Přehledné práce
FYZIOLOGIE A PATOFYZIOLOGIE ERYTROPOEZY I: METABOLIZMUS ŽELEZA PHYSIOLOGY AND PATHOPHYSIOLOGY OF ERYTHROPOIESIS I: IRON METABOLISM MARTIN VOKURKA Ústav patologické fyziologie a Centrum experimentální hematologie, 1. LF UK, Praha ABSTRAKT
Železo je významný prvek, který je spjat s erytropoezou. V èervených krvinkách a jejich prekurzorech jsou až dvì tøetiny železa v organizmu, nicménì železo obsahuje každá buòka a železo plní stovky dalších funkcí jako souèást mnoha enzymù. Železo je rozhodující pro erytropoezu v závìreèných fázích ve stadiu erytroblastu. Metabolizmus železa je charakteristický nemožností výdeje železa, proto je zásadní regulace jeho vstøebávání. Hlavním regulujucím peptidem metabolizmu železa je hepcidin, který je tvoøen pøevážnì v játrech, snižuje vstøebávání železa a zároveò snižuje jeho recyklaci z makrofágù. Kromì železa se na jeho regulaci podílejí další faktory – jeho tvorba je snižována i zvýšenou erytropoezou a hypoxií, zvyšována zánìtem. Zánìtová stimulace hepcidinu se považuje za dùležitý faktor vzniku poruch metabolizmu železa u anémie chronických chorob. U selhání ledvin je koncentrace hepcidinu ovlivòována nejen uvedenými faktory, ale i sníženou glomerulární filtrací. Pøedpokládá se, že hepcidin by mohl sloužit k diagnostice uvedených stavù a v nìkterých pøípadech by jeho vysoké koncentrace a následná relativní nedostupnost železa mìly tlumivý vliv na erytropoezu, a mohly tak pøispívat k erytropoetinové rezistenci. Klíèová slova: erytropoeza, železo, hepcidin, zánìt, ledviny
ABSTRACT
Iron is important element tightly connected to erythropoeisis. Red blood cells and their precursors contain about two thirds of body iron, nevertheless iron is present in each cell and iron fulfils hundreds of other functions as a part of many enzymes. Iron is crucial for end stages of erythropoeisis during the hemoglobinization of erythroblasts. As iron metabolism is characterized by the incapacity to excrete iron, it is the absorption which is crucial for the regulation. The main iron regulatory hormone is hepcidin which is produced mainly in the liver. It decreases iron absorption and also decreases its recyclation from macrophages. Apart from iron, other factors participate at its regulation – its production is decreased also by enhanced erythropoeisis and by hypoxia, while it is increased by inflammation. Inflammatory stimulation of hepcidin is considered as an important factor in the pathogenesis of iron metabolism disturbances originating in anemia of chronic disease. In kidney failure the concentration of hepcidin is modulated not only by these factors but also by decreased glomerular filtration. Hepcidin measurement is supposed to be useful in the diagnosis of these clinically important situations as in some cases its high concentrations and resulting relative iron restriction could have suppressive effect on erythropoiesis and could contribute to erythropoietin resistance. Key words: erythropoiesis, iron, hepcidin, inflammation, kidneys
ÚVOD: ROLE ŽELEZA V LIDSKÉM ORGANIZMU Železo ( 26Fe, VIIIa podskupina) je klíèový prvek v živých organismech. V lidském tìle má mnoho zásadních funkcí. Jako souèást hemu i jako nehemové železo je pøítomno v desítkách proteinù a enzymù – pøedevším v hemoglobinu, myoglobinu, cytochromech dýchacího øetìzce i mikrosomálních systémù P450 (CYP), peroxidáze, NO syntáze, prolylhydroxyláze, ribonukleotid reduktáze aj. Úèastní se tak klíèových dìjù lidského metabolizmu – pøenosu a využití kyslíku, detoxikace i syntézy mnoha slouèenin, molekulárního senzoringu kyslíku, syntézy DNA (Ponka, 1999). AKTUALITY V NEFROLOGII
• ROČNÍK 17 • 2011 • ČÍSLO 2
Mnoho funkcí železa souvisí s možností jeho pøechodu mezi ferro (2+) a ferri (3+) formou. Zároveò je tato reaktivita železa zdrojem jeho toxicity (Papanikolaou a Pantopoulos, 2005). Železo mùže být katalyzátorem vzniku volných radikálù, napø. ve Fentonovì reakci, kdy dochází k vzniku hydroxylových radikálù. Nebezpeèné je z tohoto pohledu pøedevším železo dvojmocné a železo volné. Proto je železo v organizmu skladováno a transportováno ve formì trojmocné a je obvykle vázáno na proteiny. Železo je rovnìž využíváno patogeny pro rùst a množení. Železo hraje dùležitou patogenetickou roli v mnoha onemocnìních, a proto je velmi dùležitá kontrola jeho metabolizmu v buòkách i v celém organizmu. Jde 63
Přehledné práce o jeho nedostatek (sideropenii), nadbytek (pøetížení železem) a poruchu jeho distribuce a regulace na úrovni bunìèné èi na úrovni celého organizmu. Mùže jít o nemoci jak získané, tak dìdièné (Camaschella, 2011). Z kvantitativního hlediska je nejvýznamnìjší jeho vztah k erytropoeze: nejvýznamnìjšími patologickými stavy z tohoto pohledu je anémie z nedostatku železa (sideropenická), anémie chronických chorob (provázená relativní nedostupností železa pøi jeho retenci v makrofágovém systému) a nìkteré anémie s inefektivní erytropoezou, napø. talasémie (mohou být provázeny závažným nadbytkem železa).
METABOLIZMUS ŽELEZA Obsah železa v lidském tìle je 50 až 70 milimolù, tj. 3 až 4 gramy (více u mužù). V erytrocytech a kostní døeni jsou z celkového množství asi dvì tøetiny. Ve formì feritinu a hemosiderinu je asi 15 až 20 % železa, zásobním orgánem jsou zejména játra a makrofágy. V krvi jsou obsaženy jen asi 3 mg železa (cca 0,1 %), za fyziologických okolností je navázáno v trojmocné formì na transferin. Metabolizmus železa zahrnuje jeho vstøebávání, recyklaci, distribuci k jednotlivým orgánùm a regulaci tìchto procesù (pøehlednì Andrews, 1999). Speciální èástí je intracelulární metabolizmus železa. V souèasné dobì je mnoho z tìchto dìjù poznáno na molekulární úrovni (pøehlednì Munoz, 2010). Resorpce železa probíhá v duodenu. Èlovìk resorbuje asi desetinu z množství pøijatého v potravì, pøi nedostatku èi zvýšené potøebì se resorpce zvyšuje (po krvácení, tìhotenství apod.). Pøestože denní resorpce pøedstavuje asi 1 mg (tj. 0,025 % celkového množství v tìle), je procesem, jehož regulace dlouhodobì rozhoduje o množství železa v tìle. Èlovìk nemá regulovaný výdej železa, železo se z tìla ztrácí odlupováním bunìk a krvácením, vè. menstruace. V našich podmínkách se podstatná èást železa vstøebává jako hemové železo, mechanizmus této resorpce není dosud pøesnì znám. Zbytek se vstøebává jako nehemové železo dvojmocné. K jeho vstøebání pøispívá kyselost žaludeèní šśávy, vitamín C, naopak ho snižují nìkteré složky potravy (organické kyseliny, tanin aj.). Proto rostlinná potrava, pøes relativnì dostateèný obsah železa, není jeho vydatným zdrojem. Redukci z trojmocného, v potravì hojnìjšího železa, zabezpeèuje kromì vitamínu C i speciální enzym v kartáèovém lemu enterocytu (duodenální cytochrom B, DcytB). Dvojmocné železo je na apikální èásti buòky transportováno transportérem DMT1 (divalent metal transporter), který mùže pøenášet i jiné dvojmocné kovy. Pokud má železo vstoupit do krve, musí ještì vystoupit z enterocytu na bazolaterální membránì. Tuto funkci zabezpeèuje dosud jediný známý exportér železa z buòky – ferroportin. Železo je pøed navázáním na transferin oxidováno na formu trojmocnou, v níž je pøenášeno. Tuto oxidaci zabezpeèuje membránový protein hephaestin; obsahuje mìï a je membránovým analogem ceruloplazminu. Kvantitativnì vìtší množství železa je dennì recyklováno, tj. znovu využito ze starých erytrocytù po jejich fa-
64
gocytóze. Dennì se recykluje asi 20–25 mg železa. Metabolizmus železa je tak do jisté míry uzvaøený systém. Hemoxygenázou je hem rozložen a železo se skladuje ve feritinu. Analogicky jako v enterocytu je opìt železo exportováno z buòky ferroportinem. Pøed vazbou na transferin je oxidováno plazmatickým proteinem ceruloplazminem. Železo je distribuováno ve vazbì na transferin, který dodává železo buòkám. Buòky potøebující železo mají ve své membránì velké množství transferinových receptorù (TfR, CD 71), které zprostøedkují vstup nasyceného diferického transferinu (tj. obsahujícího dva atomy trojmocného železa) do buòky procesem zvaným receptorem zprostøedkovaná endocytóza. V endosomu se železo uvolní z transferinu a vystupuje do cytosolu buòky (opìt transportérem DMT1), zatímco se transferin a TfR recyklují zpìt na membránu. Železo smìøuje buï do mitochondrie, kde konèí syntézu hemu vložením do protoporfyrinu IX, nebo do zásob ve formì feritinu. Jedna molekula feritinu mùže pojmout nìkolik tisíc atomù železa. Nadmìrné množství železa je pak obsaženo v hemosiderinu, který vzniká degradací feritinu a na rozdíl od nìj je nerozpustný a železo z nìj není snadno uvolnitelné. V pøípadì velkého nadbytku železa stoupá saturace transferinu na 100 %, popø. se v krvi zaèíná nacházet ve vìtším množství železo netransferinové (NTBI – non transferrin bound iron); je vázáno napø. na albumin, citráty a nìkteré další anionty krve a mùže zvyšovat vznik volných radikálù. Regulace metabolizmu železa probíhá na úrovni celého organizmu i jednotlivých bunìk. Mnohé z genù, jejichž proteiny se tìchto dìjù úèastní, jsou regulovány hypoxií na transkripèní úrovni èi na úrovni posttranskripèní stabilizací, resp. degradací pøíslušné mRNA v závislosti na potøebì železa.
ŽELEZO V ERYTROPOEZE Železo jako souèást hemu v hemoglobinu je zásadní pro správný prùbìh erytropoezy (Camaschella, 2011). Jako souèást enzymu ribonukleotid reduktázy je nezbytné pro syntézu DNA a tudíž dìlení bunìk, zásadní a specifický je však význam pro hemoglobinizaci. Jeden erytrocyt obsahuje zhruba 300 miliónù molekul hemoglobinu. Každá molekula hemoglobinu obsahuje 4 hemy, každý z nich pak ètyøi atomy železa Fe2+. V jedné èervené krvince je tedy pøítomno pøes 1 miliardu atomù železa (cca 1,5 fmol), v celé periferní krvi pak je to v erytrocytech cca 38 mmol. S ohledem na výmìnu cca 1 % erytrocytù dennì to znamená pøísun 0,38 mmol železa do kostní døenì za jediný den. V krvi je obsaženo cca 0,05 mmol železa, tzn. že se železo v krvi cca 7–8× obmìní – to pøedstavuje výše uvedených 20–25 mg. Zároveò to ukazuje na to, že vyzrávající èervené krvinky železo vychytávají velmi intenzivnì. Jaká je podstata tohoto procesu? Hemoglobinizace probíhá na úrovni erytroblastù. Jde o závìreènou èást erytropoezy, pøi níž dochází k vzniku retikulocytu a následnì zralého erytrocytu od kmenové
AKTUALITY V NEFROLOGII
• ROČNÍK 17 • 2011 • ČÍSLO 2
Přehledné práce buòky pøes erytroidní specifické prekurzory (BFU-E a CFU-E) k erytroblastùm. Celý proces trvá od pluripotentní kmenové buòky cca 21 dnù. Proces intenzivní hemoglobinizace a tudíž vychytávání železa pak trvá cca 4 dny, bìhem nichž se i morfologicky mìní erytroblasty pøes basofilní, polychromní a ortochromní stadium. Erytroblast má vysokou potøebu železa, která vede k vysoké expresi transferinových receptorù. Na erytroblastech je pøítomno 80 % všech TfR z celého organizmu. Hlavní regulace exprese TfR je uskuteèòována na úrovni stability mRNA. Relativní nedostatek železa, resp. jeho vysoká potøeba, vede k zvýšení její stability, a proto se na bunìèné membránì zvyšuje poèet TfR – mùže dosahovat až desítek èi set tisíc a receptory jsou ještì patrné na retikulocytech. Èást se jich uvolòuje do cirkulace a stanovuje se jako solubilní transferinové receptory (sTfR), které mohou sloužit jako jeden z indikátorù aktivity erytropoézy. Železo v buòce zvyšuje stabilitu mRNA pro erytroidní variantu enzymu syntázy 5-aminolevulové kyseliny (ALAS), která je podstatná pro zahájení syntézy hemu. Obì tyto molekuly vedou výslednì k vystupòované syntéze hemu.
HEPCIDIN A REGULACE METABOLIZMU ŽELEZA V ORGANIZMU Velký význam železa i jeho potenciální škodlivost vytváøejí nutnost peèlivé regulace metabolizmu železa i na úrovni organizmu. Železo nelze z tìla regulovanì vyluèovat, proto se hlavní regulace odehrává na úrovni jeho resorpce v duodenu. Jestliže za normálních okolností se vstøebává asi desetina pøijatého železa, mùže toto procento fyziologicky stoupnout pøi vyšší potøebì – bìhem rùstu, tìhotenství a po krvácení, stejnì jako je patologicky zvýšeno pøi hereditární hemochromatóze (HH). Poznání tìchto dìjù a regulace se odehrálo v prvním desetiletí 21. století, stále však zùstávají nevyjasnìné otázky. Hlavním regulátorem tohoto dìje je malý peptid tvoøený v játrech – hepcidin (pøehlednì Ganz, 2011). Hepcidin (Park, 2001) je peptid tvoøený 25 aminokyselinami vznikající z prekuzoru prohepcidinu. Byly prokázány i formy s 22 a 20 aminokyselinami. Hepcidin tlumí resorpci železa ve støevì a uvolòování z makrofágù (Nicolas, 2001). Jeho snížená tvorba – napø. pøi nedostatku železa – zvyšuje resorpci železa ve støevì, zatímco nadprodukce hepcidinu vstøebávání železa snižuje. Je tak skuteèným regulátorem dlouhodobého obsahu železa v tìle, protože jeho produkce je øízena i obsahem železa v tìle (Pigeon, 2001). U hereditární hemochromatózy je regulace hepcidinu narušena, takže se netvoøí v množství pøimìøeném obsahu železa, což vede k dlouhodobì zvýšené resorpci. Je t.è. popsáno nìkolik typù HH s mutacemi genù, které jsou zodpovìdné za regulaci hepcidinu železem (Weiss, 2010). Vzácnì je pøíèinou hemochromatózy pøímo mutace hepcidinu. Druhým úèinkem hepcidinu je snížené uvolòování železa z makrofágù. To znamená, že železo z destruovaných er ytrocytù zùstává sekvestrováno
AKTUALITY V NEFROLOGII
• ROČNÍK 17 • 2011 • ČÍSLO 2
zadržení železa rychlý pokles sérové koncentrace
železo je uvolòováno pro vazbu na transferin makrofág
nadbytek a pøívod železa zánìt
snížená resorpce železa dlouhodobì až nedostatek železa v organismu
HEPCIDIN
støevo
nedostatek a zvýšená potøeba železa zvýšená erytropoeza hypoxie hereditární hemochromatóza zvýšená resorpce železa až nadbytek železa v organismu
Obr. 1: Hlavní pøíèiny a dùsledky zmìn koncentrace hepcidinu
v makrofágovém systému a není uvolòováno do plazmy a není k dispozici pro novou erytropoezu (Ganz, 2009). Protože recyklace železa pøedstavuje až 8× množství železa v plazmì, znamená inhibice uvolòování železa z makrofágù rychlý pokles plazmatické koncentrace železa (obr. 1). Mechanizmus úèinku hepcidinu je jeho vazba na exportér železa ferroportin, který je po této vazbì inaktivován – dochází k jeho internalizaci a degradaci (Nemeth, 2004). Protože je ferroportin pøítomen na bazolaterální (krevní) membránì enterocytu i v membránì makrofágù a hepatocytù, pùsobí hepcidin souèasnì na utlumení resorpce „nového” železa z potravy, tak na jeho uvolòování ze zásob. Výsledkem je dlouhodobá regulace obsahu železa v organizmu a rychlá regulace jeho plazmatické koncentrace. Hepcidin je kromì železa regulován i erytropoezou, hypoxií a zánìtem. Regulace železem je komplexní a zahrnuje nìkolik proteinù pøítomných v jaterních buòkách (Nemeth, 2009). Kritickou roli mají tzv. bone morphogenetic proteiny (BMP), jejich receptory, koreceptor hemojuvelin (HJV). Další cestou je saturace transferinu, která ovlivòuje tvorbu hepcidinu interakcemi pøes transferinové receptory 1 a 2 molekulu HFE. Dùležitá je i následná nitrobunìèná kaskáda. Mutace nìkterých z tìchto genù jsou zodpovìdné za rùznì tìžké formy hereditární hemochromatózy. Pùvodnì bylo prokázáno, že anémie tlumí tvorbu hepcidinu v játrech (Nicolas, 2002a). Anémie, která není souèasnì provázena zvýšenou (event. inefektivní) erytropoezou, sama o sobì k poklesu hepcidinu pøímo nevede (Vokurka, 2006), což mùže zabraòovat nadmìrné resorpci železa, napø. u útlumu kostní døenì. Nicménì urèitý, dosud ne zcela specifikovaný vliv na snížení tvorby hepcidinu, má hypoxie. Zvýšená erytropoeza tlumí tvorbu hepcidinu v játrech. Mechanizmus této regulace není dosud zcela objasnìn. Mùže být vyvolán poklesem saturace transferinu pøi zvýšené potøebì železa v kostní døeni nebo humorálním faktorem uvolòovaným aktivovanou kostní døeni, resp. erytroblasty. Dva faktory (rùstový faktor 15 – GDF15 a twisted gastrulation TWSG1) byly dosud prokázány u inefektivní erytropoezy u talasémie èi nìkterých kongenitálních anémií, které jsou provázeny
65
Přehledné práce nízkými koncentracemi hepcidinu a pøetížením železem (Tanno, 2007, 2009). U fyziologické erytropoezy však dosud takové faktory prokázány nebyly. Studován je rovnìž vztah erytropoetinu a hepcidinu. Podání erytropoetinu vede k poklesu hepcidinu (Nicolas, 2002b) – podstatná èást efektu je zøejmì zpùsobena zvýšením erytropoezy a poptávkou po železe, nicménì existují i práce popisující urèitý pøímý vliv erytropoetinu na expresi hepcidinu v hepatocytu. Sami jsme pokles hepcidinu po podání erytropoetinu u ozáøených myší s utlumenou erytropoezou nepozorovali (Vokurka, 2006). Dalším faktorem, který naopak zvyšuje expresi hepcidinu, je zánìt. Hepcidin je považován za reaktant akutní fáze typu II (Nemeth, 2003) a je stimulován zejm. interleukinem 6 (IL-6). Zánìtová stimulace tvorby hepcidinu má závažné dùsledky.
ŽELEZO, ZÁNĚT A ERYTROPOEZA IL-6 a další zánìtové mediátory mají komplexní úèinky na celý organizmus. Zánìt zpùsobuje stimulaci makrofágového systému, což vede k zvýšení fagocytózy erytrocytù, které tak mají zkrácené pøežívání pod 100 dnù. Tento zvýšený zánik erytrocytù není dostateènì kompenzován erytropoezou. Zánìt má na erytropoezu negativní vliv zvýšením transkripèních faktorù NFκB a GATA-2, které snižují tvorbu erytropoteinu; souèasnì se snižuje antiapoptotický úèinek erytropoetinu na erytroidní prekurzory. K nedostateènosti erytropoezy dále pøispívá zmìna metabolizmu železa zpùsobená zvýšenou tvorbou hepcidinu (Weinstein, 2002). Zánìt stimuluje tvorbu hepcidinu (Nicolas, 2002a), který bìhem nìkolika hodin sníží recyklaci železa z makrofágù, které železo sekvestrují, takže se v plazmì objevuje hypoferémie a není dostatek železa pro erytropoezu, aèkoliv množství železa v tìle není sníženo (jde o tzv. funkèní nedostatek železa). Zároveò je snížena resorpce železa v trávicím traktu, což mùže snižovat efekt perorálního podávání železa (obr. 2). Fyziologickým smyslem tìchto zmìn je snížení dostupnosti železa pro invadující patogeny.
ANÉMIE CHRONICKÝCH CHOROB Klinickým korelátem výše popsaných zmìn je anémie chronických chorob (anemia of chronic disease, ACD), nìkdy též nazývaná anémií zánìtovou (anemia of inflammation). Je to druhá nejèastìjší anémie po sideropenické anémii a u chronicky nemocných, zejm. u hospitalizovaných, zaujímá první místo. Je obvykle mírná èi støednì tìžká, normocytární a normochromní. Vzniká u chorob zánìtových, infekèních, nádorových, které nadprodukcí zánìtových cytokinù ovlivòují erytropoezu i metabolizmus železa (pøehlednì Weiss, 2005; Roy, 2010). Byla popsána i u akutních stavù (Corwin, 2000). Typickými rysy této anémie, které mají i diagnostické využití, jsou zmìny v metabolizmu železa. V dùsledku
66
ZÁNÌT
ŽELEZO
hepcidin
cytokiny
kostní døeò
prekurzory rezistence na EPO
erytropoetin
makrofágy
ERYTROPOEZA ZKRÁCENÉ PØEŽÍVÁNÍ ERY
Anémie chronických chorob Obr. 2: Schéma vlivu zánìtu na krvetvorbu a na vznik anémie chronických chorob
pùsobení hepcidinu je snížena plazmatická koncentrace železa, kterého však na rozdíl od sideropenické anémie není skuteèný nedostatek, naopak je železo zvýšenì obsaženo v makrofázích, je možné nalézt železo i pøi vyšetøení kostní døenì. Dalším rozdílem je zvýšená koncentrace sérového feritinu, který se chová rovnìž jako zánìtový marker (zatímco u sideropenické anémie je snížen a vyjadøuje snížené množství zásob železa). U ACD je dále naopak sníženo množství sérového transferinu a tudíž i celková vazebná kapacita. Tato vyšetøení by mìla být samozøejmostí ve vyšetøování anémie se sníženou sérovou koncentrací železa, kde lze pøedpokládat ještì další chorobné zánìtové èi neoplastické zmìny.
KLINICKÉ DŮSLEDKY A APLIKACE V NEFROLOGII Anémie, zánìt a poruchy metabolizmu železa se èasto kombinují u nefrologických onemocnìní. Patogeneze anémie u renálního selhání je komplexní. Kromì snížené tvorby erytropoetinu hraje roli nedostatek železa a rovnìž zánìtový stav. Dalšími faktory jsou krevní ztráty, hemolýza a zkrácené pøežívání erytrocytù. Pacientùm je podáván exogenní erytropoetin (ESA) a pøípravky železa, pøièemž èást pacientù je na erytropoetin rezistentní. Takovým pacientùm jsou podávány vyšší dávky s možnými negativními vlivy. Jednou z pøíèin rezistence na ESA mohou být i zmìny metabolizmu železa, nejen jeho nedostatek, ale i zmìny v jeho distribuci typické pro ACD (funkèní nedostatek) a zpùsobené zánìtem a následnou indukcí hepcidinu. Klinické i laboratorní odlišení takového stavu je podstatné pro další postup, protože napø. pøi zvýšené koncentraci hepcidinu lze pøedpokládat nejen špatnou dostupnost železa, ale i jeho zhoršenou resorpci po perorálním podání. Z tohoto dùvodu se stanovení hepcidinu jeví jako perspektivní, protože na rozdíl od stanovení feritinu odráží pøímo dostupnost železa pro erytropoezu a kromì stavu metabolizmu železa a zánìtu ještì mùže odrážet míru aktivity erytropoezy (Swinkels, 2008). Pøedpokládá se, že význam laboratorního stanovení hepcidinu je zejm. v jeho opakovaném mìøení a jeho ko-
AKTUALITY V NEFROLOGII
• ROČNÍK 17 • 2011 • ČÍSLO 2
Přehledné práce CHRONICKÉ ONEMOCNÌNÍ LEDVIN GF
zánìt
pøežívání ery EPO
železo
erytropoeza
ESA
exog. Fe
erytropoeza
ANÉMIE
HEPCIDIN
Obr. 3: Faktory ovlivòující koncentraci hepcidinu u nefrologických pacientù (volnì adaptováno dle Swinkels, 2008)
relaci s ostatními parametry metabolizmu železa, resp. zánìtu èi erytropoezy. Dosavadní výsledky jsou mimo jiné poznamenány pøedevším metodickými obtížemi se stanovením hepcidinu. Pùvodní poznatky o hepcidinu pocházely pøedevším z experimentálních prací na zvíøatech, kde byla exprese hepcidinu stanovována na úrovni mRNA v játrech. První výsledky mìøení hepcidinu u lidí pøinášely práce skupiny prof. Ganze pomocí mìøení hepcidinu polyklonální protilátkou v moèi. Èást informací pochází z mìøení sérového prohepcidinu, jehož vztah k hepcidinu není jednoznaènì prozkoumán a je spíše zpochybòován (Sasu, 2010). V poslední dobì se používají dva metodické pøístupy – pro širší klinickou praxi použitelnìjší metody imunologické (ELISA), které nedokážou rozlišit mezi jednotlivými formami hepcidinu, a metody založené na hmotností spektrometrii, které vyžadují nákladné vybavení, znaènou zkušenost, ale jsou schopny rozlišit i formy hepcidinu 25, 22 a 20, jejichž zastoupení se mùže u rùzných chorob lišit (Kroot, 2010). V souèasné dobì již je na trhu nìkolik ELISA kitù, ale rozmezí plazmatických hodnot není zatím jednoznaènì stanoveno; absolutní hodnoty se v jednotlivých pracích mohou dosti lišit a zásadní je pøedevším sledování zmìn hepcidinu a srovnání koncentrací v rámci jedé studie. Renální onemocnìní se na ovlivnìní hepcidinu mohou podílet více faktory (obr. 3). Pokles glomerulární filtrace mùžes snížit jeho exkreci (Swinkels, 2008). Zánìtový stav provázející renální insuficienci jej mùže rovnìž stimulovat stejnì jako pokles erytropoezy v dùsledku snížené tvorby erytropoetinu. Na druhé stranì podávání erytropoetinu a stimulace erytropoezy mohou tvorbu hepcidinu snižovat, stejnì jako nedostatek železa (a podání železa naopak mùže opìt tvorbu zvýšit). Stanovení hepcidinu by mohlo odpovìdìt – v kombinaci s dalšími parametry – na otázku, jak se uvedené faktory uplatòují v patologickém procesu. Pøedpokládá se, že zvýšená koncentrace hepcidinu by mohla pøispívat k poruchám erytropoezy vè. rezistence k erytropoetinu (Malyszko, 2009). Nicménì souèasné poznatky nejsou jednoznaèné (Peters, 2009) a budou vyžadovat
AKTUALITY V NEFROLOGII
• ROČNÍK 17 • 2011 • ČÍSLO 2
další zpøesòování (Macdougall, 2010). Jejich detailní rozbor není cílem tohoto struèného pøehledu. Kromì diagnostického významu hepcidinu (Bergamaschi, 2009) jsou studovány i možnosti využít znalosti hepcidinu a jeho regulace léèebnì (Pietrangelo, 2011). Studují se analoga hepcidinu k potlaèení nadmìrné resorpce železa a naopak protilátky, které by mohly být využity pøi nadmìrné zánìtové stimulaci hepcidinu v rámci ACD. Potenciálnì i zde by mohla být cesta k dalším léèebným postupùm anémie u chronických nefrologických onemocnìní (del Vecchio et al., 2010). Kromì klinických mìøení, zvìtšování souborù pacientù i zvyšující se dostupnosti reprodukovatelných metod je to i další teoretický a experimentální výzkum, v nìmž je tøeba studovat vztahy mezi zánìtem, erytropoezou a hepcidinem na molekulární úrovni, stejnì jako zùstává pøed výzkumem mnoho nezodpovìzených otázek o samotném metabolizmu železa. Podìkování: Práce byla podpoøena Výzkumným zámìrem MSM 0021620806, centrem LC 06044 a grantem NS10300-3 MZ ÈR.
LITERATURA 1. Andrews NC. Disorders of Iron Metabolism. N Eng J Med 1999; 341: 1986-1995. 2. Bergamaschi G, Villani L. Serum hepcidin: a novel diagnostic tool in disorders of iron metabolism. Haematologica 2009; 94: 1631-1633. 3. Camaschella C, Pagani A. Iron and erythropoiesis: a dual relationship. Int J Hematol 2011; 93: 21-26. 4. Camaschella C, Poggiali E. Inherited disorders of iron metabolism. Curr Opin Pediatr 2011; 23: 14-20. 5. Corwin HL, Krantz SB. Anemia of the critically ill: “acute” anemia of chronic disease. Crit Care Med 2000; 28: 30983099. 6. Ganz T, Nemeth E. Hepcidin and Disorders of Iron Metabolism. Annu Rev Med. 2011; 18: 347-360. 7. Ganz T, Nemeth E. Iron sequestration and anemia of inflammation. Semin Hematol 2009; 46: 387-393. 8. Kroot JJ, Laarakkers CM, Geurts-Moespot AJ et al. Immunochemical and mass-spectrometry-based serum hepcidin assays for iron metabolism disorders. Clin Chem. 2010; 56: 1570-1579. 9. Macdougall IC, Malyszko J, Hider RC. Current status of the measurement of blood hepcidin levels in chronic kidney disease.Clin J Am Soc Nephrol. 2010; 5: 1681-1689. 10. Malyszko J, Malyszko JS, Mysliwiec M. Hyporesponsiveness to erythropoietin therapy in hemodialyzed patients: potential role of prohepcidin, hepcidin, and inflammation. Ren Fail 2009; 31: 544-548. 11. Munoz M, García-Erce JA, Remacha AF. Disorders of iron metabolism. Part I: molecular basis of iron homoeostasis. J Clin Pathol. 2011; 64: 281-286. 12. Munoz M, García-Erce JA, Remacha AF. Disorders of iron metabolism. Part II: iron deficiency and iron overload. J Clin Pathol. 2011; 64: 287-296. 13. Nemeth E, Tuttle MS, Powelson J et al. Hepcidin regulates cellular iron efflux by binding to ferroportin and inducing its internalization. Science 2004; 306: 2090-2093.
67
Přehledné práce 14. Nemeth E, Valore EV, Territo M et al. Hepcidin, a putative mediator of anemia of inflammation, is a type II acute-phase protein. Blood 2003; 101: 2461-2463. 15. Nicolas G, Bennoun M, Devaux I et al. Lack of hepcidin gene expression and severe tissue iron overload in upstream stimulatory factor 2 (USF2) knockout mice. Proc Natl Acad Sci USA 2001; 98: 8780-8785. 16. Nicolas G, Viatte L, Chauvet C et al. The gene encoding the iron regulatory peptide hepcidin is regulated by anemia, hypoxia, and inflammation. J Clin Invest 2002; 110: 1037-1044. (a) 17. Nicolas G, Viatte L, Bennoun M et al. Hepcidin, A New Iron Regulatory Peptide. Blood Cells Mol Dis 2002; 29: 327-335. (b) 18. Papanikolaou G, Pantopoulos K. Iron metabolism and toxicity. Toxicol Appl Pharmacol 2005; 202: 199-211. 19. Park CH, Valore EV, Waring AJ et al. Hepcidin, a urinary antimicrobial peptide synthesized in the liver. J Biol Chem 2001; 276: 7806-7810. 20. Peters HP, Laarakkers CM, Wetzels JF et al. Serum hepcidin-25 levels in patients with chronic kidney disease are independent of glomerular filtration rate. Nephrol Dial Transplant 2010; 25: 848-853. 21. Pietrangelo A. Hepcidin in human iron disorders: Therapeutic implications. J Hepatol. 2011; 54: 173-181. 22. Pigeon C, Ilyin G, Courselaud B et al. A new mouse liverspecific gene, encoding a protein homologous to human antimicrobial peptide hepcidin, is overexpressed during iron overload. J Biol Chem 2001; 276: 7811-7819. 23. Poòka P. Cellular iron metabolism. Kidney Int Suppl 1999; 69: S2-11. 24. Roy CN. Anemia of inflammation. Hematology Am Soc Hematol Educ Program 2010; 2010: 276-80. 25. Sasu BJ, Li H, Rose MJ et al. Serum hepcidin but not prohepcidin may be an effective marker for anemia of inflammation (AI). Blood Cells Mol Dis. 2010, 45: 238-245.
68
26. Swinkels DW, Wetzels JFM. Hepcidin: a new tool in the management of anaemia in patients with chronic kidney disease? Nephrol Dial Transplant 2008; 23: 2450-2453. 27. Tanno T, Bhanu NV, Oneal PA, et al. High levels of GDF15 in thalassemia suppress expression of the iron regulatory protein hepcidin. Nat Med 2007; 13: 1096-1101. 28. Tanno T, Porayette P, Sripichai O et al. Identification of TWSG1 as a second novel erythroid regulator of hepcidin expression in murine and human cells. Blood 2009; 114: 181-186. 29. Vecchio del L, Cavalli A, Tucci B et al. Chronic kidney disease-associated anemia: new remedies. Annu Rev Med. 2011; 18: 347-360. 30. Vokurka M, Krijt J, Šulc K et al. Hepcidin mRNA levels in mouse liver respond to inhibition of erythropoiesis. Physiol Res. 2006; 55: 667-674. 31. Weinstein DA, Roy CN, Fleming MD et al. Inappropriate expression of hepcidin is associated with iron refractory anemia: implications for the anemia of chronic disease. Blood 2002; 100: 3776-3781. 32. Weiss G, Goodnough LT. Anemia of chronic disease. N Engl J Med 2005;352:1011-1023. 33. Weiss G. Genetic mechanisms and modifying factors in hereditary hemochromatosis. Nat Rev Gastroenterol Hepatol 2010; 7: 50-58.
doc. MUDr. Martin Vokurka, CSc. Ústav patologické fyziologie 1. LF UK U nemocnice 5 128 53 Praha 2 e-mail:
[email protected]
AKTUALITY V NEFROLOGII
• ROČNÍK 17 • 2011 • ČÍSLO 2
