Systemische ijzerhomeostase wordt gecoördineerd door het leverhormoon hepcidine.1 Hepcidine remt de ijzerexport via de ferroportine-ijzertransporter in de cel, waardoor ijzerabsorptie en het vrijkomen van gerecycleerd of opgeslagen ijzer in het plasma worden voorkomen, wat leidt tot verlaagde plasma-ijzerniveaus.2 De hepcidineproductie verandert snel en over een groot dynamisch bereik om de ijzerhomeostase in stand te houden. Hepcidine wordt onderdrukt in omstandigheden die een verhoogde ijzertoevoer vereisen, zoals stress-eryerytropoëse, hypoxie, groei en zwangerschap.43 Omgekeerd wordt hepcidine geïnduceerd door ijzerbelasting om de accumulatie van overtollig ijzer te voorkomen, of door ontsteking als onderdeel van de afweerreactie van de gastheer tegen infectie.65 Hoewel de regulatie van hepcidine door enkelvoudige stimuli goed is bestudeerd, met name in diermodellen, hebben we nog steeds geen inzicht in het complexe samenspel van tegengestelde signalen bij het reguleren van hepcidine expressie en ijzerhomeostase bij mensen.

In dit nummer van Haematologica rapporteren Stoffel et al. over een prospectieve studie bij jonge vrouwen om de relatieve bijdrage van ijzergebreksanemie en acute ontstekingsprikkels op ijzerhomeostase te evalueren7 (figuur 1). De goed gecontroleerde studie omvatte in totaal 46 vrouwen: 25 niet-anemische en 21 met ijzergebreksanemie (IDA). Vergeleken met hun niet-anemische tegenhangers hadden anemische vrouwen 2 g/dL lager hemoglobine, lager serumijzer, transferrineverzadiging, ferritine en lichaamsijzerreserves, en hoger erytropoëtine en serumtransferrinereceptor. De studie sloot personen uit met beïnvloedende factoren die het ijzermetabolisme beïnvloeden, waaronder reeds bestaande ontstekingen, chronische ziekte, obesitas, zwangerschap, of vitamine- en/of mineralensuppletie gedurende twee weken voorafgaand aan en gedurende de studie. Een acute ontstekingsprikkel werd gemodelleerd met een intramusculaire injectie van een influenza/diphtheria-tetanus-pertussis-vaccin bij alle proefpersonen. Ontstekings- en ijzermarkers werden gemeten op de basislijn en 8, 24 en 36 uur (h) na de vaccinatie.

Figuur 1.De opzet (A) en resultaten (B) van de prospectieve studie bij vrouwen door Stoffel et al.7 De studie evalueerde de relatieve bijdrage van anemie door ijzertekort en acute ontstekingsstimuli op de ijzerhomeostase. h: uur; d: dag.

De proefpersonen kregen ook testmaaltijden met Fe (niet-radioactieve isotoop van ijzer), waardoor de erytrocyt Fe-opname als maat voor de ijzerabsorptie kon worden bepaald. De eerste Fe-maaltijd en de eerste erytrocyt Fe-meting werden uitgevoerd vóór de ontstekingsprikkel (“baseline”). De tweede Fe-maaltijd werd 24 uur na het vaccin toegediend, op het moment dat IL-6 en hepcidine maximaal of bijna maximaal toenamen, gevolgd door de tweede erytrocyt Fe-meting. Hoewel de erytrocyten Fe-metingen 19 dagen na elke inname van Fe werden uitgevoerd, zouden ze om de volgende redenen de ijzerabsorptie op de dag van de maaltijdconsumptie goed moeten weergeven. Bij mensen die niet met ijzer belast zijn, wordt het grootste deel van het geabsorbeerde ijzer op transferrine geladen en is bestemd voor erytropoëse: ferrokinetica-experimenten toonden aan dat na de inname van Fe ongeveer 82-91% van het geabsorbeerde radioactief gemerkte ijzer na twee weken in erytrocyten wordt gedetecteerd.98 Bovendien is de levensduur van erytrocyten ongeveer 120 dagen, veel langer dan de duur van de studie van Stoffel et al. Een eventueel verwarrend effect van recycling van Fe-rode bloedcellen en modulatie door hepcidine van de gerecyclede ijzerstromen zou dus minimaal zijn geweest.

Toediening van het vaccin induceerde systemische ontsteking bij beide cohorten vrouwen, zoals blijkt uit een toename van interleukine-6 (IL-6), een belangrijke regulator van de hepcidineproductie. Desondanks was er een verrassend verschil in de hepcidinereactie. Serum hepcidine steeg in de niet-anemische groep binnen 24 uur na vaccinatie, maar was onveranderd in de IDA-groep. IL-6 en hepcidine waren significant gecorreleerd binnen 24 uur na vaccinatie, alleen in de niet-anemische groep maar niet in de IDA groep. Het serumijzergehalte weerspiegelde de hepcidinereactie: in het niet-anemische cohort werd een verhoogd serumhepcidine geassocieerd met een verlaagd serumijzer, terwijl in de IDA-groep geen verandering in serumijzer werd waargenomen. De auteurs concludeerden daarom dat tijdens IDA de regulatie van hepcidine door ijzer en/of erytropoëtische activiteit voorrang heeft op hepcidineregulatie door acute ontsteking. Meting van de ijzeropname in erytrocyten door met Fe gelabelde testmaaltijden gaf een waardevol inzicht in de ijzeropname voor en na de acute ontstekingsstimulus. Erytrocyten ijzeropname was hoger in IDA vergeleken met niet-anemische proefpersonen op alle onderzochte tijdstippen, wat wijst op een verhoogde ijzeropname in deze groep. Interessant is dat de erytrocyten ijzeropname niet werd beïnvloed door ontsteking in beide groepen, ondanks verhoogde hepcidine bij de niet-anemische vrouwen. Zoals de auteurs aangeven, is een mogelijke verklaring dat enterocyten minder gevoelig zijn voor het effect van hepcidine dan recyclingmacrofagen.10 Zo zou een matige toename van hepcidine na vaccinatie bij niet-anemische vrouwen hypoferremie kunnen veroorzaken zonder tegelijkertijd de duodenale Fe-absorptie te beïnvloeden, omdat de serumijzerconcentratie voornamelijk wordt bepaald door de ijzerexport van macrofagen. Interessant is dat in de niet-anemische groep de erytrocyt Fe-opname omgekeerd gecorreleerd was met serumhepcidine, zowel bij aanvang (r=-0,792; P<0,001) als na vaccinatie (r=-0,708; P<0,001). Dit suggereert dat, over een breder bereik van concentraties, hepcidine wel degelijk de ijzerabsorptie moduleert, maar dat veranderingen in hepcidine na de vaccinatie te klein waren om een effect uit te oefenen op enterocyten.

Deze studie is de eerste die de dynamische hiërarchische regulatie van hepcidine door ijzer en ontsteking test in een goed gecontroleerde studie bij mensen, en toonde aan dat anemie door ijzertekort een dominant effect uitoefende over dat van acute ontsteking in deze setting. Wat is het moleculaire mechanisme dat deze waarneming zou kunnen verklaren? De hepcidinepromotor bevat zowel botmorfogenetisch-eiwit (BMP)-responselementen (RE) als een STAT3-RE.11 IJzer-gemedieerde hepcidineregulatie vindt plaats via de BMP-SMAD-route. Aangenomen wordt dat sinusoïdale endotheelcellen in de lever BMP2 en BMP6 afscheiden in verhouding tot de ijzervoorraad in de lever;1312 deze liganden werken vervolgens op een paracriene manier en binden BMP-receptoren en hun co-receptor hemojuveline (HJV) op hepatocyten om fosforylering van SMAD1/5 te induceren. Gefosforyleerd SMAD1/5 vormt een complex met SMAD4, vertaalt zich naar de kern van de hepatocyten en bindt zich aan de BMP-RE om hepcidine-expressie te induceren. Holo-transferrine concentraties, die worden waargenomen door de TfR1/HFE en TfR2 eiwitten op hepatocyten, zouden ook dezelfde BMP signaalroute in deze cellen moduleren. Lage ijzervoorraden en laag circulerend ijzer (waargenomen in de IDA groep in deze studie), zouden resulteren in verminderde BMP signalering en een laag niveau van hepcidine transcriptie. Een laag hepcidinegehalte zou dan een verhoogde ijzerabsorptie en -mobilisatie uit de voorraden mogelijk maken. Echter, in aanwezigheid van infectie wordt een verhoogde beschikbaarheid van ijzer een risico, omdat ziekteverwekkers ook ijzer nodig hebben voor proliferatie en overleving. Als onderdeel van de verdediging van de gastheer wordt hepcidine geïnduceerd door infectie en ontsteking om de beschikbaarheid van ijzer voor pathogenen te beperken. De regulatie van hepcidine door infectie en ontsteking wordt voor een groot deel gemedieerd door IL-6.14 IL-6 binding aan zijn receptor, IL-6Rα, en co-receptor, gp130, resulteert in fosforylering van JAK1/2 in hepatocyten, die vervolgens STAT3 fosforyleert. Deze dimereert vervolgens en verplaatst zich naar de kern om de expressie van hepcidine te induceren.

Belangrijk is dat is aangetoond dat de BMP pathway synergetisch werkt met de STAT3 pathway om de transcriptie van hepcidine te induceren. Verstoring van BMP-RE in een levercellijn verminderde de hepcidinerespons op IL-6.15 Studies met muismodellen hebben aangetoond dat de hepcidine-inductie als reactie op ontsteking wordt onderdrukt wanneer de hepatische BMP-signalering genetisch is verstoord.2016 Afwezigheid van HJV of ALK3 verhinderde de inductie van hepcidine in vivo na een acute ontstekingsprikkel (LPS of IL-6).17 Evenzo werd in muizen met Hfe- en Tfr2-knock-out de hepcidine-inductie als reactie op LPS eveneens onderdrukt.16 Hoewel in deze muizenstudies geen ijzertekort anemie werd gemodelleerd, zoals werd gezien bij de proefpersonen in Stoffel e.a.7 , leverden zij het principebewijs dat de BMP pathway een belangrijke rol speelt in de hepcidine respons op ontsteking.

Het moet echter nog worden vastgesteld of de veronderstelde afname in BMP-SMAD signalering bij de proefpersonen wordt veroorzaakt door ijzertekort, of door bloedarmoede en verhoogde erytropoëtische activiteit, of de combinatie van deze factoren. Bloedarmoede induceert erytropoëtine (EPO) secretie door de nieren.21 EPO werkt op zijn beurt op de beenmerg erytroblasten om expressie van erytroferrone (ERFE) te induceren,22 en van ERFE is aangetoond dat het werkt als een BMP val om hepcidine te onderdrukken.23 Hoewel EPO verhoogd was bij IDA proefpersonen in deze studie, werden serum ERFE niveaus niet gemeten, maar dit zou inzicht kunnen verschaffen in de bijdrage van bloedarmoede aan de verminderde hepcidine respons. Het zou interessant zijn om te zien of ijzertekort alleen voldoende is om hepcidine-inductie na acute ontstekingsstimulatie te voorkomen. Acht van de 25 vrouwen in de niet-anemische groep hadden een ijzertekort, maar werden niet als subgroep geanalyseerd om de bijdrage van bloedarmoede versus ijzertekort te bepalen.

Naast de convergentie van signalen op de hepcidinepromotor, is een ander aspect dat in overweging moet worden genomen bij de regulatie van hepcidine de relatieve sterkte en duur van elk signaal. In deze studie was de bloedarmoede door ijzertekort relatief mild (mediaan hemoglobinegehalte van 11,3 g/dL), maar waarschijnlijk chronisch. Het ontstekingssignaal was matig en waarschijnlijk van voorbijgaande aard, met een IL-6 toename van ongeveer 2-3 keer na vaccinatie vergeleken met de uitgangswaarde. De hepcidine-inductie was eveneens matig: in de niet-anemische groep was het hepcidineniveau na 24 uur 2 keer zo hoog als bij de uitgangswaarde. Of een sterkere of langduriger ontstekingsprikkel, zoals tijdens een actieve infectie, het effect van IDA op hepcidine teniet zou doen, moet nog worden vastgesteld. Niettemin, in overeenstemming met Stoffel e.a., meldde een cross-sectionele studie die patiënten met anemie van chronische ziekte (ACD) vergeleek met die met IDA of gemengde ACD/IDA conditie, dat hepcidine verhoogd was bij patiënten met ACD in vergelijking met controlepersonen, maar dat bij patiënten met gemengde ACD/IDA, ondanks verhoogde IL-6, hepcidine niveaus vergelijkbaar waren met die waargenomen bij IDA patiënten.24

Concluderend ondersteunen de gegevens uit de goed opgezette en goed uitgevoerde prospectieve studie bij mensen door Stoffel et al. de conclusie dat tijdens ijzergebreksanemie, wanneer uitgedaagd door matige maar voorbijgaande acute ontsteking, ijzerverwerving voorrang krijgt boven ijzerbeperking. De vragen over het moleculaire mechanisme en de relatieve bijdrage van erytropoëtische activiteit versus ijzertekort in het voorkomen van een ontstekingsgemedieerde toename van hepcidine moeten nog worden beantwoord. Belangrijk is dat deze menselijke studie een pioniersrol vervult in de analyse van de interacties tussen ijzertekort en ontsteking, een onderwerp dat van groot belang is voor het ontwerpen en uitvoeren van beleid ter preventie en behandeling van bloedarmoede in regio’s waar ijzertekort, infectie en ontsteking maar al te vaak voorkomen.

Acknowledgments and disclosures

Sources of support: NIH Ruth L. Kirschstein National Research Service Award T32-5T32HL072752-13 (aan VS). NL is aandeelhouder en wetenschappelijk adviseur van 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 regulates cellular iron efflux by binding to ferroportin and inducing its internalization. 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. Iron in infection and immunity. 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. Hepcidin-induced hypoferremia is a critical host defense mechanism against the siderophilic bacterium 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. Ferrokinetics and red cell iron uptake in old age: evidence for increased liver iron retention? Haematologica. 1982; 67(2):161-168. PubMedGoogle Scholar
9. Marx JJ. Normal iron absorption and decreased red cell iron uptake in the age. 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. Two BMP responsive elements, STAT, and bZIP/HNF4/COUP motifs of the hepcidin promoter are critical for BMP, SMAD1, and HJV responsiveness. Blood. 2009; 113(3):688-695. PubMedhttps://doi.org/10.1182/blood-2008-05-160184Google Scholar
12. Canali S, Zumbrennen-Bullough KB, Core AB. Endothelial cells produce bone morphogenetic protein 6 required for iron homeostasis in mice. 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 medieert hypoferremie van ontsteking door de synthese van het ijzerregulerende hormoon hepcidine te induceren. 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. Een bone morphogenetic protein (BMP)-responsief element in de hepcidinepromotor regelt HFE2-gemedieerde hepatische hepcidine-expressie en de respons op IL-6 in gekweekte cellen. 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. Blunted hepcidin response to inflammation in the absence of Hfe and transferrin receptor 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. Bijdrage van STAT3 en SMAD4 pathways aan de regulatie van hepcidine door tegengestelde stimuli. Blood. 2009; 113(15):3593-3599. PubMedhttps://doi.org/10.1182/blood-2008-08-173641Google Scholar
19. Steinbicker AU, Sachidanandan C, Vonner AJ. Inhibition of bone morphogenetic protein signaling attenuates anemia associated with inflammation. 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. Blood. 2014; 123(14):2261-2268. PubMedhttps://doi.org/10.1182/blood-2013-02-480095Google Scholar
21. Haase VH. Regulering van erytropoëse door hypoxie-induceerbare factoren. 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 remt de inductie van hepcidine door BMP6. Blood. 2018; 132(14):1473-1477. PubMedhttps://doi.org/10.1182/blood-2018-06-857995Google Scholar
24. Theurl I, Aigner E, Theurl M. Regulering van ijzerhomeostase bij anemie van chronische ziekte en ijzergebreksanemie: diagnostische en therapeutische implicaties. Blood. 2009; 113(21):5277-5286. PubMedhttps://doi.org/10.1182/blood-2008-12-195651Google Scholar