铁和铁调素在肝纤维化中的作用

1、铁和铁调素在肝纤维化中的作用李艳伟【作者单位】： 422000 邵阳医学高等专科学校人体解剖学教研室(李艳伟，赵晋英) 999077 香港理工大学应用生物和化学科技学系（钱忠明）【作者简介】：李艳伟，男，30岁，讲师，硕士研究生，研究方向：脑铁代谢和神经退行性疾病。 赵晋英 钱忠明（邵阳医学高等专科学校人体解剖学教研室 湖南 邵阳 422000）The Role of Iron and Hepcidin in Hepatic fibrosis LI Yan-wei, ZHAO Jin-ying, QIAN Zhong-ming. (Department of anatomy, Shaoyang

2、 Medical College, Shaoyang Hunan 422000)关键词: 肝纤维化; 肝星状细胞; 铁; 氧化应激; 铁调素Key words: Hepatic fibrosis; Hepatic stellate cell; Iron; Oxidative stress; Hepcidin肝纤维化(hepatic fibrosis)是由各种病原微生物、机械因素和毒性物质损伤肝脏所引起的，以细胞外基质(extracellular matrix，ECM)过量沉积为病理特征的，一种机体创伤修复愈合的反应。肝纤维化不是一个独立的疾病，能够引起慢性肝脏损伤的疾病基本上均伴有不同程度的肝

3、纤维化，大致可分为感染性（病毒性肝炎等）、先天性代谢缺陷（血色病等）、化学代谢缺陷（慢性酒精性肝病、慢性药物性肝病）等。如果各种损伤因素持续存在，纤维化程度逐渐加重，最终可引起肝脏硬化，出现肝衰竭和死亡。肝纤维化是多种因素相互作用的结果，目前其机制尚未完全阐明。近年来的研究表明，各种导致肝纤维化的慢性肝病均与肝脏铁代谢紊乱有关，肝脏过多的铁沉积在肝纤维化发生发展过程中扮演着重要的角色。尤其是铁的负性调节激素铁调素（hepcidin, Hepc）发现以来，研究证实各种导致肝纤维化的慢性肝病铁代谢紊乱的发生与Hepc的减少密切相关。因此，本文主要论述铁和铁调素在肝纤维的中作用。1. 肝纤维化病理过

4、程正常肝脏ECM的沉积和降解处于一个动态平衡，其数量或性状的改变与纤维化紧密相关。金属蛋白酶组织抑制剂表达增高、原纤维蛋白1和3、胶原蛋白4、纤连蛋白、弹力蛋白和层粘连蛋白等各种组成成分增多均可导致肝纤维化1。位于肝细胞与肝窦内皮细胞间（Disse间隙）的肝星状细胞(hepatic stellate cell，HSC)是ECM的主要来源。正常情况下，HSC是肝脏脂滴及维生素A贮存场所，处于静息状态。在各种慢性肝损伤因素的作用下，HSC可活化，通过基因表达与表型的改变，转变为具有收缩性、高增殖性、炎症性和成纤维性的肌成纤维细胞2。转化后的HSC可表达大量肌(原)性的标志物1（包括：-平滑肌肌动蛋

5、白(SMA)、c-myb 和肌细胞增强因子2）、神经内分泌蛋白以及各种神经递质的受体等3。HSC一旦激活也可不断分泌转化生长因子1（TGF1）等起到自身激活的作用，使这个过程持续下去。总之，肝纤维化是许多肝脏病变最终的共同结局，而HSC激活是肝纤维化发生、发展的中心环节和共同通路。目前认为铁沉积在HSC激活，进而导致多种慢性肝病（包括遗传性血色素病，非酒精性脂肪肝、酒精性肝病和慢性丙型肝炎等）的纤维化过程中发挥重要作用。2. 铁沉积在多种肝纤维化疾病中的作用2.1 遗传性血色素病遗传性血色素病(hereditary hemochromatosis，HH)是一种常染色体隐性遗传病，主要表现为十二

6、指肠持续过度吸收铁，引起高铁血症，肝、脾等多器官组织铁沉积，以及由此导致的多器官功能障碍和衰竭。目前根据HH患者突变基因的不同，将其分为HH-种亚型4，临床上指的一般是HH型，主要是由于血色病基因(hemochromatosis gene，HFE)突变引起。HH患者肝脏铁超载的发生是一个长期的过程，往往不伴有肝脏炎症反应和血清转氨酶（ALT和AST）的异常升高。当HH患者肝脏铁含量超过60mol/g（干重）时，HSC就开始激活，表现为SMA的表达，而铁含量达到250 mol/g（干重）时，就可表现为肝纤维化5。开始铁主要沉积在Rappaport 1区的肝细胞内，而后发展到2区和3区。在疾病后期

7、枯否氏细胞（Kupffer's cells，KC）中也出现了铁沉积，且这种病人也极易发展成肝细胞癌（hepatocellular carcinoma，HCC）。尽管肝纤维化是否可以逆转仍无定论，但治疗HH的铁过载时，静脉切开放血疗法应用非常广泛，而且对于减轻HH时肝脏纤维化有效6。2.2 非酒精性脂肪肝 高能量摄入和久坐的生活方式可引起高体重或肥胖的发生，肥胖以最为普遍的肝病形式非酒精性脂肪肝（nonalcoholic fatty liver disease, NAFLD）的形式损害肝脏，这种状态可持续存在而没有其它病理表现。另一种损害形式是非酒精性脂肪肝炎(nonalcoholic

8、Steatohepatitis ,NASH)，这是一种更为高级的NAFLD形式，被称为是对肝脏损害的“二次打击”。现在普遍认为铁诱导的氧化应激损伤与脂肪变性在二次打击中协同发挥作用，并促进了NASH脂肪变性的进一步恶化7。研究发现机体铁增高时，无论是否对肝脏造成损害，但肯定伴有胰岛素抵抗现象。胰岛素抵抗将会引起肝脏甘油三酯的积聚，引起炎症级联反应最终导致肝纤维化的发生。另有一些研究显示，去铁疗法可以降低NAFLD患者血清转氨酶，改善胰岛素抵抗现象，从而阻止其肝纤维化的发生。2.3 酒精性肝病常年高酒精摄入可引起酒精性肝病（alcoholic liver disease, ALD），而有30%的

9、高酒精摄入者会发展为肝纤维化7。现在普遍认为铁是ALD发展为肝纤维化的重要因素。研究显示，在ALD前驱期有29%患者肝脏铁含量升高，而病情进展到纤维化时，有57%的患者肝脏铁明显升高（>25mol/g）。Brittenham等8研究显示在许多方面酒精可促进机体对铁的吸收，另外Bridl等9研究也发现酒精可以干扰白介素6（IL-6）对Hepc的调节作用，使Hepc表达降低，从而使机体铁的摄入增加引起铁过载。2.4 慢性丙型肝炎 早在1992年，人们就已经发现丙型肝炎病毒（HCV）感染与血清铁、铁蛋白及转铁蛋白饱和度之间也有着相关性10，研究发现有部分丙型肝炎病毒感染患者肝脏铁含升高，铁主要

10、沉积在肝细胞、窦状隙细胞和肝门附近的间质细胞，而肝门附近间质细胞的铁沉积与肝脏炎症及纤维化密切相关。Martinelli等11的研究显示：肝脏铁含量升高和HSC的激活数量明显有关。Rigamonti等12也发现了类似的结果，认为铁对于HSC的激活和肝纤维化至关重要。另外，Di Bona等13的实验发现铁还与丙型肝炎时干扰素的反应缺失有关。他们发现干扰素可以诱导STAT-1和2的磷酸化，使抗病毒蛋白MxA和干扰素调节因子9表达上调，发挥抗病毒作用，但是铁诱导的氧化应激可以破坏干扰素的这种作用，使得干扰素的抗病毒作用缺失。日本学者Fujita等长期致力于研究慢性丙型肝炎与肝脏铁沉积的关系，他们的研

11、究显示慢性丙型肝炎患者肝脏铁沉积所引起的氧化应激损伤在肝纤维化中起作用。慢性丙型肝炎患者DNA氧化应激指标明显升高，而患者DNA损伤的主要原因可能来自于过多的铁沉积，这正是慢性丙型肝炎容易转化为肝癌的原因14。他们采用间断静脉放血使机体损失血液的同时，减少机体铁含量，可以治疗慢性丙型肝炎，延缓疾病的进展15。Kaito等16和Yano等17的研究也证实持续放血疗法使患者处于几乎缺铁状态可以抑制患者肝脏炎症反应和纤维化。另外，放血疗法也用来联合干扰素，增强其对慢性丙型肝炎的疗效。3 铁参与肝纤维化过程的分子机制3.1 铁诱导氧化应激产生自由基损伤关键性的生物大分子在肝细胞和KC内，铁通过Fent

12、on反应可以与活性氧（ROS）、超氧阴离子（O2）和过氧化氢（H2O2）等反应生成羟自由基（OH）。另外，铁也可以催化过(氧化)亚硝酸盐(ONOO-)生成NO2+。由于细胞膜脂质中多聚不饱和脂肪酸含有双键，因而容易受到NO2+和OH引起的脂质过氧化反应的损害。另外，脂质过氧化反应也可以增加微粒体、线粒体和内质网等多种细胞器膜的脆性，最终影响细胞的功能。线粒体膜发生脂质过氧化反应后，膜通透性增加，电化学梯度丢失，从而引起促凋亡的细胞色素释放。同时线粒体受损后可促进更多ROS的产生，引起细胞损伤和激活凋亡信号通路18。另外，脂质过氧化反应的副产物也可以与DNA的碱基、蛋白质中赖氨酸和组氨酸的氨基(

13、-NH2)发生反应，进而破坏DNA和蛋白质。3.2 铁诱导的氧化应激促进死亡基因的表达研究显示铁和铁诱导的氧化应激损伤可以分别通过NFB和AP-1途径激活细胞凋亡和坏死的发生18。NFB可促进细胞毒性物质、促炎因子和成纤维因子（TNF, IL-6, MIP-1）的合成与释放，改变肝细胞和KC的功能，激活HSC。AP-1转录因子也可以调节HSC表达胶原蛋白原1。另外，AP-1和NFB依赖的基因产物也参与了氧化应激诱导的肝细胞死亡19。3.3 铁诱导的氧化应激反应激活HSC铁诱导氧化应激损伤所产生的可溶性因子如：TGF-/1、TNF、MIP-1、IL-6等可以激活HSC20。HSC在铁含量高的肝细

14、胞培养液中培养，则高表达两种纤维化标志物：型胶原和SMA21。HSC与高表达CYP2E1的肝细胞共同培养时，HSC胶原表达上调，在有铁的参与时，这种作用更为明显；而给予抗氧化应激药物后，这种作用受到了抑制。这证实铁诱导的氧化应激反应上调HSC的促纤维化基因的表达。另外，一些含铁蛋白来源的铁也可以激活HSC, Tsukamoto等22的研究发现血红素来源的铁可以促进肝脏巨噬细胞NFB的激活，使得致炎因子TNF和MIP-1基因表达增多。而TNF可以促进KC激活，且抑制HSC凋亡，导致纤维化的发生。激活的HSC可表达一种特殊的H-铁蛋白受体，Ruddell等23的研究证实铁蛋白结合H-铁蛋白受体后可

15、通过PKC依赖的途径上调激活HSC的基因表达SMA。另外，激活的HSC也可表达转铁蛋白受体，与转铁蛋白结合后可以升高SMA和胶原蛋白1的表达24。然而HSC在静息期并不表达有转铁蛋白和铁蛋白受体，所以这仅仅是HSC激活的一小部分原因。事实上铁催化肝细胞和KC产生的氧化应激反应可能是HSC激活、肝纤维化进展恶化的主要原因。3.4 铁和其他氧化损伤相关分子在肝纤维化中的协同作用铁在毒性物质ROS的生成中发挥主要作用，而细胞内诸如H2O2和不饱和脂肪酸等分子也能影响氧化应激反应和纤维化的程度。实际上一些研究已经发现铁和酒精、脂肪变性、HCV等联合作用加重了肝脏的受损程度。Tsukamoto25发现在

16、饮食中添加酒精和铁的大鼠，其肝脏MDA和4HNE含量、血浆ALT及AST含量均明显高于仅添加酒精组的大鼠，且前者肝组织HSC中胶原蛋白原1和TGF- mRNA表达均升高。Kato等26研究发现酒精处理过的肝细胞CYP2E1的表达上调，CYP2E1可催化更多的ROS产生，从而加重铁介导的氧化应激损伤。同样，细胞内过多的脂肪酸也可以加强脂质过氧化反应而加重氧化应激损伤。Okuda M27的研究显示HCV感染可以上调细胞内ROS，加重脂质过氧化反应。HCV的核心蛋白可促进线粒体对Ca2+的摄入，损害内质网，促进Ca2+由内质网向线粒体的转移，而过度表达丙肝核心蛋白的小鼠，铁超载可加重线粒体功能紊乱，

17、使得其转变为肝癌的危险性也明显增加28。 4. 铁稳态与铁调素铁在机体发挥着重要的功能，因此铁稳态的维持对机体至关重要。生理状态下，人体缺乏有效的排泄铁的途径，所以，铁稳态的维持只能通过调节肠道的铁吸收和储铁器官的铁释放来完成。铁缺乏时，机体可以增加小肠铁吸收和巨噬细胞铁释放；反之则铁吸收和释放就会减少。由于铁的吸收、储存和利用部位相距较远，因此人们推测，机体存在调节铁稳态的类似激素样物质，这种物质能在肝脏、小肠、网织红细胞和网状内皮系统之间传递有关铁调节的信号。2001年，两个著名实验室29,30同时发现Hepc可能就是研究者们长久以来寻找的调节铁稳态的重要激素。Hepc 主要由肝脏产生，目

18、前已证实Hepc可与十二指肠上皮细胞和巨噬细胞表面的膜铁转运蛋白（Ferroportin1，FP1）结合，诱导FP1内吞并降解，从而减少十二指肠铁吸收和巨噬细胞铁释放，降低血清铁含量，最终降低机体铁水平31。另外Hepc对肠上皮细胞、巨噬细胞以及骨髓的其它铁摄入蛋白以及铁输出蛋白表达也有调节作用32。Hepc在机体铁稳态的维持中发挥着重要的作用，而Hepc的异常往往导致一些疾病的发生，尤其是在一些铁沉积疾病和肝纤维化疾病中扮演了重要的角色。5铁调素在慢性肝病中的作用5.1 遗传性血色素病与铁调素大多数HH属于HH1，是由于HFE的纯合错义突变C282Y所致，将C282Y突变基因敲入或HFE基因

19、敲除均能导致小鼠出现HH。HFE突变如何导致HH，尚不清楚，但近来的研究发现似乎与Hepc有关。Merryweather-Clarke等33报道HFE基因敲除所致HH小鼠，肝细胞Hepc mRNA水平降低；由HFE突变引起的HH患者，肝组织Hepc mRNA、血液和尿液Hepc水平也是降低的，而且发现Hepc降低程度还与HH表型的严重程度相关；Nicolas等34研究又发现Hepc的缺陷大大加重Hfe-/-小鼠的铁负荷；而转染Hepc基因的Hfe-/-小鼠，Hepc组成性表达确实能防止Hfe-/-小鼠的铁超负荷。此外，Jacolot等35从392个HFE C282Y纯合子突变的HH 患者中发现

20、5例Hepc基因杂合突变，而这5例患者铁指标是这群人中最高的，同时他们还在31个最多只有1个染色体存在HFE突变的人中鉴定出4例HH患者，而这4人都带有Hepc基因杂合突变。因此认为单纯HFE的突变不能导致HH，而必须通过Hepc的作用。青少年血色素病（Juvenile hemochromatosis, JH）是一种罕见的比HH更为严重的血色素病，发病早，且进展迅速，JH病例均与染色体lq21上的HJV（hemojuvelin）基因突变有关，虽然HJV功能不是很清楚，但研究显示受累个体尿液Hepc水平是降低的36。报道显示在两例JH家族中有Hepc基因纯合突变(93delC和166C-T)，另

21、一例JH患者存在一新的Hepc基因纯合突变(C70R)37。目前已确定人Hepc基因纯合突变能导致JH，并把该型JH命名为血色素沉着病HFE2B型，而由HJV突变所致的JH命名为血色素沉着病HFE2A型，推测Hepc同样在HFE2A型JH的发病扮演重要角色。5.2 非遗传性慢性肝病与铁调素酒精性肝病、慢性丙型肝炎等非遗传性慢性肝病肝脏铁沉积的原因一直不清，自从发现Hepc以来，似乎找到了其发病的根源所在。Harrison-Findik等38的研究表明过量饮酒可下调Hepc转录，使十二指肠铁转运蛋白表达增加，导致肠道铁吸收，这可能正是其肝脏铁沉积的原因。Pro-Hepc是由肝脏产生的Hepc的前

22、体蛋白，检测血液pro-Hepc的含量可以反应肝脏Hepc的多少。Nagashima等39研究发现慢性丙型肝炎患者血清pro-Hepc浓度明显下降，在肝硬化病人中更为显著，并且与血清铁蛋白、肝脏铁含量呈负相关，因此肝脏Hepc表达紊乱在慢性丙型肝炎患者肝铁沉积最终导致的肝纤维化发病中起着重要的作用。Fujita等40的研究证实慢性丙型肝炎患者肝脏Hepc mRNA含量明显降低，并且与肝脏铁含量呈负相关，因此认为Hepc的下调正是其肝脏铁沉积的原因。6. 总结和展望综上所述，肝纤维的发病与肝脏过多的铁沉积和Hepc缺乏有关，铁通过催化具有高反应破坏性ROS的生成，促进脂质过氧化反应破坏细胞中脂质

23、、DNA和蛋白，最终导致细胞的凋亡和坏死，激活HSC转化为肌成纤维细胞，分泌各种导致纤维化的成份，在肝纤维化发病过程中起了重要的作用。而多种慢性肝纤维化疾病肝脏铁沉积的原因与Hepc的表达减少有关。因此，补充外源性Hepc来弥补患者体内Hepc的不足，可能降低这些患者的肝脏铁含量，延缓疾病的发展及其并发症的发生。目前尚未见国内外有此类研究和报道，但可以预测Hepc在这些伴有铁沉积的肝脏慢性疾病中的应用，将会使此类疾病的疗效得到很大的改善。Hepc作为铁负性调节激素，用于治疗铁过载疾病及肝纤维化具有重要的价值。参考文献：1 Bataller R, Brenner DA. Liver fi bro

24、sisJ. J Clin Invest, 2005, 115: 209-2182 Sato M, Suzuki S, Senoo H. Hepatic stellate cells: unique characteristics in cell biology and phenotypeJ. Cell Struct Funct, 2003, 28: 105-1123 Ruddell RG, Oakley F, Hussain Z, et al. A role for serotonin (5-HT) in hepatic stellate cell function and liver fi

25、brosisJ. Am J Pathol, 2006, 169:861-8764 Franchini M. Hereditary iron overload: update on pathophysiology, diagnosis, and treatmentJ. Am J Hematol, 2006, 81:202-2095 Ramm GA, Crawford DH, Powell LW, et al. Hepatic stellate cell activation in genetic haemochromatosis. Lobular distribution, effect of

26、increasing hepatic iron and response to phlebotomyJ. J Hepatol, 1997, 26: 584-5926 Falize L, Guillygomarc'h A, Perrin M, et al. Reversibility of hepatic fi brosis in treated genetic hemochromatosis: a study of 36 casesJ. Hepatology, 2006, 44: 472-4777 Alla V, Bonkovsky HL. Iron in nonhemochromat

27、otic liver disordersJ. Semin Liver Dis, 2005, 25: 461-4728 Brittenham GM. Iron chelators and iron toxicityJ. Alcohol, 2003, 30: 151-1589 Bridle K, Cheung TK, Murphy T, et al. Hepcidin is down-regulated in alcoholic liver injury: implications for the pathogenesis of alcoholic liver diseaseJ. Alcohol

28、Clin Exp Res, 2006, 30: 106-11210 Di Bisceglie AM, Axiotis CA, Hoofnagle JH, et al. Measurements of iron status in patients with chronic hepatitisJ. Gastroenterology, 1992, 102: 2108-211311 Martinelli AL, Ramalho LN, Zucoloto S. Hepatic stellate cells in hepatitis C patients: relationship with liver

29、 iron deposits and severity of liver diseaseJ. J Gastroenterol Hepatol, 2004, 19: 91-9812 Rigamonti C, Andorno S, Maduli E, et al. Iron, hepatic stellate cells and fibrosis in chronic hepatitis CJ. Eur J Clin Invest, 2002, 32 Suppl 1: 28-3513 Di Bona D, Cippitelli M, Fionda C, et al. Oxidative stres

30、s inhibits IFN-alphainduced antiviral gene expression by blocking the JAK-STAT pathwayJ. J Hepatol, 2006, 45: 271-27914 Fujita N, Sugimoto R, Ma N, et al. Comparison of hepatic oxidative DNA damage in patients with chronic hepatitis B and CJ. J Viral Hepat, 2008, 15:498-50715 Fujita N, Sugimoto R, U

31、rawa N, et al. Influence of phlebotomy on iron-related gene expression levels in the livers of patients with chronic hepatitis CJ. J Gastroenterol, 2007, 42:326-32716 Kaito M, Iwasa M, Kobayashi Y, et al. Iron reduction therapy by phlebotomy reduces lipid peroxidation and oxidative stress in patient

32、s with chronic hepatitis CJ. J Gastroenterol, 2006, 41: 921-92217 Yano M, Hayashi H, Wakusawa S, et al. Long term effects of phlebotomy on biochemical and histological parameters of chronic hepatitis CJ. Am J Gastroenterol, 2002, 97: 133-13718 Czaja MJ. Induction and regulation of hepatocyte apoptos

33、is by oxidative stressJ. Antioxid Redox Signal, 2002, 4: 759-76719 Luedde T, Trautwein C. Intracellular survival pathways in the liverJ. Liver Int, 2006, 26: 1163-117420 Parkes JG, Templeton DM. Modulation of stellate cell proliferation and gene expression by rat hepatocytes: effect of toxic iron ov

34、erloadJ. Toxicol Lett, 2003, 144: 225-23321 Wu D, Cederbaum AI. Oxidative stress mediated toxicity exerted by ethanol-inducible CYP2E1J. Toxicol Appl Pharmacol, 2005, 207: 70-7622 Tsukamoto H, Lin M, Ohata M, et al. Iron primes hepatic macrophages for NFkappaB activation in alcoholic liver injuryJ.

35、Am J Physiol, 1999, 277: G1240-G125023 Ruddell RG, Rutherford PS, Barwood JM, et al. Ferritin upregulates the expression of NF-B-dependant genes associated with hepatic stellate cell activation via PI3-kinase, PKC and MAPKJ. Hepatology, 2004, 40: A26924 Bridle KR, Crawford DH, Ramm GA. Identificatio

36、n and characterization of the hepatic stellate cell transferrin receptorJ. Am J Pathol, 2003, 162: 1661-166725 Tsukamoto H, Horne W, Kamimura S, et al. Experimental liver cirrhosis induced by alcohol and ironJ. J Clin Invest, 1995, 96: 620-63026 Kato J, Sato Y, Inui N, et al. Ethanol induces transfo

37、rming growth factor-alpha expression in hepatocytes, leading to stimulation of collagen synthesis by hepatic stellate cellsJ. Alcohol Clin Exp Res, 2003, 27: 58S-63S27 Okuda M, Li K, Beard MR, et al. Mitochondrial injury, oxidative stress, and antioxidant gene expression are induced by hepatitis C v

38、irus core proteinJ. Gastroenterology, 2002, 122: 366-37528 Furutani T, Hino K, Okuda M, et al. Hepatic iron overload induces hepatocellular carcinoma in transgenic mice expressing the hepatitis C virus polyproteinJ. Gastroenterology, 2006, 130: 2087-209829Park CH, Valore EV, Waring AJ, et a1. Hepcid

39、in, a urinary antimicrobial peptide synthesized in the liverJ. J Biol Chem, 2001, 276:7806-781030 Pigeon C, Ilyin G, Courselaud B, et a1. A new mouse liver-specific gene, encoding a protein homologous to human antimicrobial peptide hepcidin, is overexpressed during iron overloadJ. J Biol Chem, 2001,

40、 276:7811-781931 Nemeth E, Tuttle MS, Powelson J, et a1. Hepcidin regulates cellular iron efflux by binding to ferroportin and inducing its internalizationJ. Science, 2004, 306:2090-209332 Ke Y, Qian ZM. Brain iron metabolism neurobiology and neurochemistryJ. Progress in Neurobiology; 2007, 83:14917333 Merryweather-Clarke AT, Cadet E, Bomford A,