肖 軒，牛銀波，楊園園，董 棟，李京寶，商 澎

(1.西北工業(yè)大學生命學院，陜西 西安 710072；2.空間生物實驗模擬技術國防重點學科實驗室，陜西 西安 710072；3.西北工業(yè)大學深圳研究院，廣東 深圳 518057)

鐵是人體所必需的微量元素之一，參與人體組織的構成和正常生理代謝的維持。鐵的來源主要有兩個，從食物中攝取的外源性鐵和紅細胞破裂后釋放的內源性鐵，其吸收部位主要在十二指腸、胃和空腸上端，是血紅蛋白、肌紅蛋白、細胞色素、過氧化氫酶等的組成成分。人體缺鐵會導致缺鐵性貧血癥，但由于人體缺乏鐵的排泄機制，當體內鐵含量過高時(又稱為“鐵過載”)會對機體產生巨大危害，目前針對鐵過載誘發(fā)疾病的藥物尚存在不能大量制備、副作用大等局限性。研究發(fā)現(xiàn)，廣泛存在于植物中的黃酮類化合物，不僅具有防治心腦血管疾病、抗炎、抗菌、抗腫瘤、護肝、抗自由基、抗氧化等功效，而且近年來發(fā)現(xiàn)其具有螯合鐵的作用[1]?；诖?，利用黃酮類化合物治療鐵穩(wěn)態(tài)失衡導致的疾病已經(jīng)受到關注。本文著重對鐵穩(wěn)態(tài)、鐵穩(wěn)態(tài)失衡誘發(fā)的疾病，以及黃酮類化合物對鐵穩(wěn)態(tài)的調控進行綜述。

1 鐵穩(wěn)態(tài)相關調節(jié)蛋白及鐵穩(wěn)態(tài)的調節(jié)

機體中鐵穩(wěn)態(tài)調節(jié)相關蛋白種類較多，包括十二指腸細胞色素b(duodenal cytochrome b, Dcytb)、二價金屬轉運蛋白l(divalent metal transporter 1, DMT1)、鐵蛋白(ferritin, Fn)、膜轉鐵蛋白(ferroportin, FPN)、膜鐵轉運輔助蛋白(hephaestin, Heph)、轉鐵蛋白(transferrin, Tf)、鐵調素(Hepcidin)等。下面將對這幾種重要的鐵穩(wěn)態(tài)調節(jié)蛋白進行介紹。

1.1鐵穩(wěn)態(tài)相關的調節(jié)蛋白人類每天的膳食中平均包含10～20 mg鐵，但只有1～2 mg能被人體吸收。鐵的吸收、利用、貯存和循環(huán)過程需要多種蛋白質參與。十二指腸黏膜中具有鐵還原酶活性的鐵調節(jié)蛋白Dcytb，主要作用是將三價鐵(Fe3+)還原為二價鐵(Fe2+)，然后通過DMT1將Fe2+運輸進入細胞內。當機體中鐵的儲存量較高時，F(xiàn)e2+將會與細胞中的Fn結合，能通過氧氣或過氧化氫的作用，使Fe2+轉變?yōu)镕e3+，最終以穩(wěn)定的氧化鐵形式貯存。同時，由肝臟分泌的肽類激素Hepcidin，能夠和組織細胞膜上的FPN結合，使FPN進入細胞內并使其降解，最終導致細胞內鐵離子的輸出減少。當機體中鐵含量較低時，細胞中Fn內部的礦物質氧化鐵被外部的還原劑溶解，被Fn結合的Fe2+被釋放。Fn通過這種特殊的結構可有效地釋放和貯藏鐵離子，調節(jié)機體的鐵穩(wěn)態(tài)平衡。鐵吸收時，胞內鐵將通過表達于十二指腸腸上皮細胞基底外側表面的FPN以及Heph的協(xié)調作用，在銅藍蛋白(ceruloplasmin, CP)的作用下，將Fe2+再氧化為Fe3+，經(jīng)FPN輸出，依次加載到Tf上，使鐵從腸上皮細胞釋放到血液循環(huán)中，運送到需要鐵的部位[2]。同時，Hepcidin分泌減少，促進體內鐵含量升高(Fig 1)。

Fig 1 Regulatory mechanisms of iron homeostasis-associatedregulation proteins on systemic iron homeostasis

1.2鐵穩(wěn)態(tài)的調節(jié)

1.2.1鐵響應元件/鐵調節(jié)蛋白(iron-responsive elements/iron-regulatory proteins, IREs/IRPs)與細胞內鐵穩(wěn)態(tài)調控 細胞內的鐵受到鐵穩(wěn)態(tài)相關蛋白的嚴格控制，其中由IREs/IRPs系統(tǒng)介導的轉錄后調控在該過程中發(fā)揮核心作用。細胞內鐵池中不穩(wěn)定的鐵主要受IREs/IRPs系統(tǒng)調控，由鐵調節(jié)蛋白1/2(iron-regulatory protein 1/2, IRP1/2)結合到多種特定蛋白mRNA序列的IREs上。通過IREs/IRPs相互作用，調節(jié)編碼鐵穩(wěn)態(tài)相關蛋白質mRNA的表達，從而對細胞內的鐵穩(wěn)態(tài)進行調控。IREs位于編碼轉鐵蛋白受體1(transferrin receptor 1, TfR1)和DMT1的mRNA序列3’非編碼區(qū)(untranslated region, UTR)和編碼Fn、FPN的mRNA序列5’-UTR。當鐵含量較低時，IRP1/2和IREs結合活性增加，IRP1/2與位于TfR1和DMT1 mRNA 3’-UTR末端的IREs結合，刺激TfR1和DMT1的翻譯；相反，IRP1/2與位于Fn、FPN mRNA 5’-UTR末端的IREs結合，導致Fn和FPN翻譯抑制，最終使細胞內鐵吸收增加。當鐵含量升高時，IREs-IRPs復合物的穩(wěn)定性下降，其增強5’-UTR端具有IREs的mRNA序列(編碼Fn和FPN)轉錄，抑制3’-UTR端具有IREs的mRNA序列(編碼TfR1和DMT1)轉錄，最終降低細胞內鐵含量[3-4]。

1.2.2Hepcidin/FPN與系統(tǒng)性鐵穩(wěn)態(tài)的調控 FPN是存在于細胞膜上的，使鐵從細胞內向細胞外輸出的一種膜鐵轉運蛋白，也是Hepcidin的受體。FPN能將胞內鐵轉運至系統(tǒng)內的鐵池中，在正常穩(wěn)定的狀態(tài)下，進入系統(tǒng)中的鐵主要和Tf結合，大部分用于紅細胞的生成。系統(tǒng)中過量的鐵大部分作為Fn儲存在肝臟中，少量儲存在其他組織中。衰老的紅細胞中的鐵被巨噬細胞重新回收利用，通過巨噬細胞膜上FPN轉運到系統(tǒng)的鐵池中[5]。FPN的表達和系統(tǒng)中可利用的鐵量受Hepcidin的抑制。Hepcidin與FPN結合，使FPN進入細胞內，致使其降解，從而減少細胞內鐵離子的輸出，降低血清中鐵離子的濃度，在體內鐵過載時發(fā)揮重要作用。綜上可知，Hepcidin在系統(tǒng)性鐵穩(wěn)態(tài)中起著核心調節(jié)作用。

Hepcidin受鐵儲存、炎癥、缺氧、紅細胞生成等的調節(jié)，其過程需要多種蛋白質的協(xié)調，包括鐵調素調節(jié)蛋白(hemojuvelin, HJV)、骨形態(tài)發(fā)生蛋白6(bone morphogenetic protein 6, BMP6)、人血色素沉著蛋白(human haemochromatosis protein, HFE)、轉鐵蛋白受體2(transferrin receptor 2, TfR2)、蛋白裂解酶2(matriptase 2, MT2)、再生蛋白(Neogenin)、骨形態(tài)發(fā)生蛋白受體(bone morphogenetic protein receptor, BMPR)等。編碼Hepcidin的基因是HAMP，Smad信號通路能夠對HAMP轉錄進行調節(jié)。肝臟非實質細胞產生的BMP6先和肝細胞上的BMPR復合物結合，然后與HJV結合，導致下游信號通路Smad1、Smad5或Smad8激活Smad4，最終激活Hepcidin的表達。HJV能夠微調BMP6信號，Neogenin能夠使HJV穩(wěn)定存在，MT2能夠裂解HJV。Smad信號是通過TfR2與HFE和HJV協(xié)調調控。細胞外鐵以鐵飽和轉鐵蛋白(holotransferrin, HoloTf)的形式綁定到它的兩個受體(TfR1和TfR2)，通過鐵特異性銜接子HFE相互連通，并使BMPR對其配體如BMP6敏感。當體內的鐵供應量較高時，HFE和TFR1分離，能夠和TFR2結合，從而通過Smad信號通路提高Hepcidin的表達。當體內出現(xiàn)炎癥反應時，白細胞介素-6(interleukin 6, IL-6)和相關細胞因子結合IL-6受體，導致Janus激酶1/2-信號轉導子和轉錄激活子3(Janus kinase 1/2-signal transducer and activator of transcription 3, JAK1/2-STAT3)激活，促進Hepcidin表達，以降低可利用性的鐵[2，6](Fig 2)。

Fig 2 Regulation of hepcidin expression in hepatocytes

2 鐵穩(wěn)態(tài)失衡相關疾病及其治療

2.1鐵過載誘發(fā)的疾病及其治療鐵穩(wěn)態(tài)失衡造成的鐵過載會引發(fā)多種疾病，如肝硬化、心力衰竭、糖尿病、癌癥、阿爾茨海默病、帕金森病和亨廷頓病等[7-8]。近年來，鐵過載被認為是導致骨質減少、骨軟化和骨質疏松的新致病因子，鐵過載與骨質疏松癥之間的關系已成為研究熱點。許多研究表明，在體外，鐵過載可誘導成骨細胞死亡。Tian等[9]首次證明，線粒體凋亡途徑參與鐵誘導的成骨細胞凋亡。Yang等[10]研究表明，鐵能夠通過抑制前成骨細胞的分化，降低骨形成。Wang等[11]研究顯示，鐵過載促進了破骨細胞的形成，并且加重了雌激素缺乏對骨量的影響。He等[12]研究認為，鐵過載能夠通過氧化應激作用，抑制成骨細胞活性。由此可見，鐵代謝與骨代謝之間也存在密切聯(lián)系。

目前，針對鐵過載引發(fā)的疾病主要有兩種治療措施：放血法和使用去鐵胺等鐵螯合劑治療法，但這兩種方法存在一定的局限性，前者只適用于無放血禁忌者的短期治療，后者用藥較為頻繁，會產生副作用[13]。隨著人們對人體鐵穩(wěn)態(tài)相關通路的深入了解，通過對鐵穩(wěn)態(tài)中某些關鍵分子(如Hepcidin)的調控，來維持機體鐵穩(wěn)態(tài)已被廣泛研究。但就現(xiàn)在的技術來說，獲取這類物質比較困難，獲得的量僅夠用于科學研究，未能進行臨床應用。因此，用具有螯合金屬離子鐵和抗氧化等功效的黃酮類化合物治療鐵過載疾病受到極大關注。

2.2鐵缺乏誘發(fā)的疾病及其治療鐵是人體必需的一種微量元素，在維持機體生理代謝方面起著重要作用，鐵缺乏常歸因于慢性失血或飲食攝入量不足，系統(tǒng)對鐵的需求超過鐵的供應就會出現(xiàn)缺鐵，導致貧血、延遲生長和發(fā)育、免疫功能異常等癥。體內鐵用于紅細胞生成是重要的一個生理過程，鐵缺乏通常會導致缺鐵性貧血。大多數(shù)情況下，增加或補充膳食中鐵的攝入量可治療缺鐵癥。然而，在難治性缺鐵性貧血罕見的遺傳形式中，跨膜蛋白酶絲氨酸6的突變，導致Hepcidin表達異常升高，并且抑制腸鐵吸收，因此需要靜脈注射鐵劑[14]。高Hepcidin含量也是炎癥性和慢性病貧血的標志之一。在慢性炎癥如炎性疾病和癌癥的條件下，IL-6和結構相關細胞因子的表達增加，使IL-6受體途徑激活，導致信號轉導和STAT3介導的Hepcidin表達，并因此限制鐵的吸收和可用性[15]。此外，在炎癥條件下，肝臟中表達的轉化生長因子β(transforming growth factor β, TGF-β)超家族的成員——激活素B，通過Smad1、Smad5或Smad8的信號傳導途徑，誘導HAMP轉錄[16]。因此，降低患有炎癥性和慢性病貧血患者體內Hepcidin的表達，可有效緩解貧血癥。

3 黃酮類化合物對鐵穩(wěn)態(tài)失衡的調控

3.1黃酮類化合物對鐵過載的調控

3.1.1黃酮類化合物對鐵過載調控的可行性 黃酮類化合物廣泛存在于植物界，是植物多酚類物質中的一個大類?，F(xiàn)已有大量研究證明，黃酮類化合物是有效的抗氧化劑和自由基清除劑，這主要是因為它能夠螯合機體中參與產生自由基反應的過量金屬(主要是Fe3+、Fe2+、Cu2+)。研究表明，黃酮類化合物含有多種鐵的結合位點，如6,7-二羥基、3-羥基-4-酮基、2,3-雙鍵、兒茶酚B環(huán)等，其中6,7-二羥基結構是最有效的鐵結合位點，具有這種結構的黃芩素在所有pH條件下均具有較強的螯合鐵活性，且不亞于去鐵胺。具有3-羥基-4-酮基、2,3-雙鍵和兒茶酚B環(huán)的槲皮素和楊梅素在中性條件螯和鐵的能力相當于去鐵銨，但在偏酸的環(huán)境下，螯合鐵的活性有所下降[1]。機體內鐵過載時，槲皮素通過螯合鐵，在一定程度上抑制體內鐵的吸收和再分配，從而降低體內鐵含量[17]。

3.1.2黃酮類化合物對鐵過載調控的研究進展 Baccan等[17]研究發(fā)現(xiàn)，兒茶酚類黃酮蘆丁和槲皮素能夠抑制鐵過載血清中具有氧化還原活性的不穩(wěn)定鐵離子，這兩種類黃酮都能有效地將金屬鐵加載到轉鐵蛋白中。槲皮素和蘆丁的鐵衍生物能夠滲透細胞膜，游離的槲皮素能夠進入細胞溶質，并減少細胞內不穩(wěn)定的鐵池。因此，槲皮素的抗氧化活性可能取決于其從細胞中運輸不穩(wěn)定鐵離子，然后轉移到轉鐵蛋白的能力。Lesjak等[18]的研究顯示，大鼠十二指腸黏膜短期注射槲皮素，能夠使十二指腸上皮細胞頂膜對鐵的吸收增加，十二指腸細胞基底膜處鐵的排出減少。因為槲皮素3-羥基和4-羰基之間能夠結合鐵，而當槲皮素的3-羥基甲基化后，均抑制了十二指腸上皮細胞頂膜對鐵的吸收增加，十二指腸細胞基底膜處鐵的排出減少，因此表明槲皮素對十二指腸的短暫性處理導致的該現(xiàn)象是通過槲皮素3-羥基對鐵的螯合引起的。對大鼠進行槲皮素長期灌胃處理，導致十二指腸非血紅素鐵增加，血清鐵、Tf飽和度和FPN含量下降，表明患有鐵過載類疾病的患者通過食用富含黃酮類化合物的食物，可能有利于限制腸鐵吸收。Guo等[19]研究C6神經(jīng)膠質瘤細胞中鐵積累與FPN表達的關系，探討在帕金森病大鼠中，黃芩苷對鐵過載的抑制作用機制，結果表明，C6神經(jīng)膠質瘤細胞用不同濃度的檸檬酸鐵銨處理后，細胞存活率和FPN表達與檸檬酸鐵銨濃度呈負相關，但DMT1表達與檸檬酸鐵銨的濃度呈正相關。在100 mg·L-1檸檬酸鐵銨處理的C6神經(jīng)膠質瘤細胞中，黃芩苷或去鐵胺降低了DMT1的表達，增加了FPN的表達。這些結果表明，黃芩苷能夠通過降低DMT1的表達，增加FPN的表達，從而降低C6神經(jīng)膠質瘤細胞中的鐵含量。

鐵過載誘發(fā)的多種疾病機制中，氧化應激調控作用尤為突出。這主要是由于機體中過多的鐵能夠刺激脂質過氧化作用，鐵通過Fenton反應促進羥基自由基的形成，引起后續(xù)組織損傷，誘發(fā)各類疾病。近年來，越來越多的研究表明，廣泛存在于植物界的黃酮類化合物不但能螯合金屬離子，發(fā)揮抗氧化的作用，而且當黃酮類化合物螯合三價鉻、二價銅、二價鈷等金屬離子后，其抗氧化作用明顯增強[20-22]。以上研究說明黃酮類化合物在治療鐵過載性疾病方面具有一定效果。

3.2黃酮類化合物對鐵缺乏的調控已知黃酮類化合物具有螯合鐵的能力，為了測試姜黃素的螯合劑活性是否足以誘發(fā)體內鐵缺乏，潛在觸發(fā)或惡化缺鐵性疾病，將小鼠置于含有不同濃度的鐵和姜黃素的飲食中26周。膳食中不含姜黃素的情況下，盡管相對于標準鐵膳食小鼠，低鐵膳食小鼠的肝臟和脾臟中儲存鐵含量被耗盡，但小鼠膳食鐵含量的改變沒有影響造血功能。在小鼠膳食缺鐵情況下，姜黃素對系統(tǒng)性鐵穩(wěn)態(tài)有兩個明顯影響，導致紅細胞容積、血紅蛋白、血清鐵、轉鐵蛋白飽和度呈劑量依賴性下降，血紅蛋白含量過少的微小紅細胞呈劑量依賴性增加，并且脾臟和肝臟中鐵含量減少；通過抑制Hepcidin表達，增加FPN的表達，從而調節(jié)系統(tǒng)性鐵平衡[23]。Hart等[24]研究表明，楊梅素、楊梅黃酮3-葡萄糖苷、槲皮素和槲皮素3-葡萄糖苷可以通過目前未知的機制，降低Caco-2細胞中Fn(一種鐵儲存蛋白)的含量，并且提高了Caco-2細胞對鐵的吸收。Mu等[25]的研究結果表明，楊梅素通過靶向BMP/Smad通路，選擇性抑制Smad1/5/8的磷酸化，抑制Hepcidin的表達，進而增加FPN的表達，促進細胞內鐵的釋放，增加鐵的動員，使血清鐵水平升高，脾鐵水平下降，調節(jié)體內系統(tǒng)性鐵穩(wěn)態(tài)。楊梅素也增加小鼠紅細胞數(shù)量、血紅蛋白濃度和血紅細胞容積，降低了平均紅細胞容積，表明楊梅素促進紅細胞生成，提高了小鼠的造血功能。這些發(fā)現(xiàn)表明楊梅素通過抑制Hepcidin的表達，在調節(jié)鐵穩(wěn)態(tài)和維持造血功能方面起關鍵作用。

4 結語

綜上所述，自然界中抗氧化作用最強的黃酮類化合物具有很強的抑制活性氧、清除自由基和調控鐵穩(wěn)態(tài)的作用，同時副作用相對較小。近年來大量研究表明，黃酮類化合物在鐵穩(wěn)態(tài)調控中能夠發(fā)揮重要作用，因此，黃酮類化合物有望開發(fā)為治療鐵穩(wěn)態(tài)失衡性疾病的天然藥物。