Systemisk jernhomøostase koordineres af det hepatiske hormon hepcidin.1 Hepcidin hæmmer jerneksport gennem den cellulære jerntransportør ferroportin og forhindrer derved jernoptagelse og frigivelse af genanvendt eller oplagret jern til plasma, hvilket resulterer i nedsatte plasmajernniveauer.2 Hepcidinproduktionen ændrer sig hurtigt og over et stort dynamisk område for at sikre opretholdelse af jernhomøostase. Hepcidin undertrykkes under forhold, der kræver øget jernforsyning, såsom stress-erytropoiese, hypoxi, vækst og graviditet.43 Omvendt induceres hepcidin ved jernbelastning for at forhindre ophobning af overskydende jern eller ved inflammation som en del af værtens forsvarsreaktion på infektion.65 Selv om reguleringen af hepcidin ved enkeltstående stimuli er blevet godt undersøgt, især i dyremodeller, har vi stadig ikke en forståelse af det komplekse samspil mellem modsatrettede signaler i reguleringen af hepcidinudtryk og jernhomeostase hos mennesker.

I dette nummer af Haematologica rapporterer Stoffel et al. om en prospektiv undersøgelse hos unge kvinder for at evaluere det relative bidrag af jernmangelanæmi og akut inflammatorisk stimulus til jernhomeostase7 (Figur 1). Den velkontrollerede undersøgelse omfattede i alt 46 kvinder: 25 ikke-anæmiske kvinder og 21 kvinder med jernmangelanæmi (IDA). Sammenlignet med deres ikke-anæmiske modstykker havde anæmiske kvinder 2 g/dL lavere hæmoglobin, lavere serumjern, transferrinmætning, ferritin og kroppens jernlagre samt højere erythropoietin- og serumtransferrinreceptor. Undersøgelsen udelukkede forsøgspersoner med forstyrrende faktorer, der påvirker jernmetabolismen, herunder forudgående inflammation, kronisk sygdom, fedme, graviditet eller vitamin- og/eller mineraltilskud i to uger før og under undersøgelsen. En akut inflammatorisk stimulus blev modelleret ved hjælp af en intramuskulær injektion af en influenza/diphteria-tetanus-pertussis-vaccine hos alle forsøgspersoner. Inflammatoriske og jernmarkører blev målt ved baseline og 8, 24 og 36 timer (h) efter vaccinationen.

Figur 1.Design (A) og resultater (B) af den prospektive undersøgelse hos kvinder af Stoffel et al.7 Undersøgelsen evaluerede det relative bidrag fra jernmangelanæmi og akutte inflammatoriske stimuli til jernhomeostase. h: timer; d: dag.

Personerne fik også testmåltider, der indeholdt Fe (ikke-radioaktiv isotop af jern), som gjorde det muligt at vurdere erytrocyt Fe-inkorporering som et mål for jernoptagelse. Det første Fe-måltid og den første erytrocyt Fe-måling blev gennemført før den inflammatoriske stimulus (“baseline”). Det andet Fe-måltid blev indtaget 24 timer efter vaccinen på tidspunktet for den maksimale eller næsten maksimale stigning i IL-6 og hepcidin, efterfulgt af den anden Fe-måling af erytrocytterne . Selv om erytrocyt Fe-målingerne blev udført 19 dage efter hver indtagelse af Fe, bør de af følgende årsager nøje afspejle jernoptagelsen på dagen for måltidets indtagelse. Hos mennesker, der ikke er jernbelastede, bliver størstedelen af det absorberede jern lagt på transferrin og er bestemt til erytropoiese: ferrokinetiske eksperimenter viste, at efter indtagelse af Fe påvises ca. 82-91 % af det absorberede radiomærkede jern i erytrocytterne efter to uger.98 Desuden er erytrocytternes levetid ca. 120 dage, hvilket er meget længere end varigheden af Stoffel et al.s undersøgelse. Derfor ville en eventuel forvekslingseffekt af Fe-røde blodcellers genbrug og hepcidin-modulering af de genbrugte jernstrømme have været minimal.

Vaccineadministration inducerede systemisk inflammation i begge kohorter af kvinder, som afspejlet af en stigning i interleukin-6 (IL-6), en vigtig regulator af hepcidinproduktionen. På trods af dette var der en overraskende forskel i hepcidinresponset. Serumhepcidin steg i den ikke-anæmiske gruppe inden for 24 timer efter vaccinationen, men var uændret i IDA-gruppen. IL-6 og hepcidin korrelerede signifikant 24 timer efter vaccinationen kun i den ikke-anæmiske gruppe, men ikke i IDA-gruppen. Serumjernniveauerne afspejlede hepcidinresponset: i den ikke-anæmiske kohorte var øget serumhepcidin forbundet med nedsat serumjern, mens der i IDA-gruppen ikke blev observeret nogen ændring i serumjern. Forfatterne konkluderede derfor, at under IDA erstatter reguleringen af hepcidin af jern og/eller erythropoetisk aktivitet hepcidinreguleringen af akut inflammation. Måling af erytrocyt jernoptagelse fra Fe-mærkede testmåltider gav et værdifuldt indblik i jernoptagelsen før og efter den akutte inflammatoriske stimulus. Erythrocyt jernoptagelse var højere i IDA sammenlignet med ikke-anæmiske personer på alle undersøgte tidspunkter, hvilket afspejler øget jernoptagelse i denne gruppe. Interessant nok blev erytrocyt Fe-inkorporering ikke påvirket af inflammation i nogen af grupperne, på trods af øget hepcidin hos de ikke-anæmiske kvinder. Som forfatterne påpeger, er en mulig forklaring, at enterocytter kan være mindre følsomme over for virkningen af hepcidin end genbrugsmakrofager.10 Således kunne en moderat stigning i hepcidin efter vaccination hos ikke-anæmiske kvinder forårsage hypoferæmi uden samtidig at påvirke den duodenale Fe-absorption, fordi serumjernkoncentrationen overvejende bestemmes af makrofagernes jerneksport. Interessant nok var der i den ikke-anæmiske gruppe en omvendt korrelation mellem erytrocyt Fe-inkorporering og serumhepcidin både ved baseline (r=-0,792; P<0,001) og efter vaccination (r=-0,708; P<0,001). Dette tyder på, at hepcidin over et bredere koncentrationsområde modulerer jernoptagelsen, men at hepcidinændringer efter vaccinationen var for små til at udøve en effekt på enterocytter.

Denne undersøgelse er den første til at teste den dynamiske hierarkiske regulering af hepcidin af jern og inflammation i et velkontrolleret forsøg hos mennesker, og viste, at jernmangelanæmi udøvede en dominerende effekt frem for den af akut inflammation i denne indstilling. Hvad er den molekylære mekanisme, der kan forklare denne observation? Hepcidinpromotoren indeholder både bone morfogenetic protein (BMP)-responselementer (RE) og et STAT3-RE.11 Jernmedieret hepcidinregulering sker via BMP-SMAD-vejen. Det antages, at leverens sinusoidale endothelceller udskiller BMP2 og BMP6 i forhold til leverens jernlagre;1312 disse ligander virker derefter på en parakrin måde og binder BMP-receptorer og deres co-receptor hemojuvelin (HJV) på hepatocytter for at inducere fosforylering af SMAD1/5. Fosforyleret SMAD1/5 danner et kompleks med SMAD4, translokaliseres til hepatocytkernen og binder sig til BMP-RE for at inducere hepcidinekspression. Holo-transferrin-koncentrationer, som registreres af TfR1/HFE- og TfR2-proteinerne på hepatocytter, menes også at modulere den samme BMP-signalvej i disse celler. Lave jernlagre og lavt cirkulerende jernindhold (observeret i IDA-gruppen i denne undersøgelse) ville resultere i nedsat BMP-signalering og et lavt niveau af hepcidin-transkription. Lavt hepcidin ville så give mulighed for øget jernoptagelse og mobilisering fra lagrene. I tilstedeværelse af infektion bliver øget biotilgængelighed af jern imidlertid et problem, da patogener også kræver jern til proliferation og overlevelse. Som en del af værtsforsvaret induceres hepcidin ved infektion og inflammation for at begrænse jerntilgængeligheden for patogener. Hepcidinregulering ved infektion og inflammation formidles i vid udstrækning af IL-6.14 IL-6-binding til dets receptor, IL-6Rα, og co-receptor, gp130, resulterer i fosforylering af JAK1/2 i hepatocytter, som derefter fosforylerer STAT3. Denne dimeriseres derefter og translokeres til kernen for at inducere hepcidinekspression.

Vigtigt nok blev det vist, at BMP-vejen synergerer med STAT3-vejen for at inducere hepcidin-transkription. Afbrydelse af BMP-RE i en levercellelinje forringede hepcidinresponset på IL-6.15 Undersøgelser med brug af musemodeller har vist, at hepcidininduktion som respons på inflammation er afstumpet, når hepatisk BMP-signalering er genetisk afbrudt.2016 Fravær af HJV eller ALK3 forhindrede induktion af hepcidin in vivo efter akut inflammatorisk stimulus (LPS eller IL-6).17 Tilsvarende blev hepcidininduktion som respons på LPS også afstumpet i Hfe- og Tfr2 knockout-mus.16 Selv om disse musestudier ikke modellerede jernmangelanæmi, som det blev set hos forsøgspersonerne i Stoffel et al.7 , gav de et principielt bevis for, at BMP-vejen spiller en vigtig rolle i hepcidinresponsivitet over for inflammation.

Det skal dog stadig afgøres, om det formodede fald i BMP-SMAD-signalering hos forsøgspersonerne i undersøgelsen skyldes jernmangel eller anæmi og øget erythropoetisk aktivitet eller en kombination af disse faktorer. Anæmi inducerer udskillelse af erythropoietin (EPO) fra nyrerne.21 EPO virker igen på knoglemarvens erythroblaster for at inducere ekspression af erythroferron (ERFE)22 , og det er vist, at ERFE fungerer som en BMP-fælde for at undertrykke hepcidin.23 Selv om EPO var forhøjet hos IDA-personerne i denne undersøgelse, blev ERFE-niveauerne i serum ikke målt, men kunne give indsigt i anæmiens bidrag til den afstumpede hepcidinrespons. Det ville være interessant at se, om jernmangel alene er tilstrækkeligt til at forhindre hepcidininduktion efter akut inflammatorisk stimulering. Faktisk blev otte af de 25 kvinder i den ikke-anæmiske gruppe rapporteret at have jernmangel, men blev ikke analyseret som en undergruppe for at bestemme bidraget fra anæmi versus jernmangel.

Ud over konvergensen af signaler på hepcidinpromotoren er et andet aspekt, der skal overvejes i reguleringen af hepcidin, den relative styrke og varighed af hvert signal. I denne undersøgelse var jernmangelanæmi relativt mild (medianhæmoglobin på 11,3 g/dL), men sandsynligvis kronisk. Det inflammatoriske signal var moderat og sandsynligvis forbigående, idet IL-6 steg ca. 2-3 gange efter vaccinationen i forhold til baseline. Hepcidin-induktionen var ligeledes moderat: i den ikke-anæmiske gruppe steg hepcidin-niveauerne 2 gange inden 24 timer i forhold til baseline. Det er endnu ikke afgjort, om en stærkere eller mere langvarig inflammatorisk stimulus, f.eks. under en aktiv infektion, ville tilsidesætte virkningen af IDA på hepcidin. Ikke desto mindre blev det i overensstemmelse med Stoffel et al. i en tværsnitsundersøgelse, der sammenlignede patienter med anæmi i forbindelse med kronisk sygdom (ACD) med patienter med IDA eller blandet ACD/IDA-tilstand, rapporteret, at hepcidin var forhøjet hos patienter med ACD sammenlignet med kontrolpersoner, men at hepcidinniveauerne hos patienter med blandet ACD/IDA, trods forhøjet IL-6, var sammenlignelige med dem, der blev observeret hos IDA-patienter24 .

Sammenfattende støtter de data, der er opnået fra Stoffel et al.’s veltilrettelagte og veludførte prospektive undersøgelse på mennesker, konklusionen, at under jernmangelanæmi, når den udfordres af moderat, men forbigående akut inflammation, prioriteres jerntilvækst frem for jernrestriktion. Spørgsmålene om den molekylære mekanisme og det relative bidrag fra erythropoetisk aktivitet versus jernmangel til forebyggelse af en inflammationsmedieret stigning i hepcidin mangler stadig at blive besvaret. Det er vigtigt, at denne undersøgelse af mennesker er banebrydende for analysen af interaktionerne mellem jernmangel og inflammation, et emne af stor betydning for udformning og gennemførelse af politikker til forebyggelse og behandling af anæmi i regioner, hvor jernmangel, infektion og inflammation er alt for almindelige.

Anerkendelser og afsløringer

Kilder til støtte: NIH Ruth L. Kirschstein National Research Service Award T32-5T32HL072752-13 (til VS). EN er aktionær og videnskabelig rådgiver i Intrinsic LifeSciences.

2. Ganz T. Systemisk jernhomøostase. Physiol Rev. 2013; 93(4):1721-1741. PubMedhttps://doi.org/10.1152/physrev.00008.2013Google Scholar
3. Nemeth E, Tuttle MS, Powelson J. Hepcidin regulerer cellulær jernudstrømning ved at binde sig til ferroportin og fremkalde dets internalisering. Science. 2004; 306(5704):2090-2093. PubMedhttps://doi.org/10.1126/science.1104742Google Scholar
4. 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
5. Nicolas G, Chauvet C, Viatte L. Genet, der koder for det jernregulerende peptid hepcidin, er reguleret af anæmi, hypoxi og inflammation. J Clin Invest. 2002; 110(7):1037-1044. PubMedhttps://doi.org/10.1172/JCI200215686Google Scholar
6. Cassat JE, Skaar EP. Jern i infektion og immunitet. Cell Host Microbe. 2013; 13(5):509-519. PubMedhttps://doi.org/10.1016/j.chom.2013.04.010Google Scholar
7. Arezes J, Jung G, Gabayan V. Hepcidin-induceret hypoferremia er en kritisk værtsforsvarsmekanisme mod den siderofile bakterie Vibrio vulnificus. Cell Host Microbe. 2015; 17(1):47-57. PubMedhttps://doi.org/10.1016/j.chom.2014.12.001Google Scholar
8. Stoffel NU, Lazrak M, Bellitir S. De modsatrettede virkninger af akut inflammation og jernmangelanæmi på serumhepcidin og jernoptagelse hos unge kvinder. Haematologica. 2019; 104(6):1143-1149. PubMedhttps://doi.org/10.3324/haematol.2018.208645Google Scholar
10. Marx JJ, Dinant HJ. Ferrokinetik og jernoptagelse i røde celler i alderdommen: beviser for øget jernretention i leveren?. Haematologica. 1982; 67(2):161-168. PubMedGoogle Scholar
11. Marx JJ. Normal jernoptagelse og nedsat jernoptagelse i røde celler hos ældre mennesker. Blod. 1979; 53(2):204-211. PubMedGoogle Scholar
12. Chaston T, Chung B, Mascarenhas M. Bevis for differentielle virkninger af hepcidin i makrofager og tarmepithelceller. Gut. 2008; 57(3):374-382. PubMedhttps://doi.org/10.1136/gut.2007.131722Google Scholar
13. Truksa J, Lee P, Beutler E. To BMP-responsive elementer, STAT og bZIP/HNF4/COUP-motiver af hepcidinpromotoren er kritiske for BMP-, SMAD1- og HJV-responsivitet. Blod. 2009; 113(3):688-695. PubMedhttps://doi.org/10.1182/blood-2008-05-160184Google Scholar
14. Canali S, Zumbrennen-Bullough KB, Core AB. Endothelceller producerer knoglemorfogenetisk protein 6, der er nødvendigt for jernhomøostase hos mus. Blod. 2017; 129(4):405-414. PubMedhttps://doi.org/10.1182/blood-2016-06-721571Google Scholar
15. Koch PS, Olsavszky V, Ulbrich F. Angiokrin Bmp2-signalering i murin lever kontrollerer normal jernhomeostase. Blood. 2017; 129(4):415-419. PubMedhttps://doi.org/10.1182/blood-2016-07-729822Google Scholar
16. Nemeth E, Rivera S, Gabayan V. IL-6 medierer hypoferremia af inflammation ved at inducere syntesen af det jernregulerende hormon hepcidin. J Clin Invest. 2004; 113(9):1271-1276. PubMedhttps://doi.org/10.1172/JCI200420945Google Scholar
17. Verga Falzacappa MV, Casanovas G, Hentze MW, Muckenthaler MU. Et BMP-reponsivt element (bone morphogenetic protein) i hepcidinpromotoren kontrollerer HFE2-medieret hepatisk hepcidinekspression og dens respons på IL-6 i dyrkede celler. J Mol Med. 2008; 86(5):531-540. PubMedhttps://doi.org/10.1007/s00109-008-0313-7Google Scholar
18. Wallace DF, McDonald CJ, Ostini L, Subramaniam VN. Afstumpet hepcidinrespons på inflammation i fravær af Hfe og transferrinreceptor 2. Blod. 2011; 117(10):2960-2966. PubMedhttps://doi.org/10.1182/blood-2010-08-303859Google Scholar
19. Fillebeen C, Wilkinson N, Charlebois E, Katsarou A, Wagner J, Pantopoulos K. Hepcidin-medieret hypoferremisk respons på akut inflammation kræver en tærskel for Bmp6/Hjv/Smad-signalering. Blod. 2018; 132(17):1829-1841. PubMedhttps://doi.org/10.1182/blood-2018-03-841197Google Scholar
20. Huang H, Constante M, Layoun A, Santos MM. Bidrag fra STAT3- og SMAD4-veje til regulering af hepcidin ved modsatrettede stimuli. Blood. 2009; 113(15):3593-3599. PubMedhttps://doi.org/10.1182/blood-2008-08-173641Google Scholar
21. Steinbicker AU, Sachidanandan C, Vonner AJ. Hæmning af signalering af knoglemorfogenetisk protein dæmper anæmi i forbindelse med inflammation. Blood. 2011; 117(18):4915-4923. PubMedhttps://doi.org/10.1182/blood-2010-10-313064Google Scholar
22. Mayeur C, Lohmeyer LK, Leyton P. Type I BMP-receptoren Alk3 er nødvendig for induktion af hepatisk hepcidin-genekspression ved interleukin-6. Blood. 2014; 123(14):2261-2268. PubMedhttps://doi.org/10.1182/blood-2013-02-480095Google Scholar
24. Haase VH. Regulering af erythropoiesis af hypoxi-inducerbare faktorer. Blood Rev. 2013; 27(1):41-53. PubMedhttps://doi.org/10.1016/j.blre.2012.12.003Google Scholar
25. Kautz L, Jung G, Valore EV, Rivella S, Nemeth E, Ganz T. Identifikation af erythroferron som en erythroide regulator af jernmetabolisme. Nature Genet. 2014; 46(7):678-684. PubMedhttps://doi.org/10.1038/ng.2996Google Scholar
26. Arezes J, Foy N, McHugh K. Erythroferron hæmmer induktionen af hepcidin af BMP6. Blood. 2018; 132(14):1473-1477. PubMedhttps://doi.org/10.1182/blood-2018-06-857995Google Scholar
27. 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