多發性硬化腦內鐵異常沉積的發生機制及其研究進展

杜思霖 綜述，李詠梅 審校

多發性硬化(multiple sclerosis, MS)是一種慢性神經系統疾病，其組織病理特征為中樞神經系統廣泛脫髓鞘、軸索丟失、膠質增生。最近文獻報道了鐵在MS患者及其動物模型中均有鐵的沉積[1-5]。鐵在MS的病理生理中有重要作用，但關于鐵沉積的病理生理機制并不清楚，若能對鐵沉積的機制及其變化進行定量研究和測定，將有助于理解MS疾病的發生機制和幫助臨床治療，然而，腦內的鐵代謝遠沒有其他器官(如肝臟和小腸)研究清楚，筆者綜述MS患者及動物模型中對鐵的研究進展。

1 鐵在MS中的作用及其分布

鐵是機體不可缺少的微量金屬離子，它不僅是機體運輸氧和蛋白質的必需成分，而且是很多酶的輔助因子。在神經細胞的生長、增殖、分化和髓鞘化等過程中具有關鍵性的作用。在腦組織中，脂肪成分約為灰質重量的33%，白質重量的55%，髓鞘重量的70%，少突膠質細胞占髓鞘成分的50%以上，在形成髓鞘的過程中產生大量的脂肪，如此大的“脂肪工廠”需要足夠的酶參與，而很多酶需要鐵作為催化劑[2]。在中樞神經系統中少突膠質細胞和髓鞘均含有豐富的鐵，缺鐵會造成髓鞘生成不良和髓鞘再生障礙。

2 MRI測量鐵含量的技術及其研究進展

MRI可以檢測到鐵，源于鐵蛋白及鐵，分別為超順磁性和順磁性物質，由于其結構特點的特殊性能顯著改變局部磁場，造成局部磁場的不均勻，使鄰近質子失相位，導致T2*、T2縮短及相位的改變。在腦內的微量金屬中(如錳、鎂、銅等)只有鐵達到足夠的濃度時能夠改變MRI信號。鐵的定量指標有T2弛豫時間、橫向弛豫率(transverse relaxation rate,R2)、有效橫向弛豫率(effective transverse relaxation rate, R2*)、磁場不均勻性引起的弛豫率(relaxation rate due to field inhomogeneity, R2＇)，以及磁敏感加權成像(Susceptibility Weighted Imaging, SWI)等技術。Haacke等[3]對27例臨床確診為MS的患者行SWI，分析病灶、病灶周圍、看似正常表現的白質及灰質區中的鐵沉積，并在SWI相位圖上對鐵進行定量的研究，結果顯示SWI不僅在識別病灶時較常規方法敏感，且與常規方法結合后可發現超過50%的病灶，同時還可以顯示MS病灶內鐵的不同位置特征，如病灶中心、周圍及靜脈壁鐵的沉積；Chen等[4]用三維增強磁敏感加權血管成像(3D-enhanced susceptibilityweighted angiography, ESWAN)證實42例臨床確診為復發緩解型MS (relapsing-remitting MS, RRMS)部分深部灰質的鐵含量高于同齡的視神經脊髓炎患者和對照組。曾春等[5]在ESWAN相位圖上對臨床確診為RRMS患者分別測量半卵圓中心和正中側腦室旁之間層面的病灶和健康志愿者相應感興趣區(region of interest, ROI)的相位值，得出ESWAN相位圖可以量化腦鐵含量，有助于研究MS的發病機制和病理改變。苗延巍等[6]對臨床確診為MS的患者及正常對照組行SWI及動態磁敏感灌注成像研究，得出MS患者看似正常腦白質區域(normal-appearing white matter,NAWM)的相位值顯著低于正常人，與微循環血量及擴展殘疾狀態評分(expanded disability status scale,EDSS)有相關性。

3 MS中鐵異常沉積與發生機制關系的理論假設及實驗研究

實驗性自身免疫性腦脊髓炎(experimental autoimmune encephalomyelitis, EAE)是局限于實驗動物神經系統內的遲發型超敏反應性自身免疫性疾病，具有與人類MS相同的免疫反應及病理特征，是研究人類MS的理想動物模型，其中大鼠EAE模型是研究EAE病理改變過程、探索MS病因及發病機制等的重要研究平臺[7]。在EAE動物模型和MS病解組組織中顯示有小膠質細胞、巨噬細胞、脫髓鞘斑塊、髓鞘白質和灰質均有鐵的異常沉積[2，4，8]。MRI研究MS患者T2WI示皮質、病灶以及基底節區中散在的低信號為病理性的鐵沉積，與MS患者的行走障礙、腦萎縮的相關性較常規MRI顯示的病灶更密切[3，8]。在MS疾病的過程中，EAE模型和進展型MS的腦脊液中均發現有鐵蛋白濃度升高，當缺氧和緊張時，少突膠質細胞增加鐵蛋白的合成，且CD4+T細胞的發育和代謝也需要鐵，因此在EAE發展過程中鐵的調節可能發揮了雙刃劍(double-edge sword)功能。針對這些理論，文獻從不同的角度和實驗研究了鐵的異常沉積。

3.1 鐵沉積與神經元變性及髓鞘破壞之間的關系

神經元即神經細胞，是神經系統最基本的結構和功能單位之一，神經系統主要由神經細胞和神經膠質組成。神經元大致都可以分為細胞體和突起兩部分。自胞體伸出兩種突起：呈樹枝狀的被稱為樹突，它接收其他神經元的信息并傳至胞體；細長的突起稱為軸突，它把沖動由胞體傳至遠處，傳給另一個神經元的樹突或肌肉與腺體。髓鞘由少突膠質細胞構成，包裹在軸突上，起著絕緣和加速傳遞作用。而在少突膠質細胞中含有豐富的鐵。當免疫細胞(如Th1、Th17)破壞少突膠質細胞時，導致大量的鐵沉積[9]。

神經元吸收鐵的方式可能有：鐵通過血腦屏障后與星型膠質細胞的終足接觸，在鐵氧化酶血漿銅藍蛋白作用下變為Fe3+，與轉鐵蛋白一起通過細胞膜表面的轉鐵蛋白受體進入神經元；鐵還可以與檸檬酸鐵和三磷酸腺苷等結合形成復合物，通過Ca2+電通道進入神經元內；通過長鏈亞單位H-鐵蛋白受體吸收鐵蛋白進入神經元內[10]。有研究證實MS發生脫髓鞘時，神經元受到破壞后，釋放鐵導致腦內自由鐵含量增加[9]。研究者推測，在炎性脫髓鞘時，巨噬細胞透過血腦屏障后吞噬衰老的紅細胞，過多的鐵從血液進入腦組織，組織中的自由鐵過量，促進自由基的產生，引起脂質過氧化，最終促使神經元變性、凋亡或壞死，從而導致腦組織內鐵含量的增加。

Pelizzoni等[11]基于單細胞的熒光分析顯示胞內自由Fe2+增加能夠促進Fe2+進入神經元，激活N-甲基-D天冬氨酸鹽受體和Ca2+的電壓門控通道，而不是改變胞內Ca2+濃度。該研究顯示鐵進入途徑不是被胞內鐵濃度調控的，鐵異常沉積對神經元有損害，組織學研究[12-13]也發現帕金森病(Parkinson disease, PD)、阿爾茨海默病(Alzheimer disease, AD)及其他一些慢性神經系統疾病患者有腦內鐵的異常聚集，而且數據還顯示在神經退行性變疾病中因鐵的代謝紊亂時線粒體可以作為潛在的靶向治療[11]。在MS患者中，線粒體通過Fenton反應(指H2O2與Fe2+結合后在催化劑的作用下產生自由基)發生氧化應激損傷和釋放磷脂質，隨著有毒的自由基產生的增加，可能導致鐵的含量的增加[14]。過量的鐵沉積通過酶促反應會使活性氧的產物增加，而活性氧的增加能影響線粒體的功能和氧化應激破壞脂質、蛋白和核酸等物質[9]。

3.2 鐵沉積與炎癥的關系

有學者認為鐵沉積觸發了中樞神經系統的炎癥反應[9，15]。慢性腦脊髓靜脈功能不全(cerebrospinal venous insufficiency, CCSVI)是顱外主要靜脈發育異常引起腦脊髓血管內血流量改變，這些顱外的主要靜脈包括頸內靜脈、椎靜脈和奇靜脈等[16]。根據CCSVI相關的大腦靜脈流速改變的特征和靜脈周圍間隙的組織學特征，提出了MS中鐵沉積是CCSVI的結果。這個假設是腦脊髓靜脈的逆流或改變引起血腦屏障破壞和微循環改變，從而導致紅細胞溢出，組織學和MRI證實在顱內有病灶的MS患者中紅細胞溢出和存在吞噬鐵的巨噬細胞均在靜脈周圍[9，15]。研究顯示小靜脈周圍炎癥是MS最常見的一種病理特征[15]，該研究組用有創的選擇性靜脈造影術、經顱彩色多普勒超聲提示MS患者存在多發性顱外靜脈(包括奇靜脈)回流障礙、靜脈狹窄及逆流異常表現，因此該研究組提出了MS可能類似慢性靜脈性疾病(如下肢靜脈性潰瘍)出現組織內鐵的沉積與靜脈血流動力學的異常有關。還有學者認為MS的炎癥、纖維沉積或者其他因素導致血管閉塞和紅細胞外滲，而在這種情況下鐵沉積是炎癥的結果[17]。但是Worthington等[18]在3年隨訪MS患者中并沒有發現腦脊液中鐵蛋白水平有明顯的變化，這與CCSVI相關的腦組織內鐵沉積相矛盾。

Williams等[19]用立體定向的方法在大鼠大腦內注入致腦炎因子、腫瘤壞死因子-α(tumor necrosis factor, TNF-α)和干擾素-γ(Interferon，IFN-γ)來誘導腦型EAE (cerebral EAE, cEAE)模型，在兩對照組中分別用同樣的方法注入生理鹽水、不含致腦炎因子的生理鹽水和細胞因子，用MRI和鐵的組織染色來定位鐵沉積，用其他的組織化學方法定位炎癥細胞的浸潤。cEAE組大鼠中MRI顯示T2低信號的鐵沉積區域在血管周圍和一些炎癥病變區，并用鐵的組織化學方法證實，組織染色發現在激活的小膠質細胞中也觀察到鐵的沉積，但是在沒有鐵沉積的區域也可以觀察到炎癥細胞的浸潤，還發現巨噬細胞可能在進入中樞神經系統之前就含有高濃度的鐵；而且在沒有炎癥但有鐵沉積的大鼠中，平均血管數比有炎癥有鐵沉積大鼠的平均血管數明顯增加[20]，這些征象說明了血管周圍的鐵沉積與炎癥的發生是獨立的，炎癥細胞浸潤并不是引起鐵沉積的誘因。Williams等[19]還用多普勒分析大腦內血管的血流速度，顯示了cEAE大鼠的腦血流量比對照組降低，可能是因為炎癥細胞引起血管阻塞；還發現炎癥刺激物伴隨著血管周圍的鐵沉積，這些征象支持血管炎癥導致中樞神經系統血流速度的改變，從而引起鐵沉積。然而這個模型也存在爭議，腦內局部TNF和IFN同時增加可能使磷酸表面抗原的自身免疫反應自發的發生，在炎癥的條件下這個自身免疫反應的修飾會導致一種腦內局部鐵沉積。Le Vine等[2]在這之前已經報道在無局部腦注射物時也有類似的鐵沉積，但兩種模型的優缺點還不清楚。

因此，MS中樞神經系統靜脈周圍鐵沉積可以促發炎癥反應；然而炎癥、纖維沉積或者其他因素導致血管閉塞和紅細胞外滲時可以導致鐵的過量沉積，但是鐵沉積和炎癥到底誰先發生需要進一步的大量實驗證明。

4 鐵劑治療MS療效的研究

過量的鐵沉積會導致疾病的惡化，可能主要是通過促進氧化應激反應、阻礙修復機制、激活小膠質細胞和巨噬細胞，從而提高促炎癥因子的釋放和促進線粒體的改變而導致細胞的變性。Le Vine等[2]在EAE動物模型中，觀察到了異常的鐵沉積，而在缺鐵的動物實驗中，卻不能誘導EAE模型，鐵異常沉積的發生機制研究有助于鑒別對鐵的干擾是否對疾病的治療有效。針對干預鐵、鐵平衡及鐵催化自由基等不同方法來探討治療EAE和MS的療效，大多數直接的方法是利用鐵的螯合劑來治療。Bowern等[21]用鐵的螯合劑去鐵胺來治療EAE，研究顯示去鐵胺通過限制鐵所催化的自由基來抑制疾病的活躍期從而阻止破壞組織。控制鐵在中樞神經系統不同細胞中的分布或許能夠控制MS的發展，而且干預鐵催化的酶促反應可能是MS進一步治療的方向[2]。

5 小結

在炎性脫髓鞘時，巨噬細胞透過血腦屏障后吞噬衰老的紅細胞、破壞的髓鞘和少突膠質細胞死亡碎屑；鐵的沉積也可能來源于神經元吸收鐵后被破壞；鐵的沉積還可能來源于胞漿蛋白，因血腦屏障破壞，血漿蛋白進入中樞神經受到破壞；線粒體發生氧化應激反應可能使胞內鐵沉積；谷氨酸鹽的抗興奮毒性可能促進鐵吸收；腦靜脈壓的升高引起出血可能使鐵沉積在血管周圍等，目前這幾種可能機制都需要進一步研究。在MS和EAE病程中有鐵的沉積，且過量的鐵沉積可能會導致疾病的惡化，鐵異常沉積的機制研究有助于鑒別對鐵的干擾是否對疾病的治療有效，將來還需要進一步借助于相關組織病理學和MRI技術為MS腦內鐵沉積的機制作更深入的研究。

[References]

[1] Stankiewicz J, Panter SS, Neema M. Iron in chronic brain disorders: imaging and neurotherapeutic implications.Neurotherapeutics, 2007, 4(3): 371-386.

[2] Le Vine SM, Chakrabarty A. The role of iron in the pathogenesis of experimental allergic encephalomyelitis and multiple sclerosis. Ann NY Acad Sci, 2004, 1012:52-66.

[3] Haacke EM, Makki M, Ge Y. characterizing iron deposition in multiple sclerosis lesions using susceptibility weighted imaging. J Magn Reson Imaging, 2009, 29(3):537-544.

[4] Chen X, Zeng C, Luo TY, et al. Iron deposition of the deep grey matter in patients with multiple sclerosis and neuromyelitis optica: a control quantitative study by 3D-enhanced susceptibility-weighted angiography (ESWAN).Eur J Radiol, 2012, 81(4): e633-e639.

[5] Zeng C, Li YM, Luo TY, et al. Analysis of iron deposition in the brain lesion of patients with multiple sclerosis by three dimensional enhanced T2-star weighted angiography.Chin J Radiol, 2011, 45(12): 1166-1170.曾春, 李詠梅, 羅天友, 等. 三維增強T2*加權血管成像對多發性硬化腦內病灶鐵沉積的分析. 中華放射學雜志, 2011, 45(12): 1166-1170.

[6] Miao YW, Wei Q, Han R, et al. Susceptibility-weighted imaging and dynamic susceptibility contrasted MR perfusion imaging of normal-appearing white matter around plaques in multiple sclerosis. Chin J Magn Reson Imaging, 2011, 2(4): 273-277.苗延巍, 魏強, 韓睿, 等. 多發性硬化斑塊周圍正常表現白質的磁敏感加權成像及動態磁敏感增強灌注成像.磁共振成像, 2011, 2(4): 273-277.

[7] Zhang HQ, Li KC, Yu CS, et al. Progress of macrophage activity on magnetic resonance imaging in experimental autoimmune encephalomyelitis. J Med Imaging, 2007,17(4): 402-404.張海琴, 李坤成, 于春水, 等. 實驗性自身免疫性腦脊髓炎巨噬細胞活性MR成像的研究進展. 醫學影像學雜志,2007, 17(4): 402-404.

[8] Ge Y, Jensen JH, Lu H, et al. Quantitative assessment of iron accumulation in the deep gray matter of multiple sclerosis by magnetic field correlation imaging. AJNR Am J Neuroradiol, 2007, 28(9): 1639-1644.

[9] Singh AV, Zamboni P. Anomalous venous blood flow and iron deposition in multiple sclerosis. J Cereb Blood Flow Metab, 2009, 29(12), 1867-1878.

[10] Williams R, Buchheit CL, Berman NE, et al. Pathogenic implication of iron accumulation in multiple sclerosis. J Neurochem, 2012, 120(1): 7-25.

[11] Pelizzoni I, Macco R, Morini MF, et al. Iron handling in hippocampal neurons: activity-dependent iron entry and mitochondria-mediated neurotoxicity. Aging cell, 2011,10(1): 172-183.

[12] Zhu WZ, Zhong WD, Wei W. Quantitative MR Phasecorrected imaging to investigate increased brain iron deposition of patients with Alzheimer disease. Radiology,2009, 253(2): 497-503.

[13] Brar S, Henderson D, Schenck J, et al. Iron accumulation in the substantia nigra of patients with Alzheimer disease and parkinsonism. Arch Neurol, 2009, 66(3): 371-374.

[14] Kalman B, Laitinen K, Komoly S, et al. The involvement of mitochondria in the pathogenesis of multiple sclerosis. J Neuroimmunol, 2008, 188(1-2): 1-12.

[15] Zamboni P. The big idea: iron dependent in flammation in venous disease and proposed parallels in multiple sclerosis.J R Soc Med, 2006, 99(11): 589-593.

[16] Zivadinov R, Ramanathan M, Dolic K, et al. Chronic cerebrospinal venous insufficiency in multiple sclerosis:diagnostic, pathogenetic, clinical and treatment perspectives. Neurotherapeutics, 2011, 11(9): 1277-1294.

[17] Adams CW. Perivascular iron deposition and other vascular damage in multiple sclerosis. J Neurol Neurosurg Psychiatry, 1988, 51(2): 260-265.

[18] Worthington V, Killestein J, Eikelenboom MJ. Normal CSF ferritin levels in MS suggest against etiologic role of chronic venous insufficiency. Neurology, 2010, 75(18):1617-1622.

[19] Williams R, Rohr AM, Wang WT, et al. Iron deposition is independent of cellular in flammation in a cerebral model of multiple sclerosis. BMC Neuroscience, 2011, 12:59.

[20] Zivadinov R, Weinstock-Guttman B, Pirko I. Iron deposition and in flammation in multiple sclerosis. Which one comes first? BMC Neuroscience, 2011, 12:60.

[21] Bowern N, Ramshaw IA, Clark IA, et al. Inhibition of autoimmune neuropathological process by treatment with an iron-chelating agent. J Exp Med, 1984, 160(5):1532-1543.