铁稳态对肺动脉高压影响的研究进展

宋丽丽

铁是维持人体正常生理功能的必需元素，参与机体氧转运、DNA合成和细胞代谢等各个方面[1]，但铁也可以通过Fenton反应产生活性氧，导致脂质过氧化、破坏DNA稳定性，影响细胞正常增殖[2]。饮食习惯、慢性感染、药物因素和某些疾病都有可能导致机体缺铁，而铁的过度摄入则会导致遗传性血色素沉着症。因此正常机体有非常精准的铁调节代谢系统，以防止铁缺乏或过量。肺动脉高压(pulmonary arterial hypertension，PAH)是一种严重的肺动脉血管疾病，预后较差，研究发现PAH患者血清铁水平显著降低[3]，很多研究对铁在PAH病理进展中的作用进行了探索，但目前铁缺乏在PAH中的作用尚不明确。本文系统性综述机体铁稳态机制，目前铁在PAH中的作用及相关临床研究进展，为深入研究提供参考。

1 正常机体的铁稳态平衡机制

健康人体内有约3～4 g铁，每天通过肠道吸收约1～2 mg的铁，通过细胞脱落和出汗等排出等量的铁。铁过量或缺乏对人体都是有害的，因此铁稳态平衡对人体具有重要作用。

1.1 铁在体内的转运、回收与储存 饮食中的铁主要通过十二指肠吸收，三价铁离子通过十二指肠细胞色素b铁还原酶(duodenal cytochrome b ferrireductase，Dcytb)还原为二价铁，然后经二价金属转运体蛋白1转运到肠细胞。膜铁转运蛋白1 (ferroportin 1,FPN1)将二价铁从肠细胞释放到循环系统[4]。在细胞表面，二价铁又重新被氧化为三价铁后与血浆中的铁转运蛋白(transferrin，TF)结合，传递到各组织器官参与机体代谢。FPN-1是铁从肠细胞吸收进入体循环的主要介质，进入循环系统的铁在血液中与载体TF结合成载铁TF(Holo-TF)。Holo-TF与各组织器官中细胞表面的TF受体1(transferrin receptor 1，TFR1)结合，使其进入靶细胞并释放铁，使铁参与到人体生理功能过程中。当循环系统中Holo-TF水平升高时，Holo-TF与肝细胞表面的血色素沉着症蛋白(hereditary hemochromatosis protein，HFE)/TFR2复合物结合，上调铁调素的表达和分泌，铁调素释放入血后起到抑制FPN-1的作用，进而抑制铁进入循环系统，降低铁吸收。当机体铁不足时Holo-TF水平降低，由于铁参与机体氧转运，会导致机体出现类似低氧状态，这时就会导致机体缺氧诱导因子(hypoxia-inducible factor 2α，HIF-2α)表达增加，从而促进促红细胞生成素(erythropoietin，EPO)的合成，EPO促进骨髓内红细胞的成熟，提高红富铁激素(erythroferrone，ERFE)的分泌，ERFE抑制肝脏铁调素的表达，从而促进铁吸收，促进红细胞生成[5]。

铁在体内分为两部分，即动员与储存，动员部分的铁广泛参与在机体正常的生理过程中，如红细胞等，肝脏是铁储存的组织之一。进入各组织器官的铁一部分参与机体过程，另一部分在细胞质以二价铁离子的形式通过与铁蛋白结合而储存在细胞质中，铁蛋白是一种大的球状蛋白质，可以在其中心腔中结合多达4 500个铁原子。肝细胞铁通过表达特定类型的铁蛋白实现铁的储存。铁蛋白由24个亚基组成，分为H型和L型，L型亚基主要负责储存铁，H-L型亚基的比例决定了铁的储存/动员效率。肝铁蛋白由80%～95%的L型亚基组成，是机体储存铁的主要器官[6]。

1.2 调节铁平衡的主要器官和机制 肝脏除了储存铁以外，通过分泌铁调素调节血清铁水平。铁调素进入循环系统与肠细胞基底侧膜的FPN-1结合，促进其降解，从而抑制铁进入循环系统[7]。TFR是铁进入体细胞的主要介质，几乎所有的体细胞均表达TFR1，从而转运铁进入细胞参与代谢消耗，只有少数细胞，如肝细胞能表达TFR2，当Holo-TF与TFR1结合饱和后，TFR2可以与HFE形成复合物结合过量的Holo-TF。Holo-TF在与HFE-TFR2复合物结合后激活一系列信号通路，促进铁调素的转录和骨形态发生蛋白(bone morphogenetic protein，BMP)的成熟，增加铁调素的表达[8,9]，从而降低铁水平。因此TFR1能将铁传递给每个体细胞，而HFE-TFR2复合物则起到机体检测血清铁水平的感应器。除HFE-TFR2以外，目前研究还发现BMP、白介素6(interleukin 6，IL-6)和HIF-2α都有调控铁调素表达的作用[10,11]。

肾在维持机体铁稳态中也发挥重要作用。铁被肾小球滤过后会被肾小管重吸收。当机体铁过量时，FPN-1在肾小管中表达增加，以加速铁[12]的排泄，肾细胞也释放铁调素，降低铁的吸收。同时肾脏在机体低氧状态下铁稳态的平衡起着重要的作用。正常氧状态下，HIF被丙氨基羟化酶羟化，使之能够被泛素化，然后被降解。低氧下，丙氨酰羟基酶被抑制，导致HIF持续稳定存在，HIF诱导EPO产生，并通过产生ERFE[13,14]下调铁调素的表达，促进铁的吸收和重吸收。肾分泌的EPO调节铁调素表达在铁稳态中起着不可忽略的作用。

衰老和死亡的红细胞中的铁会被脾脏、肝脏和骨中的巨噬细胞回收。血红蛋白复合物与巨噬细胞的CD163或低密度脂蛋白受体相关蛋白1结合后，被内化进溶酶体降解[15]释放铁。一旦进入胞浆，铁可以与铁蛋白结合储存，也可以在铁调素导致血清铁水平降低时，通过FPN-1释放进行体循环。

1.3 细胞内铁水平的调节 正常机体所有体细胞都需要铁维持正常的生理功能，铁在各种类型的细胞间转运和作用相同，从而实现了铁在组织和循环之间的相互传递。在细胞内，铁可储存于与铁蛋白或参与生理活动被机体消耗利用。其中铁在铁转运蛋白、有丝铁蛋白(MFRN1/2)介导下被线粒体摄取，参与线粒体铁硫簇(iron-sulfur cluster，ISC)的组装，然后合成含有ISC的蛋白质(ISC-containing proteins，ISP)，ISP广泛存在于线粒体、细胞质和细胞核中，对于重要的细胞过程，如DNA合成、修复和转录，蛋白质翻译合成等生物过程至关重要。ISC是细胞内的铁水平感受器，可以避免过量的铁摄入。在正常的铁范围内，ISC与铁调节蛋白1(iron regulatory protein 1，IRP-1)结合，隐藏IRP-1的铁反应元件(iron-responsive Element，IRE)结合位点。当细胞铁和ISC水平下降时，IRP-1会与目标mRNA中的IRE序列结合，增强TFR1表达，提高细胞对铁的摄取能力[16,17]。

2 铁稳态在PAH中的研究进展

PAH是一种严重的心肺疾病，其特征是肺血管系统发生严重的扁圆性重构，肺动脉压升高和肺血管阻力增大，右心室肥厚，并最终导致心脏功能障碍和衰竭。虽然发病率不是特别高，但常误诊。主要分为原发性、遗传性以及疾病、药物等引起的PAH等[18,19]。PAH病因尚不完全清楚，目前认为主要是肺内皮功能障碍，导致血管收缩与扩张之间失衡，因此治疗以内皮素受体拮抗剂、一氧化氮途径(如可溶性鸟苷酸环化酶刺激剂和磷酸二酯酶5抑制剂)和前列环素途径(如非甾体前列腺素I受体激动剂)为主。

2.1 PAH病理模型中铁水平的研究 用单氯他林诱导是制备PAH模型的常用方法，该方法会造成严重的PAH和右心室肥大[20]，但大鼠6周内不会出现血清铁水平降低，这与人类PAH显著不同。因此该种动物模型目前并不适合评估铁水平对PAH 的影响，可能是由于动物模型中的疾病发展更快，在成为PAH时还未形成缺铁的状态。同时血清铁受实验动物性别影响较大，因此在大鼠和小鼠PAH模型进行铁缺乏的研究仍需要更多更深入的实验证据。

在患者和动物模型中，肺血管细胞都存在线粒体异常，大鼠、小鼠和人类肺血管细胞的ISC缺乏，肺血管细胞的能力代谢更容易出现糖酵解途径，导致局部血管出现一种类似缺氧状态导致PAH。因此目前认为单纯铁缺乏难以导致患者肺动脉高压，铁缺乏可能会加重低氧或炎症，从而诱导实验动物和人类PAH，但这需要进一步的研究。

缺铁饮食导致PAH的发展和肺血管重塑与人类疾病非常相似，体外降低铁水平导致人肺动脉平滑肌细胞增殖增加，补充铁后可以降低增殖[21]。静脉补充铁可以延缓缺铁大鼠PAH的进展，证明了铁治疗在缺铁PAH中的潜在作用。

2.2 铁水平对PAH发生发展分子机制作用 PAH是一种多因素疾病，炎性因子、缺氧诱导因子等很多信号分子都与PAH的发展有关，而铁也在上述分子机制中起着重要作用。

2.2.1 炎症:炎症是PAH病生理的一个显著特征，免疫细胞浸润在重构的肺动脉附近，产生和释放炎性介质[22]，因此PAH血管病变都与炎症细胞浸润有关。PAH的炎症可能会导致铁的缺乏。因为炎性因子如IL-6和IL-1β是PAH炎症的主要介质，与PAH病的严重程度和预后相关[23]。循环IL-6水平升高可激活肝细胞IL6R表达，增加肝脏IL-6信号，导致IL-6依赖性BMP信号，进一步增加铁调素蛋白水平。IL-6信号也可以激活HAMP的转录，促进铁调素的表达[24,25]。除了IL-6以外，IL-1β也能增加肝细胞铁调素的表达，在缺乏IL-6信号的情况下，它可能参与PAH中循环铁调素水平的增加。

2.2.2 BMP及其受体:当BMP与BMP受体复合物结合时，受体发生磷酸化并激活SMAD，磷酸化的R-SMAD与SMAD4结合并转运到细胞核，激活铁调素编码基因-HAMP的转录，缺乏BMP6的小鼠血清铁水平异常升高[26]。BMP6诱导的肝铁调素表达受到血珠蛋白(hemojuvelin protein，HJV)的调节，HJV是BMP受体复合物的共受体，是BMP6完全上调铁调素表达所必需的。当铁缺乏时机体增加HIF-1α的表达，而HIF-1α使HJV转化为可溶性HJV[27,28]形式，使HJV从肝细胞膜中释放出来，阻断BMPs与BMP受体结合，从而降低肝铁调素的表达。骨形态发生蛋白受体2(bone morphogenetic protein receptor 2，BMPR2)突变是PAH的重要风险因素。BMPR2功能障碍导致TGF-β通路的激活，增加PASMC的增殖，抑制细胞凋亡。BMPR2突变可诱导BMP7功能增加，增加小鼠肝脏铁调素的表达[29]。

2.2.3 HIF:缺铁会导致HIF持续稳定存在，因此PAH患者的循环和肺EPO水平升高，在肾脏中，HIF-2α诱导皮质激素分泌，进而刺激肺血管内皮细胞和平滑肌细胞的增殖，促进PAH的发病机制。同时由于PAH患者存在心脏输出量的下降，伴随对全身器官的弱灌注也可能导致组织缺氧[30]。因此，PAH的铁缺乏都可能导致间歇性全身缺氧或类似缺氧的状态，这将使肺血管系统和肾脏中HIF持续稳定存在。在肾脏中，HIF-2α可诱导EPO的分泌，从而刺激红细胞生成。但由于铁调素水平升高，促红细胞生成受到限制，因此导致数量增多且低效的红细胞生成，这也是部分PAH患者发生缺铁性贫血和红细胞增多的原因。缺铁造成的低氧状态导致HIF-2α稳定存在同时诱导消耗铁的红细胞生成和肺血管细胞增殖，进一步造成机体缺铁状态，形成缺铁缺氧的恶性循环。

此外，在PAH患者的血清中，巨噬细胞抑制因子1(macrophage inhibitory cytokine 1，MIC-1)的水平升高[31]，MIC-1可能通过其TGF-β样性质直接导致PAH。因此通过检测MIC-1水平和血常规的红细胞分布宽度，可能是PAH患者治疗状态的生物标志物。

2.3 PAH临床铁水平的研究 PAH诊疗指南中建议对缺铁的PAH患者进行铁替代治疗。对慢性心力衰竭伴缺铁患者进行补铁治疗可有效改善运动耐量、心功能及预后，但补铁治疗对 PAH 患者影响的大型临床研究相对较少。铁缺乏的PAH患者静脉补铁2个月后缺铁状况和运动耐量明显改善，降低肺血管阻力。健康成年人铁水平降低后肺动脉收缩压会增加，静脉注射补充铁后可使PASP下降50%，因此目前认为铁水平偏低与PAH患者的肺动脉收缩压(PASP)升高有关[32]。进一步对血清铁水平较低的PAH患者补充铁的相关研究发现，PAH中铁水平降低主要是由于铁调素上调引起的，很难通过口服补铁恢复AH患者的铁水平，因为铁调素过度表达会降低铁的吸收。静脉途径补充铁由于改善了骨骼肌内的氧运输，可以有效改善生活质量和提高骨骼肌运动能力，因此通过静脉途径铁治疗的PAH患者的肌红蛋白水平和氧状态均有所增强。大队列开放标签Ⅲ期临床试验研究旨在探索PAH患者口服补充铁的效果(NCT03371173)，但由于患者注册率较低，该临床试验被终止。缺铁的PAH患者进行24个月的评估静脉补充铁对心肺血流动力学、运动能力和生活质量的影响，有助于未来阐明该问题(NCT01447628)。两项静脉补充铁在PAH作用的随机、双盲、安慰剂对照的12周交叉研究的结果，包含39名欧洲患者单次注射羧麦芽糖铁(1 000 mg或15 mg/kg，体重≤66.7 kg)，0.9%氯化纳溶液作为安慰剂，另一项研究在中国进行，有17名患者接受右旋糖酐铁(20 mg铁/kg体重)，0.9%氯化纳溶液作为安慰剂。所有患者有特发性或遗传性PAH和铁缺乏，血清铁蛋白<37 mg/L或铁<10.3 mmol/L或转铁蛋白饱和度<16.4%。结果显示虽然两种铁治疗耐受性良好，铁状态改善。但静脉补充铁后早期评估发现了对运动功能有益的信号，但可能是因为使用了不同的肠外铁制剂的原因，3个月时铁储量虽然增加，但补充铁状态并没有观察到明显的治疗效应。在12周时，通过右心导管、心脏磁共振或血浆N-末端-前激素脑利钠肽评估，发现静脉补充铁剂对任何运动能力测量(使用心肺运动测试或6 min步行试验)或心肺血流动力学没有影响，因此静脉补充铁对PAH的疗效需要进一步更多病例进行深入研究，目前小样本的研究之间研究结果存在不同。建议对于存在贫血或缺铁状态的PAH患者，可以适当进行单剂量的静脉铁补充，对于改善贫血或缺铁状态是有好处的，但若PAH患者没有铁状态的异常，不应盲目补充铁。

铁代谢基因的突变或缺失也是某些PAH患者铁水平异常的原因，如ISCU突变会导致运动相关的肺血管功能障碍[33]；BOLA3突变，BOLA3是编码ISCU下游ISC蛋白成熟所必需的基因，可导致多重线粒体功能障碍综合征，敲除ISCU1/2或BOLA3也会造成类似于缺氧的状态，并最终导致PAH[34,35]；NFU1突变，NFU1是一种编码传递给线粒体呼吸复合体Ⅰ和Ⅱ蛋白质的的基因[36]，其突变导致线粒体能量代谢异常；导致先天性多血红细胞增多症的纯合子VHL突变也与PAH相关[37,38]。铁代谢基因的突变或缺失是静脉补充铁失效的主要原因，目前有一项观察性和前瞻性临床试验对铁缺乏的情况下低铁硫簇水平是否可能导致PH进行临床试验(NCT02594917)。

目前有一个影响评估铁水平对PAH的影响的关键因素之一是缺乏铁水平标准化的诊断方法，铁的测量方法很多，如血清铁蛋白、转铁蛋白，可溶性转铁蛋白受体剂量；转铁蛋白饱和度等等，各个指标之间不是直接相关，无法直接比较，并且在PAH进展中是否单独起作用也尚未可知。目前临床常用指标中血清铁浓度是指与TF相结合的 Fe3+的浓度，不饱和铁结合力指除与Fe3+结合的TF以外机体剩余TF对外源性铁的结合能力，血清铁浓度与不饱和铁结合力两者统称为机体总铁结合力，其中血清铁浓度占总铁结合力的比例成为转铁蛋白饱和度，由于转铁蛋白饱和度和TF浓度受炎症和其他疾病干预的影响相对较小，而血清铁浓度易受多种因素影响，因此目前临床多参考转铁蛋白饱和度作为铁代谢的指标。根据最近的一项回顾性研究，sTFRF指数将可能是评估PAH患者缺铁较好的生物标志物，该研究认为如果CRP<0.5 mg/dl且sTFRF指数>3.2或CRP>0.5 mg/dl且sTFRF指数>2可以被定义为缺铁[39]。

3 药物研究进展

铁缺乏与PAH的生存率较差有关，补充铁对PAH有有益的作用。口服补充由于铁调素高表达，肠道铁吸收低而作用很小，因此可以考虑对PAH患者静脉补充铁，使用无毒和中低剂量铁治疗不会导致心肺副作用变化，但严重的慢性铁超载会导致右心室肥大和肺血管反应性增加，同时细菌会利用铁来维持生存，补铁会改变了肠道的微生物分布，促进了致病性肠细菌的生长，破坏保护性乳酸菌和双歧杆菌[40]，因此铁缺乏的PAH患者需要仔细监测铁水平。

由于直接补充铁存在一定风险，研究发现通过调节铁调素可能是一种比单纯补铁具有提供更安全有效的维持铁稳态的方法，直接使用拮抗剂或中和抗体[41]靶向铁调素蛋白，LY2787106是抗铁调素的单克隆蛋白抗体，耐受性在癌症相关贫血患者第一期临床试验中耐受性好(NCT01340976)[42]探索IL-6途径，如用单克隆抗体阻断IL-6或IL6R，或用小分子抑制STAT3。托昔利单抗是一种抗IL6R单克隆抗体，目前正在进行开放标签的PAH2期临床试验(NCT02676947)[43]，该药物可以降低类风湿性关节炎患者的铁调素水平并改善贫血[44]。Sotatercept用来调节BMP/TGF-β依赖的信号重新平衡，能抑制SMAD2/3激活，逆转肺动脉重塑，恢复RV功能[45]。目前有一项安慰剂对照的二期临床试验来评估其在成人PAH中的有效性和安全性(NCT03496207)。

总之，铁是人体必需的元素，维持人体很多重要功能包括氧转运，DNA合成和细胞代谢等。机体具有复杂且精密的调节血液和组织中铁水平的能力。肝脏是调节血液中铁水平的关键因子，通过分泌铁调素，与将铁释放到循环中的唯一载体FPN-1结合在肠细胞的基底外侧膜上，促使FPN-1降解，抑制肠铁吸收。PAH患者小肺动脉血管收缩和进行性梗阻性重构导致肺动脉压力增加，导致右心肥大，最终导致心力衰竭和死亡。大约40%的PAH患者有铁缺乏，主要是由于高铁调素水平，缺铁症与生存率差相关。TFR2-HFE介导的途径，BMP及其受体、炎症如IL-6水平升高以及HIF-2α也与肝铁调素蛋白表达的调节有关。由于铁调素介导的饮食中铁吸收不良，口服补充铁并不能修复铁缺乏症，但静脉注射铁可以改善疾病状态。补充铁会带来炎症和感染等风险，因此通过靶向铁调素或IL-6信号或BMP/TGF-β依赖的通路来治疗缺铁是一种有前景的治疗方法。