铁代谢失衡在动脉粥样硬化中作用的研究进展*

周喆聿 李文文 卞慧敏 李 育

南京中医药大学 1 医学院·整合医学学院 2 药学院，江苏省南京市 210023

AS是一种慢性代谢紊乱性疾病，是心脑血管突发事件和组织器官功能障碍的重要原因，其发病率在全球范围内呈上升趋势，也是老年人最常见的死亡因素之一[1]。AS的病理生理学包括血管脂质积累、炎症、氧化应激、内皮细胞激活、VSMCs增殖、巨噬细胞激活、斑块形成和钙化。首次提出的“铁假说”认为铁超载是心血管疾病的危险因素之一[2]，但铁是否以及如何影响AS的进程仍有很大争议。最近的研究表明，铁代谢失衡参与影响AS的各个环节，本文将从AS的病理机制来阐述铁代谢异常在AS进程中的作用。

1 铁代谢稳态

铁是人体必需的微量元素之一，参与红细胞的生成。机体每天90%的需铁量来自体内巨噬细胞通过吞噬衰老或损伤的红细胞释放的血红蛋白铁，其余对铁的需求则来源于空肠及十二指肠吸收的膳食中的铁。含铁蛋白、铁螯合蛋白参与维持线粒体功能、DNA合成及修复，使细胞保持正常形态和功能[3]。但是如果铁超载，它可能对各种组织和器官产生有害的影响。通常细胞内和血浆中的铁水平由运铁素(Ferroportin,FPN)-铁调素轴调控。FPN在肝细胞、十二指肠上皮细胞及巨噬细胞表面大量表达。铁调素是肝脏合成的一种肽类激素，可以内化并降解细胞表面的FPN。细胞内Fe2+经氧化反应成为Fe3+，FPN介导Fe3+从细胞内输出进入血液。当血浆铁水平上升时，铁调素分泌相应增多，以减少细胞内铁进入外周血，进而控制循环中的铁水平[4]。机体的一些异常状态可能引起铁代谢失衡，如贫血或处于低氧状态时，铁调素表达降低，血浆铁水平上升，有利于造血。若同时出现铁利用障碍，则会在贫血的基础上出现血浆铁超载[5]。在炎症或感染时，铁调素表达增加、血浆铁水平下降可能会导致炎症性贫血[6]。这些皆表明全身或局部铁代谢失衡将会导致相应的损伤，进而引发或加重疾病。

2 铁代谢与动脉粥样硬化

铁代谢失衡是AS的危险因素之一。临床研究显示，严重AS患者血清铁水平显著高于正常和轻、中度冠状动脉疾病的患者[7]。绝经后妇女颈动脉斑块的存在与铁调素的增加以及铁调素与铁蛋白比值的增加显著相关[8]。在动物水平的研究中，FPN敲除的ApoE-/-小鼠，其粥样斑块中的脂质水平上升，而抑制骨形态发生蛋白(Bone morphogenetic protein,BMP)信号通路可以有效延缓AS的发生[9-10]，这是因为BMP是铁调素在转录水平上的调控因子，有助于维持机体铁平衡。由此可见，铁代谢稳态对AS的进程有影响。

2.1 铁代谢参与内皮细胞损伤 内皮细胞功能障碍被认为是AS的起始环节，氧化应激是内皮细胞受损的重要因素之一。氧化应激的特征是活性氧(Reactive oxygen species, ROS)产生和抗氧化能力之间的失衡，这导致一氧化氮(Nitric oxide, NO)的生物利用度下降、血小板聚集增加及炎症因子释放进而损伤内皮细胞。研究表明，在ApoE-/-小鼠中，铁超载会导致血管NO生物利用度降低[11]，并且向鼠慢性注射铁会降低血液和肝脏中过氧化氢酶及超氧化物歧化酶等抗氧化物质的含量，这会导致内皮细胞受损[12]。受损的内皮细胞会分泌促炎介质、黏附分子及趋化因子，如单核细胞趋化因子-1(Monocyte chemoattractant protein-1,MCP-1)、血管细胞黏附分子-1、细胞间黏附分子-1，它们募集循环中的单核细胞和T细胞等进入内膜下，促使AS发生。研究表明，铁超载会增加内皮细胞的黏附性，促使单核细胞迁移通过内皮层，并使内皮细胞通透性、凋亡增加[9]。以上研究提示铁超载能通过增加氧化应激、降低NO生物利用度、促进炎症反应等导致内皮细胞受损而推动AS进展。

2.2 铁代谢影响巨噬细胞的表型和功能

2.2.1 铁代谢参与M1/M2型巨噬细胞表型转换，影响脂质水平。巨噬细胞在AS进程中起着核心作用，其不同亚型决定了不同的生物学功能。经典活化的M1型巨噬细胞促进炎症反应，是晚期、不稳定、具有脂质坏死核心斑块中的主要表型。代替活化的M2型巨噬细胞产生如白细胞介素-10等抑炎细胞因子，并能通过清除凋亡细胞和碎片、增加斑块内Ⅰ型胶原的含量来减轻血管炎症和稳定AS斑块。M1、M2型巨噬细胞的铁代谢完全不同。主要表现在M1型巨噬细胞表达高水平的铁储存蛋白和低水平的FPN，M2型巨噬细胞则完全与之相反，这有利于细胞内铁流出，使细胞内铁处于低水平[13]。此外，M2型巨噬细胞中血红素加氧酶-1的激活促使血红素分解为Fe2+及NO，这进一步导致铁水平的降低[14]。在敲除铁调素基因的LDLR-/-小鼠中，巨噬细胞促炎标记物减少、AS程度减轻[15]。巨噬细胞内铁水平还可直接调节其极化，增加的细胞内铁水平诱导M1型巨噬细胞。而M2型巨噬细胞内铁负载的增加会诱导其向M1表型转换，同时ROS的产生增多，促炎细胞因子表达增加。在巨噬细胞FPN特异性失活的小鼠中，伤口愈合延迟、炎症反应延长，当用铁螯合剂处理巨噬细胞时，促炎因子的释放减少[16-17]。

在非炎症环境中，巨噬细胞内过多的脂质可通过激活肝X受体(Liver X receptors,LXRs)最终由胆固醇转运体排出进入肝脏代谢。但在AS的炎症环境下，巨噬细胞的胆固醇吞噬、排出之间的相对稳态被打破，M1型巨噬细胞通过清道夫受体吞噬氧化低密度脂蛋白后会形成泡沫细胞，从而促进斑块的产生。运铁素—铁调素轴和巨噬细胞胆固醇代谢之间也存在联系，BMP可以通过激活SMAD1/5/8的转录进而激活铁调素，用小分子抑制剂LDN阻断BMP1型受体可以减少铁调素的表达，降低巨噬细胞内铁含量[18]。在ApoE-/-小鼠中，用LDN193189抑制铁调素可以增加胆固醇排出，减少泡沫细胞生成，给予外源性铁调素后可逆地改变了这些情况[19]。这些研究都表明，巨噬细胞内的低铁水平可降低炎症反应、减少脂质的积累而减轻AS。

2.2.2 铁代谢影响斑块内出血区域巨噬细胞，加重斑块不稳定性。在AS斑块形成过程中，血管壁耗氧量增加，斑块病变处组织发生缺氧。缺氧会刺激血管新生，但新生血管具有高通透性及易脆性。晚期斑块的高度炎症环境更易破坏脆弱的新生微血管系统，导致斑块内出血(Intraplaque hemorrhage,IPH)，进而导致坏死核心扩张和斑块不稳定性增加。IPH区域的巨噬细胞不同于M1和M2型巨噬细胞，其以缺少脂质沉积、促炎细胞因子低表达和CD163高表达为特征，该巨噬细胞被命名为M(Hb)巨噬细胞。由于LXRα的激活、FPN和CD163的表达增加，M(Hb)巨噬细胞细胞内铁水平更低。在低氧条件下，缺氧诱导因子(Hypoxia inducible factor-1α, HIF-1α)被激活，其可诱导血管内皮生长因子(Vascular endothelial growth factor,VEGF)等促血管生成基因的转录，而铁与HIF-1α的激活间接相关[4]。这是因为在常氧环境中，HIF-1α会被脯氨酰羟化酶(Prolyl hydroxylase, PHD)在特定位点羟基化，随后被降解，而铁是PHD发挥作用的一个重要辅助因素。在血管生成实验中，将培养的M(Hb)巨噬细胞上清处理内皮细胞会导致更多血管生成、更大的血管通透性及核因子-κB的激活[20]。因此，M(Hb)巨噬细胞内低铁水平会抑制铁依赖性PHD发挥作用，最终促进VEGF介导的斑块内血管生成、血管通透性增加、炎症细胞募集，使斑块不稳定性增加。

2.3 铁代谢参与血管平滑肌细胞激活 VSMCs位于血管中膜，具有调节血管张力、维持血管弹性的作用。研究发现，用枸椽酸铁铵处理VSMCs会导致其炎症和凋亡水平增加，并使促进单核细胞黏附和迁移的MCP-1产生[9]。同时，VSMCs内铁超载会刺激其增殖并导致ROS生成，这加剧了促氧化微环境，更有利于泡沫细胞的形成并增加了斑块的不稳定性[21]。除此以外，M1型巨噬细胞产生的如血小板源生长因子或转化生长因子-β可导致VSMCs增殖并诱导其向血管内膜迁移，从而推动AS的发展。这表明巨噬细胞内的铁水平能间接影响VSMCs的激活。铁还可以调节内质网应激(Endoplasmic reticulum stress,ERS)相关通路，脂质运转蛋白-2通过增加平滑肌细胞内的铁含量，促使其发生ERS和增殖[22]。ERS是由内质网管中未折叠蛋白的积累引起的，缺氧、炎症等均能引起ERS，降低ERS可以缓解AS的进程。此外，铁还可以通过IL-24和BMP2途径诱导VSMCs钙化[23]。总之，过高的铁水平以及各种因素的刺激会使VSMCs异常增殖、钙化，最终致使血管管腔狭窄，从而促进AS的进展。

3 展望未来

AS对健康有重大的威胁，识别其新的标靶仍然具有重大的意义。铁代谢是一个非常复杂的生理过程，目前的研究证实，铁代谢失衡参与了AS的发生发展。

铁大量沉积在动脉中层，与斑块形成、血管氧化应激和功能障碍有关。铁触发的脂质改变、血管通透性增加、持续的内皮激活、促AS炎性介质增多和NO生物利用度降低等可加重AS。除了AS晚期发生IPH时，抑制巨噬细胞内铁排出、增加细胞内铁水平可能对防止斑块进展有益，在AS早期或中期，降低细胞(尤其是巨噬细胞)内铁水平可能是一个新的策略。然而应当注意的是，细胞内铁水平的降低意味着循环铁水平的相对升高，所以在降低细胞内铁水平的同时，是否降低循环中的游离铁也是一个值得考虑的问题。总之，铁代谢和AS之间的联系还未完全被阐明，它们之间的作用关系值得被进一步研究。