepcidin会成为治疗贫血的重要因子，为异常铁代谢治疗提供新的思路和方法，提高贫血患者的生活质量。