Patologia generale
Prof. Ezio Laconi
Lezione n° 31
10 gennaio 2013
Paolo Loi
METABOLISMO DEL FERRO
I livelli di ferro presenti nelle cellule sono in grado condizionarne i livelli di assorbimento. La fisiopatologia
del controllo dei livelli di assorbimento del ferro sta facendo grossi passi in avanti e a tal proposito adesso
vediamo un sistema di regolazione attraverso elementi che rispondono al ferro, IRP (Iron Regulatory
Protein); si conoscono almeno due proteine che regolano il metabolismo del ferro IRP1 E IRP2 e il
meccanismo attraverso il quale agiscono è il seguente: quando il ferro è in quantità “adeguate” le proteine
IRP1 e IRP2 non agiscono e vengono degradate.
La funzione della IRP1 viene inibita perché le si legano dei complessi, i cosidetti cluster di ferro e zolfo che
si assemblano in quantità aumentata quanto più ferro c’è a disposizione.
La funzione della IRP2 è ugualmente inibita da un eccesso di ferro ma con meccanismi diversi,
probabilmente attraverso l’ossidazione di alcune parti della molecola che ne inibiscono la funzione.
Questo è quello che succede a queste due proteine quando i livelli di ferro sono elevati, quando invece
sono bassi queste due proteine sono attive; quando sono attive si legano ai cosidetti IRE (Iron Responsive
Elements) presenti a livello di alcuni geni importanti per il metabolismo del ferro. Quindi quando i livelli di
ferro sono bassi e queste proteine sono attive, la sintesi di ferritina, proteina che immagazzina il ferro, è
inibita; se ne blocca la sintesi perché a basse concentrazioni di ferro la produzione di una proteina atta ad
immagazzinarlo serve a ben poco. Vanno anche ad inibire la sintesi di un enzima importante per la sintesi
dell’eme (alpha-ammino- levulinico acido sintetasi mi pare che si chiami), la sintesi della ferroportina, la
sintesi delle HIF-alpha e inibisce la sintesi dell’aconitasi. I casi appena citati riguardano la porzione cinque
primo terminale, mentre parlando dell’estremità opposta dobbiamo parlare di geni che vengono indotti da
IPR1 e IPR2 e cioè il gene della transferrina e il gene che codifica per il trasportatore di metalli divalenti.
Tornando alla ferroportina (trasportatore del ferro), ora spieghiamo perché viene inibita la sua sintesi.
Partiamo dal fatto che la ferroportina non è presente solo negli enterociti ma è presente in tutte le cellule
che cedono ferro, che sono in grado di immagazzinarlo e che lo cedono in condizioni in cui esso sia
necessario. Più precisamente ci sono altri 2 tipi cellulari: i macrofagi e gli epatociti.
Ricordiamo che i macrofagi sono le cellule maggiormente implicate nell’eritrocateresi, quindi nella
distruzione dei globuli rossi invecchiati, e nel conseguente “riciclaggio” di tutti i loro elementi soprattutto il
ferro. Devono essere anche in grado di cederlo, e lo faranno attraverso la ferroportina.
Un’altra cellula in cui la ferroportina è importante è l’epatocita (l’unica cellula parenchimale che
conosciamo) anch’esso in grado di immagazzinare e cedere ferro quando serve. Dal punto di vista
dell’organismo possiamo dire che la ferroportina serve per immagazzinare più ferro, ma dal punto di vista
di una cellula che ha poco ferro che senso ha avere una proteina di esportazione? Non ha senso, e questa è
la ragione per cui una cellula che percepisce poco ferro, inibisce la sintesi di ferroportina che, ribadiamo, è
una proteina di esportazione del ferro. Quindi il ferro stesso è in grado di regolare l’azione di geni e
proteine fondamentali per il suo stesso metabolismo.
L’eritropoiesi
“Metabolismo” del ferro - regolazione: l’epcidina
Ora parliamo di un’altra molecola chiamata epcidina che è stata individuata perché sintetizzata dal fegato
ed è stato scoperto avere funzione battericida. In seguito fu scoperto che è fondamentale proprio per
l’assorbimento del ferro. L’epcidina, una volta processata, è costituita da 25 amminoacidi e la sua funzione
principale è quella di inibire l’azione della ferroportina, inibendo quindi il rilascio di ferro da parte della
cellula intestinale, da parte della cellula epatica, da parte del macrofago; tra queste ci interessa
particolarmente la sua funzione a livello intestinale perché regola la quantità di ferro che dobbiamo
assorbire. Quindi il fegato attraverso la sintesi di epcidina è il tessuto che condiziona maggiormente
l’assorbimento di ferro, le quantità di epcidina vengono prodotte sulla base della necessità di ferro; più
serve ferro meno epcidina viene prodotta e viceversa. A sua volta l’epcidina è regolata in maniera molto
complicata. Ci sono diversi processi che regolano la sintesi di epcidina da parte del fegato: a livello
infiammatorio la sintesi di interleuchina-6 stimola una cascata di reazioni che attivano la sintesi di epcidina,
quindi la sintesi di quest’ultima è promossa da stati di infiammazione (cronica soprattutto). Questo
giustifica le anemie, perché maggiore sintesi di epcidina significa meno ferro, vuol dire anemia da carenza
marziale; e questo ci permette di collegare stati di anemia a infezioni croniche, a neoplasie ecc. Non è detto
che sia l’unico meccanismo, ma alti livelli di interleuchina-6 soprattutto durante l’invecchiamento (la
situazione cosidetta di “inflammaging” ossia l’infiammazione cronica associata all’invecchiamento)
associata ad alti livelli di infiammazione cronica possono determinare un ridotto assorbimento di ferro a
livello intestinale e quindi un’anemia da carenza di ferro.
Parlando invece dei meccanismi di regolazione fisiologici di regolazione dell’epcidina diciamo che alti livelli
di ferro attivano meccanismi recettoriali, a livello dell’epatocita, che stimolano la sintesi di epcidina. In
questi meccanismi c’entra il gene Hfe, gene il cui nome deriva da una condizione di alterazione del gene
stesso e significa livelli elevati di ferro (“H” sta per high ed “fe” sta per ferro); quando le concentrazioni di
Hfe sono alterate si parla emocromatosi. Quando l’Hfe è alterato quel recettore non funziona quindi viene
impedita la sintesi di epcidina a livello epatico e quindi continuiamo ad assorbire ferro anche quando non
ne abbiamo bisogno. Ma l’Hfe agisce in cooperazione anche con altre molecole come: i recettori per la
transferrina (Tfr1 e Tfr2), BMP (bone morfogenetic protein), HGV. Queste proteine costituiscono un
complesso recettoriale che stimola la sintesi di epcidina quando si assembla. Se solo un elemento manca
all’appello la sintesi di epcidina non viene stimolata.
Un’altra proteina che ci interessa è la matriptasi 2 proteina che determina l’inibizione del complesso che
stimola la produzione di epcidina. La mutazione di questo gene determina dunque maggiori livelli di
epcidina e anemia da carenza marziale, resistente alla somministrazione di eritropoietina. Quest’ultima
sarà atta a stimolare una maggiore sintesi di midollo osseo, ma se non c’è ferro sono anemia resistenti
all’eritropoietina e anche al ferro perché non è assorbito; per finalizzare la terapia, in questo caso dovrà
essere somministrato il ferro per via parenterale.
Poi c’è un altro livello di regolazione di cui non sappiamo quale sia il mediatore ma sappiamo che, per
esempio, una perdita importante di sangue, un’emorragia, è un messaggio per maggiore eritropoiesi.
Quando succede questo, dal midollo, che sta funzionando di più, parte un messaggio negativo per la sintesi
di epcidina. Non sappiamo che messaggio sia ma sappiamo che dipende dal fatto che l’eritropoiesi sia
attiva, infatti se tramite un’emorragia viene stimolata l’eritropoiesi e poi quest’ultima viene impedita
attraverso un farmaco (per esempio un farmaco citotossico o citostatico), non parte più il messaggio di
minor sintesi dell’epcidina, è quindi proprio l’attività midollare aumentata che fa partire questo
messaggio.
Questo succede anche nei casi di eritropoiesi inefficace, cioè quando nelle talassemie c’è un midollo che
funziona di più perché deve compensare al fatto che funziona male, quindi c’è un’eritropoiesi inefficace
molto più elevata del normale livello fisiologico (che abbiamo detto essere del 10% circa, ma quando le
cose funzionano male, l’eritropoiesi inefficace può essere anche 50, 60 o 70 % cioè un processo che
produce cellule non idonee a passare in circolo), in questi casi parte questo messaggio e si accumula ferro,
infatti uno dei problemi dell’eritropoiesi inefficace associata alle talassemie è che viene accumulato più
ferro e quindi molti danni sono causati anche da questo.
L’ipossia è anch’essa uno stimolo, e anche le anemie stimolano una maggiore attività midollare e quindi
minore sintesi di epcidina, che aumenta l’assorbimento di ferro a livello intestinale.
L’epcidina sintetizzata dal fegato agisce:
-
a livello duodenale inibendo la funzione della ferroportina;
a livello del sistema reticolo-endoteliale;
a livello dello stesso fegato e quindi condiziona questo ciclo.
L’erythropoietic signal proviene dal midollo osseo e inibisce la sintesi di epcidina, non sappiamo ancora
quale sia la natura del segnale.
Ruolo di HIF
Sia l’ossigeno, che il ferro, che l’ascorbato possono condizionare i livelli di
HIF (Hipoxia Inducible Factor). Esistono 2 subunità di HIF: HIF1 e HIF2,
ciascuna di queste possiede a sua volta altre subunità, una alfa e almeno
un’altra.
Qui parliamo della subunità alfa di HIF2.
Il meccanismo di induzione di HIF è semplice nella sua essenza:
-
quando c’è ossigeno a sufficienza HIF viene ossidato (da
prolilidrossidasi PHD1, 2, 3) e degradato.
Quando c’è poco ossigeno l’ossidazione avviene di meno e quindi
sopravvive più a lungo.
Anche in condizioni di carenza di ferro avviene la stessa cosa. Evidentemente il ferro partecipa a
questo fenomeno di degradazione di HIF e quando ce n’è poco HIF sopravvive più a lungo e induce
geni importanti nel metabolismo del ferro (DMT1, trasportatore per il ferro; Dcytb, un citocromo
che contiene ferro; FPN, ferroportina). Anche condizioni di carenza di ossigeno possono
condizionare un maggiore o minore assorbimento di ferro. Il metabolismo del ferro e quello
dell’ossigeno sono strettamente correlati, anche se in maniera molto complessa che dipende anche
dal tipo cellulare. La ferroportina ad esempio deve essere regolata in modo diverso a seconda del
tipo cellulare. È presumibile che il meccanismo sugli IRP funzioni in maniera diversa a livello
intestinale.
Anemia da carenza marziale
Si può determinare quando abbiamo perdite ematiche croniche “occulte”, non tanto da carenza di apporto
(che in genere non si verifica grazie alla dieta adeguata) quanto da eccessiva perdita di ferro.
L’incidenza è dell’1-2% negli uomini e fino al 20% nelle donne. Abbiamo già evidenziato che il fabbisogno di
ferro è in misura importante maggiore nelle donne in età fertile rispetto agli uomini e anche se solo 1-2 mg
in più rispetto agli uomini, parliamo del doppio essenzialmente. Ci sono situazioni, ad esempio nella
malattia celiaca in cui ci sono difetti di assorbimento oltre che maggiori perdite.
In corso di anemia da carenza marziale si riduce l’MCV e l’MCHC. Questa viene definita come anemia
ipocromica microcitica.
Si verifica un aumento della transferrina che è una proteina che serve per trasportare il ferro, un aumento
dei ricettori TfR e una riduzione della ferritina di deposito.
La carenza latente di ferro, che è diagnosticabile come ridotta ferritina e aumento di TfR nel plasma, è una
situazione border-line, la sua diffusione è però molto più ampia dell’anemia vera e propria, fino al 50-60%
delle donne gravide in Africa e nel sud-est asiatico, percentuali alte anche in Europa, in Finlandia c’è stato
uno studio in cui quasi il 50% delle donne gravide sono state riscontrate affette da questa carenza latente di
ferro.
Molti microbi sono avidi di ferro, per cui ci sono delle armi con cui sottraiamo il ferro a questi
microorganismi, una di queste è lattoferrina, presente nel latte, quindi messa in campo già nei primi attimi
dopo la nascita. La sottrazione di ferro è dunque un’arma di difesa. Trovarsi in una situazione di carenza
marziale non grave può quindi non essere cosi svantaggioso in una situazione in cui mi devo difendere da
una possibile aggressione da parte di microorganismi.
In questo schema viene rappresentata la fitness a seconda dei livelli di depositi di ferro. Si parte da una
fitness bassa quando c’è una anemia da carenza marziale grave (Severe IDA). Se guardiamo la fitness
complessiva in caso malattie infettive (infectious diseases) notiamo che:
-
in una situazione in cui ci siano poche malattie infettive (Weak Selection Pressure), sono al
massimo livello di fitness in condizioni normali cioè quando ho una quantità di ferro adeguata
in una situazione di forte pressione selettiva (Strong Selection Pressure) esercitata dalle malattie
infettive e c’è quindi il pericolo serio che soccomba (come specie non come singolo individuo) alle
malattie infettive, mi posso trovare in una situazione di maggiore vantaggio quando ho meno ferro.
Storicamente noi veniamo da lunghi periodi in cui la pressione selettiva era forte e quindi abbiamo
sviluppato dei meccanismi di controllo dell’apporto di ferro che favorissero una tendenziale
carenza. Ci sono anche dei dati epidemiologici secondo i quali c’è una differenza di incidenza di
malattie infettive tra uomini e donne che diventa evidente dopo la pubertà, quando inizia l’età
fertile, cioè quando nel sesso femminile si va verso zone di relativa carenza di ferro più spesso che
nel sesso maschile, quindi nel sesso femminile si ha una minore incidenza di infezioni.
Poi si sconfina nell’altro estremo quando c’è un accumulo di ferro quindi la patologia legata alla
emocromatosi.
Questo è il gene HFE di cui abbiamo parlato prima e qui vedete il complesso con TFR2. Il gene HFE tra l’altro
è molto vicino ai geni dell’MHC, e anche qui sono state fatte delle ipotesi sul collegamento di questo gene
con le difese dell’organismo nei confronti del non self, ma siamo ancora a livello molto speculativo. HAMP è
la sigla per epcidina e quella è una parte del complesso enzimatico in cui c’entrano sia il recettore per la
transferrina di tipo 1 sia quello di tipo 2, che legano diverse componenti della molecola H codificata dal
gene HFE. Quando questa proteina è alterata il segnale per la sintesi di epcidina è difettoso, quindi meno
epcidina viene sintetizzata, più ferro viene assorbito. (in quest’ultimo concetto è stato un po’ sbrigativo e ha detto che
comunque saremmo tornati sull’argomento la volta successiva)
