姜 輝，李美琦，胡佳楠，朱 俐，駱倩倩

(南通大學特種醫(yī)學研究院低氧生物醫(yī)學綜合實驗室，南通 226019)

1 鐵代謝簡介

鐵是機體中廣泛存在的一種金屬，在細胞中參與多種基本生理過程，包括DNA 合成、細胞代謝和呼吸，細胞增殖分化和死亡[1-2]。鐵還是血紅蛋白(hemoglobin,HGB)的主要成分，對于機體氧氣運輸必不可少。作為一種具有氧化還原活性的金屬，鐵在人體中有兩種存在形式(二價和三價)。鐵價態(tài)的不同決定了其特性功能和毒性。機體內的鐵通常是以無毒的三價鐵(Fe3+)狀態(tài)在細胞內存儲或轉運；而二價鐵(Fe2+)存在于HGB 和許多酶的活性復合物中，會通過Fenton 產生活性自由基引起細胞毒性。機體的鐵代謝受到多種機制的嚴密調節(jié)，以維持系統(tǒng)和細胞鐵水平的穩(wěn)態(tài)。這些鐵代謝調節(jié)機制在不同哺乳動物物種間非常保守，巨噬細胞在維持鐵的利用度及防止鐵誘導的毒性中起著關鍵性作用。不同組織部位的巨噬細胞通過與其他細胞(包括組織巨噬細胞、肝細胞、紅細胞和十二指腸上皮細胞)或微環(huán)境相互作用發(fā)揮其調節(jié)功能。機體中參與鐵回收再利用的組織巨噬細胞包括脾臟紅髓巨噬細胞(red pulp macrophages,RPMs)，骨髓中央巨噬細胞(central nurse macrophages in bone marrow,BMCMs)和肝臟枯否細胞(Kupffer cells,KCs)。這些巨噬細胞回收了體內90%～95%的鐵以保障紅細胞生成對鐵的需求。在長期的生物進化過程中，噬紅血球巨噬細胞(直接接觸非血紅素鐵)發(fā)展并形成了保護自身免受鐵毒性的機制。在失血、月經出血或妊娠的情況下，機體可通過增加腸道鐵吸收來滿足較高的鐵需求。腸道巨噬細胞可暫時儲存鐵，但巨噬細胞在小腸鐵調節(jié)過程中的作用尚不清楚[3]。目前已知脊椎動物沒有活躍的鐵分泌機制，主要是通過腸細胞脫落丟失鐵。

2 巨噬細胞鐵代謝

巨噬細胞通過控制細胞鐵攝入及輸出調節(jié)機體鐵代謝。巨噬細胞可以通過不同機制吸收不同形式的鐵，包括轉鐵蛋白(transferrin,Tf)結合鐵，HGB 結合鐵、游離鐵以及血紅素鐵。巨噬細胞非血紅素鐵的攝取機制包括：吞噬衰老的紅細胞從中分離血紅素鐵；通過轉鐵蛋白受體(transferrin receptor,TfR)攝入Tf 結合鐵；通過二價金屬轉運蛋白1(divalent metal transporter 1,DMT1)或鋅轉運蛋白ZIP14(zinc transporter ZRT/IRT-like protein 14,ZIP14/SLC39A14)攝入非Tf 結合鐵(non-transferrin bound iron,NTBI)；通過天然抗性相關的巨噬細胞蛋白1(natural-resistanceassociated macrophage protein 1,NRAMP1/SLC11A1)和DMT1 攝入非血紅素鐵[4]。NRAMP1 是一種在細胞膜上表達的二價金屬轉運體，一般在晚期吞噬小體中表達，介導噬紅細胞后的鐵循環(huán)再利用。巨噬細胞攝取血紅素鐵的方式有：通過膜上表面抗原分化簇91受體(cluster of differentiation 4 receptors,CD91)又稱LDL 受體相關蛋白1(low density lipoprotein receptorrelated protein,LRP1)攝入血紅素結合蛋白復合物(hemopexin,Hpx)；通過膜上CD163 受體(清道夫受體富含半胱氨酸的SRCR 超家族)攝入HGB 結合鐵-觸珠蛋白(haptoglobin,Hp)的復合體。其他血紅素轉運蛋白還包括血紅素載體蛋白1(heme carrier protein 1,HCP1)和貓白血病病毒C 組細胞受體1(feline leukemia virus C group cell receptor 1,FLVCR1)。HCP1 是最早被發(fā)現(xiàn)的血紅素轉運蛋白，還是質子耦聯(lián)葉酸轉運蛋白(proton coupled folate transporter,PCFT/SLC46A1)。HCP1 在巨噬細胞中表達豐富且與HGB-Hp 復合物有共定位，表明HCP1 在血紅素和葉酸的轉運過程中具有雙重作用。FLVCR1 與細胞溶質中血紅素輸出有關，可防止細胞內血紅素超負荷。此外，血紅素反應基因1(heme responsive gene 1,HRG1/SLC48A1)能夠將血紅素從噬紅細胞后的吞噬溶酶體中轉運出來。在巨噬細胞中HRG1 與NRAMP1 均大量表達于吞噬溶酶體膜上[3,5-6]。

機體內過量的鐵主要存儲在肝細胞和巨噬細胞的鐵蛋白(ferritin,Ft)中，F(xiàn)t 以多聚球體形式存在，最多可填充4 500 個鐵原子。Ft 由兩個不同的亞基組成：重鏈(Ft heavy chain,FtH)和輕鏈(Ft light chain,FtL)。FtH 具有鐵氧化酶活性，可將胞質中Fe2+氧化成Fe3+再儲存到Ft 球體的空腔處。Ft 不僅存在于細胞內，也存在于血漿中。目前有兩種Ft 受體可介導Ft 結合鐵的吸收：FtH 受體T 細胞免疫球蛋白黏液域2,FtL 受體和清道夫受體5(scavenger receptor-A5,Scara5)[7]。鐵被巨噬細胞吸收后可通過不同的機制釋放。Fe2+可以被轉運至外周循環(huán)系統(tǒng)，或在細胞胞質中被存儲或轉移利用。細胞溶質中的游離鐵成為不穩(wěn)定鐵池(labileiron pool,LIP)的一部分，當細胞鐵需求增加時，LIP 中鐵可被直接利用。此外，在脾臟巨噬細胞內發(fā)現(xiàn)存在含鐵血黃素(一種鐵沉積復合物)，這些沉積物會形成晶體結構并被細胞內的溶酶體包圍。經證實含鐵血黃素是部分被消化的Ft 的聚合物，以含鐵血黃素形式存在的鐵很難被機體再利用。

巨噬細胞中的鐵還作為輔因子參與許多不同蛋白的功能，如與能量產生，低氧調節(jié)，解毒以及宿主防御和炎癥相關的蛋白[8]。這些蛋白質一般包含鐵硫簇(iron-sulfur cluster,ISC)或血紅素。電子傳遞鏈的大多數(shù)復合物都包含ISC 蛋白，它們可以驅動能量產生。這兩種輔助因子都在線粒體中合成，線粒體中多余的鐵也可以線粒體鐵蛋白(mitochondrial ferritin,FtMt/Mfrn)的形式存儲。線粒體內的Fe2+可以通過Mfrn1 和Mfrn2 轉運出線粒體。另外，巨噬細胞產生的和炎癥防御相關蛋白，如過氧化物酶、還原型輔酶Ⅱ氧化酶、吲哚胺2,3-雙加氧酶、一氧化氮合酶或脂加氧酶也都含有鐵。

目前已知巨噬細胞只能通過SLC40A1 基因編碼的膜鐵轉運蛋白(ferroportin-1,Fpn1)輸出鐵，F(xiàn)pn1在所有的巨噬細胞中均有大量表達[9-10]。在Fpn1 突變和Fpn1 失活的小鼠中，脾臟和肝臟均出現(xiàn)了巨噬細胞鐵超載現(xiàn)象。由于鐵的跨膜運輸均涉及鐵氧化態(tài)和還原態(tài)間的相互轉化，因此鐵的運輸需要不同的亞鐵氧化酶和鐵還原酶參與。Fpn1 的功能發(fā)揮就需要含銅氧化酶銅藍蛋白(ceruloplasmin,Cp/IREG1)輔助。Cp 既可以循環(huán)血漿蛋白存在，也可以膜結合糖基磷脂酰肌醇(glycophosphatidylinositol,GPI)連接蛋白存在。膜結合形式的Cp 主要存在于肝實質細胞和巨噬細胞的細胞膜上，介導Fe2+氧化成Fe3+后通過Fpn1 排出細胞外。Cp 突變或Cp 缺失小鼠和人類均發(fā)現(xiàn)肝實質細胞和巨噬細胞鐵蓄積并引起機體貧血，表明Cp 在鐵釋放過程中發(fā)揮關鍵作用。但Cp并不參與Fpn1 的內攝和降解過程。鐵被氧化成Fe3+后經Fpn1 釋放出細胞可直接加載到糖蛋白Tf 上，Tf 是機體內主要轉運Fe3+的蛋白，隨后Tf 結合鐵主要被骨髓中發(fā)育紅細胞和BMCMs 利用。

3 脾臟巨噬細胞對紅細胞穩(wěn)態(tài)的調節(jié)作用

機體中大部分鐵(20～21 mg/d)來自于脾臟從紅細胞血紅素中回收，飲食中僅吸收1～2 mg。巨噬細胞負責從衰老的紅細胞中分解HGB 并獲取鐵，每個紅細胞中有2.5～2.8 億個HGB 分子，可從中提取約10 億個鐵原子[11]。巨噬細胞回收鐵的第一個信號是通過膜受體來識別衰老的紅細胞并吞噬這些細胞，巨噬細胞膜表面有各種受體蛋白可識別衰老紅細胞的“吃我”信號[12-13]。這些信號包括信號調節(jié)蛋白α(signal regulatory protein α,SIRPα)、6-磷酸葡萄糖脫氫酶、磷脂酰絲氨酸(phosphatidylserine,PS)受體1 和4、清道夫受體A 型成員Ⅰ(scavenger receptor AⅠ,SR-AⅠ)和膜上表面抗原分化簇36 受體(cluster of differentiation 36,CD36)。衰老紅細胞膜上最常見的“吃我”信號是膜上表面抗原分化簇47 受體(cluster of differentiation 47,CD47)和PS[4]。當衰老紅細胞被吞噬后，含紅細胞的吞噬小體便與溶酶體合并形成吞噬溶酶體并對紅細胞進行分解消化出HGB。HGB在血紅素加氧酶(heme oxygenases,HMOXs)的作用下被分解為血紅素，HMOXs 降解血紅素后產生鐵、一氧化碳(carbonic oxide,CO)和膽綠素。HMOX1 不存在于紅細胞膜上，而主要位于內質網上，其活性位點位于細胞溶質一側，也證實了血紅素的分解過程發(fā)生在細胞溶質中[5,14]。在噬紅作用或溶血作用后可以立刻檢測到HMOX1 的表達，證明了HMOX1 在抑制血紅素毒性中的重要作用[15-16]。HMOX1 缺乏會引起RPMs 和BMCMs 細胞耗竭，提示HMOX1 的存在對巨噬細胞的活性和功能至關重要。另外，HMOX2 也參與細胞內血紅素的分解，與誘導型的HMOX1 相反，HMOX2 在大多數(shù)組織中是組成型表達，參與不同類型細胞鐵的提取[15-16]。吞噬溶酶體分解HGB 產生血紅素后可通過血紅素轉運蛋白HRG1 從吞噬溶酶體轉移到細胞質中[6,17]。HRG1 在轉錄后水平同時受到血紅素和鐵的調節(jié)[5]。HRG1 在脾臟、肝臟和骨髓的巨噬細胞中均呈高表達，在發(fā)生噬紅作用后1 h就可定位到吞噬溶酶體膜上。血紅素轉運蛋白HCP1也具有潛在的將血紅素轉運到細胞質中的能力。最新的研究[6]在巨噬細胞溶質中鑒定出了另一個鐵轉運蛋白NRAMP1，在噬紅作用后出現(xiàn)在吞噬溶酶體膜上。NRAMP1 敲除小鼠巨噬細胞表現(xiàn)出明顯的鐵釋放抑制及鐵滯留。噬紅作用后的巨噬細胞即使在幾小時后都伴隨著FtH 和FtL 的高表達，這表明通過巨噬細胞的噬紅作用被回收的鐵大部分儲存在巨噬細胞內的Ft 上[18]。另外，在噬紅作用1 h 后Fpn1表達也會增加，提示鐵不僅可以被轉運或存儲在巨噬細胞內，也會通過Fpn1 被釋放[19]。當系統(tǒng)發(fā)生溶血引起鐵含量迅速增加超過肝臟KCs 的鐵存儲能力時，過多的鐵才會被轉移到肝實質細胞中進行長期儲存[20]。

4 應激誘導的噬紅作用與鐵代謝

機體在穩(wěn)定狀態(tài)下，血紅素鐵優(yōu)先被脾臟中的RPMs 代謝分解；而在應激條件下，肝臟中的巨噬細胞對紅細胞吞噬作用則至關重要，如在系統(tǒng)性溶血時脾臟RPMs 的鐵回收不能緩解機體的鐵需求，血液中的Ly6C+單核細胞遷移至肝臟不會分化成KCs，而會特異性分化成用于鐵回收的巨噬細胞[20]。在這過程中，集落刺激因子1(colony stimulating factor-1,CSF1)和核因子紅系2 相關因子2 促進了單核細胞在肝臟發(fā)育分化為用于鐵回收的FPN1+Timneg 巨噬細胞[20]。

巨噬細胞已經發(fā)育出完善的機制清除血紅素，當系統(tǒng)內產生HGB 和血紅素時會迅速產生HGB 的清道夫蛋白，即觸珠蛋白和血紅素結合蛋白。脾臟RPMs 和肝臟KCs 會表達CD163 和CD91：它們的功能是參與清除過量的不穩(wěn)定的血紅素，從而保護機體免受血紅素和HGB 的毒性反應。巨噬細胞含有亞鐵氧化酶(如Cp)和還原酶(如FtH)，這些酶的存在可保證鐵的快速氧化和還原，確保鐵在細胞內的有效運輸和利用[21]。血紅素誘導的單核細胞中Spi-C 轉錄因子的產生可促進脾臟中噬紅性RPMs 的分化，并誘導血紅素和鐵調節(jié)蛋白的表達[22]，促進血紅素和鐵的快速分解，從而抑制鐵對細胞的毒性[6,22]。研究[23]證明在細菌感染引起的系統(tǒng)性溶血時所釋放的不穩(wěn)定血紅素抑制了巨噬細胞的吞噬功能。這可能是由于當紅細胞吞噬作用開始時血紅素的釋放對巨噬細胞有負反饋作用，通過損害巨噬細胞的噬紅作用維持機體組織中氧氣的供應。

5 BMCMs 與成紅細胞島

紅細胞生成是一個受環(huán)境信號、營養(yǎng)物質的利用和細胞相互作用共同調節(jié)的動態(tài)過程。血液中大部分Tf 結合的鐵被供應給骨髓用于合成血紅素生成紅細胞。骨髓中表達CD169 的BMCMs(又稱為護士巨噬細胞)周圍會被不同分化階段的紅系祖細胞圍繞，這種結構稱為成紅細胞島。它為紅細胞生成提供了有利的微環(huán)境和支撐[24-25]。BMCMs 通過激活和抑制相關信號來調控紅系祖細胞的增殖、分化并維持其生存，從而促進不同分化階段的紅細胞發(fā)育。BMCMs 在紅系發(fā)育的不同階段可分泌不同的可溶性因子，例如骨形態(tài)發(fā)生蛋白4、胰島素樣生長因子1、白細胞介素3 和粒細胞巨噬細胞集落刺激因子，來誘導紅系祖細胞的增殖和分化。同時，BMCMs 也可以釋放紅細胞生成的負性調節(jié)因子，包括GATA 結合蛋白1、轉化生長因子β、γ 干擾素和腫瘤壞死因子α 來調節(jié)紅細胞的增殖和分化[26]。

在紅細胞的成熟發(fā)育過程中BMCMs 還可以幫助吞噬被有核紅細胞擠出的細胞核。這個過程是通過原癌基因酪氨酸激酶實現(xiàn)的[9,27]。由于發(fā)育中的成紅細胞黏附在BMCMs 周圍，因此BMCMs 可能還參與調節(jié)成熟網織紅細胞向血液循環(huán)的釋放過程。參與這一過程的黏附分子包括成紅細胞巨噬細胞蛋白，血管細胞黏附蛋白1 和a4b1 或a4b5 整合素。清除巨噬細胞或其中的一種黏附分子會引起不同分化階段的原紅細胞增殖發(fā)育延緩以及成紅細胞島的破壞[26,28]。研究[22]發(fā)現(xiàn)，敲除Spi-C 不僅會導致紅細胞生成島數(shù)目減少還會延緩RBC 的形成，所以Spi-C 信號通路對于紅細胞生成必不可少。另外，清除CD169+巨噬細胞會引起骨髓中成紅細胞的數(shù)量減少，但成熟紅細胞數(shù)量只是輕度減少并不會引起機體貧血，提示體內存在紅細胞生成的代償機制以維持機體的穩(wěn)態(tài)[28]。相反，有研究[29]證實可以通過消除BMCMs 來逆轉真性紅細胞增多癥小鼠模型中的病理性紅細胞生成的增多。

6 BMCMs 對鐵轉運的調節(jié)

眾所周知，Tf 結合鐵是通過TfR 介導的內吞作用被攝取[30]。在紅細胞發(fā)育過程中，成紅細胞階段TfR 表達增加，但在網織紅細胞釋放后表達下降。Tf的缺失會阻礙紅細胞的生成并導致鐵在儲存器官中堆積，表明Tf 結合鐵是紅細胞生成的關鍵鐵來源。巨噬細胞通過形成內吞小體攝入Tf 結合鐵，當內吞小體在酸性條件(pH 4.5)時，內吞小體內的亞鐵還原酶中的金屬還原酶家族3 可將Tf 上結合的Fe3+還原為Fe2+，使鐵從Tf 中釋放出來。隨后Fe2+再通過內吞小體膜上的DMT1 將Fe2+運出并釋放到細胞質中，空載的Tf 與TfRs 一起回到巨噬細胞表面循環(huán)再利用。BMCMs 可幫助成紅細胞裝配鐵，但目前尚不完全清楚鐵是如何從BMCMs 細胞質轉移并用于紅細胞生成。Fpn1 在BMCMs 上表達量豐富，敲除Fpn1會引起鐵在BMCMs 積聚抑制成紅細胞的發(fā)育，表明鐵在裝載到成紅細胞之前可通過Fpn1 從巨噬細胞釋放[31]。NRAMP1 在BMCMs 中參與鐵的運輸也可能與Fpn1 介導鐵釋放用于紅細胞生成有關[9]。在沒有Tf 結合鐵存在的情況下，BMCMs 也可以利用其他形式的鐵，例如分泌的Ft 結合鐵和血紅素鐵來支持紅細胞生成。

7 展 望

機體通過復雜的代償及互補機制維持鐵的穩(wěn)態(tài)，不僅可以滿足紅細胞生成以及其他細胞功能對鐵的需求，也可以防止鐵超載引起的細胞及生物毒性。組織巨噬細胞在調節(jié)機體鐵穩(wěn)態(tài)中處于中心地位，對于其調節(jié)機制的認識也日益加深。除了十二指腸的鐵攝取外，巨噬細胞參與了機體鐵循環(huán)和代謝的每個步驟。敲除小鼠的研究[26,28]表明，巨噬細胞介導的鐵代謝在應激條件下尤為重要。機體在穩(wěn)態(tài)條件下存在維持系統(tǒng)鐵代謝的補償機制，而巨噬細胞可能仍是其中的主要鐵調節(jié)者。雖然已知巨噬細細胞在紅細胞生成調節(jié)中的重要性，然而，巨噬細胞是如何感知紅細胞生成以及巨噬細胞是否依賴鐵的可用性和氧的需要來協(xié)調紅細胞生成尚不清楚。對于特異性組織中巨噬細胞的鐵代謝調節(jié)以及巨噬細胞影響代謝性疾病的新功能可能是未來的研究重點。