Železo a ateroskleróza

Overview

Ateroskleróza zůstává stále vedoucí příčinou úmrtí. Jedná se o komplexní inflamatorní proces charakteru fibroproduktivního „reparačního“ zánětu, který se odehrává v arteriální stěně. Na souboru těchto dějů se podílí zejména monocyty/ makrofágy, B i T lymfocyty, endotelie a buňky hladké svaloviny. Článek popisuje úlohu železa v jednotlivých krocích patogeneze aterosklerózy, druhá část poukazuje na různé klinické studie, které se zabývaly asociací mezi výskytem kardiovaskulární onemocnění a železem.

Klíčová slova:
ateroskleróza – železo – kardiovaskulární onemocnění

Onemocnění asociovaná s aterosklerózou zůstávají stále vedoucí příčinou úmrtí. ČR patří tradičně k zemím s vysokou morbiditou a mortalitou na kardiovaskulární onemocnění (KVO) podmíněná aterosklerózou, jako je ischemická choroba srdeční (ICHS), cévní mozkové příhody (CMP) a ischemická choroba dolních končetin (ICHDK).

Ateroskleróza tak stále představuje závažný medicínský i socioekonomický problém. Cílem je prevence a preventivní kardiologie má snahu o co nejdůslednější ovlivnění KV rizikových faktorů, ke kterým tradičně patří hyperlipoproteinemie, hypertenze, diabetes mellitus (zejména 2. typu), kouření, alkoholizmus, abdominální obezita a nedostatečná fyzická aktivita a chronická renální insuficience.

Jistě najdeme skupiny případů, kde aterosklerotické změny nemohou být přičítány pouze klasickým rizikovým faktorům. V posledních 30 letech se pozornost laboratorního a klinického výzkumu ubírá i na netradiční rizikové faktory typu chronický zánět, infekce způsobené zejména Chlamydia pneumonie a cytomegalovirus, hyperhomocysteinemie, hyperurikemie a vysoká hladina zásobního železa v organizmu.

Podívejme se na tradičně vzpomínanou Framinghamskou studii, která již v 70. letech 20. století poukazuje na vyšší riziko KVO u žen po menopauze, bilaterální adnexetomii, ale taky po hysterektomii [1].

Ženy před menopauzou mají nižší KV riziko, jako protektivní faktor v této skupině žen je vnímán hlavně estrogen, to by ale nevysvětlovalo nárůst rizika KVO u žen po prosté hysterektomii. Možné vysvětlení přináší v 80. letech 20. století Sullivan, který rozdíl v incidenci ICHS u mužů a postmenopauzálních žen oproti menstruujícím ženám přisuzuje spíše nižší hladině zásobního železa než vlivu estrogenu [2].

Ateroskleróza je komplexní inflamatorní proces charakteru fibroproduktivního „reparačního“ zánětu, který se odehrává v arteriální stěně jako odpověď na noxy poškození a při kterém dochází k aktivaci vrozené i získané imunity. Na souboru těchto dějů se podílí zejména monocyty/ makrofágy, B i T lymfocyty, endotelie a buňky hladké svaloviny, které mezi sebou komunikují na úrovni cytokinů a růstových faktorů, což následně vede k rozvoji aterosklerotický projevů. Intenzita odpovědi imunitního systému je modulována souhrou antiinflamatorních a proinflamatorních faktorů, s nimiž úzce souvisí oxidační stres. Úlohu železa v patogenezi aterosklerózy můžeme spatřovat na několika úrovních a souvisí s metabolizmem železa v buňce a jeho chemicko-fyzikálními vlastnostmi.

Železo je velice reaktivní prvek, jeho základní vlastnost je schopnost cyklovat mezi oxidovanou a redukovanou formou (Fe²⁺ a Fe³⁺) a předávat volný elektron jiným prvkům. Volné radikály, definované jako reaktivní chemické látky mající volný nepárový elektron ve vnějším orbitu, jsou považovány za zásadní činitel ve tvorbě aterosklerotického plátu [3].

V metabolizmu buňky dochází k přirozené tvorbě reaktivních forem kyslíků, které při reakci katalyzované přechodnými kovy (Cu, Fe) vytvářejí reaktivnější formy radikálů. Jedná se o Fentonovou a Haber-Weissovou reakci.

Fe²⁺ + H₂O₂ → Fe³⁺ + HO + OH⁻

Nahromadění toxických metabolitů kyslíku (reactive oxygen species – ROS) v organizmu a jejich vyšší hladiny vytváří tzv. oxidační stres, což může vést k poškození DNA, funkce proteinů a buněčné proliferace s následným postižením endoteliální funkce a rozvoji aterosklerózy [4]. Produkce ROS je zvýšená při zánětlivých procesech, při nadprodukci ROS a vyčerpání antioxidační kapacity prostředí dochází k reakci s okolními molekulami, tedy s již zmíněnými nukleovými kyselinami, proteiny, ale též lipidy. Polynenasycené mastné kyseliny (PUFA) v triacylglycerolech a fosfolipidech jakož i sterolová jádra jsou vysoce náchylné k oxidaci, v reakci se železem vytvářejí řetězce s alkoxylovým a peroxylovým radikálem a vedou k poškození buněčné integrity a mitochondrii – peroxidace mitochondriálních PUFA.

Při kontaktu LDL s volnými radikály dochází k jeho tzv. oxidativní modifikaci – tvorbě oxidovaných LDL (ox-LDL). Podíl ox-LDL na tvorbě aterosklerotického plátu byl velmi dobře zdokumentován. Modifikované LDL v cévní stěně vedou k tvorbě cytokinů, zejména CCL2/ MCP-1 (monocyte chemotactic protein-1), které stimulují průnik monocytů do subendoteliálniho prostoru [5]. Monocyty se transformují v makrofágy, které následně fagocytují ox-LDL. Tyto ox-LDL nepodléhají úplné degradaci v lyzozomu a dochází k jeho střádání uvnitř makrofágu [6]. Tento proces vede k přeměně makrofágu v pěnovou buňku, což aktivuje lokální zánětlivý proces, způsobuje nárůst plátu a event. jeho nestabilitu [7]. Hemoragie do plátu samy o sobě působí jako proinflamatorní stimul, rozpadlé erytrocyty zvyšují lokální nálož cholesterolu, zvětšují tak nekrotické lipidové jádro plátu a vedou k jeho nestabilitě. Prooxidační prostředí podporuje rozpad erytrocytů a akumulaci hemoglobinu s uvolňováním železa a akcelerací oxidativního stresu.

Volný hemoglobin reaguje s haptoglobinem a vytváři s ním komplex hemoglobin-haptoglobin (HH). Na povrchu makrofágů se nachází receptor pro tento komplex, CD 163, po navázání komplexu na receptor dochází k jeho endocytóze. Avšak interakce mezi HH komplexem a CD163 je značně narušená v prooxidativním prostředí [8]. Makrofágy jsou obecně považovány za relativně bezpečné depo zásobního železa, avšak za situace, kdy se v makrofágu nachází vysoké množství redox-aktivního železa (labile iron pool – LIP), dochází v důsledku zvýšené lipidové nálože k tvorbě vysoce toxického ceroidu a jiných lipidových látek, což vede k apoptóze jak pěnových buněk, tak i nově rekrutovaných monocytů/ makrofágů z cirkulace [9].

Jak vyplývá z řady prací, železo výrazně modifikuje roli imunitního systému v rámci aterogeneze. Vysoké hladiny zásobního železa jsou spojeny s aktivací humorální i buněčné imunity [10]. Při rozvoji aterosklerózy dochází ke zvýšení hladin IFN-γ, TNF-α, TGF-β1, IL-10 a jak prokázaly dřívější studie, mají tyto cytokiny vliv i na metabolizmus železa [11]. Například IL-1 a TNF-α jsou zodpovědné za zvýšené vychytávání železa do monocytů/ makrofágů a IFN-γ a IL-2 zvyšují expresi TfR na membráně monocytů/ makrofágů. Naproti tomu vyšší zásoby železa, jak hemového, tak vázaného na transferin nebo jako LIP, zvyšují produkci IFN-γ a TNF-α a naopak nižší zásoby železa v organizmu jejich produkci snižují [12].

Bylo popsáno, že železo a proteiny vážící železo modulují funkci B i T lymfocytů, makrofágů i NK buněk [13]. Tyto buňky jsou závislé na Tf/TfR-zprostředkovaném příjmu železa, neboť při blokádě této cesty dochází k útlumu jejich proliferace a diferenciace [14]. Také je popisován vliv železa na mechanizmy prezentace antigenů buňkami imunitního systému. Dále železo může působit proti účinku oxidu dusnatého (NO) v T lymfocytech [15].

V regulačních signálních drahách řady buněk, např. při regulaci tonu buněk hladké svaloviny, se jako messenger uplatňuje plynný oxid dusnatý (NO), který je z chemického hlediska též radikálem. Porucha v metabolizmu této molekuly se podílí na rozvoji dysfunkce endotelu. Při vzniku a regulaci oxidu dusnatého má zásadní roli železo. V aktivním místě NO-syntázy se nachází železnatý protoporfyrin IX – hem. Samotný NO reaguje s Fe³⁺ a vytváří Fe-nitrosylový komplex. Tento proces je akcelerovaný hlavně při zánětu [15]. NO může získat elektron za vzniku nitroxylového aniontu (NO^–) nebo ztratit elektron NO⁺ (nitrosoniový ion), které reagují s dalšími molekulami nebo radikály. Interakcí NO se superoxidovým aniontem vzniká peroxynitrit (ONOO^–), který oxiduje thioly nebo reaguje s guanozinem či tyrozinem polypeptidů, navozuje peroxidaci lipidů a štěpí DNA na menší fragmenty. Tyto pochody hrají klíčovou úlohu v dysfunkci cévního endotelu.

Zatímco prooxidační a imunomodulační účinky železa v procesu aterosklerózy jsou ze studií in vitro dobře známy, asociace zvýšené zásoby sérového železa ke KV příhodám tak zřejmá není. Zásadním problémem zůstává, jak správně charakterizovat zásoby železa v organizmu, který z měřených parametrů nejlépe odráží tento stav a jak popsat působení železa na molekulární úrovni přímo v ateromovém plátu.

Již od 70. let 20. století je stanovení plazmatického feritinu jedním ze základních parametrů odrážejících endogenní zásoby železa v organizmu. Koncentrace feritinu coby proteinu akutní fáze však narůstá i při akutním a chronickém zánětu a jeho zvýšené hodnoty provázejí i řadu solidních tumorů. Ve snaze obejít tento problém stanovují někteří autoři spíše poměr koncentrace solubilních transferinových receptorů k feritinu než jen samotný feritin [16]. Železo je pro svoji vysokou reaktivitu většinou „uskladněno“ v proteinech (feritin, transferin), v molekulách, které obsahují hem nebo Fe-S cluster, a malé množství železa zůstává navázáno na jiné molekuly, jakými je např. citrát či albumin. LIP představuje jen velice malou část z celkové zásoby železa v organizmu a její stanovení má řadu technických úskalí.

Hypotéza, že hladina zásobního železa má vliv na výskyt KVO, byla poprvé vyslovena Sullivanem, který vyslovil domněnku, že vyšší výskyt KVO u mužů a postmenopauzalních žen je důsledkem vyšších zásob železa v organizmu [2,17]. Toto tvrzení bylo podpořeno i výsledky některých předchozích studií, jakou např. byla již zmíněná Framinghamská studie.

První studii zkoumající asociaci mezi hladinou feritinu v séru a KV rizikem uveřejnil začátkem 90. let minulého století Salonen. V rámci prospektivní studie ve skupině 1 931 mužů z východního Finska se mu podařilo prokázat, že muži s iniciální hladinou plazmatického feritinu nad 200 µg/l měli 2,2× vyšší výskyt (95% CI 1,2–4,0; p < 0,01) akutního infarktu myokardu v následujících pěti letech ve srovnání se skupinou mužů, jejichž plazmatický feritin byl v úvodu studie nižší než 200 µg/l [18]. Ve snaze omezit vliv zánětu a chronického onemocnění na hladinu feritinu byly výsledky adjustovány na hladinu leukocytů. Dále byla asociace u mužů s vyšším feritinem silnější ve skupině s vyššími koncentracemi LDL cholesterolu (RR 1,8, 95% CI 0,9–3,5, NS u mužů s nízkým LDL (pod 4,9 mmol/) oproti RR 4,7; 95% CI 1,4–16,3; p < 0,05 muži s vysokým LDL cholesterolem (nad 5,0 mmol/l)). Krátce po Salonenovi publikuje Tuomainen svoji studii KIHD (Kuopio Ischemic Heart Disease Risk Factor Study). V této studii měli muži s vysokými zásobami železa (tentokrát stanovovanými přesněji na základě poměru cirkulujících transferinových receptorů a feritinu) 2–3násobně vyšší riziko akutního infarktu myokardu ve srovnání s kohortou mužů s nízkými zásobami železa [19]. Pokud se týká žen, první prospektivní studie, do které bylo zařazeno 11 471 postmenopauzálních dánských žen ve věku 49–70 let, prokázala 2,2× (95% CI 1,05–4,73) vyšší riziko výskytu ischemické mozkové příhody ve třetím tercilu podle hladiny feritinu oproti skupině žen v prvním tercilu [20].

V dalších letech se objevily studie, které dokumentovaly vztah mezi hladinami plazmatického feritinu a známkami preklinické aterosklerózy. Rakouským autorům se v tzv. Bruneck Study podařilo prokázat silnou korelaci mezi asymptomatickou aterosklerózou karotických tepen a zásobami železa, a to jak ve skupině mužů, tak i žen [21]. V německé studii byla prokázána asociace mezi sérovým feritinem a prevalencí plátů v karotických tepnách jak u mužů (OR 1,33; 95% CI 1,08–1,44), tak u žen (1,29; 95% CI 0,98– 1,75) [22]. Když byli probandi rozděleni do oktilů podle feritinu, ukázala se u obou pohlaví korelace mezi hladinou sérového feritinu a rozsahem aterosklerotických plátů.

Z nadměrného zvyšování hladin zásobního železa v organizmu je v současné době nejvíce obviňována konzumace hemového železa obsaženého v mase a masných výrobcích. Zdá se, že resorpce hemového železa ve střevě nepodléhá tolik negativní zpětné vazbě jako vstřebávání nehemového železa, které je právě při vyšších plazmatických koncentracích feritinu inhibováno [23]. V roce 2012 byla publikována studie, kde byl prokázán vztah mezi příjmem železa ve stravě a výskytem úmrtí na CMP a KVO v kohortě 23 083 Asiatů: HR 1,43 (95% CI 1,02–2; p = 0,009) pro CMP a 1,27 (95% CI 1,01– 1,58; p = 0,023) pro KVO po adjustaci na jiné rizikové faktory. Tento vztah však nebyl potvrzen u žen [24]. V jiné evropské studii byla v souboru 50 000 mužů prokázána pozitivní korelace mezi příjmem železa ve stravě, zejména hemového železa, a výskytem CMP [25].

V této souvislosti by se dalo předpokládat, že vysoké KV riziko bude pozorováno také u pacientů s familiární hemochromatózou (HFE). U pacientů, kteří trpí hemochromatózou, dochází v důsledku střádání železa k poškození tkání a rozvoji diabetu, hepatopatie či kardiomyopatie. Toto hereditární onemocnění je způsobeno mutací HFE genu kódujícím tzv. HFE protein (human hemochromatosis protein). U homozygotů pro HFE s manifestním onemocněním však paradoxně KV riziko zvýšené není. Naproti tomu u heterozygotních nosičů genu pro HFE bylo některými autory pozorováno vyšší riziko akutního infarktu myokardu [26]. Ukázalo se totiž, že u HFE je obecně snížená hladina hepcidinu, což v konečném důsledku vede ke zvýšenému transportu intracelulárního železa zprostředkovanému feroportinem z buňky, a tedy sníženému obsahu železa v makrofágu [27]. Role makrofágu je přitom při iniciaci i progresi aterosklerotického procesu v intimě arteriální stěny naprosto kruciální. V metabolizmu železa hraje hepcidin zásadní roli. Hepcidin se váže na feroportin, který je přítomen v enterocytech a makrofázích, tento komplex spouští degradaci feroportinu, a tím brání uvolnění železa z buňky. Valenti pozoroval, že hladina sérového hepcidinu nezávisle korelovala s výskytem plátu v karotidách, co naznačuje, že hepcidinem indukované hromadění železa hraje roli v procesu aterogeneze u pacientů negativních na HFE mutace [28]. Hepcidin vede k nadměrnému zachycení železa uvnitř makrofágů, což vede ke zvýšení oxidačního stresu, transformace do pěnových buněk a v konečném důsledku k progresi aterosklerózy [27].

V posledních letech se do popředí dostává měření redox-aktivního železa. LIP je železo, které není vázáno na transferin ani feritin a které se přímo účastní prooxidačních dějů. K měření LIP můžeme v zásadě použít tři způsoby: 1. nepřímé měření za použití bleomycinu, 2. použití chelátoru a následné stanovení hladiny LIP a 3. přímé stanovení pomocí fluorescenční sondy. Rajapurkar potvrdil vztah mezi zvýšenou hladinou LIP a výskytem KVO: třetí kvartil dle LIP měl 10× vyšší výskyt KVO oproti nejnižšímu kvartilu v neadjustované analýze [29]. Po adjustaci na věk, Framingham Risk Score, glomerulární filtraci, hypertenzi, HDL cholesterol a hodnotu systolického tlaku zůstala významnost vztahu LIP a KVO signifikantní (OR 3,8; 95% CI 1,4–10,1). Další studie prokázala, že u skupiny 1 701 pacientů s akutním infarktem myokardu nebo nestabilní anginou pectoris byla hladina LIP spojena s postupným nárůstem celkové mortality (HR 3,97; 95% CI 1,09– 14,1; p = 0,036), nejvyšší kvartil oproti výchozí hodnotě a dále, že vyšší hladiny LIP byly spojeny se zvýšenou celkovou mortalitou [30].

Naopak, snižování stavu zásob železa při pravidelném dárcovství krve mělo za následek významné snížení výskytu KV příhod [31]. Tzv. Kuopio Ischaemic Heart Disease Risk Factor Study sledovala 2 862 mužů ve věku 42– 60 let průměrně po dobu devíti let. Ze  153 mužů, kteří darovali krev v průběhu 24 měsíců předcházejících vstupnímu vyšetření, měl akutní infarkt myokardu 1 (0,7 %), zatímco ve skupině 2 529 ne-dárců krve se manifestoval akutní infarkt myokardu u 316 z nich (12,5 %); p < 0,0001. Po adjustaci na věk a jiné rizikové faktory měli dárci o 88 % nižší riziko akutního infarktu myokardu oproti ne-dárcům (relative hazard = 0,12; 95% CI 0,02–0,86; p = 0,035) [32]. Zacharski et al demonstrovali v randomizované zaslepené studii u mladých pacientů s ischemickou chorobu periferních tepen, že nižší koncentrace feritinu jsou spojeny s lepší prognózou a že snižování zásob železa pomocí flebotomií zlepšuje jak prognózu, tak i redukuje nebo oddaluje vznik nefatálního infarktu myokardu či CMP [33].

Kromě studií, které signifikantně prokazují asociaci mezi zvýšenými zásobami železa nebo jeho zvýšeným příjmem ze stravy a výskytem KVO/ KVP, můžeme najít i několik prací, kde se tento vztah prokázat nepodařilo [34–37].

Závěr

Závěrem je třeba dodat, že stále nemáme k dispozici takový parametr, který by se dal jednoduše měřit a přesně by odpovídal na otázku, co se děje se železem v organizmu a se železem v aterosklerotickém plátu. Vhodnou metodou k ozřejmění, zda hladina železa má vliv na výskyt KVO, je genetický výzkum a použití metody známe jako Mendelovská randomizace. Avšak i tady narážíme na značné úskalí, které vyplývá z různých mechanizmů, metabolizmu a míst působení železa. Tento prvek má mnoho tváří a ve snaze o pochopení jeho úlohy na patogenezi aterosklerózy se nikdy nevyhneme jeho komplexnosti, i proto v popisu mechanizmů jeho působení budeme používat vícero parametrů než jeden. Potenciální důsledky v identifikaci nových biomarkerů, jako je např. železo, které může být spojené s KVO, nám pomáhá hlouběji porozumět patofyziologii aterosklerózy a k identifikaci nových terapeutických cílů. Za druhé, objevování nových rizikových faktorů přispěje k lepšímu stanovení celkového rizika KVO, a tím k efektivnější a cílenější terapii pacienta s vysokým rizikem.

Doručeno do redakce: 29. 9. 2016

Přijato po recenzi: 20. 10. 2016

MUDr. Peter Riško

www.fnkv.cz

riskopeter1985@gmail.com