鐵代謝失衡在動(dòng)脈粥樣硬化中作用的研究進(jìn)展*

周喆聿 李文文 卞慧敏 李 育

南京中醫(yī)藥大學(xué) 1 醫(yī)學(xué)院·整合醫(yī)學(xué)學(xué)院 2 藥學(xué)院，江蘇省南京市 210023

AS是一種慢性代謝紊亂性疾病，是心腦血管突發(fā)事件和組織器官功能障礙的重要原因，其發(fā)病率在全球范圍內(nèi)呈上升趨勢(shì)，也是老年人最常見的死亡因素之一[1]。AS的病理生理學(xué)包括血管脂質(zhì)積累、炎癥、氧化應(yīng)激、內(nèi)皮細(xì)胞激活、VSMCs增殖、巨噬細(xì)胞激活、斑塊形成和鈣化。首次提出的“鐵假說”認(rèn)為鐵超載是心血管疾病的危險(xiǎn)因素之一[2]，但鐵是否以及如何影響AS的進(jìn)程仍有很大爭(zhēng)議。最近的研究表明，鐵代謝失衡參與影響AS的各個(gè)環(huán)節(jié)，本文將從AS的病理機(jī)制來闡述鐵代謝異常在AS進(jìn)程中的作用。

1 鐵代謝穩(wěn)態(tài)

鐵是人體必需的微量元素之一，參與紅細(xì)胞的生成。機(jī)體每天90%的需鐵量來自體內(nèi)巨噬細(xì)胞通過吞噬衰老或損傷的紅細(xì)胞釋放的血紅蛋白鐵，其余對(duì)鐵的需求則來源于空腸及十二指腸吸收的膳食中的鐵。含鐵蛋白、鐵螯合蛋白參與維持線粒體功能、DNA合成及修復(fù)，使細(xì)胞保持正常形態(tài)和功能[3]。但是如果鐵超載，它可能對(duì)各種組織和器官產(chǎn)生有害的影響。通常細(xì)胞內(nèi)和血漿中的鐵水平由運(yùn)鐵素(Ferroportin,FPN)-鐵調(diào)素軸調(diào)控。FPN在肝細(xì)胞、十二指腸上皮細(xì)胞及巨噬細(xì)胞表面大量表達(dá)。鐵調(diào)素是肝臟合成的一種肽類激素，可以內(nèi)化并降解細(xì)胞表面的FPN。細(xì)胞內(nèi)Fe2+經(jīng)氧化反應(yīng)成為Fe3+，F(xiàn)PN介導(dǎo)Fe3+從細(xì)胞內(nèi)輸出進(jìn)入血液。當(dāng)血漿鐵水平上升時(shí)，鐵調(diào)素分泌相應(yīng)增多，以減少細(xì)胞內(nèi)鐵進(jìn)入外周血，進(jìn)而控制循環(huán)中的鐵水平[4]。機(jī)體的一些異常狀態(tài)可能引起鐵代謝失衡，如貧血或處于低氧狀態(tài)時(shí)，鐵調(diào)素表達(dá)降低，血漿鐵水平上升，有利于造血。若同時(shí)出現(xiàn)鐵利用障礙，則會(huì)在貧血的基礎(chǔ)上出現(xiàn)血漿鐵超載[5]。在炎癥或感染時(shí)，鐵調(diào)素表達(dá)增加、血漿鐵水平下降可能會(huì)導(dǎo)致炎癥性貧血[6]。這些皆表明全身或局部鐵代謝失衡將會(huì)導(dǎo)致相應(yīng)的損傷，進(jìn)而引發(fā)或加重疾病。

2 鐵代謝與動(dòng)脈粥樣硬化

鐵代謝失衡是AS的危險(xiǎn)因素之一。臨床研究顯示，嚴(yán)重AS患者血清鐵水平顯著高于正常和輕、中度冠狀動(dòng)脈疾病的患者[7]。絕經(jīng)后婦女頸動(dòng)脈斑塊的存在與鐵調(diào)素的增加以及鐵調(diào)素與鐵蛋白比值的增加顯著相關(guān)[8]。在動(dòng)物水平的研究中，F(xiàn)PN敲除的ApoE-/-小鼠，其粥樣斑塊中的脂質(zhì)水平上升，而抑制骨形態(tài)發(fā)生蛋白(Bone morphogenetic protein,BMP)信號(hào)通路可以有效延緩AS的發(fā)生[9-10]，這是因?yàn)锽MP是鐵調(diào)素在轉(zhuǎn)錄水平上的調(diào)控因子，有助于維持機(jī)體鐵平衡。由此可見，鐵代謝穩(wěn)態(tài)對(duì)AS的進(jìn)程有影響。

2.1 鐵代謝參與內(nèi)皮細(xì)胞損傷 內(nèi)皮細(xì)胞功能障礙被認(rèn)為是AS的起始環(huán)節(jié)，氧化應(yīng)激是內(nèi)皮細(xì)胞受損的重要因素之一。氧化應(yīng)激的特征是活性氧(Reactive oxygen species, ROS)產(chǎn)生和抗氧化能力之間的失衡，這導(dǎo)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癥因子釋放進(jìn)而損傷內(nèi)皮細(xì)胞。研究表明，在ApoE-/-小鼠中，鐵超載會(huì)導(dǎo)致血管NO生物利用度降低[11]，并且向鼠慢性注射鐵會(huì)降低血液和肝臟中過氧化氫酶及超氧化物歧化酶等抗氧化物質(zhì)的含量，這會(huì)導(dǎo)致內(nèi)皮細(xì)胞受損[12]。受損的內(nèi)皮細(xì)胞會(huì)分泌促炎介質(zhì)、黏附分子及趨化因子，如單核細(xì)胞趨化因子-1(Monocyte chemoattractant protein-1,MCP-1)、血管細(xì)胞黏附分子-1、細(xì)胞間黏附分子-1，它們募集循環(huán)中的單核細(xì)胞和T細(xì)胞等進(jìn)入內(nèi)膜下，促使AS發(fā)生。研究表明，鐵超載會(huì)增加內(nèi)皮細(xì)胞的黏附性，促使單核細(xì)胞遷移通過內(nèi)皮層，并使內(nèi)皮細(xì)胞通透性、凋亡增加[9]。以上研究提示鐵超載能通過增加氧化應(yīng)激、降低NO生物利用度、促進(jìn)炎癥反應(yīng)等導(dǎo)致內(nèi)皮細(xì)胞受損而推動(dòng)AS進(jìn)展。

2.2 鐵代謝影響巨噬細(xì)胞的表型和功能

2.2.1 鐵代謝參與M1/M2型巨噬細(xì)胞表型轉(zhuǎn)換，影響脂質(zhì)水平。巨噬細(xì)胞在AS進(jìn)程中起著核心作用，其不同亞型決定了不同的生物學(xué)功能。經(jīng)典活化的M1型巨噬細(xì)胞促進(jìn)炎癥反應(yīng)，是晚期、不穩(wěn)定、具有脂質(zhì)壞死核心斑塊中的主要表型。代替活化的M2型巨噬細(xì)胞產(chǎn)生如白細(xì)胞介素-10等抑炎細(xì)胞因子，并能通過清除凋亡細(xì)胞和碎片、增加斑塊內(nèi)Ⅰ型膠原的含量來減輕血管炎癥和穩(wěn)定AS斑塊。M1、M2型巨噬細(xì)胞的鐵代謝完全不同。主要表現(xiàn)在M1型巨噬細(xì)胞表達(dá)高水平的鐵儲(chǔ)存蛋白和低水平的FPN，M2型巨噬細(xì)胞則完全與之相反，這有利于細(xì)胞內(nèi)鐵流出，使細(xì)胞內(nèi)鐵處于低水平[13]。此外，M2型巨噬細(xì)胞中血紅素加氧酶-1的激活促使血紅素分解為Fe2+及NO，這進(jìn)一步導(dǎo)致鐵水平的降低[14]。在敲除鐵調(diào)素基因的LDLR-/-小鼠中，巨噬細(xì)胞促炎標(biāo)記物減少、AS程度減輕[15]。巨噬細(xì)胞內(nèi)鐵水平還可直接調(diào)節(jié)其極化，增加的細(xì)胞內(nèi)鐵水平誘導(dǎo)M1型巨噬細(xì)胞。而M2型巨噬細(xì)胞內(nèi)鐵負(fù)載的增加會(huì)誘導(dǎo)其向M1表型轉(zhuǎn)換，同時(shí)ROS的產(chǎn)生增多，促炎細(xì)胞因子表達(dá)增加。在巨噬細(xì)胞FPN特異性失活的小鼠中，傷口愈合延遲、炎癥反應(yīng)延長(zhǎng)，當(dāng)用鐵螯合劑處理巨噬細(xì)胞時(shí)，促炎因子的釋放減少[16-17]。

在非炎癥環(huán)境中，巨噬細(xì)胞內(nèi)過多的脂質(zhì)可通過激活肝X受體(Liver X receptors,LXRs)最終由膽固醇轉(zhuǎn)運(yùn)體排出進(jìn)入肝臟代謝。但在AS的炎癥環(huán)境下，巨噬細(xì)胞的膽固醇吞噬、排出之間的相對(duì)穩(wěn)態(tài)被打破，M1型巨噬細(xì)胞通過清道夫受體吞噬氧化低密度脂蛋白后會(huì)形成泡沫細(xì)胞，從而促進(jìn)斑塊的產(chǎn)生。運(yùn)鐵素—鐵調(diào)素軸和巨噬細(xì)胞膽固醇代謝之間也存在聯(lián)系，BMP可以通過激活SMAD1/5/8的轉(zhuǎn)錄進(jìn)而激活鐵調(diào)素，用小分子抑制劑LDN阻斷BMP1型受體可以減少鐵調(diào)素的表達(dá)，降低巨噬細(xì)胞內(nèi)鐵含量[18]。在ApoE-/-小鼠中，用LDN193189抑制鐵調(diào)素可以增加膽固醇排出，減少泡沫細(xì)胞生成，給予外源性鐵調(diào)素后可逆地改變了這些情況[19]。這些研究都表明，巨噬細(xì)胞內(nèi)的低鐵水平可降低炎癥反應(yīng)、減少脂質(zhì)的積累而減輕AS。

2.2.2 鐵代謝影響斑塊內(nèi)出血區(qū)域巨噬細(xì)胞，加重斑塊不穩(wěn)定性。在AS斑塊形成過程中，血管壁耗氧量增加，斑塊病變處組織發(fā)生缺氧。缺氧會(huì)刺激血管新生，但新生血管具有高通透性及易脆性。晚期斑塊的高度炎癥環(huán)境更易破壞脆弱的新生微血管系統(tǒng)，導(dǎo)致斑塊內(nèi)出血(Intraplaque hemorrhage,IPH)，進(jìn)而導(dǎo)致壞死核心擴(kuò)張和斑塊不穩(wěn)定性增加。IPH區(qū)域的巨噬細(xì)胞不同于M1和M2型巨噬細(xì)胞，其以缺少脂質(zhì)沉積、促炎細(xì)胞因子低表達(dá)和CD163高表達(dá)為特征，該巨噬細(xì)胞被命名為M(Hb)巨噬細(xì)胞。由于LXRα的激活、FPN和CD163的表達(dá)增加，M(Hb)巨噬細(xì)胞細(xì)胞內(nèi)鐵水平更低。在低氧條件下，缺氧誘導(dǎo)因子(Hypoxia inducible factor-1α, HIF-1α)被激活，其可誘導(dǎo)血管內(nèi)皮生長(zhǎng)因子(Vascular endothelial growth factor,VEGF)等促血管生成基因的轉(zhuǎn)錄，而鐵與HIF-1α的激活間接相關(guān)[4]。這是因?yàn)樵诔Ｑ醐h(huán)境中，HIF-1α?xí)桓滨Ａu化酶(Prolyl hydroxylase, PHD)在特定位點(diǎn)羥基化，隨后被降解，而鐵是PHD發(fā)揮作用的一個(gè)重要輔助因素。在血管生成實(shí)驗(yàn)中，將培養(yǎng)的M(Hb)巨噬細(xì)胞上清處理內(nèi)皮細(xì)胞會(huì)導(dǎo)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)巨噬細(xì)胞內(nèi)低鐵水平會(huì)抑制鐵依賴性PHD發(fā)揮作用，最終促進(jìn)VEGF介導(dǎo)的斑塊內(nèi)血管生成、血管通透性增加、炎癥細(xì)胞募集，使斑塊不穩(wěn)定性增加。

2.3 鐵代謝參與血管平滑肌細(xì)胞激活 VSMCs位于血管中膜，具有調(diào)節(jié)血管張力、維持血管彈性的作用。研究發(fā)現(xiàn)，用枸椽酸鐵銨處理VSMCs會(huì)導(dǎo)致其炎癥和凋亡水平增加，并使促進(jìn)單核細(xì)胞黏附和遷移的MCP-1產(chǎn)生[9]。同時(shí)，VSMCs內(nèi)鐵超載會(huì)刺激其增殖并導(dǎo)致ROS生成，這加劇了促氧化微環(huán)境，更有利于泡沫細(xì)胞的形成并增加了斑塊的不穩(wěn)定性[21]。除此以外，M1型巨噬細(xì)胞產(chǎn)生的如血小板源生長(zhǎng)因子或轉(zhuǎn)化生長(zhǎng)因子-β可導(dǎo)致VSMCs增殖并誘導(dǎo)其向血管內(nèi)膜遷移，從而推動(dòng)AS的發(fā)展。這表明巨噬細(xì)胞內(nèi)的鐵水平能間接影響VSMCs的激活。鐵還可以調(diào)節(jié)內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激(Endoplasmic reticulum stress,ERS)相關(guān)通路，脂質(zhì)運(yùn)轉(zhuǎn)蛋白-2通過增加平滑肌細(xì)胞內(nèi)的鐵含量，促使其發(fā)生ERS和增殖[22]。ERS是由內(nèi)質(zhì)網(wǎng)管中未折疊蛋白的積累引起的，缺氧、炎癥等均能引起ERS，降低ERS可以緩解AS的進(jìn)程。此外，鐵還可以通過IL-24和BMP2途徑誘導(dǎo)VSMCs鈣化[23]。總之，過高的鐵水平以及各種因素的刺激會(huì)使VSMCs異常增殖、鈣化，最終致使血管管腔狹窄，從而促進(jìn)AS的進(jìn)展。

3 展望未來

AS對(duì)健康有重大的威脅，識(shí)別其新的標(biāo)靶仍然具有重大的意義。鐵代謝是一個(gè)非常復(fù)雜的生理過程，目前的研究證實(shí)，鐵代謝失衡參與了AS的發(fā)生發(fā)展。

鐵大量沉積在動(dòng)脈中層，與斑塊形成、血管氧化應(yīng)激和功能障礙有關(guān)。鐵觸發(fā)的脂質(zhì)改變、血管通透性增加、持續(xù)的內(nèi)皮激活、促AS炎性介質(zhì)增多和NO生物利用度降低等可加重AS。除了AS晚期發(fā)生IPH時(shí)，抑制巨噬細(xì)胞內(nèi)鐵排出、增加細(xì)胞內(nèi)鐵水平可能對(duì)防止斑塊進(jìn)展有益，在AS早期或中期，降低細(xì)胞(尤其是巨噬細(xì)胞)內(nèi)鐵水平可能是一個(gè)新的策略。然而應(yīng)當(dāng)注意的是，細(xì)胞內(nèi)鐵水平的降低意味著循環(huán)鐵水平的相對(duì)升高，所以在降低細(xì)胞內(nèi)鐵水平的同時(shí)，是否降低循環(huán)中的游離鐵也是一個(gè)值得考慮的問題。總之，鐵代謝和AS之間的聯(lián)系還未完全被闡明，它們之間的作用關(guān)系值得被進(jìn)一步研究。