无效造血与铁过载

概述

铁过载（iron overload）一词用来描述体内铁储存过多的情况，可伴或不伴器官功能障碍，基因突变或长期大量输血为铁过载的两个最常见病因。在继发性铁过载疾病中，除外输血，一组表现为无效造血的贫血性疾病也可出现铁过载的表现。无效造血(Ineffective erythropoiesis)一词用来描述红系造血祖细胞在分化发育过程中产生不正常的成熟红细胞的过程。健康成人平均每天产生2000亿个成熟红细胞红细胞，平均每个红细胞中与血红蛋白结合的铁分子为10亿个。因此，血红蛋白生成所消耗的铁是血浆铁供给和需求平衡的首要调节因素[1]。多种造血系统疾病均可导致贫血。贫血时，人体除了利用组织中贮存的铁外，需要从饮食中吸收大量的铁来满足造血的需要。在以无效造血为表现的一亚类贫血性疾病中（包括地中海贫血、骨髓异常增生综合症、铁幼粒细胞性贫血、红细胞生成异常性贫血等），即使无输血依赖性，这些患者的铁吸收量也明显超过造血对铁的需求量，导致过多的铁在非造血组织内沉积。迄今为止，无效造血导致铁过载的机制尚未完全明确。本文参考目前国内外对无效造血及铁过载的研究，主要阐述无效造血导致铁过载的机制及最新进展。北京协和医院血液内科韩冰

1、铁过载（iron overload）

红细胞造血所需要的铁主要来源于三种途径：饮食摄入铁、体内贮存铁、循环血液中衰老的红细胞释放的铁。机体每天只从食物中吸收1-2mg 铁，因此健康成人主要是利用体内衰老的红细胞分解释放的铁。铁在体内的运输主要依靠转铁蛋白，转铁蛋白与细胞膜上的转铁蛋白受体（TfRs）结合，通过内吞作用将铁转运入细胞内。肝脏是储存铁的重要部位。铁的再循环是在网状内皮系统完成的。无论是单细胞还是多细胞动物，生理状态下都缺少排泄铁的机制，因此，体内铁稳态的维持只能通过调节铁的吸收来完成。目前认为，铁调素（hepcidin）是体内铁稳态的重要调节物质。铁调素是由肝脏产生的25个氨基酸构成的多肽。铁调素的代谢失衡是铁代谢异常的多种疾病的病因[2]。除长期大量输血之外，遗传突变是铁过载疾病的首要病因。遗传性血色病主要为铁调素途径的基因突变，导致铁调素应答不平衡及对铁吸收抑制反馈的减弱。多种遗传性血色病的遗传基础均已被试验证实，近期在SEC23B基因发现的两个致病突变，可能填补了东亚人种在基因突变方面的空白，这些发现大大的推动了铁代谢相关分子生物学的进步[3]。不同于遗传性血色病，一组表现为无效造血的红细胞疾病也可出现血色病相关的临床表现。虽然这些疾病均有相同的铁过载临床表现，但尚未发现共同的受累基因。相反，许多试验证实无效造血会直接导致铁过载的发生。由于铁调素的发现和其基因的定位，无效造血相关的生理性和病理性铁调节的新机制得到了发现。

当各种原因导致铁过载时，过多的细胞内铁会诱导活性氧（ROS）的产生。循环中的铁需与转铁蛋白结合，但是当血浆中的转铁蛋白饱和后，会出现非转铁蛋白结合铁（NTBI，non-transferrin-bound-iron），其中与血浆结合蛋白结合最弱的是LPI（labile plasma iron），LPI具有氧化还原活性，可以进入心脏、肝脏等器官，参与ROS的生成。ROS包括过氧化物、羟基自由基等，可以导致脂质过氧化、DNA氧化损伤、DNA双链断裂、基因不稳定等，造成细胞损伤，过量的铁沉积在不同的器官，临床上可出现肝纤维化、心力衰竭、内分泌功能紊乱、神经系统疾病等表现[4]。

2、无效造血（ineffective erythropoiesis）

红细胞承担着体内氧气运输及供给的功能。人体内红细胞生成主要受到组织氧供的调节。肾脏皮质及外髓部的肾小管间质细胞可感知缺氧，反应性产生和分泌促红细胞生成素（EPO）。骨髓红系祖细胞受到EPO刺激后，分化成熟为成熟红细胞。在红细胞成熟过程中需要大量的铁。铁由血液转运入细胞内这一过程中非常重要的一步是，与转铁蛋白（Tf）结合的铁与细胞表面的受体结合后进入血细胞内。在造血细胞循环过程中及造血细胞分化成熟无核化的过程中，细胞表面始终高表达转铁蛋白受体。如果铁需求量得到满足，在红细胞最终分化阶段细胞表面的转铁蛋白受体表达减少以减少铁的吸收。最后，转铁蛋白受体（TfR）从网织红细胞膜表面脱落，进入血中成为游离转铁蛋白受体（sTfR）[5]。

无效造血是指一类红细胞生成障碍性疾病，这类疾病的共同点是红系造血细胞分化发育产生异常的成熟红细胞，不能发挥正常红细胞携氧等功能，易被破坏、寿命短；结果导致骨髓中成红细胞利用的铁与循环中衰老红细胞破坏释放的铁之间的不平衡。贫血、组织缺氧刺激EPO的合成，体内高水平的EPO会促进红细胞生成，机体增加铁的吸收来满足造血所需。即使当红细胞生成所需铁量已被满足后，这一过程仍在进行中。多种红细胞缺陷性疾病伴无效造血均可导致铁过载的发生。β地中海贫血是无效造血中最常见的病因，是由于血红蛋白α及β链产生不平衡导致血红蛋白结构异常，红细胞成熟过程中凋亡、破坏增加。骨髓异常增生综合征（MDS）是起源于造血干细胞的一组异质性髓系克隆性疾病，特点是髓系细胞分化及发育异常，表现为无效造血、难治性血细胞减少、造血功能衰竭，高风险向急性髓系白血病（AML）转化，其中RA、RARS有突出的红系病态造血。铁幼粒细胞性贫血不是由血红蛋白结构异常所致，是铁利用障碍性疾病，过多的铁蓄积在线粒体，线粒体围绕在红细胞周围形成“环”，即铁粒幼细胞。髓内凋亡是获得性铁粒幼细胞性贫血的特点之一。红细胞生成异常性贫血中部分亚型也可出现较明显的无效造血，是由于血红蛋白或线粒体基因突变所致。其他一些贫血性疾病，包括恶性贫血、遗传性球形红细胞症、丙酮酸激酶缺乏症等，也都不同程度存在无效造血，但其发生铁过载的程度却不尽相同，这部分机制尚在研究中。

3、无效造血如何导致铁过载

健康成年人每天产生2000亿红细胞。每个红细胞包含30亿个血红蛋白分子。每个血红蛋白分子包含4个血红素分子，每个血红素内包含一个铁分子。因此，为了满足红细胞生成，正常情况下每天需要20mg铁分子。体内的铁主要有三种来源，包括：饮食中摄入的铁、体内储存的铁以及衰老红细胞破坏循环利用的铁。在健康成年人，巨噬细胞吞噬循环血中成熟红细胞分解产生的铁，占血浆转铁蛋白结合铁的很大部分，衰老红细胞破坏产生的铁基本可满足红细胞生成。因此健康成人每日仅需从饮食中摄入1-2mg铁。

铁转运蛋白（ferroportin）是一种铁通道蛋白，红细胞，以及部分免疫细胞、肝细胞通过铁转运蛋白介导的内吞作用摄入铁。铁转运蛋白的表达在铁的转运中发挥至关重要的调节作用，其表达受铁调素（hepcidin）的调控。目前许多试验表明铁转运蛋白可能就是铁调素的受体[6]。铁调素是由肝脏产生的一种肽类激素。铁调素可导致细胞表面铁转运蛋白内化和退化，从而抑制小肠上皮细胞吸收的铁、巨噬细胞破坏红细胞释放的铁及肝细胞储存的铁向血液内的转运。健康成人血清及尿液中hepcidin的浓度变化范围较大，在同一个体内，晨起时铁调素水平较午后低，同时女性铁调素水平较男性低。在病理状态下如炎症、贫血等hepcidin的浓度变化就更为复杂。肝脏分泌铁调素受到细胞内外铁浓度的影响，同时也受到造血过程对铁需求的调控。在缺铁、β-地中海贫血及幼年血色病中，可检测到明确的hepcidin水平减低。炎症、多发性骨髓瘤、霍奇金淋巴瘤及肿瘤中，常可检测到hepcidin水平升高；感染时，hepcidin水平明显升高，这是作为机体免疫反应的一部分，通过降低铁浓度来限制细菌利用铁[7]。任何原因引起的红细胞生成均需要大量的铁作为原料，这一过程中对铁的大量需求是由血浆中与铁转运蛋白结合的铁提供的。因此当红细胞生成增加时，需要抑制hepcidin以的表达以增加铁的转运。在生理性红细胞生成过程中，hepcidin被抑制的机制尚不清除。但多种病理状态，如缺铁、缺氧、感染、EPO水平升高、红系增生活跃等，均会抑制铁调素的表达[8][9]。在各种疾病导致的无效造血状态下，即使造血需求被满足，由于贫血、缺氧刺激因素未得到改善，hepcidin表达水平的上升仍受抑制，小肠绒毛细胞表面持续高表达铁转运蛋白，最终导致铁过载。

细胞内外铁浓度对hepcidin的活性调节作用是通过BMPs(bone morphogenic proteins)超家族分子来发挥的。其中BMP6是铁代谢中敏感的BMP分子，在共受体HJV的帮助下结合于BMP受体Ⅰ或Ⅱ，启动SMAD依赖的信号级联放大效应。目前研究表明，在正常铁代谢水平下，BMP6主要表达在肝脏非实质细胞上，如Kupffer细胞、星形细胞、间皮细胞等。当无效造血导致铁过载发生时，在TGF-β超家族的某些细胞因子调控下，BMP-SMAD激活途径会被下调，这些细胞因子包括GDF-15、TWGS1等[7]。

生长分化因子15（growth differentiation factor 15，GDF-15）是TGF-β超家族的成员，其基因定位于19p12.1-13.1。GDF-15是在血细胞分化成熟的后期表达的，与细胞应激或凋亡相关[10]。在体外肝细胞培养过程中，大剂量的GDF-15（>5000pg/ml）可显著抑制铁调素的表达，但这一抑制并不是完全的，因此目前被认为是铁调素抑制因子。成熟的GDF-15为水溶性，在室温下稳定，在全血、血浆、血清及EDTA抗凝血中测定水平无差别。血液中白蛋白、胆红素、血红蛋白水平等不影响其测定，提示GDF-15水平可作为细胞损伤或凋亡的指标。但仍需要更多的试验来检测在更多疾病状态下GDF-15这一指标的敏感性和特异性。健康成人血液中GDF-15的平均水平为200-1150pg/ml。由于在正常造血及骨髓移植后造血恢复过程中，均未检测到GDF-15水平的明显升高，因此我们推测GDF-15并不参与生理性红细胞生成过程的调节；而无效造血时GDF-15明显升高，通过抑制铁调素水平而导致病理性铁过载[11]。最常见于β地中海贫血患者，其体内GDF-15水平可达到500-25000pg/ml，其次见于CDA Ⅰ型、环铁幼粒细胞性贫血，在某些酶缺乏性疾病（如丙酮酸激酶缺乏症）患者体内也有升高，但较地中海贫血升高幅度小。由于在CDA Ⅱ也可出现不同程度的无效造血，在CDA Ⅱ型患者中也可观察到GDF-15的升高[12]。需要注意的是，在肿瘤、感染、慢性病性贫血时，GDF-15水平也有不同程度升高。

红系造血祖细胞分泌的另一种重要的分子即Twisted Gastrulation（TWSG1）。这一分子是在研究红系祖细胞转录过程中发现的。随着研究的深入，我们假定TWSG1通过与分泌型铁调素调节蛋白（sHJV）类似的方式发挥调节铁调素表的的作用。铁调素调节蛋白对铁调素发挥重要的调节作用。膜结合的HJV是BMP的辅助受体，溶解型的HJV通过干扰BMP信号转导发挥下调铁调素水平的作用。TWSG1基因转录生成一种小的、分泌型富含半胱氨酸的蛋白质，干扰BMP与其受体的结合，从而抑制铁调素的表达。目前尚缺乏对TWSG1水平测定的研究。

β-地中海贫血是无效造血引起铁过载研究的模板。铁过载在地中海贫血中非常常见，特别是重型地中海贫血，无论是否合并输血依赖。β地中海贫血是由于异常β链的生成导致多余的α链沉积，导致红系祖细胞在髓内凋亡；而贫血反过来刺激红系祖细胞在骨髓内大量增殖，但由于过早凋亡并不能形成正常红细胞；二者形成恶性循环，通过上述机制发生铁过载。在β-地中海贫血患者中可明确检测到低水平的hepcidin，且在非输血依赖患者中也已经可以检测到血清铁的明显升高，甚至出现铁过载的临床表现[12][13]。骨髓异常增生综合征（MDS）患者中，贫血较重的患者常常会出现输血相关的铁过载，但部分患者在未输血时往往已出现铁过载，即无效造血相关的铁过载，其中单纯红系异常或低危的MDS患者，如MDS-RA及MDS-RARS更易出现铁过载表现。这是由于在RA及RARS中，非常活跃但无效的造血活动可通过成熟或非成熟红细胞分泌的一些调节蛋白及细胞因子，如GDF-15、TWSG1、BMP6等，显著抑制体内hepcidin的表达。当铁吸收增加、血清铁水平的升高后，并不能抑制上述过程，导致铁吸收不断增加及铁过载。这部分患者的铁载量的增加是进行性的，因为无效造血持续存在，这是刺激铁吸收增加的信号。目前一些研究也已证实，在未进行大量输血MDS患者中，甚至部分患者在诊断时已发现血清铁的明显升高，提示患者体内存在较活跃的无效造血；RA、RARS患者体内hepcidin水平明显低于其他类型的MDS。其次，RA及RARS患者因其预后较好、生存期较长，更易接受长期大量输血，也更易出现输血依赖性铁过载[14][15][16]。铁幼粒细胞性贫血不是由血红蛋白结构异常所致，是铁利用障碍性疾病，过多的铁蓄积在线粒体，线粒体围绕在红细胞周围形成“环”，即铁粒幼细胞。髓内凋亡是获得性铁粒幼细胞性贫血的特点之一。一些调节线粒体铁代谢的基因也可导致遗传性铁粒幼细胞性贫血。但是由于这些线粒体基因缺陷不仅局限于造血细胞，这些患者的组织铁过载可能不仅仅是由无效造血导致的。然而，铁、铁硫簇、血色素在红系祖细胞内运输的特殊化，可以有力的说明铁过载的病理过程中红细胞的受累。最近Sheftel et al报道，铁幼粒细胞与多种成红细胞铁及线粒体基因缺陷有关[1]。导致铁幼粒细胞性贫血的独立缺陷是否对于非造血组织的铁过载也有同样的作用，这一问题有待探讨。

4、与临床的结合

在以无效造血为特点的贫血性疾病如MDS、地中海贫血等中，如何判断患者是否存在铁过载、铁过载是否影响这些患者的预后及生存是非常重要的问题。骨髓异常增生性疾病（MDS）是一类较常见的克隆性骨髓增生性疾病，特点是无效造血及外周血细胞减低。8%的MDS患者诊断时血红蛋白低于10g/dl，大部分患者有输血依赖。输血依赖是绝大部分患者铁过载的病因。但由于无效造血刺激机体肠道吸收铁，在MDS患者病程中铁过载是一个进行性的过程。铁过载通过以下几方面影响MDS的生存：一是增加器官损害，包括心脏、肝脏等重要器官；二是增加MDS患者向AML转化的风险；三是增加感染几率。这是由于铁过载导致可诱导产生ROS的产生，而ROS可导致脂质过氧化、DNA氧化损伤、DNA双链断裂等，可导致基因不稳定，增加向AML转化的风险[4]。Malcovati et al.首先报道，输血依赖的MDS患者，铁过载会降低总体生存率及增加转化为AML的风险。在低危的MDS患者（IPSS小于1分或WPSS评分为低危）中，血清铁水平高者总体生存期短。一项在西班牙进行的2000例MDS患者的研究表明，SF高于1000ug/l或输血依赖的MDS患者，平均生存期短，且转化为AML的时间短[1]。非输血依赖的地中海贫血患者，随着年龄的增加，无效造血引起的铁过载逐渐加重。

这些提示我们定期检测患者体内的铁负荷非常重要，包括在疾病诊断时及未进行输血治疗时检测患者体内的铁负荷水平，可有助于间接评价患者体内无效造血活动的活跃程度，有助于判断预后及及时开始去铁治疗。这对于疾病本身较低危的患者尤为重要。目前主要可通过检测血清铁蛋白水平、转铁蛋白饱和度及MRI检测肝脏铁含量LIC等手段来评价体内铁负荷。对于随着对无效造血与铁过载的研究的深入，我们推测将来可通过检测铁调素水平或GDF15等细胞因子的水平来判断无效造血的严重程度，以提示是否需要关注铁负荷。

对于MDS患者，去铁治疗不仅适用于已经出现铁过载表现的患者，而且使用于低危的可能长期接受输血治疗的患者。对于进展型MDS，这部分患者常常在骨髓及外周血中有大量的blast，其生存期往往较短，从而没有机会表现出严重的铁过载临床症状。因此，运用去铁治疗难以使这部分患者受益。反之，MDS中预后较好的一部分患者，因更易接受较多的输血治疗，更易出现铁过载表现。当SF>1000ng/ml时，即需要开始去铁治疗，成功的去铁治疗也可以改善骨髓功能，MDS及骨髓纤维化的患者在这一点上同等受益。放血疗法是非常有效的治疗手段，但是由于大部分患者同时合并较重的贫血，因此往往并不适合这一方法[17]。除此之外，目前主要有去铁胺、去铁酮及地拉罗司等铁螯合剂来进行药物治疗。目前已在小鼠模型中证实，用短肽类的hepcidin类似物可以有效的控制铁浓度及预防铁过载，但这一治疗在人类中的安全性及有效性尚待研究[7]。

结论

无效造血是非输血依赖性继发性铁过载的主要原因。多种贫血性疾病如MDS等均可以无效造血为主要特点。铁调素是体内铁代谢过程的重要调控分子。无效造血主要通过多种机制抑制铁调素的生成，从而增加肠道、巨噬细胞、肝细胞内的铁释放入血。红系造血祖细胞在成熟过程中还可分泌多种细胞因子，干预铁调素作用途径。其中，GDF15是非常重要的、可能在铁调节过程中起重要调控作用的分子，在无效造血的患者体内水平明显升高，且易被检测、水平稳定，提示细胞破坏或凋亡增多。目前研究表明，无效造血导致的铁过载与贫血性疾病的预后相关。对有无效造血引起铁过载的高危患者进行去铁治疗是可以增加这类患者的获益的。随着研究的不断深入，我们期待关于红细胞生成与铁代谢相关的更多机制及深入联系可以得到发现，以指导临床实践。