鐵超載誘導心肌細胞損傷機制的研究進展

楊育超，楊忠明，武 雪，王曄玲

（1.吉林大學第一醫院心血管疾病診療中心，吉林 長春 130021；2.吉林省人民醫院營養科，吉林 長春 130021；3.吉林大學第一醫院老年病科，吉林 長春 130021）

鐵是人體必需的微量元素之一，其通過催化、氧化和還原反應參與電子傳遞、細胞呼吸、能量代謝和解毒等許多重要生理過程，是多種酶類的重要組成部分，對維持細胞的生長、發育和代謝起重要作用。鐵具有生物活性作用，主要是由于鐵作為過渡金屬元素，容易發生氧化還原反應。近年來鐵超載獲得越來越多的重視。在生理的條件下，鐵的運輸是高度保守的，并通過負反饋機制保持穩定。然而在臨床條件下，鐵代謝會被干擾導致鐵超載，鐵超載的主要成因包括原發鐵超載和繼發鐵超載，前者是主要由遺傳性血色素沉著癥基因 （hereditary hemochromatosis gene，HFE）突變所致的一種常染色體隱性遺傳疾病，后者與膳食結構不合理、不適當補血、補鐵以及丙型肝炎有關聯。鐵超載不僅增加血色素沉著癥、心肌梗死等慢性病的患病危險，同時也可引發心臟、肝臟和腎組織在內的多臟器廣泛損傷［1－3］。鑒于鐵超載在心血管疾病中的介導作用，本文作者就鐵超載對心肌細胞損傷機制作一綜述。

1 正常心肌細胞鐵代謝的特點

在人體中，鐵經小腸吸收進入循環，主要儲存于肝臟和網狀內皮系統，部分鐵在骨髓的網織紅細胞中合成血紅素。巨噬細胞可通過吞噬衰老的紅細胞而獲得鐵，并將鐵一部分儲存于細胞內，而另一部分從細胞釋放進入循環，再次用于血紅素的合成。在血液中，鐵與轉鐵蛋白（transferrin，Tf）結合，Tf是一種運輸蛋白，能攜帶血漿及細胞外液的鐵以供應組織的需要，是機體組織之間唯一的鐵生理攜帶者。與其他運輸蛋白不同，Tf在釋放鐵時仍保持本身的結構不會喪失，是真正的鐵攜帶者，因此其循環量與血漿鐵的循環量無關聯。血漿Tf濃度由肝內鐵蛋白的調節，鐵缺乏時Tf水平升高，鐵超載時Tf水平降低。

轉鐵蛋白受體 （transferrin receptor，TfR）是一種細胞膜受體，是細胞鐵吸收的決定因素。不僅提供結合鐵進入細胞的通道，而且在細胞內的鐵釋放中起關鍵作用。單基因的TfR已被識別，其完整的結構也已清楚。該基因定位于3號染色體長臂遠端一區，相對分子質量為185000。TfR是跨膜糖蛋白二聚體，由2個相同的亞單位組成，并由1個二硫鍵連接。TfR能結合2個Tf分子，如果Tf是雙鐵的，這個受體就能攜帶共4個結合的鐵原子。TfR對鐵的親和力取決于Tf所結合的鐵原子數量及pH值。心肌細胞可以通過與血液中的Tf結合，在細胞膜通過Tf／TfR介導的內吞過程進入細胞。溶酶體中的蛋白酶可以使細胞表面的TfR釋放三價鐵進入酸性的溶酶體中。在溶酶體內，三價鐵被還原為二價鐵，繼而轉運至進入自由鐵池，一部分鐵進入線粒體參與血紅素的合成，其余的合成鐵蛋白儲存于細胞內［4］。

心肌細胞還可以通過非TfR介導方式吸收鐵，其機制可能與L型Ca2＋通道和二價金屬轉運子1（divalent metal transporter 1，DMT1）有關聯。DMT mRNA中有鐵反應元件 （iron responsive element，IRE）結構，其與鐵調節蛋白 （iron regulatory protein，IRP）有很高的親和力。IRE／IRP復合物可通過改變其空間結構或者蛋白水解酶的降解作用，從而改變活性進而達到調節細胞的鐵攝取、儲存及輸出功能，維持細胞的鐵穩態［5］。IRE／IRP復合物調節鐵代謝中除了受細胞內鐵濃度影響，還受到其他特殊刺激物的影響。氧化應激、一氧化氮、低氧和細胞磷酸化狀態等均可影響結合鐵的親和力。

2 鐵超載與心肌細胞的代謝

2.1 鐵超載與心肌細胞的氧化應激損傷 鐵超載使血清Tf飽和度增加，導致血液里未與Tf結合的鐵增加，當細胞中鐵超過了Tf的儲存能力，產生的游離鐵會抑制超氧化物歧化酶 （superoxide dismutase，SOD）和過氧化氫酶的活性。鐵的生物毒性作用主要是催化氧自由基、過氧化物、單線態氧、過氧化氫等活性氧自由基 （reactive oxygen species，ROS）生成，胞質中出現大量的對組織有高度毒性的自由基，這些自由基還會增加脂質、蛋白質和核酸的過氧化和破壞，不僅導致了細胞的損傷還導致了抗氧化物質的大量消耗［6－7］，而且進一步加重氧化應激損傷。慢性鐵過載可通過損傷線粒體DNA （mtDNA）影響細胞呼吸功能。Gao等［8］發現：細胞經高鐵處理后，失去了完整的mtDNA，在鐵超載相關疾病中，細胞和組織的長期、慢性損傷與鐵誘發線粒體ROS升高有關聯，并最終引起mtDNA累積性損害和線粒體呼吸鏈酶功能下降。因此，慢性鐵過載可引起線粒體呼吸功能障礙并導致心肌的慢性損害。

2.2 鐵超載與脂質過氧化 鐵離子是一種脂質氧化的催化劑，產生過氧化自由基及終產物丙二醛 （malonaldehyde，MDA），自由基攻擊細胞膜上膜脂的不飽和鏈，啟動脂質過氧化。Crist等［9］發現：低密度脂蛋白 （low density lipoprotein，LDL）在ROS作用下，可以成為氧化LDL（ox－LDL）。也有報道［10］顯示：ROS可以促進主動脈平滑肌細胞對LDL的氧化作用。而ox－LDL在動脈粥樣硬化過程中起重要作用，有可能導致心肌細胞的損傷。肝臟是鐵和脂質代謝的重要部位，鐵超載時能誘導肝細胞的氧化應激和炎癥反應，間接影響脂質代謝，導致脂質代謝的紊亂和過氧化。大量研究［11－12］表明：鐵超載導致的脂質過氧化可以導致DNA的錯譯和損傷，同時還抑制了DNA的修復過程，并且該過程與鐵的水平有關聯。國內外報道［12－14］顯示：動脈硬化斑塊中存在著鐵離子，同時鐵在動脈粥樣硬化的發生發展過程中起重要作用。

2.3 鐵超載與胰島素抵抗 鐵超載對肝細胞和胰島細胞氧化應激損傷導致了胰島素抵抗。發生胰島素抵抗時，胰島素的抗脂解作用減弱，血中游離脂肪酸 （free fatty acid，FFA）升高，導致肝臟中FFA水平升高，甘油三酯（triglyceride，TG）合成的限速酶肝臟脂酰輔酶A活性及其 mRNA 水平升高，導致 TG 水平升高［15－16］。有研究［17］表明：鐵蛋白水平與胰島素抵抗呈正相關關系，支持了鐵超載與胰島素抵抗有關聯的觀點。Kok等［18－19］研究證實：發生胰島素抵抗時，機體葡萄糖攝取利用能力降低，心肌能量供應效率下降造成心肌損傷；同時還導致TG和血清總膽固醇 （total cholesterol，TC）等脂滴顆粒在心肌細胞中聚積增多，形成高脂血癥而損傷心肌細胞。

總之，鐵超載通過氧化產物的直接損傷作用、誘導胰島素抵抗產生脂質過氧化等效應導致了心肌細胞的損傷和動脈粥樣硬化的產生，表現出對心臟的毒性并且成為冠心病的獨立危險因素［20］。

3 鐵超載對心肌細胞興奮－收縮耦聯及電生理的影響

研究［7，21］表明：二價鐵離子通過心臟L－型鈣離子通道（cardiac L－type Ca2＋channels，LTCC）滲透至心肌細胞，控制心臟興奮收縮耦聯，在這一過程中，隨著二價鐵離子的不斷聚集，鐵離子內流與鈣離子內流產生競爭，從而導致L型鈣電流 （ICa－L）不斷變小［22－23］，引起心肌細胞收縮功能障礙。此外，鐵超載介導的氧化應激能從多個方面影響心肌細胞的電生理活動和舒張收縮活動。研究［24－28］表明：鐵超載氧化應激損傷導致的細胞凋亡是心肌纖維化的重要因素，心肌細胞的減少連同心肌間質性纖維化的增多會影響心肌興奮－收縮偶聯的調節功能，繼而對心肌的收縮和舒張功能造成損傷。同時，有研究［24］顯示：竇房結和房室結傳導疾病也可能是由于該處的鐵沉積以及其導致的間質纖維化產生的。隨著氧化損傷的加劇，由于蛋白質的氧化或脂質過氧化［30－32］，肌漿網 （SR）中的Ca2＋通過利阿諾定受體 （RyR）的滲漏不斷增多，肌漿網Ca2＋－ATP酶的功能被抑制，Na＋－Ca2＋交換體的活動增強［30］，LTCC活動減少，而Na＋和K＋的流動可能增強也可能受到抑制。這會導致心肌收縮的Ca2＋峰值降低，心肌舒張的Ca2＋峰值升高，損傷鐵超載心肌病患者心臟收縮和舒張功能，從而導致嚴重的心律失常，甚至猝死等［33］。

Laurita等［34］在鐵超載的小鼠模型中觀察到鐵超載對心肌電生理的整體作用：QRS延長伴傳導速度減慢、心動過緩和PR期延長伴二度房室傳導阻滯，表明鐵超載和氧化損傷導致的離子通道、電壓門控通道的功能改變可引起心律不齊。

4 鐵超載誘導心肌細胞凋亡的機制

細胞凋亡是受基因調控的、自發性的細胞程序性死亡，與細胞增殖一起維持細胞群生長消亡平衡。鐵過載引起組織損傷可能與其激活細胞凋亡信號有關聯。Wang等［2］發現：鐵超載與心肌細胞的凋亡和纖維化有著密切的關系。鐵超載時磷酸化絲氨酸／蘇氨酸蛋白激酶 （serine／threonine protein kinases，AKT）表達下調，AKT是細胞信號網絡的中樞位點，其在細胞代謝反應、細胞生存、增殖、生長和分化等過程中起重要作用。哺乳動物雷帕霉素靶蛋白（mammalian target of rapamycin，mTOR）是AKT下游的重要信號因子，AKT可以直接或間接地磷酸化mTOR，從而激活mTOR。通常認為mTOR是通過磷酸化激活其下游2個主要調節蛋白質翻譯的信號分子－真核生物啟動因子4E結合蛋白 （4E－BP1）和p70核糖體蛋白激酶 （P70S6K）而發揮其作用的。也有報道［6－7］顯示：ROS介導的 AKT／mTOR／P70S6K信號通路激活可以抑制細胞凋亡和促進細胞增殖。

鐵超載與蛋白激酶AKT活性減退、凋亡前體調節蛋白Bad去磷酸化、Bax／Bcl－2比值增加有關聯，上述變化引起下游Caspase－9和凋亡蛋白Caspase－3活性增加、細胞骨架α－胞襯蛋白 （α－fodrin）碎片增加、心肌膜不 連續 性和TUNEL（核DNA碎片）陽性細胞增加，導致DNA的裂解和細胞膜完整性的破壞，這將引起心肌纖維化。鐵螯合劑可減弱胱天蛋白酶信號活性、減少α－胞襯蛋白碎片和增加細胞膜完整性而減少心肌纖維化，這也提示Caspase信號活性在鐵超載誘導心肌細胞凋亡過程中起一定作用。

5 鐵超載相關心臟疾病

缺血再灌注損傷發生于短暫缺血的組織，器官再灌注將引起二次損傷，導致大量組織壞死。在短暫的缺血之后，器官功能紊亂可能出現在再灌注的多個階段，隨之逐漸恢復。既往實驗［35］證明：在缺血再灌注模型中，缺血再灌注動物心肌細胞鐵和TfR表達水平高于假手術動物，表明鐵在缺血再灌注損傷中產生影響。

研究［36－37］表明：原發性血色病導致的鐵在心外膜、心室壁和其他組織均有沉積，而β地中海貧血等需要輸血治療的疾病均易導致鐵超載。鐵超載誘導的心功能障礙和肺動脈高壓成為了這類患者的主要死亡病因［38］。同時，用于治療腫瘤的蒽環類藥物有明顯的劑量依賴心臟毒性作用［39］。心肌細胞鐵沉積可能是通過線粒體損傷導致的，也有觀點認為是蒽環類物質及其代謝產物與鐵形成復合物，進一步產生氧化應激引起心肌細胞損傷和心臟毒性作用。

動脈粥樣硬化已經成為引起心血管事件的主要因素［20］，鐵超載可通過氧化應激和脂質過氧化等方面導致動脈粥樣硬化［6，9，12］。同時由于鐵超載導致的胰島素抵抗及脂質代謝異常也在動脈粥樣硬化起到了一定的作用［17］。

6 結 語

鐵超載致心肌細胞損傷已經成為鐵超載的研究熱點，大量研究［12，20，33］均表明：在各類心血管疾病中均存在鐵超載。同時輸血治療和高鐵食物的大量攝入均可導致鐵超載的產生。

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