Systémová homeostáza železa je koordinována jaterním hormonem hepcidinem.1 Hepcidin inhibuje export železa prostřednictvím buněčného transportéru železa ferroportinu, čímž zabraňuje vstřebávání železa a uvolňování recyklovaného nebo uskladněného železa do plazmy, což vede ke snížení plazmatické hladiny železa.2 Produkce hepcidinu se rychle a ve velkém dynamickém rozsahu mění, aby bylo zajištěno udržení homeostázy železa. Hepcidin je potlačován za podmínek, které vyžadují zvýšený přísun železa, jako je stresová erytropoéza, hypoxie, růst a těhotenství.43 Naopak hepcidin je indukován zátěží železem, aby se zabránilo hromadění nadbytečného železa, nebo zánětem jako součást obranné reakce hostitele na infekci.65 Ačkoli regulace hepcidinu jednotlivými podněty byla dobře prozkoumána, zejména na zvířecích modelech, stále nemáme představu o komplexní souhře protichůdných signálů při regulaci exprese hepcidinu a homeostázy železa u lidí.

V tomto čísle časopisu Haematologica Stoffel a spol. referují o prospektivní studii u mladých žen, jejímž cílem bylo zhodnotit relativní podíl anémie z nedostatku železa a akutního zánětlivého podnětu na homeostáze železa7 (obr. 1). Do dobře kontrolované studie bylo zařazeno celkem 46 žen: 25 žen bez anémie a 21 žen s anémií z nedostatku železa (IDA). Ve srovnání se svými neanemickými protějšky měly anemické ženy o 2 g/dl nižší hemoglobin, nižší sérové železo, saturaci transferinem, feritin a tělesné zásoby železa a vyšší erytropoetin a sérový transferinový receptor. Ze studie byly vyloučeny subjekty s matoucími faktory ovlivňujícími metabolismus železa, včetně již existujícího zánětu, chronického onemocnění, obezity, těhotenství nebo suplementace vitamíny a/nebo minerály po dobu dvou týdnů před zahájením studie a během ní. U všech subjektů byl modelován akutní zánětlivý podnět pomocí intramuskulární injekce vakcíny proti chřipce/difterii-tetanu a černému kašli. Zánětlivé markery a markery železa byly měřeny na začátku a 8, 24 a 36 hodin (h) po očkování.

Obrázek 1. Plán (A) a výsledky (B) prospektivní studie u žen, kterou provedli Stoffel et al7. Studie hodnotila relativní podíl anémie z nedostatku železa a akutních zánětlivých podnětů na homeostáze železa. h: hodiny; d: den.

Subjekty také dostávaly testovací jídla obsahující Fe (neradioaktivní izotop železa), která umožnila hodnocení inkorporace Fe do erytrocytů jako míry absorpce železa. První jídlo s Fe a první měření Fe v erytrocytech bylo dokončeno před zánětlivým podnětem („baseline“). Druhé Fe jídlo bylo podáno 24 hodin po vakcíně, v době maximálního nebo téměř maximálního zvýšení IL-6 a hepcidinu, a následovalo druhé měření Fe v erytrocytech . Přestože měření Fe v erytrocytech bylo provedeno 19 dní po každém požití Fe, mělo by přesně odrážet absorpci železa v den konzumace jídla z následujících důvodů. U lidí, kteří nejsou zatíženi železem, je většina absorbovaného železa naložena na transferin a je určena pro erytropoézu: ferrokinetické experimenty ukázaly, že po požití Fe je v erytrocytech po dvou týdnech detekováno přibližně 82-91 % absorbovaného radioaktivně značeného železa.98 Kromě toho je životnost erytrocytů přibližně 120 dní, což je mnohem déle, než trvalo měření ve studii Stoffela et al. Jakýkoli matoucí vliv recyklace Fe-červených krvinek a modulace toku recyklovaného železa hepcidinem by tedy byl minimální.

Podání vakcíny vyvolalo u obou kohort žen systémový zánět, což se projevilo zvýšením interleukinu-6 (IL-6), hlavního regulátoru produkce hepcidinu. Přesto byl v reakci na hepcidin překvapivý rozdíl. Sérový hepcidin se zvýšil ve skupině žen bez anémie během 24 hodin po očkování, ale ve skupině žen s IDA se nezměnil. IL-6 a hepcidin významně korelovaly 24 h po vakcinaci pouze u neanemické skupiny, ale ne u skupiny IDA. Hladina sérového železa odrážela reakci hepcidinu: v kohortě neanemiků bylo zvýšení sérového hepcidinu spojeno se snížením sérového železa, zatímco ve skupině IDA nebyla pozorována žádná změna sérového železa. Autoři proto dospěli k závěru, že během IDA regulace hepcidinu železem a/nebo erytropoetickou aktivitou nahrazuje regulaci hepcidinu akutním zánětem. Měření inkorporace železa do erytrocytů z testovacích jídel značených Fe poskytlo cenný pohled na absorpci železa před a po akutním zánětlivém podnětu. Inkorporace železa do erytrocytů byla vyšší u osob s IDA ve srovnání s osobami bez anémie ve všech zkoumaných časových bodech, což odráží zvýšenou absorpci železa u této skupiny. Zajímavé je, že inkorporace Fe do erytrocytů nebyla ovlivněna zánětem v žádné ze skupin, a to i přes zvýšený hepcidin u neanemických žen. Jak autoři uvádějí, možným vysvětlením je, že enterocyty mohou být méně citlivé na účinek hepcidinu než recyklující makrofágy.10 Mírné zvýšení hepcidinu po očkování u neanemických žen by tedy mohlo způsobit hypoferémii, aniž by zároveň ovlivnilo duodenální absorpci Fe, protože koncentrace železa v séru je převážně určována exportem železa makrofágy. Je zajímavé, že u neanemické skupiny inkorporace Fe do erytrocytů nepřímo korelovala se sérovým hepcidinem jak na počátku (r=-0,792; P<0,001), tak po očkování (r=-0,708; P<0,001). To naznačuje, že v širším rozmezí koncentrací hepcidin skutečně moduluje vstřebávání železa, ale že změny hepcidinu po očkování byly příliš malé na to, aby měly vliv na enterocyty.

Tato studie je první, která testuje dynamickou hierarchickou regulaci hepcidinu železem a zánětem v dobře kontrolované studii u lidí, a ukázala, že anémie z nedostatku železa působí v tomto prostředí dominantněji než akutní zánět. Jaký molekulární mechanismus by mohl toto pozorování vysvětlit? Promotor hepcidinu obsahuje jak elementy odpovědi na kostní morfogenetický protein (BMP), tak STAT3-RE.11 Regulace hepcidinu zprostředkovaná železem probíhá prostřednictvím dráhy BMP-SMAD. Předpokládá se, že jaterní sinusoidální endotelové buňky vylučují BMP2 a BMP6 úměrně zásobám železa v játrech;1312 tyto ligandy pak působí parakrinně a vážou receptory BMP a jejich koreceptor hemojuvelin (HJV) na hepatocytech, čímž indukují fosforylaci SMAD1/5. Fosforylovaný SMAD1/5 tvoří komplex se SMAD4, přemisťuje se do jádra hepatocytů a váže se na BMP-RE, čímž indukuje expresi hepcidinu. Předpokládá se, že koncentrace holo-transferinu, která je snímána proteiny TfR1/HFE a TfR2 na hepatocytech, rovněž moduluje stejnou signální dráhu BMP v těchto buňkách. Nízké zásoby železa a nízká hladina cirkulujícího železa (pozorovaná u skupiny IDA v této studii) by vedly ke snížené signalizaci BMP a nízké úrovni transkripce hepcidinu. Nízká hladina hepcidinu by pak umožnila zvýšenou absorpci a mobilizaci železa ze zásob. V přítomnosti infekce se však zvýšená biologická dostupnost železa stává přítěží, protože patogeny rovněž potřebují železo k proliferaci a přežití. Jako součást obrany hostitele je hepcidin indukován infekcí a zánětem, aby omezil dostupnost železa pro patogeny. Regulace hepcidinu infekcí a zánětem je z velké části zprostředkována IL-6.14 Vazba IL-6 na jeho receptor IL-6Rα a ko-receptor gp130 vede k fosforylaci JAK1/2 v hepatocytech, který pak fosforyluje STAT3. Ten pak dimerizuje a přemisťuje se do jádra, aby indukoval expresi hepcidinu.

Důležité je, že se ukázalo, že dráha BMP synergicky spolupracuje s dráhou STAT3 a indukuje transkripci hepcidinu. Přerušení BMP-RE v linii jaterních buněk oslabilo odpověď hepcidinu na IL-6.15 Studie využívající myší modely prokázaly, že indukce hepcidinu v reakci na zánět je otupena, pokud je geneticky narušena jaterní signalizace BMP.2016 Absence HJV nebo ALK3 zabránila indukci hepcidinu in vivo po akutním zánětlivém stimulu (LPS nebo IL-6).17 Podobně u myší s knockoutem Hfe a Tfr2 byla indukce hepcidinu v reakci na LPS rovněž otupena.16 Ačkoli tyto studie na myších nemodelovaly anémii z nedostatku železa, jaká byla pozorována u subjektů studie Stoffel et al.7 , poskytly principiální důkaz, že dráha BMP hraje důležitou roli v reakci hepcidinu na zánět.

Je však třeba určit, zda předpokládané snížení signalizace BMP-SMAD u subjektů studie je způsobeno nedostatkem železa, nebo anémií a zvýšenou erytropoetickou aktivitou, nebo kombinací těchto faktorů. Anémie indukuje sekreci erytropoetinu (EPO) ledvinami.21 EPO zase působí na erytroblasty kostní dřeně a indukuje expresi erytroferonu (ERFE),22 přičemž se ukázalo, že ERFE funguje jako past BMP, která potlačuje hepcidin.23 Ačkoli EPO byl u subjektů s IDA v této studii zvýšený, sérové hladiny ERFE nebyly měřeny, ale mohly by poskytnout pohled na podíl anémie na otupené hepcidinové odpovědi. Bylo by zajímavé zjistit, zda samotný nedostatek železa stačí k zabránění indukce hepcidinu po akutní zánětlivé stimulaci. Ve skutečnosti byl u osmi z 25 žen ve skupině bez anémie zjištěn nedostatek železa, ale nebyly analyzovány jako podskupina, aby se určil příspěvek anémie oproti nedostatku železa.

Kromě konvergence signálů na promotor hepcidinu je dalším aspektem, který je třeba zvážit při regulaci hepcidinu, relativní síla a trvání jednotlivých signálů. V této studii byla anémie z nedostatku železa relativně mírná (medián hemoglobinu 11,3 g/dl), ale pravděpodobně chronická. Zánětlivý signál byl mírný a pravděpodobně přechodný, přičemž IL-6 se po očkování zvýšil přibližně 2-3krát ve srovnání s výchozí hodnotou. Indukce hepcidinu byla podobně mírná: ve skupině bez anémie se hladina hepcidinu zvýšila do 24 hodin 2krát ve srovnání s výchozí hodnotou. Zda by silnější nebo dlouhodobější zánětlivý podnět, například při aktivní infekci, převážil nad účinkem IDA na hepcidin, je třeba ještě zjistit. Nicméně ve shodě se Stoffelem a spol. průřezová studie, která srovnávala pacienty s anémií chronického onemocnění (ACD) s pacienty s IDA nebo smíšeným stavem ACD/IDA, uvádí, že hepcidin byl u pacientů s ACD zvýšen ve srovnání s kontrolními osobami, ale u pacientů se smíšeným stavem ACD/IDA byly navzdory zvýšené hladině IL-6 hladiny hepcidinu srovnatelné s hladinami pozorovanými u pacientů s IDA.24

Závěrem lze říci, že údaje získané z dobře navržené a dobře provedené prospektivní studie na lidských subjektech, kterou provedli Stoffel a kol. podporují závěr, že během anémie z nedostatku železa je při výzvě mírného, ale přechodného akutního zánětu upřednostněno získávání železa před jeho restrikcí. Otázky týkající se molekulárního mechanismu a relativního podílu erytropoetické aktivity versus nedostatku železa při prevenci zánětem zprostředkovaného zvýšení hepcidinu je třeba ještě zodpovědět. Důležité je, že tato studie na lidech je průkopníkem analýzy vzájemného působení nedostatku železa a zánětu, což je téma velmi důležité pro navrhování a provádění politik prevence a léčby anémie v oblastech, kde jsou nedostatek železa, infekce a zánět až příliš časté.

Poděkování a zveřejněné informace

Zdroje podpory: NIH Ruth L. Kirschstein National Research Service Award T32-5T32HL072752-13 (pro VS). CS je akcionářem a vědeckým poradcem společnosti Intrinsic LifeSciences.

1. Ganz T. Systemic iron homeostasis. Physiol Rev. 2013; 93(4):1721-1741. PubMedhttps://doi.org/10.1152/physrev.00008.2013Google Scholar
2. Nemeth E, Tuttle MS, Powelson J. Hepcidin reguluje buněčný eflux železa vazbou na ferroportin a indukcí jeho internalizace. Science. 2004; 306(5704):2090-2093. PubMedhttps://doi.org/10.1126/science.1104742Google Scholar
3. Sangkhae V, Nemeth E. Regulation of the Iron Homeostatic Hormone Hepcidin. Adv Nutr. 2017; 8(1):126-136. PubMedhttps://doi.org/10.3945/an.116.013961Google Scholar
4. Nicolas G, Chauvet C, Viatte L. The gene encoding the iron regulatory peptide hepcidin is regulated by anemia, hypoxia, and inflammation. J Clin Invest. 2002; 110(7):1037-1044. PubMedhttps://doi.org/10.1172/JCI200215686Google Scholar
5. Cassat JE, Skaar EP. Železo v infekci a imunitě. Cell Host Microbe. 2013; 13(5):509-519. PubMedhttps://doi.org/10.1016/j.chom.2013.04.010Google Scholar
6. Arezes J, Jung G, Gabayan V. Hepcidinem indukovaná hypoferémie je kritickým obranným mechanismem hostitele proti siderofilní bakterii Vibrio vulnificus. Cell Host Microbe. 2015; 17(1):47-57. PubMedhttps://doi.org/10.1016/j.chom.2014.12.001Google Scholar
7. Stoffel NU, Lazrak M, Bellitir S. The opposing effects of acute inflammation and iron deficiency anemia on serum hepcidin and iron absorption in young women. Haematologica. 2019; 104(6):1143-1149. PubMedhttps://doi.org/10.3324/haematol.2018.208645Google Scholar
8. Marx JJ, Dinant HJ. Ferrokinetika a absorpce železa v červených krvinkách ve stáří: důkaz zvýšené retence železa v játrech? Haematologica. 1982; 67(2):161-168. PubMedGoogle Scholar
9. Marx JJ. Normální absorpce železa a snížený příjem železa z červených krvinek ve stáří. Krev. 1979; 53(2):204-211. PubMedGoogle Scholar
10. Chaston T, Chung B, Mascarenhas M. Evidence for differential effects of hepcidin in macrophages and intestinal epithelial cells. Gut. 2008; 57(3):374-382. PubMedhttps://doi.org/10.1136/gut.2007.131722Google Scholar
11. Truksa J, Lee P, Beutler E. Dva elementy reagující na BMP, STAT a motivy bZIP/HNF4/COUP promotoru hepcidinu jsou kritické pro reaktivitu na BMP, SMAD1 a HJV. Blood. 2009; 113(3):688-695. PubMedhttps://doi.org/10.1182/blood-2008-05-160184Google Scholar
12. Canali S, Zumbrennen-Bullough KB, Core AB. Endotelové buňky produkují kostní morfogenetický protein 6 potřebný pro homeostázu železa u myší. Blood. 2017; 129(4):405-414. PubMedhttps://doi.org/10.1182/blood-2016-06-721571Google Scholar
13. Koch PS, Olsavszky V, Ulbrich F. Angiocrine Bmp2 signaling in murine liver controls normal iron homeostasis. Blood. 2017; 129(4):415-419. PubMedhttps://doi.org/10.1182/blood-2016-07-729822Google Scholar
14. Nemeth E, Rivera S, Gabayan V. IL-6 zprostředkovává hypoferémii zánětu indukcí syntézy regulačního hormonu železa hepcidinu. J Clin Invest. 2004; 113(9):1271-1276. PubMedhttps://doi.org/10.1172/JCI200420945Google Scholar
15. Verga Falzacappa MV, Casanovas G, Hentze MW, Muckenthaler MU. Element reagující na kostní morfogenetický protein (BMP) v promotoru hepcidinu řídí expresi jaterního hepcidinu zprostředkovanou HFE2 a jeho odpověď na IL-6 v kultivovaných buňkách. J Mol Med. 2008; 86(5):531-540. PubMedhttps://doi.org/10.1007/s00109-008-0313-7Google Scholar
16. Wallace DF, McDonald CJ, Ostini L, Subramaniam VN. Otupená odpověď hepcidinu na zánět při absenci Hfe a transferinového receptoru 2. Blood. 2011; 117(10):2960-2966. PubMedhttps://doi.org/10.1182/blood-2010-08-303859Google Scholar
17. Fillebeen C, Wilkinson N, Charlebois E, Katsarou A, Wagner J, Pantopoulos K. Hepcidin-mediated hypoferremic response to acute inflammation requires a threshold of Bmp6/Hjv/Smad signaling. Blood. 2018; 132(17):1829-1841. PubMedhttps://doi.org/10.1182/blood-2018-03-841197Google Scholar
18. Huang H, Constante M, Layoun A, Santos MM. Příspěvek drah STAT3 a SMAD4 k regulaci hepcidinu protichůdnými podněty. Blood. 2009; 113(15):3593-3599. PubMedhttps://doi.org/10.1182/blood-2008-08-173641Google Scholar
19. Steinbicker AU, Sachidanandan C, Vonner AJ. Inhibice signalizace kostního morfogenetického proteinu tlumí anémii spojenou se zánětem. Blood. 2011; 117(18):4915-4923. PubMedhttps://doi.org/10.1182/blood-2010-10-313064Google Scholar
20. Mayeur C, Lohmeyer LK, Leyton P. The type I BMP receptor Alk3 is required for the induction of hepatic hepcidin gene expression by interleukin-6. (Receptor BMP typu I Alk3 je nezbytný pro indukci exprese jaterního genu pro hepcidin interleukinem-6). Blood. 2014; 123(14):2261-2268. PubMedhttps://doi.org/10.1182/blood-2013-02-480095Google Scholar
21. Haase VH. Regulace erytropoézy hypoxií indukovanými faktory. Blood Rev. 2013; 27(1):41-53. PubMedhttps://doi.org/10.1016/j.blre.2012.12.003Google Scholar
22. Kautz L, Jung G, Valore EV, Rivella S, Nemeth E, Ganz T. Identification of erythroferrone as an erythroid regulator of iron metabolism. Nature Genet. 2014; 46(7):678-684. PubMedhttps://doi.org/10.1038/ng.2996Google Scholar
23. Arezes J, Foy N, McHugh K. Erythroferrone inhibits induction of hepcidin by BMP6. Blood. 2018; 132(14):1473-1477. PubMedhttps://doi.org/10.1182/blood-2018-06-857995Google Scholar
24. Theurl I, Aigner E, Theurl M. Regulation of iron homeostasis in anemia of chronic disease and iron deficiency anemia: diagnostic and therapeutic implications. Blood. 2009; 113(21):5277-5286. PubMedhttps://doi.org/10.1182/blood-2008-12-195651Google Scholar

.