谢燕妮 刘容容 赖永榕

β-地中海贫血是一种由于β-珠蛋白基因突变导致的的单基因遗传性溶血性贫血,其主要病理特征为骨髓中红系祖细胞过早凋亡和循环中成熟红细胞寿命缩短。β-地中海贫血呈世界性分布,广泛流行于地中海流域、中东、东南亚和非洲,我国广东省、广西省、福建省、湖南省、云南省、贵州省、四川省和中华人民共和国香港特别行政区、中华人民共和国澳门特别行政区等均为β-地中海贫血的高发区[1]。在β-地中海贫血中,由于β-珠蛋白合成缺如或不足引起α、β-珠蛋白链比例失衡,相对过剩的游离α-珠蛋白链沉积、变性及降解,从而产生细胞毒性活性氧化物,损害红细胞的成熟和活力,破坏红细胞膜结构,导致无效造血(ineffective erythropoiesis,IE)[2]。IE致贫血可抑制hepcidin表达,促进肠道铁吸收增加,导致患者出现临床相关的继发性铁过载[3]。铁沉积过多可形成铁相关的游离羟基自由基,继而造成活性氧(reactive oxygen species,ROS)堆积和红细胞氧化损伤,加速IE的进展[4]。IE和铁过载的相互作用形成恶性循环,加重β-地中海贫血的疾病严重程度。本文将对铁过载在β-地中海贫血无效造血中的机制研究进展进行讨论,靶向铁过载为β-地中海贫血中IE的治疗提供更多的参考。

一、ROS在β-地中海贫血无效造血中的作用机制

IE是β-地中海贫血的主要病理特征,表现为早期红系祖细胞增殖增加,去核成熟红细胞生成减少,增殖和分化的失衡导致IE和贫血。IE包括红系祖细胞增殖扩增、红细胞分化加速至嗜多色细胞阶段、嗜多色细胞成熟停滞和凋亡增加4个典型步骤[5]。研究发现,β-地中海贫血患者骨髓红系祖细胞数量约为健康人的6倍,而细胞凋亡率约为健康人的4倍[3]。有研究发现,ROS在β-地中海贫血IE中发挥重要作用。

在β-地中海贫血中,过量的游离α-珠蛋白链形成包涵体或与血红蛋白结合形成有毒的不溶性聚集体可沉淀并破坏红细胞膜结构,导致IE[2]。游离α-珠蛋白链不仅可以直接损伤红细胞膜结构,还可产生大量 ROS导致红细胞氧化损伤。高ROS水平是IE的标志之一。研究发现,β-地中海贫血患者红细胞ROS水平较正常人明显升高[6]。已有研究表明,除了过量的游离α-珠蛋白链外,长期贫血引起的慢性缺氧及无效红细胞生成导致的线粒体损伤、继发性铁过载也是引起ROS异常升高的主要原因[7]。

ROS增加可以氧化细胞脂质、核酸、蛋白质,并改变转录因子、膜通道和信号通路的活性,引起许多细胞器功能失调。位于质膜上的 ROS通过脂质过氧化改变细胞膜通透性,导致ATP 产生效率降低并缩短红细胞寿命,最终导致IE[3]。此外,质膜上的 ROS可诱导红细胞磷脂酰丝氨酸外化,以及介导红细胞阴离子跨膜转运蛋白(Band 3)磷酸化和聚集并被抗Band 3 抗体识别,进而介导巨噬细胞对红细胞的吞噬作用,缩短红细胞寿命,促进IE 的发生[8]。研究已证实异常增加的ROS可氧化损伤线粒体功能,触发细胞凋亡,进而损害地中海贫血患者的骨髓造血功能[6]。Elisa等[9]研究结果显示,地中海贫血患者细胞内ROS和脂质过氧化物水平较对照组明显升高,而线粒体跨膜电位显著降低,证实了地中海贫血患者细胞内异常增加的ROS可诱导细胞氧化损伤,引发线粒体功能紊乱,触发细胞凋亡。异常增加的ROS是β-地中海贫血红系细胞凋亡增加导致IE的重要原因。然而,ROS导致β-地中海贫血红系细胞凋亡的机制尚未明确。在骨髓增生异常综合征(myelodysplastic syndromes,MDS)小鼠模型中研究发现,高水平ROS抑制骨髓红系造血功能并且增加造血干细胞的更新频率,导致造血干细胞寿命缩短并提前耗竭,最终导致IE[10]。

综上所述,大量ROS是导致β-地中海贫血IE 的重要原因,其可通过诱导细胞氧化损伤引发细胞膜和线粒体等细胞器功能紊乱,触发红系祖细胞凋亡,加重贫血和IE。

二、铁过载和无效造血的关系

在β-地中海贫血中,IE 的过程伴随着大量的铁过载。近年来有关铁过载的研究结果显示,过多的铁沉积不仅会损害心脏、肝脏、内分泌腺体等器官功能,还会沉积在骨髓损伤骨髓造血功能和骨髓微环境。反复输血是铁过载的重要原因,但IE可抑制hepcidin表达引起肠道铁吸收增加和铁过载。

全身铁稳态受到hepcidin的严格调控,hepcidin能够靶向作用于人体内膜铁转运蛋白(recombinant ferroportin,FPN),从而发挥负性调节铁水平的作用。一方面,hepcidin与FPN结合并诱导其降解以减少十二指肠的铁吸收,另一方面,可减少肝脏、脾细胞释放铁,最终降低血清铁水平[11]。在正常生理条件下,hepcidin受铁水平和铁需求量的调节,铁过载可增加hepcidin表达抑制肠道铁吸收,而缺铁则有相反的效果。

有研究发现,尽管β-地中海贫血患者存在着铁过载,但hepcidin水平较健康人显著降低,这是由于IE抑制hepcidin表达所致[12]。hepcidin的表达主要由BMP-Smad信号通路调控,造成IE抑制hepcidin基因表达导致铁过载发生的因素主要如下：(1)在缺铁、红细胞生成和低铁调素水平的条件下,调节铁吸收的主要因子是肠道缺氧诱导因子-2α (hypoxia inducible factor-2,HIF-2α)[2]。TMPRSS6是一种跨膜丝氨酸蛋白酶,具有从肝细胞膜上裂解铁调素调节蛋白(hemojuvelin,HJV)进而拮抗BMP-Smad 信号通路发挥抑制hepcidin表达的作用,HIF-2α通过上调TMPRSS6进而抑制hepcidin表达,导致铁过载[13]。此外,HIF-2α还是促进肠道铁吸收的关键调节因子,通过调控铁相关蛋白如FPN、二价金属转运体1 (divalent metal transport1,DMT1)、十二指肠细胞色素b (Dcytb)的表达,促进十二指肠铁吸收增加[14]。(2)IE导致贫血和缺氧后可介导红细胞生成素刺激红细胞生成扩张,高水平红细胞调节剂抑制hepcidin表达、增加肠道铁吸收以满足红细胞生成所需的铁,进而补偿IE引起的贫血。在β-地中海贫血中,已经报道了几种红细胞调节剂,如GDF11、红富铁激素(erythroferrone,ERFE),主要通过BMP-Smad 信号通路抑制hepcidin表达[15,16]。综上所述,IE、贫血、缺氧和红细胞调节剂等因素均可抑制hepcidin表达,导致肠道铁吸收增加和铁过载。此外,IE和慢性溶血可导致各种异形红细胞破裂增加,释放血红蛋白结合铁和游离铁,进而加重铁过载[3]。

近年来,越来越多证据表明铁过载可通过诱导细胞内ROS水平增加损伤骨髓造血功能。Chai等[17]研究发现,铁过载可通过NOX4-ROS-P38 MAPK信号通路增加细胞内 ROS 水平,进而损害鼠模型中造血干细胞的克隆功能、降低骨髓造血干/祖细胞的比例及影响细胞的分化过程。Muto等[18]研究证实,大量铁剂处理后可显著提高细胞内ROS及凋亡水平,损伤造血干/祖细胞功能,抑制红系祖细胞分化,细胞呈现病态造血征象。当发生铁过载时,过量的铁沉积于细胞内形成可变铁池(labile iron pool,LIP),LIP具有氧化还原活性,能够催化Fenton和Haber-Weiss反应产生大量ROS,ROS的堆积增加脂质过氧化和细胞器损伤,导致红系祖细胞凋亡增加,加速贫血和IE[19]。Fibach等[20]对β-地中海贫血患者研究证实,过多的铁沉积在骨髓内可引起红系祖细胞凋亡增加,从而导致IE;铁沉积在外周循环中可缩短成熟红细胞寿命,加速慢性溶血性贫血。此外,已有研究表明铁过载可通过HIF-1α/ROS信号通路诱导骨髓红系凋亡增加,促进IE[21]。Li等[22]研究证明,在β-地中海贫血小鼠模型中,降低红细胞内的铁水平可减少α-珠蛋白链和含铁血红素聚集体的形成,并改善贫血和IE。既往研究结果显示,铁过载主要通过细胞内ROS介导氧化损伤作用损害骨髓造血功能,加速IE。

综上所述,大量研究证明,β-地中海贫血患者由于IE致贫血导致肠道铁吸收增加继而发生铁过载,并且铁过载状况随年龄增长日益加重。过量的铁沉积发生氧化应激反应刺激大量ROS的产生,异常增加的ROS可损伤骨髓造血功能和骨髓微环境,导致红系祖细胞凋亡增加而成熟红细胞生成减少,进一步加速贫血和IE的进展。铁过载和IE的双向作用导致IE和贫血日益加重,形成恶性循环,严重影响患者的生存质量。

三、靶向铁代谢改善无效造血的治疗方法

在β-地中海贫血中,IE和反复输血均会导致铁过载。铁过载是β-地中海贫血的一种重要且具有潜在破坏性的并发症,过多的铁沉积在组织器官中,尤其是心脏、肝脏和内分泌器官,可引起相应的细胞损伤和脏器功能衰竭。因此,去铁治疗对β-地中海贫血患者尤为重要,在一定程度上可改善贫血和IE的程度,提高患者的生活质量。目前应用于去铁治疗的主要方式有上调hepcidin、抑制FPN、输注脱铁运铁蛋白(apoTf)和使用铁螯合剂,这几种方式通过不同的机制减轻铁过载水平进而改善IE。

1.上调hepcidin的表达：hepcidin是铁稳态的主要调节器,使用Minihepcidins和TMPRSS6抑制剂可上调hepcidin表达进而抑制肠道铁吸收。Minihepcidins是一种hepcidin激动剂,靶向作用于FPN以降低肠道铁吸收。Casu等[23]研究证实,在β-地中海贫血小鼠模型中,使用Minihepcidins治疗可减少ROS和铁过载,并改善贫血和IE。TMPRSS6对hepcidin具有负调控作用,反之可运用TMPRSS6抑制剂增强BMP-Smad信号通路刺激hepcidin表达改善铁过载。采用TMPRSS6反义寡核苷酸或小干扰RNA方法治疗β-地中海贫血小鼠可成功抑制TMPRSS6导致hepcidin表达增加,减轻铁过载,而且hepcidin水平增加与改善红细胞生成、减少红细胞扩张、促进红细胞成熟相关。有研究表明,TMPRSS6抑制剂和铁螯合剂的联合治疗在改善铁过载和IE的作用效果优于单一疗法[24]。

2.抑制FPN：VIT-2763是一种FPN抑制剂,通过与hepcidin竞争性结合FPN并触发其降解以阻断细胞内铁外流。研究发现,VIT-2763单独治疗后可减轻β-地中海贫血小鼠的肝脏铁过载,同时还改善IE和贫血,延长红细胞寿命;VIT-2763与铁螯合物的联合治疗对改善铁过载和IE的效果较单一疗法显著[25]。

3.输注apoTf：apoTf可作为一种铁离子清除剂,抑制细胞吸收游离铁以减少铁过载的发生。Gelderman等[26]研究发现,运用apoTf治疗β-地中海贫血小鼠可提高hepcidin水平并且改善脏器中的铁沉积,同时还可减少红细胞中α-珠蛋白链沉积和细胞凋亡,证实了apoTf具有改善铁过载和IE的作用。

4.使用铁螯合剂：去铁铜(deferiprone,DFP)、去铁胺(desferrioxamine,DFO)和地拉罗司(deferasirox,DFX)是目前已运用于临床β-地中海贫血患者铁负荷管理的铁螯合剂,通过与细胞内游离铁结合形成螯合物以减少ROS生成,继而减少细胞和器官的功能损害。这3种铁螯合剂有效改善了β-地中海贫血患者铁过载情况,减少患者铁过载引起的相关并发症,降低发生率和病死率。然而与铁螯合剂相关的并发症限制了其在临床的应用,因此仍需探究对患者受益更大的治疗方案改善IE。

四、展 望

IE是β-地中海贫血的主要病理特征,最终导致慢性贫血、髓外造血、肝脾肿大和全身铁过载。患者由于长期贫血、缺氧致肠道铁吸收异常及反复输血导致继发性铁过载,铁过载可以加速IE的进展,导致溶血性贫血日益加重,形成恶性循环。此外,铁沉积过多会引起进行性组织损伤和器官衰竭,增加β-地中海贫血的发生率和病死率。了解铁稳态失调与IE之间的关系,通过针对铁过载在IE的潜在发病机制,靶向调节铁代谢的新治疗策略有助于减少氧化损伤和改善IE,有利于帮助患者及早预防或减少相关并发症的发生,提高他们的生存质量及在未来开辟新的治疗途径。