Die systemische Eisenhomöostase wird durch das hepatische Hormon Hepcidin koordiniert.1 Hepcidin hemmt den Eisenexport durch den zellulären Eisentransporter Ferroportin und verhindert dadurch die Eisenabsorption und die Freisetzung von recyceltem oder gespeichertem Eisen in das Plasma, was zu einem verringerten Plasmaeisenspiegel führt.2 Die Hepcidinproduktion ändert sich schnell und über einen großen dynamischen Bereich, um die Aufrechterhaltung der Eisenhomöostase zu gewährleisten. Hepcidin wird unter Bedingungen unterdrückt, die eine erhöhte Eisenzufuhr erfordern, wie z. B. Stress-Erythropoese, Hypoxie, Wachstum und Schwangerschaft.43 Umgekehrt wird Hepcidin durch Eisenbelastung induziert, um die Anhäufung von überschüssigem Eisen zu verhindern, oder durch Entzündungen als Teil der Abwehrreaktion des Wirts auf Infektionen.65 Obwohl die Regulierung von Hepcidin durch einzelne Stimuli gut untersucht wurde, insbesondere in Tiermodellen, haben wir immer noch kein Verständnis für das komplexe Zusammenspiel gegensätzlicher Signale bei der Regulierung der Hepcidin-Expression und der Eisenhomöostase beim Menschen.

In dieser Ausgabe von Haematologica berichten Stoffel et al. über eine prospektive Studie an jungen Frauen, um den relativen Beitrag von Eisenmangelanämie und akuten Entzündungsreizen zur Eisenhomöostase zu bewerten7 (Abbildung 1). An der gut kontrollierten Studie nahmen insgesamt 46 Frauen teil: 25 ohne Anämie und 21 mit Eisenmangelanämie (IDA). Im Vergleich zu den nicht anämischen Frauen wiesen die anämischen Frauen einen um 2 g/dL niedrigeren Hämoglobinwert, einen niedrigeren Serumeisenwert, eine niedrigere Transferrinsättigung, ein niedrigeres Ferritin und einen höheren körpereigenen Eisenspeicher sowie einen höheren Erythropoietin- und Serumtransferrinrezeptor auf. Von der Studie ausgeschlossen wurden Probanden mit Störfaktoren, die sich auf den Eisenstoffwechsel auswirken, wie vorbestehende Entzündungen, chronische Krankheiten, Fettleibigkeit, Schwangerschaft oder Vitamin- und/oder Mineralstoffsupplementierung für zwei Wochen vor und während der Studie. Bei allen Probanden wurde ein akuter Entzündungsreiz durch eine intramuskuläre Injektion eines Influenza/Diphtherie-Tetanus-Pertussis-Impfstoffs simuliert. Entzündungs- und Eisenmarker wurden zu Studienbeginn sowie 8, 24 und 36 Stunden (h) nach der Impfung gemessen.

Abbildung 1: Aufbau (A) und Ergebnisse (B) der prospektiven Studie an Frauen von Stoffel et al.7 Die Studie untersuchte den relativen Beitrag von Eisenmangelanämie und akuten Entzündungsreizen auf die Eisenhomöostase. h: Stunden; d: Tag.

Die Probanden erhielten auch Testmahlzeiten, die Fe (ein nichtradioaktives Eisenisotop) enthielten, was eine Bewertung der erythrozytären Fe-Inkorporation als Maß für die Eisenabsorption ermöglichte. Die erste Fe-Mahlzeit und die erste Erythrozyten-Fe-Messung wurden vor dem Entzündungsreiz („Baseline“) durchgeführt. Die zweite Fe-Mahlzeit wurde 24 Stunden nach dem Impfstoff verabreicht, zum Zeitpunkt des maximalen oder nahezu maximalen Anstiegs von IL-6 und Hepcidin, gefolgt von der zweiten Erythrozyten-Fe-Messung. Obwohl die Erythrozyten-Fe-Messungen 19 Tage nach jeder Fe-Aufnahme durchgeführt wurden, sollten sie aus folgenden Gründen die Eisenaufnahme am Tag des Verzehrs der Mahlzeit genau widerspiegeln. Bei Menschen, die nicht mit Eisen belastet sind, wird der größte Teil des absorbierten Eisens auf Transferrin geladen und ist für die Erythropoese bestimmt: Ferrokinetische Experimente haben gezeigt, dass nach der Aufnahme von Fe etwa 82-91 % des absorbierten radioaktiv markierten Eisens nach zwei Wochen in den Erythrozyten nachgewiesen werden.98 Außerdem beträgt die Lebensdauer der Erythrozyten etwa 120 Tage, also viel länger als die Dauer der Studie von Stoffel et al. Somit wäre jeder störende Effekt des Recyclings von Eisen in roten Blutkörperchen und der Modulation der recycelten Eisenströme durch Hepcidin minimal gewesen.

Die Verabreichung des Impfstoffs löste bei beiden Frauenkohorten eine systemische Entzündung aus, was sich in einem Anstieg von Interleukin-6 (IL-6), einem wichtigen Regulator der Hepcidinproduktion, widerspiegelte. Dennoch gab es einen überraschenden Unterschied in der Hepcidin-Reaktion. Das Serumhepcidin stieg in der nicht anämischen Gruppe innerhalb von 24 Stunden nach der Impfung an, während es in der IDA-Gruppe unverändert blieb. IL-6 und Hepcidin korrelierten 24 Stunden nach der Impfung nur in der nicht anämischen Gruppe signifikant, nicht aber in der IDA-Gruppe. Die Serum-Eisenwerte spiegelten die Hepcidin-Reaktion wider: In der nicht-anämischen Kohorte ging ein Anstieg des Serum-Hepcidins mit einem Rückgang des Serum-Eisens einher, während in der IDA-Gruppe keine Veränderung des Serum-Eisens beobachtet wurde. Die Autoren schlussfolgerten daher, dass während einer IDA die Regulierung von Hepcidin durch Eisen und/oder erythropoetische Aktivität die Hepcidin-Regulierung durch eine akute Entzündung überlagert. Die Messung des Eiseneinbaus in den Erythrozyten aus Fe-markierten Testmahlzeiten lieferte einen wertvollen Einblick in die Eisenaufnahme vor und nach dem akuten Entzündungsreiz. Der erythrozytäre Eiseneinbau war bei IDA im Vergleich zu nicht anämischen Probanden zu allen untersuchten Zeitpunkten höher, was eine erhöhte Eisenabsorption in dieser Gruppe widerspiegelt. Interessanterweise wurde der erythrozytäre Eiseneinbau in keiner der beiden Gruppen durch die Entzündung beeinflusst, obwohl die nicht anämischen Frauen einen erhöhten Hepcidinspiegel aufwiesen. Die Autoren weisen darauf hin, dass eine mögliche Erklärung darin besteht, dass Enterozyten weniger empfindlich auf die Wirkung von Hepcidin reagieren als Recycling-Makrophagen.10 So könnte ein moderater Anstieg von Hepcidin nach der Impfung bei nicht anämischen Frauen eine Hypoferremie verursachen, ohne gleichzeitig die duodenale Fe-Absorption zu beeinträchtigen, da die Serum-Eisenkonzentration überwiegend durch den Eisenexport der Makrophagen bestimmt wird. Interessanterweise war in der nicht anämischen Gruppe die erythrozytäre Fe-Inkorporation sowohl zu Beginn (r=-0,792; P<0,001) als auch nach der Impfung (r=-0,708; P<0,001) invers mit dem Serumhepcidin korreliert. Dies deutet darauf hin, dass Hepcidin in einem breiteren Konzentrationsbereich die Eisenabsorption moduliert, dass aber die Hepcidinveränderungen nach der Impfung zu gering waren, um eine Wirkung auf die Enterozyten auszuüben.

Diese Studie ist die erste, die die dynamische hierarchische Regulierung von Hepcidin durch Eisen und Entzündung in einer gut kontrollierten Studie am Menschen untersucht und gezeigt hat, dass Eisenmangelanämie in diesem Zusammenhang eine dominante Wirkung gegenüber der akuten Entzündung ausübt. Welches ist der molekulare Mechanismus, der diese Beobachtung erklären könnte? Der Hepcidin-Promotor enthält sowohl BMP-Reaktionselemente (Bone Morphogenetic Protein) als auch ein STAT3-RE.11 Die eisenvermittelte Hepcidin-Regulierung erfolgt über den BMP-SMAD-Weg. Man geht davon aus, dass die sinusoidalen Endothelzellen der Leber BMP2 und BMP6 im Verhältnis zu den Eisenspeichern der Leber sezernieren;1312 diese Liganden wirken dann parakrin und binden BMP-Rezeptoren und ihren Co-Rezeptor Hemojuvelin (HJV) auf Hepatozyten, um die Phosphorylierung von SMAD1/5 zu induzieren. Phosphorylierter SMAD1/5 bildet einen Komplex mit SMAD4, wandert in den Hepatozytenkern und bindet an das BMP-RE, um die Hepcidin-Expression zu induzieren. Es wird angenommen, dass die Holo-Transferrin-Konzentrationen, die von den TfR1/HFE- und TfR2-Proteinen auf den Hepatozyten wahrgenommen werden, auch denselben BMP-Signalweg in diesen Zellen modulieren. Niedrige Eisenspeicher und niedriges zirkulierendes Eisen (wie in der IDA-Gruppe in dieser Studie beobachtet) würden zu einer verminderten BMP-Signalisierung und einer niedrigen Hepcidin-Transkription führen. Niedriges Hepcidin würde dann eine erhöhte Eisenabsorption und Mobilisierung aus den Speichern ermöglichen. In Gegenwart einer Infektion wird die erhöhte Bioverfügbarkeit von Eisen jedoch zu einer Belastung, da auch Krankheitserreger Eisen für ihre Vermehrung und ihr Überleben benötigen. Als Teil der Wirtsabwehr wird Hepcidin durch Infektionen und Entzündungen induziert, um die Eisenverfügbarkeit für Krankheitserreger zu begrenzen. Die Regulierung von Hepcidin durch Infektionen und Entzündungen wird zu einem großen Teil durch IL-6 vermittelt.14 Die Bindung von IL-6 an seinen Rezeptor, IL-6Rα, und seinen Co-Rezeptor, gp130, führt zur Phosphorylierung von JAK1/2 in Hepatozyten, die dann STAT3 phosphoryliert. Dieser dimerisiert dann und wandert in den Zellkern, um die Hepcidin-Expression zu induzieren.

Es wurde gezeigt, dass der BMP-Signalweg mit dem STAT3-Signalweg synergiert, um die Hepcidin-Transkription zu induzieren. Die Unterbrechung des BMP-RE in einer Leberzelllinie beeinträchtigte die Hepcidin-Antwort auf IL-6.15 Studien mit Mausmodellen haben gezeigt, dass die Hepcidin-Induktion als Reaktion auf eine Entzündung abgeschwächt wird, wenn die BMP-Signalübertragung in der Leber genetisch unterbrochen ist.2016 Das Fehlen von HJV oder ALK3 verhinderte die Induktion von Hepcidin in vivo nach einem akuten Entzündungsreiz (LPS oder IL-6).17 In ähnlicher Weise war bei Hfe- und Tfr2-Knockout-Mäusen die Hepcidin-Induktion als Reaktion auf LPS ebenfalls abgeschwächt.16 Obwohl in diesen Mausstudien keine Eisenmangelanämie modelliert wurde, wie sie bei den Studienteilnehmern von Stoffel et al.7 zu beobachten war, lieferten sie den prinzipiellen Beweis dafür, dass der BMP-Signalweg eine wichtige Rolle bei der Hepcidin-Reaktion auf Entzündungen spielt.

Es bleibt jedoch zu klären, ob die vermutete Abnahme der BMP-SMAD-Signalübertragung bei den Studienteilnehmern durch Eisenmangel oder durch Anämie und erhöhte erythropoetische Aktivität oder eine Kombination dieser Faktoren verursacht wird. Anämie induziert die Sekretion von Erythropoetin (EPO) durch die Nieren.21 EPO wiederum wirkt auf die Erythroblasten im Knochenmark, um die Expression von Erythroferron (ERFE) zu induzieren,22 und ERFE fungiert nachweislich als BMP-Falle, um Hepcidin zu unterdrücken.23 Obwohl EPO bei IDA-Teilnehmern in dieser Studie erhöht war, wurden die ERFE-Spiegel im Serum nicht gemessen, könnten aber Aufschluss über den Beitrag der Anämie zur abgeschwächten Hepcidin-Reaktion geben. Es wäre interessant zu sehen, ob Eisenmangel allein ausreicht, um die Hepcidin-Induktion nach einem akuten Entzündungsreiz zu verhindern. Tatsächlich wurde berichtet, dass acht der 25 Frauen in der nicht anämischen Gruppe einen Eisenmangel aufwiesen, aber sie wurden nicht als Untergruppe analysiert, um den Beitrag der Anämie gegenüber dem Eisenmangel zu bestimmen.

Neben der Konvergenz der Signale am Hepcidin-Promotor ist ein weiterer Aspekt, der bei der Regulierung von Hepcidin zu berücksichtigen ist, die relative Stärke und Dauer jedes Signals. In dieser Studie war die Eisenmangelanämie relativ leicht (medianes Hämoglobin von 11,3 g/dL), aber wahrscheinlich chronisch. Das Entzündungssignal war mäßig und wahrscheinlich vorübergehend, wobei IL-6 nach der Impfung im Vergleich zum Ausgangswert um das 2-3-fache anstieg. Die Hepcidin-Induktion war ähnlich moderat: In der nicht anämischen Gruppe stiegen die Hepcidin-Werte bis 24 Stunden im Vergleich zum Ausgangswert um das Zweifache an. Ob ein stärkerer oder länger anhaltender Entzündungsreiz, wie z. B. während einer aktiven Infektion, die Wirkung von IDA auf Hepcidin aufheben würde, muss noch ermittelt werden. In Übereinstimmung mit Stoffel et al. wurde jedoch in einer Querschnittsstudie, in der Patienten mit Anämie bei chronischen Krankheiten (ACD) mit solchen mit IDA oder gemischtem ACD/IDA-Zustand verglichen wurden, berichtet, dass Hepcidin bei Patienten mit ACD im Vergleich zu Kontrollpersonen erhöht war, dass aber bei Patienten mit gemischtem ACD/IDA trotz erhöhtem IL-6 die Hepcidinwerte mit denen vergleichbar waren, die bei IDA-Patienten beobachtet wurden.24

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die Daten der gut konzipierten und durchgeführten prospektiven Studie von Stoffel et al. die Schlussfolgerung stützen, dass während einer Eisenmangelanämie, wenn sie durch eine moderate, aber vorübergehende akute Entzündung herausgefordert wird, die Eisenaufnahme Vorrang vor der Eisenrestriktion hat. Die Fragen nach dem molekularen Mechanismus und dem relativen Beitrag der erythropoetischen Aktivität gegenüber dem Eisenmangel bei der Verhinderung eines entzündungsbedingten Anstiegs von Hepcidin müssen noch beantwortet werden. Wichtig ist, dass diese Humanstudie Pionierarbeit bei der Analyse der Wechselwirkungen von Eisenmangel und Entzündungen leistet, ein Thema von großer Bedeutung für die Gestaltung und Umsetzung von Maßnahmen zur Vorbeugung und Behandlung von Anämie in Regionen, in denen Eisenmangel, Infektionen und Entzündungen nur allzu häufig vorkommen.

Anerkennungen und Offenlegungen

Quellen der Unterstützung: NIH Ruth L. Kirschstein National Research Service Award T32-5T32HL072752-13 (an VS). EN ist Aktionär und wissenschaftlicher Berater von Intrinsic LifeSciences.

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