L’omeostasi sistemica del ferro è coordinata dall’ormone epatico epcidina.1 L’epcidina inibisce l’esportazione del ferro attraverso il trasportatore di ferro cellulare ferroportina, impedendo così l’assorbimento del ferro e il rilascio di ferro riciclato o immagazzinato nel plasma, con conseguente diminuzione dei livelli di ferro nel plasma.2 La produzione di epcidina cambia rapidamente e in un ampio intervallo dinamico per garantire il mantenimento dell’omeostasi del ferro. L’epcidina viene soppressa in condizioni che richiedono un maggiore apporto di ferro, come l’eritropoiesi da stress, l’ipossia, la crescita e la gravidanza.43 Al contrario, l’epcidina viene indotta dal carico di ferro per prevenire l’accumulo di ferro in eccesso, o dall’infiammazione come parte della risposta di difesa dell’ospite alle infezioni.65 Sebbene la regolazione dell’epcidina da stimoli singolari sia stata ben studiata, in particolare nei modelli animali, non abbiamo ancora una comprensione della complessa interazione di segnali opposti nella regolazione dell’espressione dell’epcidina e dell’omeostasi del ferro negli esseri umani.

In questo numero di Haematologica, Stoffel et al. riportano uno studio prospettico in giovani donne per valutare il contributo relativo dell’anemia da carenza di ferro e dello stimolo infiammatorio acuto sull’omeostasi del ferro7 (Figura 1). Lo studio ben controllato ha incluso un totale di 46 donne: 25 non anemiche e 21 con anemia da carenza di ferro (IDA). Rispetto alle loro controparti non anemiche, le donne anemiche avevano 2 g/dL di emoglobina inferiore, ferro sierico inferiore, saturazione della transferrina, ferritina e depositi di ferro del corpo, e più alta eritropoietina e recettore della transferrina nel siero. Lo studio ha escluso i soggetti con fattori confondenti che influenzano il metabolismo del ferro, tra cui l’infiammazione preesistente, malattia cronica, obesità, gravidanza, o vitamina e / o integrazione minerale per due settimane prima e durante lo studio. Uno stimolo infiammatorio acuto è stato modellato utilizzando un’iniezione intramuscolare di un vaccino contro l’influenza/difterite-tetano-pertosse in tutti i soggetti. I marcatori infiammatori e di ferro sono stati misurati al basale e 8, 24 e 36 ore (h) dopo la vaccinazione.

Figura 1. Il disegno (A) e risultati (B) dello studio prospettico nelle donne da Stoffel et al.7 Lo studio ha valutato il contributo relativo di anemia da carenza di ferro e stimoli infiammatori acuti sull’omeostasi del ferro. h: ore; d: giorno.

I soggetti hanno anche ricevuto pasti di prova contenenti Fe (isotopo non radioattivo del ferro), che ha permesso la valutazione di incorporazione eritrocitaria Fe come misura di assorbimento del ferro. Il primo pasto Fe e la prima misura eritrocitaria Fe sono stati completati prima dello stimolo infiammatorio (“linea di base”). Il secondo pasto Fe è stato somministrato 24 ore dopo il vaccino, al momento della massima o quasi massima IL-6 e aumento di epcidina, seguita dalla seconda misura eritrocitaria Fe. Anche se le misurazioni eritrocitarie Fe sono stati eseguiti 19 giorni dopo ogni ingestione di Fe, dovrebbero riflettere da vicino l’assorbimento del ferro il giorno del consumo del pasto per i seguenti motivi. Negli esseri umani che non sono carichi di ferro, la maggior parte del ferro assorbito è caricato sulla transferrina ed è destinato all’eritropoiesi: gli esperimenti di ferrocinetica hanno dimostrato che dopo l’ingestione di Fe, circa l’82-91% del ferro radiomarcato assorbito è rilevato negli eritrociti dopo due settimane.98 Inoltre, la durata di vita degli eritrociti è di circa 120 giorni, molto più lunga della durata dello studio di Stoffel et al. Così, qualsiasi effetto confondente del riciclo delle cellule sanguigne Fe-rosso e la modulazione di epcidina dei flussi di ferro riciclato sarebbe stato minimo.

La somministrazione del vaccino ha indotto l’infiammazione sistemica in entrambe le coorti di donne, come si evince da un aumento di interleuchina-6 (IL-6), un importante regolatore della produzione di epcidina. Nonostante questo, c’era una differenza sorprendente nella risposta di epcidina. L’epcidina sierica è aumentata nel gruppo non anemico entro 24 ore dopo la vaccinazione, ma era invariata nel gruppo IDA. IL-6 ed epcidina significativamente correlati a 24 ore dopo la vaccinazione solo nel gruppo non anemico ma non nel gruppo IDA. I livelli di ferro nel siero rispecchiavano la risposta dell’epcidina: nella coorte non anemica, l’aumento dell’epcidina nel siero era associato alla diminuzione del ferro nel siero, mentre nel gruppo IDA non si osservava alcun cambiamento nel ferro nel siero. Gli autori hanno quindi concluso che durante l’IDA, la regolazione dell’epcidina da parte del ferro e/o dell’attività eritropoietica sostituisce la regolazione dell’epcidina da parte dell’infiammazione acuta. La misurazione dell’incorporazione del ferro eritrocitario dai pasti di prova marcati con Fe ha fornito una preziosa visione dell’assorbimento del ferro prima e dopo lo stimolo infiammatorio acuto. L’incorporazione del ferro eritrocitario era più alto in IDA rispetto ai soggetti non anemici in tutti i punti di tempo esaminati, che riflette l’aumento di assorbimento del ferro in questo gruppo. È interessante notare che l’incorporazione eritrocitaria Fe non è stato influenzato da infiammazione in entrambi i gruppi, nonostante l’aumento di epcidina nelle donne non anemiche. Come sottolineano gli autori, una possibile spiegazione è che gli enterociti possono essere meno sensibili all’effetto dell’epcidina rispetto ai macrofagi di riciclaggio.10 Così, un moderato aumento dell’epcidina dopo la vaccinazione nelle donne non anemiche potrebbe causare ipoferremia senza, allo stesso tempo, influenzare l’assorbimento duodenale del Fe, perché la concentrazione di ferro nel siero è prevalentemente determinata dall’esportazione di ferro dei macrofagi. È interessante notare che nel gruppo non anemico, l’incorporazione eritrocitaria di Fe era inversamente correlata con l’epcidina sierica sia al basale (r=-0.792; P<0.001) che dopo la vaccinazione (r=-0.708; P<0.001). Questo suggerisce che, su una gamma più ampia di concentrazioni, l’epcidina modula l’assorbimento del ferro, ma che i cambiamenti di epcidina dopo la vaccinazione erano troppo piccoli per esercitare un effetto sugli enterociti.

Questo studio è il primo a testare la regolazione dinamica gerarchica di epcidina da ferro e infiammazione in uno studio ben controllato negli esseri umani, e ha dimostrato che l’anemia da carenza di ferro ha esercitato un effetto dominante su quello di infiammazione acuta in questa impostazione. Qual è il meccanismo molecolare che potrebbe spiegare questa osservazione? Il promotore dell’epcidina contiene sia elementi di risposta (RE) della proteina morfogenetica ossea (BMP) che un STAT3-RE.11 La regolazione dell’epcidina mediata dal ferro avviene attraverso il percorso BMP-SMAD. Si pensa che le cellule endoteliali sinusoidali del fegato secernano BMP2 e BMP6 in proporzione alle riserve di ferro del fegato; 1312 questi ligandi agiscono poi in modo paracrino e legano i recettori BMP e il loro co-recettore emojuvelina (HJV) sugli epatociti per indurre la fosforilazione di SMAD1/5. SMAD1/5 fosforilato forma un complesso con SMAD4, trasloca al nucleo degli epatociti e si lega al BMP-RE per indurre l’espressione dell’epcidina. Le concentrazioni di olo-transferrina, che sono percepite dalle proteine TfR1/HFE e TfR2 sugli epatociti, sono anche pensate per modulare la stessa via di segnalazione BMP in queste cellule. Bassi depositi di ferro e basso ferro circolante (osservato nel gruppo IDA in questo studio), si tradurrebbe in una diminuzione della segnalazione BMP e un basso livello di trascrizione di epcidina. L’epcidina bassa permetterebbe quindi di aumentare l’assorbimento e la mobilizzazione del ferro dai depositi. Tuttavia, in presenza di infezione, maggiore biodisponibilità di ferro diventa una responsabilità, come gli agenti patogeni richiedono anche ferro per la proliferazione e la sopravvivenza. Come parte della difesa dell’ospite, l’epcidina è indotta dall’infezione e dall’infiammazione per limitare la disponibilità di ferro agli agenti patogeni. La regolazione dell’epcidina da infezioni e infiammazioni è mediata in gran parte da IL-6.14 Il legame di IL-6 al suo recettore, IL-6Rα, e al suo co-recettore, gp130, provoca la fosforilazione di JAK1/2 negli epatociti, che poi fosforila STAT3. Questo poi dimerizza e si traduce nel nucleo per indurre l’espressione dell’epcidina.

Importante, il percorso delle BMP ha dimostrato di sinergizzare con il percorso di STAT3 per indurre la trascrizione dell’epcidina. L’interruzione di BMP-RE in una linea cellulare epatica ha compromesso la risposta dell’epcidina a IL-6.15 Studi che utilizzano modelli murini hanno dimostrato che l’induzione dell’epcidina in risposta all’infiammazione è attenuata quando la segnalazione epatica di BMP è geneticamente interrotta.2016 L’assenza di HJV o ALK3 ha impedito l’induzione dell’epcidina in vivo in seguito a uno stimolo infiammatorio acuto (LPS o IL-6).17 Analogamente, nei topi knockout di Hfe e Tfr2, anche l’induzione dell’epcidina in risposta a LPS è stata attenuata.16 Anche se questi studi sui topi non hanno modellato l’anemia da carenza di ferro, come si è visto nei soggetti di studio in Stoffel et al.7 hanno fornito la prova di principio che il percorso BMP gioca un ruolo importante nella risposta dell’epcidina all’infiammazione.

Tuttavia, resta da determinare se la presunta diminuzione della segnalazione BMP-SMAD nei soggetti dello studio è causata dalla carenza di ferro, o dall’anemia e dall’aumento dell’attività eritropoietica, o dalla combinazione di questi fattori. L’anemia induce la secrezione di eritropoietina (EPO) da parte dei reni.21 L’EPO a sua volta agisce sugli eritroblasti del midollo osseo per indurre l’espressione dell’eritroferrone (ERFE),22 e l’ERFE ha dimostrato di funzionare come una trappola BMP per sopprimere l’epcidina.23 Sebbene l’EPO fosse elevata nei soggetti IDA in questo studio, i livelli sierici di ERFE non sono stati misurati ma potrebbero fornire informazioni sul contributo dell’anemia alla risposta di epcidina attenuata. Sarebbe interessante vedere se la carenza di ferro da sola è sufficiente a prevenire l’induzione dell’epcidina in seguito a una stimolazione infiammatoria acuta. Infatti, otto delle 25 donne nel gruppo non anemico sono state segnalate come carenti di ferro, ma non sono state analizzate come sottogruppo per determinare il contributo dell’anemia rispetto alla carenza di ferro.

Oltre alla convergenza dei segnali sul promotore dell’epcidina, un altro aspetto da considerare nella regolazione dell’epcidina è la forza relativa e la durata di ogni segnale. In questo studio, l’anemia da carenza di ferro era relativamente lieve (emoglobina mediana di 11,3 g/dl), ma probabilmente cronica. Il segnale infiammatorio era moderato e probabilmente transitorio, con IL-6 in aumento di circa 2-3 volte dopo la vaccinazione rispetto alla linea di base. L’induzione dell’epcidina era similmente moderata: nel gruppo non anemico, i livelli di epcidina sono aumentati di 2 volte entro 24 ore rispetto alla linea di base. Se uno stimolo infiammatorio più forte o più prolungato, come durante un’infezione attiva, potrebbe annullare l’effetto di IDA su epcidina rimane da determinare. Tuttavia, in accordo con Stoffel et al., uno studio trasversale che ha confrontato i pazienti con anemia della malattia cronica (ACD) a quelli con IDA o condizione mista ACD/IDA, ha riportato che l’epcidina era aumentata nei pazienti con ACD rispetto ai soggetti di controllo, ma che nei pazienti con ACD/IDA mista, nonostante l’elevata IL-6, i livelli di epcidina erano comparabili a quelli osservati nei pazienti IDA.24

In conclusione, i dati ottenuti dallo studio prospettico ben progettato e ben eseguito in soggetti umani da Stoffel et al. supportano la conclusione che durante l’anemia da carenza di ferro, quando sfidata da un’infiammazione acuta moderata ma transitoria, l’acquisizione di ferro è prioritaria rispetto alla restrizione di ferro. Le domande circa il meccanismo molecolare e il contributo relativo dell’attività eritropoietica rispetto alla carenza di ferro nel prevenire un aumento mediato dall’infiammazione dell’epcidina devono ancora trovare risposta. Importante, questo studio umano pioniere l’analisi delle interazioni di carenza di ferro e infiammazione, un argomento di grande importanza per la progettazione e l’attuazione di politiche per prevenire e curare l’anemia nelle regioni in cui la carenza di ferro, infezioni e infiammazione sono troppo comuni.

Riconoscimenti e divulgazioni

Fonti di sostegno: NIH Ruth L. Kirschstein National Research Service Award T32-5T32HL072752-13 (a VS). EN è un azionista e consulente scientifico di Intrinsic LifeSciences.

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