羅寧，吳海輝，葛金文

(湖南中醫(yī)藥大學(xué)中西醫(yī)結(jié)合學(xué)院，長(zhǎng)沙 410208)

大腦是人體新陳代謝最活躍的器官之一，其質(zhì)量?jī)H占體重的2%，但其能量消耗占人體能量消耗的20%[1]。腺苷三磷酸(adenosine triphosphate,ATP)需要線粒體提供一定量的鐵以參與氧化磷酸化反應(yīng)，其中3/13的鐵以鐵蛋白形式存在[2]。鐵的充足供應(yīng)對(duì)于維持大腦的高能量需求是必要的。細(xì)胞鐵缺乏會(huì)阻止細(xì)胞生長(zhǎng)并導(dǎo)致細(xì)胞死亡，但細(xì)胞內(nèi)過(guò)量的鐵對(duì)機(jī)體有害，當(dāng)鐵增加但組織鐵蛋白不增加時(shí)，可能會(huì)導(dǎo)致氧化應(yīng)激發(fā)生。組織氧化性損傷會(huì)導(dǎo)致脂質(zhì)過(guò)氧化，谷氨酸和葡萄糖轉(zhuǎn)運(yùn)受損，線粒體功能障礙，細(xì)胞內(nèi)游離鈣水平升高，最后導(dǎo)致細(xì)胞功能障礙甚至死亡[3]。鐵誘導(dǎo)的氧化應(yīng)激可能在神經(jīng)退行性疾病的發(fā)病中起關(guān)鍵作用。神經(jīng)變性過(guò)程包括以星形膠質(zhì)細(xì)胞功能障礙和小膠質(zhì)細(xì)胞活化為代表的神經(jīng)膠質(zhì)反應(yīng)。腦區(qū)鐵含量升高會(huì)影響神經(jīng)膠質(zhì)的功能，同時(shí)神經(jīng)膠質(zhì)細(xì)胞對(duì)腦鐵代謝的作用在很大程度上取決于神經(jīng)膠質(zhì)細(xì)胞釋放的因子[4]?，F(xiàn)就鐵攝取的生理過(guò)程和鐵跨血腦屏障轉(zhuǎn)移入腦的途徑，以及神經(jīng)膠質(zhì)細(xì)胞在腦鐵代謝中的作用進(jìn)行綜述，以期為預(yù)防和治療腦內(nèi)鐵代謝紊亂相關(guān)疾病提供理論依據(jù)。

1 腦鐵代謝

1.1鐵攝取的生理過(guò)程 鐵是大腦中含量最豐富的過(guò)渡金屬。大腦需要持續(xù)的、隨時(shí)可用的鐵供應(yīng)。大腦鐵水平受?chē)?yán)格調(diào)控，以確保中樞神經(jīng)系統(tǒng)的正常功能。外源性獲取鐵的途徑主要始于腸道吸收，食物中的鐵(Fe3+)被位于腸上皮細(xì)胞頂端的十二指腸細(xì)胞色素B還原為Fe2+，內(nèi)源性途徑主要是攝取紅細(xì)胞破裂所產(chǎn)生的Fe3+[5]。無(wú)論何種攝取方式，鐵主要是以血紅素鐵和非血紅素鐵的形式存在。目前對(duì)血紅素鐵的吸收還不清楚，非血紅素鐵是通過(guò)二價(jià)金屬離子轉(zhuǎn)運(yùn)體1 (divalent metal transporter 1，DMT1)將Fe2+導(dǎo)入腸上皮細(xì)胞的頂膜或巨噬細(xì)胞中[6]。目前所了解的唯一細(xì)胞膜表面的非血紅素鐵輸出蛋白膜轉(zhuǎn)鐵蛋白1(ferroportin 1，F(xiàn)pn1)介導(dǎo)Fe3+轉(zhuǎn)出細(xì)胞外。在細(xì)胞漿膜側(cè)，銅藍(lán)蛋白將Fe2+氧化為Fe3+，從而促進(jìn)Fe3+與轉(zhuǎn)鐵蛋白(transferrin，Tf)結(jié)合，形成復(fù)合物后進(jìn)入血液循環(huán)[7]。鐵調(diào)素是一種天然存在的肽，可生物降解，無(wú)毒且無(wú)免疫原性，主要由肝臟合成。研究證實(shí)，F(xiàn)pn1不僅是鐵調(diào)素調(diào)控的鐵輸出蛋白，也是鐵調(diào)素的受體，鐵調(diào)素與Fpn1前體結(jié)合，并在溶酶體中蛋白水解[8]。當(dāng)循環(huán)鐵增加時(shí)，鐵調(diào)素水平升高，鐵調(diào)素導(dǎo)致Fpn1內(nèi)化和降解，進(jìn)而減少鐵從十二指腸、巨噬細(xì)胞以及儲(chǔ)存鐵的肝細(xì)胞向血漿轉(zhuǎn)移。這一機(jī)制解釋了鐵調(diào)素如何從腸上皮細(xì)胞、巨噬細(xì)胞向血漿轉(zhuǎn)運(yùn)鐵。飲食中鐵的吸收受到嚴(yán)格調(diào)控，為了響應(yīng)機(jī)體的鐵需求，缺鐵時(shí)的鐵攝取會(huì)增加，但鐵超載的情況下的鐵吸收會(huì)減少。因此，飲食中提供給大腦的鐵反映了營(yíng)養(yǎng)需求，同時(shí)限制了鐵過(guò)度積累的可能性。

1.2鐵跨血腦屏障轉(zhuǎn)移入腦 血腦屏障的存在使血液中的鐵離子不能直接進(jìn)入大腦，需要通過(guò)特殊的轉(zhuǎn)運(yùn)系統(tǒng)轉(zhuǎn)入。腦微血管內(nèi)皮細(xì)胞(brain microvascular endothelial cell，BMVEC)、星形膠質(zhì)細(xì)胞、小膠質(zhì)細(xì)胞和周細(xì)胞共同構(gòu)成了血腦屏障[9]。大多數(shù)分子可通過(guò)受體介導(dǎo)的胞外轉(zhuǎn)運(yùn)(胰島素、鐵蛋白)、吸附胞外轉(zhuǎn)運(yùn)(白蛋白)或轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白(葡萄糖、氨基酸)進(jìn)入大腦[10]。BMVEC缺乏窗孔，連接緊密，有頂膜(血液側(cè))和基底膜(腦側(cè))，位于BMVEC基底外側(cè)的星形膠質(zhì)細(xì)胞被認(rèn)為是大腦的緩沖器，可保護(hù)神經(jīng)元免受有害化學(xué)物質(zhì)、活性氧類(lèi)等的傷害。有研究表明，星形膠質(zhì)細(xì)胞是血腦屏障的主要組成物質(zhì)，也是參與調(diào)節(jié)BMVEC基底膜轉(zhuǎn)運(yùn)鐵的主要物質(zhì)[11]。血腦屏障中的鐵轉(zhuǎn)運(yùn)受神經(jīng)血管單元?jiǎng)討B(tài)鐵需求的調(diào)節(jié)。神經(jīng)血管單元是一個(gè)完整的細(xì)胞簇，由BMVEC、星形膠質(zhì)細(xì)胞和神經(jīng)元組成，通過(guò)旁分泌傳遞信息。神經(jīng)血管單元直接響應(yīng)該單元內(nèi)細(xì)胞的底物需求，如神經(jīng)元鐵缺乏時(shí)，可能向位于BMVEC上的星形膠質(zhì)細(xì)胞發(fā)出直接信號(hào)，從而提高整個(gè)腦血腦屏障對(duì)鐵的吸收速率[12]。

鑒于血腦屏障的特殊結(jié)構(gòu)，必須存在一種基于細(xì)胞的機(jī)制運(yùn)輸鐵，這一機(jī)制包括兩個(gè)跨膜步驟：鐵離子在頂膜表面進(jìn)入BMVEC，然后穿過(guò)基底膜外側(cè)表面進(jìn)入腦間質(zhì)。鐵離子進(jìn)入BMVEC的兩種可能機(jī)制為：①?gòu)霓D(zhuǎn)鐵蛋白結(jié)合鐵(transferrin-bound iron，TBI)中攝取，包括Tf內(nèi)吞作用；②從非轉(zhuǎn)鐵蛋白結(jié)合鐵(non-transferrin-bound iron，NTBI)中攝取鐵，這一過(guò)程涉及頂端膜的鐵轉(zhuǎn)運(yùn)體[13]。大部分Fe3+通過(guò)TBI攝取，因此大部分鐵必須通過(guò)BMVEC以多步驟的細(xì)胞外途徑進(jìn)入大腦[14]。在腦微血管系統(tǒng)的管腔處，Tf與Tf受體(transferrin receptor，TfR)結(jié)合，通過(guò)受體介導(dǎo)的內(nèi)吞作用促進(jìn)腦對(duì)Fe3+的攝取，此過(guò)程包括結(jié)合、內(nèi)吞、酸化和解離、移位及細(xì)胞內(nèi)轉(zhuǎn)運(yùn)等步驟。首先Tf運(yùn)載Fe3+(Tf-Fe3+)到頂膜表面，然后與頂膜上的TfR結(jié)合，通過(guò)TfR介導(dǎo)的內(nèi)吞形成內(nèi)吞小體。由于內(nèi)吞小體膜上H+泵的作用使內(nèi)吞小體內(nèi)的pH值下降至5.5～6.5，導(dǎo)致Fe3+與Tf解離，并還原至Fe2+。而后經(jīng)DMT1介導(dǎo)的過(guò)程，F(xiàn)e2+跨越內(nèi)吞小體膜，大部分Tf和TfR回到頂膜表面。在pH值為7.4的環(huán)境下，Tf和TfR解離回到頂膜外[15]。但目前Tf如何從頂膜上的受體中解離仍未知，并且BMVEC是否表達(dá)DMT1以及DMT1功能的正常發(fā)揮是否需要鐵參與等尚不清楚。另一種膜轉(zhuǎn)運(yùn)機(jī)制可能涉及瞬時(shí)受體電位黏蛋白1(transient receptor potential mucolipin-1，TRPML1)通道，該通道可釋放體內(nèi)溶酶體間室中的鐵。研究表明，小鼠缺失TRPML1可導(dǎo)致腦內(nèi)鐵穩(wěn)態(tài)失衡和髓鞘形成減少，提示TRPML1在腦鐵攝取中具有潛在作用[16]。在大腦中，鐵調(diào)素在BMVEC中星形膠質(zhì)細(xì)胞上表達(dá)并被釋放到細(xì)胞形成的裂隙中，能夠有效促進(jìn)BMVEC中Fpn1的更替，從而減少鐵進(jìn)入大腦[17]。

2 腦鐵的作用

鐵作為各種酶的重要組成部分，參與了大腦中多種非常重要的過(guò)程，包括三羧酸循環(huán)、氧化磷酸化、髓鞘生成、髓鞘維持以及神經(jīng)遞質(zhì)(如多巴胺、去甲腎上腺素和5-羥色胺)合成[18]。大腦消耗75%～80%的能量以支持神經(jīng)元活動(dòng)，其余能量則用于維持星形膠質(zhì)細(xì)胞、少突膠質(zhì)細(xì)胞和小膠質(zhì)細(xì)胞的“管家”功能[19]。鐵在ATP的生產(chǎn)過(guò)程中起著不可或缺的作用，是細(xì)胞色素和氧化鏈中鐵硫復(fù)合物的輔助因子[20]。線粒體也需要充足的鐵供應(yīng)用于支持氧化磷酸化的發(fā)生[21]。

髓鞘形成所需的膽固醇和脂肪酸的合成途徑也依賴于鐵。參與這一途徑的酶包括還原型煙酰胺腺嘌呤二核苷酸脫氫酶、β-羥基-β-甲戊二酸單酰輔酶A還原酶、琥珀酸脫氫酶、雙加氧酶和葡萄糖-6-磷酸脫氫酶，這些酶的表達(dá)在少突膠質(zhì)細(xì)胞最豐富[22]。有研究表明，限制飲食鐵可減少妊娠和出生后早期髓鞘的數(shù)量，因此在髓鞘形成過(guò)程中需要充足的鐵供應(yīng)[23]。

神經(jīng)遞質(zhì)是神經(jīng)元之間溝通的橋梁，溝通過(guò)程包括神經(jīng)遞質(zhì)的生物合成和運(yùn)輸，以及通過(guò)誘導(dǎo)細(xì)胞反應(yīng)將神經(jīng)遞質(zhì)與突觸后神經(jīng)元上的受體結(jié)合[24]。鐵在上述過(guò)程中的作用已被廣泛認(rèn)可，特別是單胺類(lèi)神經(jīng)遞質(zhì)(如多巴胺和5-羥色胺)[25]。單胺類(lèi)神經(jīng)遞質(zhì)的合成依賴于酪氨酸羥化酶，而酪氨酸羥化酶是一種需鐵酶，缺鐵可改變多巴胺能神經(jīng)系統(tǒng)的功能，對(duì)多巴胺D1和D2受體有特殊影響[26]。Youdim和Yehuda[27]的研究表明，缺鐵大鼠的紋狀體中多巴胺D2受體的密度明顯較低。微透析研究顯示，缺鐵大鼠紋狀體細(xì)胞外多巴胺水平升高，當(dāng)腦鐵含量和鐵狀態(tài)恢復(fù)正常時(shí)，紋狀體細(xì)胞外多巴胺恢復(fù)到基礎(chǔ)水平，且在色氨酸羥化酶催化合成5-羥色胺的過(guò)程中，色氨酸羥化酶可以被鐵絡(luò)合劑所抑制[28-29]。γ-氨基丁酸的生物合成在缺鐵條件下也會(huì)受到影響，其是中樞神經(jīng)系統(tǒng)中主要的抑制性神經(jīng)遞質(zhì)。缺鐵與谷氨酸脫氫酶和γ-氨基丁酸轉(zhuǎn)氨酶活性顯著降低有關(guān)，這兩個(gè)酶負(fù)責(zé)合成和降解γ-氨基丁酸[30]。

3 神經(jīng)膠質(zhì)細(xì)胞與腦鐵代謝

神經(jīng)膠質(zhì)細(xì)胞是血腦屏障的重要組成部分，鐵離子進(jìn)入腦內(nèi)主要依靠神經(jīng)膠質(zhì)細(xì)胞的調(diào)節(jié)。神經(jīng)元包括運(yùn)動(dòng)神經(jīng)元、感覺(jué)神經(jīng)元和中間神經(jīng)元，神經(jīng)膠質(zhì)細(xì)胞(如少突膠質(zhì)細(xì)胞、星形膠質(zhì)細(xì)胞和施萬(wàn)細(xì)胞)包裹神經(jīng)元，并通過(guò)表達(dá)鐵調(diào)節(jié)蛋白調(diào)控腦鐵代謝，以維持正常的髓鞘功能和神經(jīng)元重組過(guò)程，維持大腦正常的生理功能[31]。鐵離子通過(guò)血腦屏障釋放到腦間質(zhì)液體后被神經(jīng)細(xì)胞吸收，但這些神經(jīng)膠質(zhì)細(xì)胞中鐵離子的分布不均。神經(jīng)膠質(zhì)細(xì)胞幾乎表達(dá)所有的鐵轉(zhuǎn)運(yùn)相關(guān)蛋白和代謝相關(guān)蛋白。主要的鐵調(diào)節(jié)蛋白在不同神經(jīng)膠質(zhì)細(xì)胞上的表達(dá)不同，少突膠質(zhì)細(xì)胞主要表達(dá)TfR1，星形膠質(zhì)細(xì)胞主要表達(dá)Fpn1，小膠質(zhì)細(xì)胞主要表達(dá)鐵蛋白[32]。在神經(jīng)元、星形膠質(zhì)細(xì)胞、小膠質(zhì)細(xì)胞的體外培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)中，小膠質(zhì)細(xì)胞積累鐵的效率最高，其次是星形膠質(zhì)細(xì)胞，最后是神經(jīng)元。當(dāng)小膠質(zhì)細(xì)胞暴露于鐵環(huán)境時(shí)，小膠質(zhì)細(xì)胞中鐵的存留量是神經(jīng)元中的3倍，表明小膠質(zhì)細(xì)胞具有積累和儲(chǔ)存大量鐵的能力[33]。一項(xiàng)研究也支持了這一觀點(diǎn)，在少突膠質(zhì)細(xì)胞和小膠質(zhì)細(xì)胞中檢測(cè)到鐵誘導(dǎo)的鐵蛋白轉(zhuǎn)錄本，但在星形膠質(zhì)細(xì)胞中很少檢測(cè)到，在神經(jīng)元中未檢測(cè)到[34]，提示神經(jīng)膠質(zhì)細(xì)胞是維持腦內(nèi)鐵穩(wěn)態(tài)和正常生理功能不可缺少的細(xì)胞。

3.1星形膠質(zhì)細(xì)胞在腦鐵代謝中的作用 星形膠質(zhì)細(xì)胞是大腦中數(shù)量最多的神經(jīng)膠質(zhì)細(xì)胞，占腦總體積的20%～50%，具有多種生理功能，包括維持中樞神經(jīng)系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)、營(yíng)養(yǎng)支持神經(jīng)元、調(diào)節(jié)神經(jīng)遞質(zhì)、控制血管張力、維持血腦屏障以及傳遞神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)信號(hào)。作為血腦屏障的成分之一，星形膠質(zhì)在大腦鐵代謝中起關(guān)鍵作用，調(diào)節(jié)了中樞神經(jīng)系統(tǒng)的鐵穩(wěn)態(tài)。星形膠質(zhì)細(xì)胞是中樞神經(jīng)系統(tǒng)中主要的神經(jīng)膠質(zhì)細(xì)胞類(lèi)型，幾乎表達(dá)所有的鐵轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白和不同類(lèi)型的鐵代謝蛋白[35]。星形膠質(zhì)細(xì)胞在腦內(nèi)鐵轉(zhuǎn)運(yùn)調(diào)節(jié)中發(fā)揮了重要作用。

星形膠質(zhì)細(xì)胞對(duì)鐵的攝取取決于鐵的水平、鐵的還原狀態(tài)以及其他條件。正常情況下，腦內(nèi)的星形膠質(zhì)細(xì)胞含鐵量很少，且不表達(dá)TfR1、Tf，而體外培養(yǎng)的星形膠質(zhì)細(xì)胞能表達(dá)TfR1、Tf，且能夠結(jié)合并攝取TBI的鐵[36]。星形膠質(zhì)細(xì)胞能夠從三乙酸氮鐵、枸櫞酸鐵銨和氯化鐵等來(lái)源中獲取鐵，可能由DMT1介導(dǎo)。在大腦中與毛細(xì)血管內(nèi)皮細(xì)胞接觸的星形膠質(zhì)細(xì)胞端部表達(dá)DMT1較多[32]。DMT1只能將Fe2+轉(zhuǎn)運(yùn)進(jìn)入細(xì)胞內(nèi)，不能轉(zhuǎn)運(yùn)Fe3+，表明在星形膠質(zhì)細(xì)胞上存在一種類(lèi)似于腸上皮細(xì)胞頂端的細(xì)胞色素B的還原物質(zhì)——亞鐵轉(zhuǎn)化酶，其能夠?qū)e3+還原成Fe2+。與亞鐵轉(zhuǎn)化酶或抗壞血酸鹽反應(yīng)的Fe3+被還原為Fe2+，DMT1將Fe2+轉(zhuǎn)運(yùn)進(jìn)入星形膠質(zhì)細(xì)胞，這是星形膠質(zhì)細(xì)胞攝取NTBI的途徑[37]。星形膠質(zhì)細(xì)胞對(duì)NTBI的攝取受到羧酸鹽的抑制，可能由于其具有絡(luò)合鐵的能力，從而降低TBI對(duì)絡(luò)合鐵的攝取。目前參與Fe3+攝取的星形膠質(zhì)細(xì)胞轉(zhuǎn)運(yùn)體尚不清楚。

星形膠質(zhì)細(xì)胞表達(dá)的鐵蛋白較少，表明其提供的鐵存儲(chǔ)很少，且星形膠質(zhì)細(xì)胞對(duì)鐵誘導(dǎo)的毒性較神經(jīng)元和其他膠質(zhì)細(xì)胞更具抵抗力，可能與其存在大型抗氧化劑系統(tǒng)(如金屬硫蛋白)有關(guān)[38]。在大腦大部分區(qū)域(纖維束、皮質(zhì)和灰質(zhì))的星形膠質(zhì)細(xì)胞上存在與細(xì)胞轉(zhuǎn)出鐵相關(guān)的蛋白(如Fpn1、hepcidin)。Fpn1可以將Fe2+轉(zhuǎn)運(yùn)出細(xì)胞外，而鐵調(diào)素通過(guò)水解Fpn1調(diào)控細(xì)胞對(duì)鐵離子的釋放[32]。星形膠質(zhì)細(xì)胞僅在末端足突表達(dá)銅藍(lán)蛋白，糖基磷脂酰肌醇錨定將銅藍(lán)蛋白附著于星形膠質(zhì)細(xì)胞表面，形成糖基化磷脂酰肌醇錨定銅藍(lán)蛋白。糖基化磷脂酰肌醇錨定銅藍(lán)蛋白將Fpn1新釋放的Fe2+氧化成Fe3+，促進(jìn)Fe3+和轉(zhuǎn)鐵蛋白形成復(fù)合物，進(jìn)而促進(jìn)鐵離子的轉(zhuǎn)運(yùn)。鄰近星形膠質(zhì)細(xì)胞釋放的可溶性銅藍(lán)蛋白進(jìn)入間質(zhì)也促進(jìn)鐵穿過(guò)血腦屏障的毛細(xì)血管內(nèi)皮細(xì)胞進(jìn)入大腦[39]。銅藍(lán)蛋白缺乏會(huì)導(dǎo)致中樞神經(jīng)系統(tǒng)鐵穩(wěn)態(tài)紊亂，提示銅藍(lán)蛋白在保護(hù)中樞神經(jīng)系統(tǒng)免受鐵介導(dǎo)的自由基損傷中起重要作用。

與其他細(xì)胞不同，星形膠質(zhì)細(xì)胞可通過(guò)末梢直接接觸毛細(xì)血管內(nèi)皮細(xì)胞，能更加便捷地從血液系統(tǒng)中攝取鐵，并將其轉(zhuǎn)運(yùn)到神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)上。星形膠質(zhì)細(xì)胞具有很高的鐵積累能力，當(dāng)鐵超載時(shí)，神經(jīng)元、少突膠質(zhì)細(xì)胞、小膠質(zhì)細(xì)胞都有一定量的鐵沉積，但星形膠質(zhì)細(xì)胞沒(méi)有，提示隨著腦內(nèi)環(huán)境的改變，星形膠質(zhì)細(xì)胞鐵代謝會(huì)發(fā)生相應(yīng)的改變，包括DMT1、Fpn1和鐵蛋白等表達(dá)的改變[40]。進(jìn)一步深入研究星形膠質(zhì)細(xì)胞鐵代謝對(duì)鐵代謝異常引起的神經(jīng)系統(tǒng)疾病有重要意義。

3.2小膠質(zhì)細(xì)胞在腦鐵代謝中的作用 小膠質(zhì)細(xì)胞約占大腦細(xì)胞的12%，處于失活狀態(tài)[41]。小膠質(zhì)細(xì)胞具有一系列功能，如吞噬細(xì)胞碎片、營(yíng)養(yǎng)支持神經(jīng)元以及調(diào)節(jié)神經(jīng)元興奮性[42]。小膠質(zhì)細(xì)胞能夠?qū)χ袠猩窠?jīng)系統(tǒng)損傷或疾病首先做出反應(yīng)，并能夠迅速增殖并遷移到損傷部位。小膠質(zhì)細(xì)胞能表達(dá)參與鐵代謝的轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白或分子，參與改變鐵沉積狀態(tài)[43]。小膠質(zhì)細(xì)胞可感知并識(shí)別炎癥、環(huán)境以及內(nèi)源性刺激的變化，隨后被激活，從而影響鐵代謝和神經(jīng)功能。在轉(zhuǎn)錄水平和蛋白質(zhì)水平上，小膠質(zhì)細(xì)胞的鐵轉(zhuǎn)運(yùn)調(diào)控反映了促炎和抗炎的差異性。腦內(nèi)發(fā)生炎癥反應(yīng)的一個(gè)顯著特征是細(xì)胞外鐵的活化和獲得增加，隨后鐵轉(zhuǎn)運(yùn)相關(guān)蛋白下調(diào)，導(dǎo)致細(xì)胞內(nèi)鐵不能外流[44]。這種先天免疫的目的是減少含鐵病原體的入侵，同時(shí)降低鐵的可獲得性。

小膠質(zhì)細(xì)胞有M1和M2兩種表型。M1型小膠質(zhì)細(xì)胞具有促炎作用和神經(jīng)毒性，主要是通過(guò)Toll樣受體和γ干擾素信號(hào)通路誘導(dǎo)激活。M1型小膠質(zhì)細(xì)胞合成分泌促炎細(xì)胞因子和趨化因子，如腫瘤壞死因子-α、白細(xì)胞介素(interleukin，IL)-6、IL-1β、IL-12和CC趨化因子配體2。在M1狀態(tài)下，小膠質(zhì)細(xì)胞也表達(dá)誘導(dǎo)型一氧化氮合酶，將精氨酸轉(zhuǎn)化為一氧化氮[45]。一氧化氮的積累增加了谷氨酸的毒性作用，從而增強(qiáng)了N-甲基-D-天門(mén)冬胺酸受體介導(dǎo)的神經(jīng)毒性。在M1促炎狀態(tài)下，促炎因子增加了NTBI的吸收，并擴(kuò)大了鐵蛋白的儲(chǔ)存池，這將限制細(xì)胞外游離鐵并減少大腦中潛在的破壞性活性氧類(lèi)的產(chǎn)生，減少對(duì)組織的進(jìn)一步損傷[46]。對(duì)于NTBI的攝取，內(nèi)源性細(xì)胞表面亞鐵還原酶將Fe3+還原為Fe2+，DMT1在細(xì)胞表面以pH依賴的方式攝取鐵。促炎因子(如腫瘤壞死因子-α和IL-1β)可使DMT1和鐵蛋白的表達(dá)上調(diào)，增加細(xì)胞對(duì)鐵的攝取，且在M1狀態(tài)下細(xì)胞糖酵解及細(xì)胞外酸化增加，有利于pH依賴性轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白DMT1吸收NTBI；炎癥介質(zhì)還可減少氧化呼吸，誘導(dǎo)血紅素加氧酶1表達(dá)，并降低細(xì)胞內(nèi)血紅素的水平[47-48]。這些變化與細(xì)胞內(nèi)“不穩(wěn)定鐵”的增加有關(guān)，表明小膠質(zhì)細(xì)胞可以減少血紅素分解代謝釋放的細(xì)胞內(nèi)鐵和DMT1吸收的細(xì)胞外鐵，如圖1a所示。

M2型小膠質(zhì)細(xì)胞釋放抗炎細(xì)胞因子(IL-10、轉(zhuǎn)化生長(zhǎng)因子-β等)，促進(jìn)精氨酸轉(zhuǎn)化為多胺，分泌胰島素樣生長(zhǎng)因子1、成纖維細(xì)胞生長(zhǎng)因子和神經(jīng)營(yíng)養(yǎng)因子(包括神經(jīng)生長(zhǎng)因子和腦源性神經(jīng)營(yíng)養(yǎng)因子)，以達(dá)到抗炎和增加突觸可塑性等目的[49]。如圖1b所示，M2抗炎狀態(tài)下，抗炎因子通過(guò)增加TfR的表達(dá)增加TBI的攝取，減少細(xì)胞外游離鐵的含量[50]。TBI通過(guò)Tf-TfR復(fù)合物的內(nèi)吞作用吸收Fe3+進(jìn)入細(xì)胞內(nèi)，在內(nèi)吞小體中，酸性pH環(huán)境促進(jìn)Fe3+與Tf解離并還原為Fe2+，這很可能與金屬還原酶Steap3有關(guān)。Fe2+再通過(guò)DMT1或另一種通道釋放到細(xì)胞質(zhì)中，用于線粒體供能[51]。此外，在M2抗炎狀態(tài)下，鐵蛋白的表達(dá)有所增加，細(xì)胞內(nèi)鐵離子與鐵蛋白結(jié)合形成一種既穩(wěn)定且無(wú)毒的復(fù)合物。M2型小膠質(zhì)細(xì)胞通過(guò)以上方式降低細(xì)胞外過(guò)量游離鐵導(dǎo)致的損傷，以支持神經(jīng)元的再生修復(fù)，并增加其他膠質(zhì)細(xì)胞的活性[52]。

Hephaestin：亞鐵氧化酶；DMT1：二價(jià)金屬離子轉(zhuǎn)運(yùn)體1；Labile Iron Pool：不穩(wěn)定鐵池；Ferritin：鐵蛋白；Hepcidin：鐵調(diào)素；Fpn1：膜轉(zhuǎn)鐵蛋白1；Cp：銅藍(lán)蛋白；Tf：轉(zhuǎn)鐵蛋白；TfR：轉(zhuǎn)鐵蛋白受體；Steap3：金屬還原酶3；Mitochondria：線粒體；1a:M1狀態(tài)下；1b：M2狀態(tài)下

關(guān)于小膠質(zhì)細(xì)胞調(diào)控鐵代謝在神經(jīng)退行性疾病中作用的研究還處于起步階段。研究發(fā)現(xiàn)，血紅素加氧酶1在衰老大鼠的小膠質(zhì)細(xì)胞中過(guò)表達(dá)，并在炎癥條件下表達(dá)進(jìn)一步增加，導(dǎo)致鐵離子在腦中沉積，記憶力減退和行為缺陷[53]。通過(guò)敲除血紅素加氧酶1基因或使用鐵螯合劑，鐵沉積明顯減輕，記憶力減退和行為缺陷也得到改善[54-55]。在阿爾茨海默病中，鐵沉積和活性氧類(lèi)的水平明顯增高，鐵沉積主要發(fā)生在淀粉樣斑塊周?chē)男∧z質(zhì)細(xì)胞中。通過(guò)增加小膠質(zhì)細(xì)胞上載脂蛋白E的表達(dá)減輕炎癥反應(yīng)并降低鐵沉積水平，同時(shí)增強(qiáng)小膠質(zhì)細(xì)胞對(duì)淀粉樣斑塊的吞噬作用[54,56]，且帕金森病患者中的鐵沉積亦明顯。α-突觸核蛋白是帕金森發(fā)病的關(guān)鍵分子，被認(rèn)為與鐵代謝調(diào)節(jié)有關(guān)。在去鐵胺引起鐵缺乏的情況下，人α-突觸核蛋白信使RNA降低，但在敲除鐵調(diào)節(jié)蛋白基因的情況下，細(xì)胞中的α-突觸核蛋白信使RNA增加[57]。研究發(fā)現(xiàn)，α-突觸核蛋白是一種細(xì)胞亞鐵還原酶，負(fù)責(zé)將Fe3+還原為生物可利用的Fe2+[58]。嘌呤能受體基因過(guò)表達(dá)可使大鼠中腦黑質(zhì)中DMT1表達(dá)上調(diào)、Fpn1蛋白表達(dá)下調(diào)，導(dǎo)致中腦黑質(zhì)鐵沉積，可能損傷多巴胺能神經(jīng)元，最終對(duì)帕金森病的發(fā)生和發(fā)展產(chǎn)生影響[59]。

4 小 結(jié)

腦鐵代謝及其調(diào)控機(jī)制極其復(fù)雜。鐵在血液中運(yùn)輸，通過(guò)特殊的轉(zhuǎn)運(yùn)系統(tǒng)穿過(guò)血腦屏障進(jìn)入大腦。不同類(lèi)型的神經(jīng)膠質(zhì)細(xì)胞通過(guò)不同的鐵轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白攝取鐵，并通過(guò)Fpn1將鐵從細(xì)胞中釋放出來(lái)。腦內(nèi)鐵穩(wěn)態(tài)分別在轉(zhuǎn)錄水平和蛋白水平上受鐵調(diào)節(jié)元件和鐵調(diào)素的協(xié)同調(diào)節(jié)。腦鐵代謝及其調(diào)控機(jī)制的研究取得了一些進(jìn)展，但還需要深入研究，如正常以及疾病條件下特定腦細(xì)胞如何積累鐵、如何利用鐵執(zhí)行各種功能、參與鐵積累和調(diào)控功能的相關(guān)蛋白質(zhì)的分子機(jī)制均不清楚。腦鐵代謝與調(diào)控機(jī)制的闡明將為鐵代謝紊亂防治及相關(guān)神經(jīng)系統(tǒng)疾病的治療提供幫助。