鐵代謝失衡在動脈粥樣硬化中作用的研究進展*

周喆聿 李文文 卞慧敏 李 育

南京中醫藥大學 1 醫學院·整合醫學學院 2 藥學院，江蘇省南京市 210023

AS是一種慢性代謝紊亂性疾病，是心腦血管突發事件和組織器官功能障礙的重要原因，其發病率在全球范圍內呈上升趨勢，也是老年人最常見的死亡因素之一[1]。AS的病理生理學包括血管脂質積累、炎癥、氧化應激、內皮細胞激活、VSMCs增殖、巨噬細胞激活、斑塊形成和鈣化。首次提出的“鐵假說”認為鐵超載是心血管疾病的危險因素之一[2]，但鐵是否以及如何影響AS的進程仍有很大爭議。最近的研究表明，鐵代謝失衡參與影響AS的各個環節，本文將從AS的病理機制來闡述鐵代謝異常在AS進程中的作用。

1 鐵代謝穩態

鐵是人體必需的微量元素之一，參與紅細胞的生成。機體每天90%的需鐵量來自體內巨噬細胞通過吞噬衰老或損傷的紅細胞釋放的血紅蛋白鐵，其余對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，使細胞保持正常形態和功能[3]。但是如果鐵超載，它可能對各種組織和器官產生有害的影響。通常細胞內和血漿中的鐵水平由運鐵素(Ferroportin,FPN)-鐵調素軸調控。FPN在肝細胞、十二指腸上皮細胞及巨噬細胞表面大量表達。鐵調素是肝臟合成的一種肽類激素，可以內化并降解細胞表面的FPN。細胞內Fe2+經氧化反應成為Fe3+，FPN介導Fe3+從細胞內輸出進入血液。當血漿鐵水平上升時，鐵調素分泌相應增多，以減少細胞內鐵進入外周血，進而控制循環中的鐵水平[4]。機體的一些異常狀態可能引起鐵代謝失衡，如貧血或處于低氧狀態時，鐵調素表達降低，血漿鐵水平上升，有利于造血。若同時出現鐵利用障礙，則會在貧血的基礎上出現血漿鐵超載[5]。在炎癥或感染時，鐵調素表達增加、血漿鐵水平下降可能會導致炎癥性貧血[6]。這些皆表明全身或局部鐵代謝失衡將會導致相應的損傷，進而引發或加重疾病。

2 鐵代謝與動脈粥樣硬化

鐵代謝失衡是AS的危險因素之一。臨床研究顯示，嚴重AS患者血清鐵水平顯著高于正常和輕、中度冠狀動脈疾病的患者[7]。絕經后婦女頸動脈斑塊的存在與鐵調素的增加以及鐵調素與鐵蛋白比值的增加顯著相關[8]。在動物水平的研究中，FPN敲除的ApoE-/-小鼠，其粥樣斑塊中的脂質水平上升，而抑制骨形態發生蛋白(Bone morphogenetic protein,BMP)信號通路可以有效延緩AS的發生[9-10]，這是因為BMP是鐵調素在轉錄水平上的調控因子，有助于維持機體鐵平衡。由此可見，鐵代謝穩態對AS的進程有影響。

2.1 鐵代謝參與內皮細胞損傷 內皮細胞功能障礙被認為是AS的起始環節，氧化應激是內皮細胞受損的重要因素之一。氧化應激的特征是活性氧(Reactive oxygen species, ROS)產生和抗氧化能力之間的失衡，這導致一氧化氮(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而損傷內皮細胞。研究表明，在ApoE-/-小鼠中，鐵超載會導致血管NO生物利用度降低[11]，并且向鼠慢性注射鐵會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的含量，這會導致內皮細胞受損[12]。受損的內皮細胞會分泌促炎介質、黏附分子及趨化因子，如單核細胞趨化因子-1(Monocyte chemoattractant protein-1,MCP-1)、血管細胞黏附分子-1、細胞間黏附分子-1，它們募集循環中的單核細胞和T細胞等進入內膜下，促使AS發生。研究表明，鐵超載會增加內皮細胞的黏附性，促使單核細胞遷移通過內皮層，并使內皮細胞通透性、凋亡增加[9]。以上研究提示鐵超載能通過增加氧化應激、降低NO生物利用度、促進炎癥反應等導致內皮細胞受損而推動AS進展。

2.2 鐵代謝影響巨噬細胞的表型和功能

2.2.1 鐵代謝參與M1/M2型巨噬細胞表型轉換，影響脂質水平。巨噬細胞在AS進程中起著核心作用，其不同亞型決定了不同的生物學功能。經典活化的M1型巨噬細胞促進炎癥反應，是晚期、不穩定、具有脂質壞死核心斑塊中的主要表型。代替活化的M2型巨噬細胞產生如白細胞介素-10等抑炎細胞因子，并能通過清除凋亡細胞和碎片、增加斑塊內Ⅰ型膠原的含量來減輕血管炎癥和穩定AS斑塊。M1、M2型巨噬細胞的鐵代謝完全不同。主要表現在M1型巨噬細胞表達高水平的鐵儲存蛋白和低水平的FPN，M2型巨噬細胞則完全與之相反，這有利于細胞內鐵流出，使細胞內鐵處于低水平[13]。此外，M2型巨噬細胞中血紅素加氧酶-1的激活促使血紅素分解為Fe2+及NO，這進一步導致鐵水平的降低[14]。在敲除鐵調素基因的LDLR-/-小鼠中，巨噬細胞促炎標記物減少、AS程度減輕[15]。巨噬細胞內鐵水平還可直接調節其極化，增加的細胞內鐵水平誘導M1型巨噬細胞。而M2型巨噬細胞內鐵負載的增加會誘導其向M1表型轉換，同時ROS的產生增多，促炎細胞因子表達增加。在巨噬細胞FPN特異性失活的小鼠中，傷口愈合延遲、炎癥反應延長，當用鐵螯合劑處理巨噬細胞時，促炎因子的釋放減少[16-17]。

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

2.2.2 鐵代謝影響斑塊內出血區域巨噬細胞，加重斑塊不穩定性。在AS斑塊形成過程中，血管壁耗氧量增加，斑塊病變處組織發生缺氧。缺氧會刺激血管新生，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境更易破壞脆弱的新生微血管系統，導致斑塊內出血(Intraplaque hemorrhage,IPH)，進而導致壞死核心擴張和斑塊不穩定性增加。IPH區域的巨噬細胞不同于M1和M2型巨噬細胞，其以缺少脂質沉積、促炎細胞因子低表達和CD163高表達為特征，該巨噬細胞被命名為M(Hb)巨噬細胞。由于LXRα的激活、FPN和CD163的表達增加，M(Hb)巨噬細胞細胞內鐵水平更低。在低氧條件下，缺氧誘導因子(Hypoxia inducible factor-1α, HIF-1α)被激活，其可誘導血管內皮生長因子(Vascular endothelial growth factor,VEGF)等促血管生成基因的轉錄，而鐵與HIF-1α的激活間接相關[4]。這是因為在常氧環境中，HIF-1α會被脯氨酰羥化酶(Prolyl hydroxylase, PHD)在特定位點羥基化，隨后被降解，而鐵是PHD發揮作用的一個重要輔助因素。在血管生成實驗中，將培養的M(Hb)巨噬細胞上清處理內皮細胞會導致更多血管生成、更大的血管通透性及核因子-κB的激活[20]。因此，M(Hb)巨噬細胞內低鐵水平會抑制鐵依賴性PHD發揮作用，最終促進VEGF介導的斑塊內血管生成、血管通透性增加、炎癥細胞募集，使斑塊不穩定性增加。

2.3 鐵代謝參與血管平滑肌細胞激活 VSMCs位于血管中膜，具有調節血管張力、維持血管彈性的作用。研究發現，用枸椽酸鐵銨處理VSMCs會導致其炎癥和凋亡水平增加，并使促進單核細胞黏附和遷移的MCP-1產生[9]。同時，VSMCs內鐵超載會刺激其增殖并導致ROS生成，這加劇了促氧化微環境，更有利于泡沫細胞的形成并增加了斑塊的不穩定性[21]。除此以外，M1型巨噬細胞產生的如血小板源生長因子或轉化生長因子-β可導致VSMCs增殖并誘導其向血管內膜遷移，從而推動AS的發展。這表明巨噬細胞內的鐵水平能間接影響VSMCs的激活。鐵還可以調節內質網應激(Endoplasmic reticulum stress,ERS)相關通路，脂質運轉蛋白-2通過增加平滑肌細胞內的鐵含量，促使其發生ERS和增殖[22]。ERS是由內質網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的進程。此外，鐵還可以通過IL-24和BMP2途徑誘導VSMCs鈣化[23]?？傊?，過高的鐵水平以及各種因素的刺激會使VSMCs異常增殖、鈣化，最終致使血管管腔狹窄，從而促進AS的進展。

3 展望未來

AS對健康有重大的威脅，識別其新的標靶仍然具有重大的意義。鐵代謝是一個非常復雜的生理過程，目前的研究證實，鐵代謝失衡參與了AS的發生發展。

鐵大量沉積在動脈中層，與斑塊形成、血管氧化應激和功能障礙有關。鐵觸發的脂質改變、血管通透性增加、持續的內皮激活、促AS炎性介質增多和NO生物利用度降低等可加重AS。除了AS晚期發生IPH時，抑制巨噬細胞內鐵排出、增加細胞內鐵水平可能對防止斑塊進展有益，在AS早期或中期，降低細胞(尤其是巨噬細胞)內鐵水平可能是一個新的策略。然而應當注意的是，細胞內鐵水平的降低意味著循環鐵水平的相對升高，所以在降低細胞內鐵水平的同時，是否降低循環中的游離鐵也是一個值得考慮的問題?？傊?，鐵代謝和AS之間的聯系還未完全被闡明，它們之間的作用關系值得被進一步研究。