Systeemistä rautahomeostaasiaa koordinoi maksahormoni hepsidiini.1 Hepsidiini estää raudan vientiä solun raudankuljettajan ferroportiinin kautta ja estää siten raudan imeytymistä ja kierrätetyn tai varastoidun raudan vapautumista plasmaan, mikä johtaa plasman rautapitoisuuden alenemiseen.2 Hepsidiinin tuotanto muuttuu nopeasti ja laajalla dynaamisella alueella raudan homeostaasin ylläpitämisen varmistamiseksi. Hepsidiini suppressoituu olosuhteissa, jotka vaativat lisääntynyttä raudan saantia, kuten stressierytropoieesi, hypoksia, kasvu ja raskaus.43 Sitä vastoin hepsidiini indusoituu rautakuormituksen seurauksena estääkseen ylimääräisen raudan kertymisen tai tulehduksen seurauksena osana isännän puolustusreaktiota infektiota vastaan.65 Vaikka hepsidiinin säätelyä yksittäisten ärsykkeiden vaikutuksesta on tutkittu hyvin erityisesti eläinmalleissa, meillä ei vielä ole käsitystä vastakkaisten signaalien monimutkaisesta vuorovaikutuksesta hepsidiinin ilmentymisen ja rautahomeostaasin säätelyssä ihmisillä.

Tässä Haematologica-lehden numerossa Stoffel ym. raportoivat nuorilla naisilla tehdystä prospektiivisesta tutkimuksesta, jossa arvioitiin raudanpuuteanemian ja akuutin tulehdusärsykkeen suhteellista osuutta rautahomeostaasiin7 (kuva 1). Hyvin kontrolloituun tutkimukseen osallistui yhteensä 46 naista: 25 ei-anemiaa ja 21 raudanpuuteanemiaa (IDA) sairastavaa naista. Aneemisten naisten hemoglobiini oli 2 g/dl alhaisempi kuin aneemisilla naisilla, seerumin rauta-, transferriinisaturaatio-, ferritiini- ja elimistön rautavarastot olivat alhaisemmat ja erytropoietiini- ja seerumin transferriinireseptoripitoisuudet korkeammat kuin aneemisilla naisilla. Tutkimuksesta suljettiin pois koehenkilöt, joilla oli rautametaboliaan vaikuttavia sekoittavia tekijöitä, mukaan lukien jo olemassa oleva tulehdus, krooninen sairaus, liikalihavuus, raskaus tai vitamiini- ja/tai kivennäisainelisä kahden viikon ajan ennen tutkimusta ja sen aikana. Akuutti tulehdusärsyke mallinnettiin antamalla kaikille koehenkilöille lihaksensisäinen influenssa/difteria-tetanus-pertussis -rokotteen injektio. Tulehdus- ja rautamarkkerit mitattiin lähtötilanteessa sekä 8, 24 ja 36 tuntia (h) rokotuksen jälkeen.

Kuvio 1. Stoffelin ym. prospektiivisen, naisilla tehdyn tutkimuksen rakenne (A) ja tulokset (B).7 Tutkimuksessa arvioitiin raudanpuuteanemian ja akuuttien tulehdusärsykkeiden suhteellista osuutta raudan homeostaasiin. h: tunnit; d: päivä.

Henkilöt saivat myös koeaterioita, jotka sisälsivät Fe:tä (raudan ei-radioaktiivinen isotooppi), mikä mahdollisti erytrosyyttien Fe:n inkorporaation arvioinnin raudan imeytymisen mittarina. Ensimmäinen Fe-ateria ja ensimmäinen erytrosyyttien Fe-mittaus suoritettiin ennen tulehdusärsykettä (”lähtötilanne”). Toinen Fe-ateria annettiin 24 tuntia rokotteen jälkeen IL-6:n ja hepsidiinin maksimaalisen tai lähes maksimaalisen nousun aikaan, minkä jälkeen tehtiin toinen erytrosyyttien Fe-mittaus. Vaikka erytrosyyttien Fe-mittaukset suoritettiin 19 päivää kunkin Fe-annoksen nauttimisen jälkeen, niiden pitäisi heijastaa tarkasti raudan imeytymistä aterian nauttimispäivänä seuraavista syistä. Ihmisillä, joilla ei ole rautakuormitusta, suurin osa imeytyneestä raudasta latautuu transferriiniin ja päätyy erytropoieesiin: ferrokinetiikkakokeet osoittivat, että Fe:n nauttimisen jälkeen noin 82-91 prosenttia imeytyneestä radiomerkitystä raudasta on havaittavissa erytrosyyteissä kahden viikon kuluttua.98 Lisäksi erytrosyyttien elinikä on noin 120 vuorokautta, mikä on paljon pidempi kuin Stoffelin ym. tutkimuksen kesto. Näin ollen Fe-punasolujen kierrätyksen ja kierrätettyjen rautavirtojen hepsidiinimodulaation mahdollinen sekoittava vaikutus olisi ollut minimaalinen.

Rokotteen antaminen aiheutti molemmissa naiskohorteissa systeemisen tulehduksen, mikä näkyi interleukiini-6:n (IL-6) lisääntymisenä, joka on merkittävä hepsidiinituotannon säätelijä. Tästä huolimatta hepsidiinivasteessa oli yllättävä ero. Seerumin heptsidiinipitoisuus nousi anemiaa sairastamattomien ryhmässä 24 tunnin kuluessa rokotuksesta, mutta pysyi ennallaan IDA-ryhmässä. IL-6 ja hepsidiini korreloivat merkitsevästi 24 tunnin kuluttua rokottamisesta vain ei-aneemisessa ryhmässä mutta ei IDA-ryhmässä. Seerumin rautapitoisuudet vastasivat heptsidiinivasteeseen: ei-aneemisessa kohortissa seerumin heptsidiinipitoisuuden nousu oli yhteydessä seerumin raudan vähenemiseen, kun taas IDA-ryhmässä seerumin raudassa ei havaittu muutosta. Kirjoittajat päättelivät näin ollen, että IDA:n aikana raudan ja/tai erytropoieettisen aktiivisuuden aiheuttama hepsidiinin säätely syrjäyttää akuutin tulehduksen aiheuttaman hepsidiinin säätelyn. Erytrosyyttien raudan sisällyttämisen mittaaminen Fe-merkityistä koeaterioista antoi arvokasta tietoa raudan imeytymisestä ennen akuuttia tulehdusärsykettä ja sen jälkeen. Erytrosyyttien raudan inkorporaatio oli korkeampi IDA-henkilöillä kuin ei-aneemisilla henkilöillä kaikkina tutkittuina ajankohtina, mikä kuvastaa raudan lisääntynyttä imeytymistä tässä ryhmässä. Mielenkiintoista on, että tulehdus ei vaikuttanut erytrosyyttien Fe-inkorporaatioon kummassakaan ryhmässä, vaikka hepsidiini oli lisääntynyt ei-aneemisilla naisilla. Kuten kirjoittajat huomauttavat, yksi mahdollinen selitys on, että enterosyytit saattavat olla vähemmän herkkiä hepsidiinin vaikutukselle kuin kierrätysmakrofagit.10 Näin ollen hepsidiinin maltillinen lisääntyminen rokotuksen jälkeen ei-aneemisilla naisilla voisi aiheuttaa hypoferremiaa vaikuttamatta samalla duodenaaliseen Fe:n imeytymiseen, koska seerumin rautapitoisuus määräytyy pääasiassa makrofagien raudan viennin perusteella. Mielenkiintoista oli, että ei-aneemisten ryhmässä erytrosyyttien Fe-inkorporaatio korreloi käänteisesti seerumin hepsidiinin kanssa sekä lähtötilanteessa (r=-0,792; P<0,001) että rokotuksen jälkeen (r=-0,708; P<0,001). Tämä viittaa siihen, että laajemmalla pitoisuusalueella heptsidiini kyllä moduloi raudan imeytymistä, mutta että heptsidiinimuutokset rokotuksen jälkeen olivat liian pieniä vaikuttaakseen enterosyytteihin.

Tämä tutkimus on ensimmäinen, jossa testattiin raudan ja tulehduksen aiheuttamaa heptsidiinin dynaamista hierarkkista säätelyä hyvin kontrolloidussa tutkimuksessa ihmisillä, ja se osoitti, että raudanpuuteanemia vaikutti hallitsevasti enemmän kuin akuutti tulehdus tässä yhteydessä. Mikä on molekyylimekanismi, joka voisi selittää tämän havainnon? Hepsidiinin promoottori sisältää sekä luun morfogeneettisen proteiinin (BMP) vaste-elementtejä (RE) että STAT3-RE:n.11 Raudan välittämä hepsidiinin säätely tapahtuu BMP-SMAD-reitin kautta. On ajateltu, että maksan sinusoidaaliset endoteelisolut erittävät BMP2:ta ja BMP6:ta suhteessa maksan rautavarastoihin;1312 nämä ligandit toimivat sitten parakriinisesti ja sitoutuvat BMP-reseptoreihin ja niiden yhteisreseptoriin hemojuveliiniin (HJV) hepatosyyteissä indusoiden SMAD1/5:n fosforylaatiota. Fosforyloitunut SMAD1/5 muodostaa kompleksin SMAD4:n kanssa, translokoituu hepatosyyttien tumaan ja sitoutuu BMP-RE:hen indusoidakseen hepsidiinin ilmentymisen. Holo-transferriinipitoisuuksien, joita hepatosyyttien TfR1/HFE- ja TfR2-proteiinit aistivat, uskotaan myös moduloivan samaa BMP-signalointireittiä näissä soluissa. Alhaiset rautavarastot ja alhainen kiertävä rauta (havaittu IDA-ryhmässä tässä tutkimuksessa) johtaisivat vähentyneeseen BMP-signalointiin ja heptsidiinin transkription alhaiseen tasoon. Alhainen heptsidiinipitoisuus mahdollistaisi tällöin lisääntyneen raudan imeytymisen ja mobilisoinnin varastoista. Infektion yhteydessä lisääntyneestä raudan biosaatavuudesta tulee kuitenkin haitta, sillä patogeenit tarvitsevat myös rautaa lisääntyäkseen ja selviytyäkseen. Osana isännän puolustusta infektio ja tulehdus indusoivat hepsidiiniä rajoittamaan raudan saatavuutta patogeeneille. Infektion ja tulehduksen aiheuttama hepsidiinin säätely välittyy suurelta osin IL-6:n avulla.14 IL-6:n sitoutuminen reseptoriinsa IL-6Rα:aan ja yhteisreseptoriinsa gp130:een johtaa JAK1/2:n fosforylaatioon hepatosyyteissä, jolloin STAT3 fosforyloituu. Tämä sitten dimeroituu ja translokoituu ytimeen indusoidakseen hepsidiinin ilmentymisen.

Tärkeää on, että BMP-reitin on osoitettu synergisoivan STAT3-reitin kanssa hepsidiinin transkription indusoimiseksi. BMP-RE:n häiriö maksasolulinjassa heikentää hepsidiinivastetta IL-6:lle.15 Hiirimalleilla tehdyt tutkimukset ovat osoittaneet, että hepsidiinin induktio vasteena tulehdukseen tylsistyy, kun maksan BMP-signalointi on geneettisesti häiriintynyt.2016 HJV:n tai ALK3:n puuttuminen esti hepsidiinin induktiota in vivo akuutin tulehdusärsykkeen (LPS tai IL-6) jälkeen.17 Vastaavasti Hfe- ja Tfr2-knockout-hiirillä hepsidiinin induktio vasteena LPS:lle tylsistyi myös.16 Vaikka näissä hiiritutkimuksissa ei mallinnettu raudanpuuteanemiaa, kuten Stoffel ym.7:n tutkimushenkilöillä havaittiin, ne tarjosivat periaatteellisen todisteen siitä, että BMP-reitillä on tärkeä rooli hepsidiinireagoinnissa tulehdukseen.

On kuitenkin vielä selvitettävä, johtuuko BMP-SMAD-signalisaation oletettu väheneminen tutkimushenkilöillä raudanpuutteesta vai anemiasta ja lisääntyneestä erytropoieettisesta aktiivisuudesta vai näiden tekijöiden yhdistelmästä. Anemia indusoi erytropoietiinin (EPO) eritystä munuaisissa.21 EPO puolestaan vaikuttaa luuytimen erytroblasteihin indusoidakseen erytroferronin (ERFE) ilmentymistä22 , ja ERFE:n on osoitettu toimivan BMP-loukkuna, joka tukahduttaa heptsidiiniä.23 Vaikka EPO:n määrä oli suurentunut IDA:ta sairastavilla henkilöillä tässä tutkimuksessa, ERFE:n pitoisuuksia seerumissa ei mitattu, mutta ne voisivat antaa tietoa anemian osuudesta heikentyneeseen heptsidiinivasteeseen. Olisi mielenkiintoista nähdä, riittääkö pelkkä raudanpuute estämään hepsidiinin induktion akuutin tulehdusstimulaation jälkeen. Itse asiassa kahdeksan naista 25:stä ei-anemisessa ryhmässä olleesta naisesta raportoitiin olevan raudanpuutteisia, mutta niitä ei analysoitu alaryhmänä anemian ja raudanpuutteen osuuden määrittämiseksi.

Signaalien konvergenssin heptsidiinipromoottoriin kohdistuvan konvergenssin lisäksi toinen heptsidiinin säätelyyn liittyvä huomioitava näkökohta on kunkin signaalin suhteellinen voimakkuus ja kesto. Tässä tutkimuksessa raudanpuuteanemia oli suhteellisen lievä (hemoglobiinin mediaani 11,3 g/dl), mutta todennäköisesti krooninen. Tulehdussignaali oli kohtalainen ja todennäköisesti ohimenevä, sillä IL-6 nousi noin 2-3-kertaiseksi rokotuksen jälkeen lähtötilanteeseen verrattuna. Hepsidiini-induktio oli yhtä lailla kohtalainen: hepsidiinitasot nousivat ei-anemisessa ryhmässä 2-kertaisiksi 24 tuntiin mennessä lähtötilanteeseen verrattuna. Jää vielä selvittämättä, kumoaisiko voimakkaampi tai pitkäkestoisempi tulehdusärsyke, kuten aktiivisen infektion aikana, IDA:n vaikutuksen hepsidiiniin. Stoffelin ym. mukaan poikkileikkaustutkimuksessa, jossa verrattiin kroonisen sairauden anemiaa (ACD) sairastavia potilaita IDA:ta tai sekamuotoista ACD/IDA-tilaa sairastaviin potilaisiin, raportoitiin kuitenkin, että hepsidiinipitoisuus oli kohonnut ACD:tä sairastavilla potilailla kontrollihenkilöihin verrattuna, mutta sekamuotoista ACD:tä/IDA:ta sairastavilla potilailla hepsidiinipitoisuudet olivat kohonneesta IL-6:n pitoisuudesta huolimatta vertailukelpoisia IDA:ta sairastavilla potilailla havaittujen hepsidiinipitoisuuksien kanssa.24

Johtopäätöksenä voidaan todeta, että Stoffelin ym. hyvin suunnitellusta ja toteutetusta prospektiivisesta tutkimuksesta ihmisillä saadut tiedot tukevat johtopäätöstä, jonka mukaan raudanpuuteanemian aikana, kun kohtalainen mutta ohimenevä akuutti tulehdus haastaa rautaa, raudan hankkiminen on etusijalla raudan rajoittamiseen nähden. Kysymyksiin molekyylimekanismista ja erytropoieettisen aktiivisuuden ja raudanpuutteen suhteellisesta osuudesta tulehduksen aiheuttaman hepsidiinin nousun estämisessä on vielä vastattava. On tärkeää, että tämä ihmistutkimus on edelläkävijä raudanpuutteen ja tulehduksen vuorovaikutuksen analysoinnissa, mikä on erittäin tärkeää suunniteltaessa ja toteutettaessa toimia anemian ehkäisemiseksi ja hoitamiseksi alueilla, joilla raudanpuute, infektiot ja tulehdus ovat aivan liian yleisiä.

Kiitokset ja ilmoitukset

Tukilähteet: NIH Ruth L. Kirschstein National Research Service Award T32-5T32HL072752-13 (VS:lle). EN on Intrinsic LifeSciencesin osakas ja tieteellinen neuvonantaja.

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. Hepsidiini säätelee solujen raudan ulosvirtausta sitoutumalla ferroportiniin ja indusoimalla sen internalisaatiota. 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. Anemia, hypoksia ja tulehdus säätelevät rautaa säätelevää hepsidiinipeptidiä koodaavaa geeniä. J Clin Invest. 2002; 110(7):1037-1044. PubMedhttps://doi.org/10.1172/JCI200215686Google Scholar
5. Cassat JE, Skaar EP. Rauta infektiossa ja immuniteetissa. 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. Hepsidiinin aiheuttama hypoferremia on kriittinen isännän puolustusmekanismi siderofiilistä Vibrio vulnificus -bakteeria vastaan. 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. Akuutin tulehduksen ja raudanpuuteanemian vastakkaiset vaikutukset seerumin hepsidiiniin ja raudan imeytymiseen nuorilla naisilla. Haematologica. 2019; 104(6):1143-1149. PubMedhttps://doi.org/10.3324/haematol.2018.208645Google Scholar
8. Marx JJ, Dinant HJ. Ferrokinetiikka ja punasolujen raudanotto vanhuudessa: näyttöä lisääntyneestä maksan rautaretentiosta?. Haematologica. 1982; 67(2):161-168. PubMedGoogle Scholar
9. Marx JJ. Normaali raudan imeytyminen ja vähentynyt punasolujen raudanottokyky iäkkäillä. Blood. 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. Hepsidiinipromoottorin kaksi BMP:hen reagoivaa elementtiä, STAT- ja bZIP/HNF4/COUP-motiivit ovat kriittisiä BMP:n, SMAD1:n ja HJV:n reagoinnin kannalta. Blood. 2009; 113(3):688-695. PubMedhttps://doi.org/10.1182/blood-2008-05-160184Google Scholar
12. Canali S, Zumbrennen-Bullough KB, Core AB. Endoteelisolut tuottavat rautahomeostaasiin tarvittavaa luun morfogeneettistä proteiinia 6 hiirillä. 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-signalointi hiiren maksassa kontrolloi normaalia raudan homeostaasiaa. 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 välittää tulehduksen aiheuttamaa hypoferremiaa indusoimalla raudan säätelyhormonin hepsidiinin synteesiä. 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. Hepsidiinin promoottorissa oleva luun morfogeneettiseen proteiiniin (BMP) reagoiva elementti kontrolloi HFE2-välitteistä maksan hepsidiinin ilmentymistä ja sen vastetta IL-6:lle viljellyissä soluissa. 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. Hepsidiinivasteen tylsistyminen tulehdukseen Hfe:n ja transferriinireseptori 2:n puuttuessa. 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. Hepsidiinivälitteinen hypoferreeminen vaste akuuttiin tulehdukseen edellyttää Bmp6/Hjv/Smad-signaloinnin kynnysarvoa. 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. STAT3- ja SMAD4-reittien osuus hepsidiinin säätelyssä vastakkaisten ärsykkeiden vaikutuksesta. Blood. 2009; 113(15):3593-3599. PubMedhttps://doi.org/10.1182/blood-2008-08-173641Google Scholar
19. Steinbicker AU, Sachidanandan C, Vonner AJ. Luun morfogeneettisen proteiinisignaloinnin esto lievittää tulehdukseen liittyvää anemiaa. 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 hepcatic hepcidin gene expression by interleukin-6. Blood. 2014; 123(14):2261-2268. PubMedhttps://doi.org/10.1182/blood-2013-02-480095Google Scholar
21. Haase VH. Erytropoieesin säätely hypoksia-indusoituvien tekijöiden avulla. 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. Erytroferroni estää BMP6:n aiheuttamaa hepsidiinin induktiota. Blood. 2018; 132(14):1473-1477. PubMedhttps://doi.org/10.1182/blood-2018-06-857995Google Scholar
24. Theurl I, Aigner E, Theurl M. Rautahomeostaasin säätely kroonisen sairauden anemiassa ja raudanpuutosanemiassa: diagnostiset ja terapeuttiset vaikutukset. Blood. 2009; 113(21):5277-5286. PubMedhttps://doi.org/10.1182/blood-2008-12-195651Google Scholar

.