Systemisk järnhomeostas samordnas av det hepatiska hormonet hepcidin.1 Hepcidin hämmar järnexport genom den cellulära järntransportören ferroportin och förhindrar därmed järnabsorption och frisättning av återvunnet eller lagrat järn i plasma, vilket resulterar i minskade plasmajärnnivåer.2 Hepcidinproduktionen förändras snabbt och inom ett stort dynamiskt område för att säkerställa upprätthållandet av järnhomeostasen. Hepcidin undertrycks under förhållanden som kräver ökad järntillförsel, t.ex. stresserytropoesi, hypoxi, tillväxt och graviditet.43 Omvänt induceras hepcidin av järnbelastning för att förhindra ackumulering av överskottsjärn, eller av inflammation som en del av värdets försvarssvar mot infektion.65 Även om regleringen av hepcidin genom singulära stimuli har studerats väl, särskilt i djurmodeller, har vi fortfarande ingen förståelse för det komplexa samspelet mellan motsatta signaler i regleringen av hepcidinuttrycket och järnhomeostasen hos människor.

I det här numret av Haematologica rapporterar Stoffel et al. om en prospektiv studie på unga kvinnor för att utvärdera det relativa bidraget av järnbristanemi och akut inflammatorisk stimulus på järnhomeostasen7 (figur 1). Den välkontrollerade studien omfattade totalt 46 kvinnor: 25 icke-anemiska kvinnor och 21 kvinnor med järnbristanemi (IDA). Jämfört med sina icke-anemiska motsvarigheter hade anemiska kvinnor 2 g/dL lägre hemoglobin, lägre serumjärn, transferrinmättnad, ferritin och kroppens järndepåer samt högre erytropoietin- och serumtransferrinreceptor. I studien uteslöts försökspersoner med förväxlingsfaktorer som påverkade järnmetabolismen, inklusive befintlig inflammation, kronisk sjukdom, fetma, graviditet eller vitamin- och/eller mineraltillskott under två veckor före och under studien. Ett akut inflammatoriskt stimulus modellerades med hjälp av en intramuskulär injektion av ett influensa-, difteri-tetanus-pertussis-vaccin hos alla försökspersoner. Inflammatoriska markörer och järnmarkörer mättes vid baslinjen och 8, 24 och 36 timmar (h) efter vaccinationen.

Figur 1.Upplägget (A) och resultaten (B) av den prospektiva studien av Stoffel et al.7 på kvinnor. Studien utvärderade det relativa bidraget från järnbristanemi och akuta inflammatoriska stimuli på järnhomeostasen. h: timmar; d: dag.

Personerna fick också testmåltider som innehöll Fe (icke-radioaktiv isotop av järn), vilket gjorde det möjligt att bedöma erytrocyternas Fe-inkorporering som ett mått på järnabsorption. Den första Fe-måltiden och den första Fe-mätningen av erytrocyter genomfördes före den inflammatoriska stimulansen (”baseline”). Den andra Fe-måltiden administrerades 24 timmar efter vaccinet, vid tidpunkten för maximal eller nästan maximal ökning av IL-6 och hepcidin, följt av den andra Fe-mätningen av erytrocyterna. Även om Fe-mätningarna av erytrocyterna utfördes 19 dagar efter varje intag av Fe bör de av följande skäl noggrant återspegla järnabsorptionen den dag då måltiden intogs. Hos människor som inte är järnbelastade laddas majoriteten av det absorberade järnet på transferrin och är avsett för erytropoesin: ferrokinetiska experiment visade att efter intag av Fe upptäcks cirka 82-91 % av det absorberade radioaktivt märkta järnet i erytrocyter efter två veckor.98 Dessutom är erytrocyternas livslängd cirka 120 dagar, vilket är mycket längre än den tid som Stoffel et al. studerade. Således skulle en eventuell förväxlingseffekt av återvinning av Fe-röda blodkroppar och hepcidinmodulering av de återvunna järnflödena ha varit minimal.

Administrering av vaccinet inducerade systemisk inflammation i båda kohorterna av kvinnor, vilket återspeglades av en ökning av interleukin-6 (IL-6), en viktig regulator av hepcidinproduktionen. Trots detta fanns det en överraskande skillnad i hepcidinsvaret. Serumhepcidin ökade i den icke-anemiska gruppen inom 24 timmar efter vaccinationen men var oförändrat i IDA-gruppen. IL-6 och hepcidin korrelerade signifikant 24 timmar efter vaccinationen endast i den icke-anemiska gruppen men inte i IDA-gruppen. Serumjärnnivåerna speglade hepcidinsvaret: i den icke-anemiska kohorten var ökat serumhepcidin förknippat med minskat serumjärn, medan ingen förändring av serumjärn observerades i IDA-gruppen. Författarna drog därför slutsatsen att under IDA ersätter regleringen av hepcidin av järn och/eller erytropoetisk aktivitet hepcidinregleringen av akut inflammation. Mätning av erytrocyternas järninkorporering från Fe-märkta testmåltider gav en värdefull inblick i järnabsorptionen före och efter den akuta inflammatoriska stimulansen. Erytrocyternas järninkorporering var högre i IDA jämfört med icke-anemiska personer vid alla undersökta tidpunkter, vilket återspeglar en ökad järnabsorption i denna grupp. Intressant nog påverkades erytrocyternas Fe-inkorporering inte av inflammation i någon av grupperna, trots ökat hepcidin hos de icke-anemiska kvinnorna. Som författarna påpekar är en möjlig förklaring att enterocyter kan vara mindre känsliga för effekten av hepcidin än återvinningsmakrofager.10 En måttlig ökning av hepcidin efter vaccination hos icke-anemiska kvinnor skulle således kunna orsaka hypoferremier utan att samtidigt påverka den duodenala Fe-absorptionen, eftersom järnkoncentrationen i serum huvudsakligen bestäms av makrofagernas järnexport. Intressant nog var erytrocyternas Fe-inkorporering i den icke-anemiska gruppen omvänt korrelerad med serumhepcidin både vid baslinjen (r=-0,792; P<0,001) och efter vaccination (r=-0,708; P<0,001). Detta tyder på att hepcidin över ett bredare koncentrationsområde modulerar järnabsorptionen, men att hepcidinförändringarna efter vaccinationen var för små för att utöva en effekt på enterocyter.

Denna studie är den första som testar den dynamiska hierarkiska regleringen av hepcidin av järn och inflammation i en välkontrollerad prövning hos människor, och den visade att järnbristanemi utövar en dominerande effekt framför den av akut inflammation i denna miljö. Vilken är den molekylära mekanism som kan förklara denna observation? Hepcidinpromotorn innehåller både responselement (RE) för benmorfogenetiskt protein (BMP) och ett STAT3-RE.11 Järnmedierad hepcidinreglering sker via BMP-SMAD-vägen. Man tror att leverns sinusoidala endotelceller utsöndrar BMP2 och BMP6 i proportion till leverns järnförråd;1312 dessa ligander agerar sedan parakrint och binder BMP-receptorer och deras medreceptor hemojuvelin (HJV) på hepatocyter för att inducera fosforylering av SMAD1/5. Fosforylerat SMAD1/5 bildar ett komplex med SMAD4, translokeras till hepatocytkärnan och binder till BMP-RE för att inducera hepcidinuttryck. Koncentrationer av holo-transferrin, som registreras av proteinerna TfR1/HFE och TfR2 på hepatocyter, antas också modulera samma BMP-signalväg i dessa celler. Låga järndepåer och lågt cirkulerande järn (som observerades i IDA-gruppen i denna studie) skulle resultera i minskad BMP-signalering och en låg nivå av hepcidin-transkription. Låg hepcidin skulle då möjliggöra ökat järnupptag och mobilisering från lagren. I närvaro av infektion blir dock ökad biotillgänglighet av järn ett problem, eftersom patogener också kräver järn för proliferation och överlevnad. Som en del av värdförsvaret induceras hepcidin av infektion och inflammation för att begränsa järntillgången för patogener. Hepcidinreglering genom infektion och inflammation medieras till stor del av IL-6.14 IL-6 som binder till sin receptor, IL-6Rα, och sin medreceptor, gp130, resulterar i fosforylering av JAK1/2 i hepatocyter, som sedan fosforylerar STAT3. Denna dimeriseras sedan och translokeras till kärnan för att inducera hepcidinuttryck.

Väsentligt är att BMP-vägen visade sig synergisera med STAT3-vägen för att inducera hepcidin-transkription. Störning av BMP-RE i en levercellslinje försämrade hepcidinsvaret på IL-6.15 Studier med hjälp av musmodeller har visat att hepcidininduktion som svar på inflammation är avtrubbad när hepatisk BMP-signalering är genetiskt störd.2016 Avsaknad av HJV eller ALK3 förhindrade induktion av hepcidin in vivo efter akut inflammatorisk stimulus (LPS eller IL-6).17 På samma sätt var hepcidininduktionen som svar på LPS avtrubbad i Hfe- och Tfr2-knockoutmöss.16 Även om dessa musstudier inte modellerade järnbristanemi, som man såg hos försökspersonerna i Stoffel et al.7, gav de ett principiellt bevis för att BMP-vägen spelar en viktig roll i hepcidinreaktionen på inflammation.

Det återstår dock att fastställa om den förmodade minskningen av BMP-SMAD-signalering hos försökspersonerna i studien orsakas av järnbrist, eller av anemi och ökad erytropoetisk aktivitet, eller en kombination av dessa faktorer. Anemi inducerar utsöndring av erytropoietin (EPO) i njurarna.21 EPO verkar i sin tur på benmärgens erytroblaster för att inducera uttryck av erytroferron (ERFE),22 och ERFE har visat sig fungera som en BMP-fälla för att undertrycka hepcidin.23 Även om EPO var förhöjt hos IDA-personerna i den här studien, uppmättes inte ERFE-nivåerna i serum, men de skulle kunna ge insikt i anemins bidrag till det avtrubbade hepcidin-svaret. Det skulle vara intressant att se om enbart järnbrist är tillräckligt för att förhindra hepcidininduktion efter akut inflammatorisk stimulering. Faktum är att åtta av de 25 kvinnorna i den icke-anemiska gruppen rapporterades ha järnbrist, men analyserades inte som en subgrupp för att fastställa bidraget från anemi kontra järnbrist.

Förutom konvergensen av signaler till hepcidinpromotorn är en annan aspekt att ta hänsyn till i regleringen av hepcidin den relativa styrkan och varaktigheten av varje signal. I den här studien var järnbristanemi relativt mild (medianhemoglobin på 11,3 g/dL), men sannolikt kronisk. Den inflammatoriska signalen var måttlig och sannolikt övergående, med IL-6 som ökade ungefär 2-3 gånger efter vaccinationen jämfört med baslinjen. Hepcidininduktionen var likaså måttlig: i den icke-anemiska gruppen ökade hepcidinnivåerna 2 gånger efter 24 timmar jämfört med baslinjen. Huruvida ett starkare eller mer långvarigt inflammatoriskt stimulus, t.ex. under en aktiv infektion, skulle åsidosätta effekten av IDA på hepcidin återstår att fastställa. I överensstämmelse med Stoffel et al. rapporterades dock i en tvärsnittsstudie som jämförde patienter med anemi till följd av kronisk sjukdom (ACD) med patienter med IDA eller blandat ACD/IDA-tillstånd att hepcidin var förhöjt hos patienter med ACD jämfört med kontrollpersoner, men att hepcidinnivåerna hos patienter med blandat ACD/IDA, trots förhöjt IL-6, var jämförbara med de nivåer som observerades hos IDA-patienter24 .

Slutsatsen är att de data som erhållits från den väl utformade och väl genomförda prospektiva studien på människor av Stoffel et al. stöder slutsatsen att under järnbristanemi, när den utmanas av måttlig men övergående akut inflammation, prioriteras järnanskaffning framför järnrestriktion. Frågorna om den molekylära mekanismen och det relativa bidraget från erytropoetisk aktivitet kontra järnbrist för att förhindra en inflammationsmedierad ökning av hepcidin måste fortfarande besvaras. Viktigt är att denna humanstudie banar väg för analysen av interaktionerna mellan järnbrist och inflammation, ett ämne av stor betydelse för att utforma och genomföra strategier för att förebygga och behandla anemi i regioner där järnbrist, infektion och inflammation är alltför vanligt förekommande.

Acknowledgments and disclosures

Källor till stöd: NIH Ruth L. Kirschstein National Research Service Award T32-5T32HL072752-13 (till VS). EN är aktieägare och vetenskaplig rådgivare i Intrinsic LifeSciences.

1. Ganz T. Systemisk järnhomeostas. Physiol Rev. 2013; 93(4):1721-1741. PubMedhttps://doi.org/10.1152/physrev.00008.2013Google Scholar
2. Nemeth E, Tuttle MS, Powelson J. Hepcidin reglerar cellulär järnutflöde genom att binda till ferroportin och inducera dess internalisering. 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. Genen som kodar för den järnreglerande peptiden hepcidin regleras av anemi, hypoxi och inflammation. J Clin Invest. 2002; 110(7):1037-1044. PubMedhttps://doi.org/10.1172/JCI200215686Google Scholar
5. Cassat JE, Skaar EP. Järn i infektion och immunitet. 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. Hepcidininducerad hypoferremia är en kritisk värdförsvarsmekanism mot den siderofila bakterien 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. De motsatta effekterna av akut inflammation och järnbristanemi på serumhepcidin och järnabsorption hos unga kvinnor. Haematologica. 2019; 104(6):1143-1149. PubMedhttps://doi.org/10.3324/haematol.2018.208645Google Scholar
8. Marx JJ, Dinant HJ. Ferrokinetik och järnupptag i röda blodkroppar vid hög ålder: bevis för ökad järnretention i levern?. Haematologica. 1982; 67(2):161-168. PubMedGoogle Scholar
9. Marx JJ. Normalt järnupptag och minskat järnupptag i röda blodkroppar hos äldre personer. Blod. 1979; 53(2):204-211. PubMedGoogle Scholar
10. Chaston T, Chung B, Mascarenhas M. Bevis för olika effekter av hepcidin i makrofager och tarmepitelceller. 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. Blod. 2009; 113(3):688-695. PubMedhttps://doi.org/10.1182/blood-2008-05-160184Google Scholar
12. Canali S, Zumbrennen-Bullough KB, Core AB. Endotelceller producerar benmorfogenetiskt protein 6 som krävs för järnhomeostas hos möss. Blod. 2017; 129(4):405-414. PubMedhttps://doi.org/10.1182/blood-2016-06-721571Google Scholar
13. Koch PS, Olsavszky V, Ulbrich F. Angiokrin Bmp2-signalering i murinlever kontrollerar normal järnhomeostas. 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 medierar hypoferremia av inflammation genom att inducera syntesen av det järnreglerande hormonet hepcidin. 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. Ett BMP-responsivt element (bone morphogenetic protein) i hepcidinpromotorn kontrollerar HFE2-medierat hepatiskt hepcidinuttryck och dess respons på IL-6 i odlade celler. 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. Avtrubbat hepcidinsvar på inflammation i avsaknad av Hfe och transferrinreceptor 2. Blod. 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-medierat hypoferremiskt svar på akut inflammation kräver en tröskel för Bmp6/Hjv/Smad-signalering. Blod. 2018; 132(17):1829-1841. PubMedhttps://doi.org/10.1182/blood-2018-03-841197Google Scholar
18. Huang H, Constante M, Layoun A, Santos MM. Bidrag från STAT3- och SMAD4-vägar till regleringen av hepcidin genom motsatta stimuli. Blod. 2009; 113(15):3593-3599. PubMedhttps://doi.org/10.1182/blood-2008-08-173641Google Scholar
19. Steinbicker AU, Sachidanandan C, Vonner AJ. Hämning av signalering av benmorfogenetiskt protein dämpar anemi i samband med inflammation. Blood. 2011; 117(18):4915-4923. PubMedhttps://doi.org/10.1182/blood-2010-10-313064Google Scholar
20. Mayeur C, Lohmeyer LK, Leyton P. Typ I BMP-receptorn Alk3 krävs för induktion av hepatisk hepcidin-genuttryck av interleukin-6. Blood. 2014; 123(14):2261-2268. PubMedhttps://doi.org/10.1182/blood-2013-02-480095Google Scholar
21. Haase VH. Reglering av erytropoesin med hypoxiinducerbara faktorer. 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 inhibits the induction of hepcidin by BMP6. Blood. 2018; 132(14):1473-1477. PubMedhttps://doi.org/10.1182/blood-2018-06-857995Google Scholar
24. 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