Fyziologie erytropoezy a metabolismus železa

Přednáška MUDr. Martina Vokurky odezněla 30. března v Praze na odborném semináři o fyziologii erytropoezy.

Přednáška seznamuje s erytropoézou, s faktory, které ji ovlivňují a věnuje se také struktuře, funkci, regulaci a účinkům erytropoetinu.

TIP: Pro lepší zážitek zvolte režim "Celá obrazovka" (ikonka vpravo dole na liště)

Video

Textový přepis

Tip: Kliknutím na místo v textu, přetočíte přehrávané video.

Dobré odpoledne, dámy a pánové, já děkuji za pozvání. Jsem rád, že mohu, ač tedy představitel teoretického oboru, oslovit Vás, klinické pracovníky v oblasti nefrologie s tématem fyziologie erytropoezy a metabolismu železa, což je částečně také naše vědecké téma na Ústavu. V té první části, v níž se budu věnovat převážně erytropoeze, Vás seznámím se stručným přehledem erytropoezy, s faktory, které ji ovlivňují, a budu se zejména věnovat erytropoetinu, jeho struktuře, funkci, regulaci a účinkům. V závěru také kinetice působení erytropoetinu na erytropoezu. Erytropoeza probíhá v kostní dřeni, vychází z kmenových buněk, které jsou nejprve pluripotentní, posléze jsou již specifické pro jednotlivé linie. V té části červené krevní řady následují takzvané burst forming units a colony forming units, které pak přecházejí na známé erytroblasty, které se hemoglobinizují, a posléze po enukleaci se vyplavují jako retikulocyty, které se mění ve zralé erytrocyty. Délka tohoto procesu je zhruba jednadvacet dnů od pluripotentní kmenové buňky a erytropoeza tak má vlastně při své denní produkci nahradit zhruba jedno procento erytrocytů, které přirozeně zanikají. Jejich délka života je zhruba sto až sto dvacet dnů. K jakým dějům při tom dochází. Buňky se diferencují, proliferují, vyzrávají a v závěru tedy hemoglobinizují. Buňky, kterým se toto nepodaří, tento proces nedokončí a zanikají procesem apoptózy, který si také trošku popíšeme. Faktory, které jsou nezbytné, aby erytropoeza zdárně probíhala, zahrnují kostní dřeň s jejím mikroprostředím, velmi citlivou regulací v rámci jednotlivých stromatů, které se v kostní dřeni nachází. Je to celá řada cytokinů, které tam působí, stem cell factor, interleukin 3 a podobně. Dále jsou to faktory, které obecně ovlivňují růst buněk, čili faktory nezbytné pro syntézu DNA, pro proteosyntézu a podobně. A pak je to samozřejmě klíčový regulátor a hráč v erytropoeze čili erytropoetin. Pokud bychom se podívali na časový průběh, ta úvodní fáze, která ještě není zcela specifická pro jednotlivé linie, zahrnuje především regulaci méně specifickými růstovými faktory, kolonie stimulujícími faktory a podobně. V další fázi následuje regulace erytropoetinová, která již je specifická pro červenou kostní řadu. Posléze přechází děj v množení erytroblastů a intenzivní hemoglobinizaci, následně se uvolňují retikulocyty a následně erytrocyty do periferní krve. Naopak jsou známy z kliniky i z patofyziologie faktory, které inhibují erytropoezu. Jsou to jakékoliv poruchy kostní dřeně, nedostatek příslušných růstových faktorů, to samé nedostatek erytropoetinu a podobně. Také zánětové faktory a cytokiny, které mají inhibiční efekt na růst progenitorových buněk. O některých z těchto faktorů a procesů se podrobněji zmíním v další části přednášky. Klíčovým regulátorem erytropoezy, jak jsem již řekl a jak samozřejmě víte, je erytropoetin. Erytropoetin je glykoprotein, který ve své molekule má část peptidovou a na ní navázanou část sacharidovou. Část peptidová, ten peptidový řetězec je nezbytný pro účinek erytropoetinu, zatímco část sacharidová neboli glykoprotein stabilizuje erytropoetin v cirkulaci, je tedy nezbytný pro jeho poločas, který ovlivňuje. Erytropoetin je tvořen v ledvinách, v peritubulárních intersticiálních fibroblastech. V určité míře je tvořen také v jiných buňkách včetně erytroblastů. Hlavním regulačním faktorem syntézy erytropoetinu je hypoxie. Je to v podstatě regulace množstvím kyslíku v arteriální krvi, který se může měnit buď sníženým množstvím hemoglobinu, nebo sníženým parciálním tlakem kyslíku. Tato periferní hypoxie v ledvině stimuluje produkci erytropoetinu, který působí v kostní dřeni a zpětně tak může dorovnat snížené množství hemoglobinu, zvýšit transportní kapacitu pro kyslík. Faktorem, který zprostředkovává efekt hypoxie na expresi hepcidinu, je tak zvaný hypoxia-induced factor. Čili transkripční faktor. Ten děj probíhá tak, že jeho část alfa se v případě hypoxie translokuje do jádra, kde se spojí s faktorem beta a společně zvyšují transkripci genu pro erytropoetin. V případě normoxie je tento děj víceméně potlačen. HIF jedna alfa čili tato podjednotka toho transkripčního faktoru je v případě normoxie hydroxylována prostřednictvím enzymu prolyl-hydroxylázy, která působí jako jakýsi kyslíkový senzor. Po hydroxylaci je tento faktor spojen s von Hippel-Lindauovým faktorem, následně je ubikvitinylován a odeslán do proteasomu, který provádí v buňce běžně degradaci proteinů. Tento stav tedy vede k tomu, že transkripce genu pro erytropoetin se neuskuteční. Dalším faktorem, který ovlivňuje produkci erytropoetinu, je zánět a zánětové cytokiny, které prostřednictvím zase jiný transkripčních faktorů (jako je NF kapa B a GATA-2) také tlumí expresi a transkripci erytropoetinu. Jaký je hlavní účinek erytropoetinu. Erytropoetin udržuje viabilitu čili životnost jednotlivých prekurzorů, které následně prodělávají onu diferenciaci, proliferaci a vyzrávání a v případě, že erytropoetin není přítomen, prodělávají apoptózu a zanikají. Apoptóza, která je důležitým dějem nejen v erytropoeze, je děj takzvaného aktivního zániku nebo někdy se říká sebevraždy buňky, na který mají jednotlivé buňky svůj vlastní program. Čili na rozdíl od nekrózy to není prostá destrukce, ale využívá energie a specifických programů, které buňka k těmto účelům má. Apoptóza je vyvolána celou řadou faktorů. Infekcí, zářením, poškozením buněk a nás zajímá to, že řada apoptóz je vyvolána také nedostatkem růstových faktorů, v tomto případě tedy erytropoetinu. Je to běžný děj, který je důležitý ve vývoji, k ukončení imunitní reakce, naopak nedostatečná apoptóza provází nádory a podobně. Její spuštění se rozděluje mezi takzvanou zevní a vnitřní cestu, která pak přechází v cestu společnou, kterou je posléze destruována DNA a narušena buněčná membrána a buňky tak vyšlou signál makrofágům, které je posléze fagocytují. To je jenom jednoduché schéma, stimulace zevní cestou, vnitřní cestou, kde hrají velkou roli především mitochondrie, a následně společná cesta s likvidací DNA, změnou membrány a fagocytózou. O tom, jestli buňka projde apoptózou nebo ne, posléze tedy rozhoduje určitá rovnováha těchto pro- a antiapoptotických faktorů, z nichž tedy erytropoetin je klíčovým faktorem pro přežívání prekurzorů erytroidních buněk. Erytropoetin působí přes erytropoetinové receptory, které se vyskytují zejména na colony forming units, méně na BFU a částečně ještě na erytroblastech. Buňka, která je citlivá na erytropoetin, má až tisíc receptorů na své membráně. Po aktivaci erytropoetinového receptoru je spuštěna transkripce řady genů, které vlastně vedou k tomu, že buňka se vyvíjí erytroidním směrem, a zároveň že buňka nezaniká, protože jsou aktivovány také antiapoptotické geny. To je určité schéma tohoto děje, kdy erytropoetin se naváže na receptor, který se ???, to znamená dva receptory se spojí, je autofosforylován a zde vidíte celou kaskádu genů, které se aktivují. Některé z nich jsou inhibiční pro apoptózu. Děj je posléze ukončen defosforylací receptorů, čímž aktivace těchto buněk končí. Tyto děje Vám mohou připadat poněkud teoretické, ale začínají mít i praktický význam ve hledání dalších léků, protože kromě situací, kdy přímo stimulujeme erytropoetinový receptor, se hledají léky, které by zvyšovaly expresi erytropoetinu například tím, že zasáhnou do onoho mechanismu hypoxické regulace, popřípadě jsou to léky, které naopak prodlouží účinek erytropoetinu tím, že by vlastně pozastavily onu defosforylaci receptoru, a tím by erytropoetin působil déle. Erytropoetin a jeho účinek je tedy zásadní, vlastně asi v období deseti až čtrnácti dnů, a to sice, jak už jsem zmínil, především v té fázi colony forming units. Za fyziologických okolností je koncentrace erytropoetinu poměrně nízká. Stačí k tomu, aby relativně malá část prekurzorů, které se v kostní dřeni objevují, unikla apoptóze, dospěla do zralých erytrocytů a doplnila tak fyziologický úbytek erytrocytů, který nastává. Poločas erytropoetinu je asi pět hodin. Erytropoetin má nicméně výraznou schopnost vzestupu uvedenými mechanismy, a to sice až tisíckrát a může tento stav vést asi ke čtyřnásobnému zvýšení erytropoezy. Je známo, že určitá fáze hypoxie touto stimulací erytropoetinu dokáže zvyšovat produkci erytrocytů a hemoglobinu a tato produkce posléze tedy v podobě erytrocytů přetrvává až oněch sto až sto dvacet dnů. Je totiž nutné si uvědomit, že působení erytropoetinu na erytropoezu můžeme rozdělit z pohledu klinického, nebo z pohledu jevu, na tři části. První fáze je latentní, v této fázi se děje ovlivnění prekurzorů a není to nijak patrné, protože ta erytropoeza trvá, jak jsme si řekli, řadu dní. Ve druhé fázi je patrný vzestup retikulocytů a v další fázi nastává teprve vzestup hemoglobinu. Patrné je to na tomto grafu, kdy dejme tomu určitá stimulace hypoxií může vést k vzestupu erytropoetinu, po něm následuje vzestup retikulocytů a s odstupem vzestup hemoglobinu, ale co je důležité, tento vzestup hemoglobinu proti těmto vzestupům daleko déle přetrvává, což je dáno životností červených krvinek. K lepšímu pochopení vztahu erytropoetinu a kinetiky vyzrávání erytrocytů je nutné si něco říci o mechanismech nebo kinetice účinku na erytropoetinové receptory. K účinku na buňku, která má erytropoetinový receptor, stačí relativně malé obsazení erytropoetinových receptorů. Vyšší dávky erytropoetinu spíše působí tak, že obsazují další buňky, další receptory na dalších buňkách, což vede k tomu, že více buněk vstupuje do onoho procesu vyzrávání. Co je však velmi důležité, že aby toto vyzrávání pokračovalo, erytropoetin musí být přítomen i další fázi, protože pokud v další fázi nedojde k obsazení dalších erytropoetinových receptorů, buňky po několika hodinách prodělávají apoptózu. Dá se tedy říci, že proto, aby erytropoetin patřičně působil, musí být nejen přítomen v adekvátní koncentraci, která může stimulovat určité množství kmenových buněk, ale tato koncentrace musí také dostatečně dlouhou dobu přetrvávat, aby nedocházelo k zanikání prekurzorů. Dá se to demonstrovat i na příkladu vývoje koncentrací erytropoetinu po krvácení. Jak Vám ukáži na následujícím grafu. V případě krvácení dochází k poklesu hemoglobinu. Na této ose je koncentrace hemoglobinu, hemoglobin je červeně. Poměrně rychle dochází k vzestupu koncentrací erytropoetinu, který může být až o tři řády. Dochází ke stimulaci prekurzorů, ale až s určitým odstupem se začíná objevovat také zvyšování hemoglobinu. Nicméně za fyziologických okolností erytropoetin stále zachovává svou koncentraci poměrně vysokou, aby ty jednotlivé prekurzory dále mohly vyzrávat a přecházet do zralých erytrocytů. Za fyziologických okolností přizpůsobuje potom svou koncentraci narůstajícímu množství hemoglobinu. Odlišná situace je samozřejmě za patologických stavů, které zahrnují stavy s poruchou produkce erytropoetinu nebo stavy s poruchou účinku erytropoetinu. Podstatné je, že mechanismy, které jsem zmínil, mechanismy regulace erytropoetinu, za těchto situací vlastně nefungují dostatečně. Takovým klasickým příkladem je samozřejmě pokročilé renální selhání, kdy na rozdíl od osob ne tedy zdravých, ale osob, které mají zachovalou produkci erytropoetinu, jejich anemizace, těchto osob, což je zde pokles hemoglobinu, vede k vzestupu erytropoetinu právě zmíněnými mechanismy přes HIF regulaci a podobně. Naopak pokročilé renální selhání vede při anemizaci k velmi nedostatečným koncentracím erytropoetinu. To jsou situace, které pochopitelně vedou k nutnosti podávání exogenních erytropoetinů nebo ESA, u nichž je podstatná samozřejmě informace o jejich účinku. O farmakodynamice, což je stimulace erytropoetinových receptorů, a dále potom jejich farmakokinetika, což je otázka, jak dlouho tyto léky působí, což je dáno jejich poločasem, afinitou receptoru a podobně. Podstatnou vlastností, která určuje tyto farmakokinetické vlastnosti, je glykace či jiná úprava onoho peptidového řetězce, což je analogií fyziologického erytropoetinu, který je také, jak jsme si řekli, glykován. Zásadním rozdílem těchto preparátů není tedy ten základní účinek, to je stimulace erytropoetinového receptoru, ale to, že na rozdíl od fyziologického erytropoetinu nemohou regulovat, neadaptují se na ony příslušné regulační mechanismy, které jsem zmínil, ale jejich koncentrace a délka této koncentrace jsou dány nikoliv přirozenou odpovědí ledvin, jako bylo v případě krvácení, nicméně jsou výsledkem dávkování těchto preparátů a poločasu, který je právě dán víceméně úpravou toho vedlejšího řetězce. Srovnáme-li to opět třeba s fyziologickým působením erytropoetinu, tak za fyziologických okolností je koncentrace erytropoetinu relativně stabilní a nízká a odpovídá relativně stabilní koncentraci hemoglobinu. V případě krvácení, jak už jsme si ukázali, reaguje fyziologický erytropoetin sám a snaží se tedy hemoglobin opět dostat do správné koncentrace. A podstatné je, jak už jsem řekl, že jeho koncentrace je velmi plynulá, stabilní a její pokles souvisí až potom s nárůstem množství hemoglobinu díky erytropoeze. Pokud jde o exogenní erytropoetiny, ty vlastně nemohou takto reagovat, proto jejich koncentrace a délka této koncentrace samozřejmě nejsou dány přirozenými ději v organismu, nýbrž víceméně oscilují kolem té požadované koncentrace a docilují jí na základě toho, jakým způsobem jsou podávány a jakou mají farmakokinetiku. Děje, které nastávají u přirozeného erytropoetinu nebo exogenních erytropoetinů, si můžeme zjednodušeně představit na tomto schématu. Za fyziologických okolností je přítomen erytropoetin, který stimuluje určitý počet prekurzorů. Ty tedy následně nepodlehnou apoptóze a nadále se množí. A protože za fyziologických okolností je erytropoetin stále přítomen v té určité koncentraci, ochrání tyto buňky před apoptózou a tyto buňky se dále množí a postupně vyzrávají. To je tedy trvalé působení erytropoetinu. Vezmeme-li to v časovém ději, tak to znamená, že jestliže prekurzorové buňky mají trvale dostatečnou koncentraci erytropoetinu, pak s určitým časovým odstupem vedou vyzrávání a vyplavení zralých erytrocytů. Je-li tomu tak nadále, tento děj se víceméně opakuje a znamená to, že dochází k trvalé, vyrovnané, rovnoměrné produkci červených krvinek, která odpovídá předchozí vyrovnané a stabilní nebo dostatečné koncentraci erytropoetinu. Odlišná situace je pochopitelně, když není koncentrace erytropoetinu stabilní a naopak výrazně kolísá, což je jeden z příkladů kolísání exogenního erytropoetinu. V takovém případě třeba i vysoká dávka zpočátku může sice obsadit větší množství receptorů a stimulovat více prekurzorových buněk, nicméně pokud netrvá dostatečná koncentrace erytropoetinu v dalších fázích, pak ty původně stimulované buňky podléhají apoptóze a daleko méně jich dospěje do reálného vyzrávání v erytrocyty. Podíváme-li se na to opět v tom časovém horizontu, tak sice v určité fázi může dojít ke stimulaci erytropoezy a ke vzniku určitého množství erytrocytů, nicméně jestliže v dalším časovém úseku naopak není dostatečná koncentrace erytropoetinu, nedojde k takovému vzniku erytrocytů. To se může opakovat, jestliže opět koncentrace erytropoetinu stoupne, může dojít opět k vyšší produkci erytrocytů. Jaké toto má důsledky. Ony vzestupy koncentrace erytropoetinu samozřejmě stimulují erytropoezu, stimulují erytroidní prekurzory, někdy to ani nemusí být dáno skutečnou potřebou, a vedou tedy ke zvýšené erytropoeze. Ovšem v situaci, kdy následuje pokles erytropoetinu a nedostatečná koncentrace, další prekurzory, které by měly dotvořit zralé erytrocyty, naopak projdou apoptózou, a tím v dalším časovém intervalu nedojde k vytvoření dostatečného množství zralých erytrocytů. Výsledkem je, že takové střídání koncentrací pochopitelně vede ke střídání stimulace a naopak zase apoptózy, což se projeví na kolísání koncentrací hemoglobinu. A jak bylo ze schématu erytropoezy patrné, tento efekt není ani patrný hned, protože erytropoeza trvá určitou dobu. Za to se projeví až s určitou latencí, ale může vzhledem k délce života erytrocytů poměrně dlouho přetrvávat. Je tedy zřejmé, že proto existuje určitá snaha vytvořit takovou situaci, aby se i exogenní erytropoetiny víceméně nacházely co nejvíce v požadovaném pásmu koncentrací. Tomu se tedy přizpůsobuje jak způsob podávání těch léků, tak interval, se kterým se podávají, tak se využívá rozdílné kinetiky a poločasu erytropoetinu. Nicméně vidíte, že se zde mohou střídat určité fáze, kdy je erytropoeza hodně stimulována, naopak s fázemi, kdy dochází k poklesu pod optimální koncentraci, což zase provází apoptóza prekurzorů a následně nedostatečné vyzrávání červených krvinek. Další metodou, kromě úpravy dávkování, je vývoj takových exogenních erytropoetinů, jejichž kinetika dosahuje takových parametrů, aby byly relativně co nejdéle v optimálním pásmu koncentrací erytropoetinu, tudíž aby erytropoeza nebyla vystavována střídavé stimulaci a apoptóze z poklesu sérových koncentrací. Pokud bych si tedy dovolil shrnout to hlavní, co jsem se pokusil o erytropoeze sdělit. Pro průběh erytropoezy je třeba funkční kostní dřeň, prekurzory, kmenové buňky a příslušné růstové faktory. Na erytropoezu musíme nahlížet jako na poměrně komplexní, vícestupňový proces, jehož klinický výsledek je patrný vlastně až s odstupem několika dnů a může i poměrně dlouhou dobu přetrvávat díky dlouhému životu erytrocytů. Klíčovým regulátorem erytropoezy je erytropoetin, který je zásadní pro fázi erytropoezy zhruba v délce deseti až čtrnácti dnů. Erytropoetin je nezbytný pro přežívání prekurzorů, brání jejich apoptóze a umožňuje jejich proliferaci a diferenciaci. Aby byla erytropoeza adekvátně stimulována, je třeba, aby dostatečné koncentrace erytropoetinu byly přítomny po celou dobu vyzrávání prekurzorů. Jakékoli vzestupy nebo poklesy koncentrací erytropoetinu se s latencí projeví na koncentraci hemoglobinu, přičemž důsledky těchto změn přetrvávají posléze déle než vlastní koncentrace, než vlastní změny koncentrace erytropoetinu. Zatímco fyziologický erytropoetin citlivě a autonomně reguluje změny koncentrace hemoglobinu a přizpůsobuje se jim, koncentrace exogenního erytropoetinu na toto nereagují a jejich koncentrace samozřejmě musí být docíleny kombinací jejich dávkování a jejich farmakokinetikou, která je dána zejména úpravou vedlejších řetězců. Protože nadbytečné výkyvy v koncentraci mohou vést buď k nadměrnému vzestupu, nebo naopak k poklesu hemoglobinu. Proto by tedy koncentrace erytropoetinu, tak jak vyplývá z fyziologie erytropoezy, měla být relativně stabilní a odpovídat takovým koncentracím hemoglobinu, které je třeba udržovat. To je tedy k té první části, která se věnovala více erytropoeze a erytropoetinu. V druhé části bych se chtěl věnovat vztahu železa k erytropoeze. Zde je prosím použitá literatura a doporučená literatura, které budou k dispozici v té prezentaci, kterou posléze dostanete. Pokud jde o metabolismus železa, tak bych stručně zmínil jeho význam, přehled metabolismu a samozřejmě přehled metabolismu železa se vztahem k erytropoeze. Dále bych se věnoval regulaci metabolismu železa v buňkách a hlavnímu regulátoru metabolismu železa v organismu, kterým je hepcidin. Jeho roli ve fyziologii, patofyziologii i částečně klinické medicíně a na závěr takovému propojení vztahů železa, erytropoetinu, hepcidinu a zánětu zejména ve vztahu k anémii chronických chorob. Železo je klíčový prvek v lidském organismu. Je obsažené nejen v hemoglobinu, ale ve stovkách dalších enzymů. Ale na druhé straně je železo také prvkem nebezpečným a je-li ho příliš, je známým katalyzátorem volných radikálů, které pak vedou k poškozování organismu a orgánů. Železa máme v organismu asi tři až čtyři gramy. Denně ztrácíme jeden, eventuelně dva gramy. Ale větší množství železa, než které vyměňujeme s vnějším prostředím, recyklujeme v organismu jako takovém. Dá se říci, že koloběh železa v organismu je víceméně uzavřený systém, v němž železo, které máme v organismu, poměrně úsporně recyklujeme. Znázorňuje to zjednodušeně tento obrázek, který ukazuje množství železa v krvi, které je relativně nízké, asi jenom tři miligramy. Je zde znázorněna výměna se zevním prostředím, čili ztráty železa, které jsou doplňovány resorpcí. A samozřejmě železo se nachází ve všech buňkách organismu. Nicméně daleko nejvíce je železa v erytronu, čili vyzrávajících i zralých červených krvinkách, které vykonávají oběh. To znamená červené krvinky, které jsou v periferní krvi, posléze zanikají v makrofázích a železo se přes transferin recykluje zpátky do kostní dřeně. Vidíte, že kvantitativně je tato recyklace daleko významnější než výměna železa v zevním prostředí. Mechanismy, jimiž železo recirkuluje v organismu, byly poznány teprve v posledních letech. Nejsou ještě poznány do detailu. Ví se, že železo se vstřebává enterocyty v duodenu. Jsou známy některé transportéry, které ho přenášejí, ale doposud například není známý transportér pro hemové železo, které je přitom v naší potravě významným zdrojem železa. Naopak je znám výstup železa z buňky molekulou zvanou ferroportin, který posléze vede k navázání železa na transportní formu čili transferin. Druhou částí metabolismu železa je jeho recyklace, kterou vykonávají makrofágy, které pohltí staré erytrocyty, uvolní z nich železo a víceméně jsou toto železo také schopny exportovat ven tou samou molekulou, ferroportinem, opět na transferin. Čili to je ta cesta recyklační, která je kvantitativně významnější. Význam železa pro erytropoezu je samozřejmě zřejmý. Železo je obsaženo v hemoglobinu. A pokud jde o fázi, v níž je pro erytropoezu klíčové, tak je to ta závěrečná fáze erytropoezy. Víceméně ta fáze, která následuje po té klíčové fázi erytropoetinu. Je to fáze erytroblastů, které v této fázi začínají intenzivně akumulovat železo až po fázi retikulocytů. Jak tyto buňky získávají železo. Železo získávají z nasyceného transferinu, to jest ten, který má obě místa pro trojmocné železo obsazena, a buňky, které chtějí železo, neplatí to jenom pro erytroblasty, ale zde je to masivní, mají na své buňce mnoho tisíců transferinových receptorů, jimiž železo vychytají. Ukazuje to zhruba toto schéma, kdy vidíme buňku, konkrétně erytroblast, který je na počátku svého vývoje, čili ještě není ani dostatečně hemoglobinizován, má výraznou potřebu železa a taková buňka má na svém povrchu velké množství transferinových receptorů. Na ty se tedy navazuje nasycený transferin, který má obě místa obsazená trojmocným železem. Dochází k internalizaci onoho receptoru i s transferinem, uvolnění železa do buňky, buňka se tedy stává bohatší na železo, které různým způsobem využívá (konkrétně u erytroblastů ho využívá k syntéze hemoglobinu), a následně buňka, která již dále nepotřebuje takové množství železa, sníží množství erytropoetinových receptorů. Proto transferinové receptory posléze na retikulocytech výrazně klesají, až posléze vymizí, protože buňky už žádné železo nepřijímají. Jaká je regulace na úrovni organismu. Ta je odlišná než na úrovni buněk, ale má některé společné rysy. Základní premisa, která platí, je že železo z těla nelze vyloučit, což dělá problém u řady chorob hematologických nebo přímo při hereditární hemochromatóze. Jestliže není regulováno vydávání železa, jsou regulovány ty dva procesy, které jsem zmínil, to je resorpce železa ve střevě a je regulována jeho recyklace v makrofágu - to je ta fáze, kdy se železo obnovuje ze starých erytrocytů. Tím hlavním regulátorem, který tuto systémovou regulaci metabolismu železa provádí na úrovni celého organismu, je hepcidin. Je to peptid. Čili je to poměrně malá molekula tvořená pětadvaceti aminokyselinami. Je tvořen v játrech, což mu dalo také jméno - hep - a má původně antimikrobiální účinky, což dalo název hep-cidin. O účinku hepcidinu je známo, že on ty procesy, které jsem zmínil, inhibuje. Hepcidin tedy sníží resorpci železa ve střevě a zároveň sníží jeho uvolňování z makrofágů. Přitom sám je vlastně stimulován železem, je stimulován erytropoezou a také je stimulován zánětem, což ještě krátce zmíním. Pokud jde tedy o ty regulační prvky na makrofágu a enterocytu, tak hepcidin je provádí tím způsobem, že vede k zadržení železa v makrofázích, což vzhledem k intenzitě recyklace železa vede k poklesu sérové koncentrace, a to poměrně rychle, a zároveň inhibuje resorpci železa ve střevě, čímž reguluje množství železa v organismu, a to dlouhodobě. Protože i ten jeden miligram železa, který denně vstřebáme, je-li ta resorpce porušena, pochopitelně to po určité době vede buď k nedostatku nebo k nadbytku železa v organismu. O hepcidinu se tedy dá říci, že snižuje resorpci železa ve střevě, a tím dlouhodobě reguluje obsah železa v organismu. Zároveň tlumí recyklaci železa působením na makrofágy, čímž naopak velmi rychle dokáže měnit sérovou koncentraci železa. Z toho vyplývá, že nadbytek hepcidinu způsobí nedostatek železa a naopak nedostatek hepcidinu vede k tomu, že se vstřebává velké množství železa a dochází k přetížení organismu a k hereditární hemochromatóze. Mechanismus působení hepcidinu je poměrně elegantní, vychází z toho, že jak makrofágy, tak enterocyty mají onu společnou molekulu, která je exportérem železa z buněk - ferroportin. A právě hepcidin tuto molekulu, která exportuje železo, víceméně inhibuje a inaktivuje, takže železo zůstává v jednotlivých buňkách uzamčeno. Co z toho vyplývá pro regulaci hepcidinu. Jestliže je nedostatek železa nebo vystupňovaná erytropoeza, čili zvýšená potřeba železa, popřípadě hypoxie, která také zvyšuje erytropoezu, jak jsme viděli předtím - působením na erytropoetin prostřednictvím HIF faktorů, tyto faktory snižují expresi hepcidinu, což vede ke zvýšené resorpci železa ve střevě a k jeho zvýšenému uvolňování z makrofágů, aby bylo železo dostupné pro krvetvorbu. Naopak situace nadbytku železa, ale také zánětu, což je důležité, vede k tomu, že hepcidin se zvyšuje, což vede k tomu, že železo se nevstřebává, což je běžná zpětnovazebná regulace. Ale zároveň to železo není dostupné v krvi pro erytropoezu, protože je v té recyklaci uzavřeno v makrofázích. Jaký je tedy vztah mezi erytropoezou, erytropoetinem, železem a hepcidinem. Fyziologicky je dán skutečně tím, že hepcidin zvyšuje dostupnost železa pro erytropoezu. Veškeré faktory, které zvyšují erytropoezu, mají tendenci hepcidin snižovat, tak aby byl dostatečný přísun železa erytropoeze. Situace je ovšem poměrně odlišná v zánětlivých situacích, protože, jak jsem zmínil, zánět a zejména například interleukin 6 mají výrazně stimulační efekt na tvorbu hepcidinu. Hepcidin tak vlastně sníží dostupnost železa a vede k retenci železa v makrofázích. To je situace, která nastává u specifické anémie, u anémie chronických chorob, kdy zánětlivé procesy vedou jak k ovlivnění erytropoezy, jak jsem zmiňoval i na začátku, tak ke zvýšené tvorbě hepcidinu, který následně vede k nedostatku funkčního železa pro erytropoezu. Dá se říci, že tedy nadměrná tvorba hepcidinu zánětlivými změnami je jedním z mechanismů, ne samozřejmě jediným, ale jedním z mechanismů, který provází anémii chronických chorob. Ta, jak víte, je druhou nejčastější anémií. Většinou nebývá nejtěžší, nicméně samozřejmě podstatně komplikuje zdravotní stav pacientů. A vzniká komplexním působením zánětu na erytropoezu a na metabolismus železa. Zároveň také, jak jsme si ukázali i v té úvodní části, zánětové faktory působí negativně jak na syntézu erytropoetinu, kdy jsme zmiňovali transkripční faktor GATA-2 nebo NF kapa B, které sníží přímo transkripci erytropoetinu, tak se předpokládá, že tyto zánětlivé faktory vedou ještě k rezistenci na erytropoetin, čili i k jeho sníženém účinku. Nicméně tedy ty mechanismy ovlivňující metabolismus železa jsou takovým nejnápadnějším znakem anémie chronických chorob. Přičemž dochází ke snížené koncentraci sérového železa, ale na rozdíl od prosté sideropenie, se kterou by se tento stav mohl zaměňovat, je naopak vysoký sérový feritin. To proto, že A) ten je proteinem akutní fáze, B) zde není samozřejmě absolutní nedostatek železa, pouze jeho špatná distribuce. Čili ty rozdíly nejsou v té koncentraci sérového železa, ale zejména v tom, že zásoby železa jsou v obou stavech zcela diametrální. Když bych to shrnul v takovém závěrečném schématu, jak tedy zánět na erytropoezu a železo působí - zánět s produkcí řady cytokinů, interleukinu 6, tumor necrosis faktoru, interleukinu 1 a podobně vede k aktivaci makrofágů, které způsobují určité zkrácené přežívání erytrocytů. Druhým působením cytokinů je působení na kostní dřeň, kde se snižuje aktivita prekurzorů, a zároveň je to i působení na erytropoetin, který se sníženě tvoří, což snižuje erytropoezu. A třetím faktorem, nebo třetí skupinou faktorů je zánětové zvýšení hepcidinu, který vede ke snížené dostupnosti železa, a to se také podílí na snížené erytropoeze. Čili to znamená, že zánět, hepcidin, může výrazně měnit metabolismus železa a může přispívat k tomu, že například podávání erytropoetinu možná může potom být méně efektivní v situaci vystupňovaného zánětu, kdy na erytropoetin mohou být sníženě citlivé prekurzorové buňky v kostní dřeni, a zároveň ještě je relativní nedostatek železa pro erytropoezu. To tedy může být patogenetickým faktorem anémie chronických chorob. Když bych si tedy dovolil shrnout základní sdělení o železe a erytropoeze, tak železo je samozřejmě klíčový prvek jak pro erytropoezu, tak pro organismus jako celek. Nicméně je také prvkem nebezpečným, jehož nadměrné množství nebo jeho uvolnění mimo bílkoviny, v nichž je skladován nebo přenášen, může značně poškodit organismus i buňky. Je zásadní pro tvorbu hemoglobinu v té závěrečné fázi erytropoezy, ve fázi erytroblastů. Metabolismus železa je v podstatě uzavřený cyklus s výraznou vnitřní recyklací mezi erytrocyty, zanikajícími erytrocyty a novými erytrocyty, vznikajícími v kostní dřeni. Není regulován výdej železa z organismu, organismus reguluje příjem železa na úrovni vstřebávání v gastrointestinálním traktu a reguluje také onen kvantitativně významný proces recyklace na úrovni makrofágů. Klíčovým regulátorem těchto dějů je peptid hepcidin, který se tvoří v játrech, který tlumí vstřebávání železa ve střevě a tlumí i recyklaci. Tím tedy vlastně snižuje dostupnost železa, ale také brání vzniku nadbytku železa v organismu. Koncentrace hepcidinu klesá při nedostatku železa a jeho zvýšené potřebě, což je i vystupňovaná erytropoeza. Naopak stoupá při nadbytku železa a zánětu, a tím vlastně vede ke snížené dostupnosti železa a přispívá tak pravděpodobně ke vzniku anémie chronických chorob. Možná i může ovlivnit citlivost na erytropoetin, tak jak se podává. Hepcidin se v tuto chvíli klinicky rutinně nestanovuje, ale je již řada prací, které ho stanovují a je zajímavé sledovat, jak se při různých chodobách mění. Doufáme, že bude sloužit i jako jakýsi klinický marker stavů, zejména tam, kde se kombinuje právě porucha metabolismu železa, zánět a změny erytropoezy. Já Vám děkuji za pozornost a za trpělivost.

Podcast

Přehrajte si zvukovou stopu videa:

Podívejte se i na další přednášky webcastu Fyziologie erytropoézy.

Související články

Přednáška představuje nová doporučení pro péči pacientů po transplantaci ledvin. Kromě doporučení pro indukční,  úvodní a dlouhodobou udržovací imunosupresi a monitoraci imunosupresivní indikace, uvádí také doporučení pro očkování, doporučení pro pacienty s kardiovaskulárním onemocněním, s diabetem, hypertenzí, obezitou a malignitami.

Přehledá přednáška o problematice arteriální hypertenze je určena především nefrologům a podává přehled doporučení diagnostických a léčebných postupů u arteriální hypertenze, tak jak je vydala Česká společnost pro hypertenzi.  Přednášejícím je jedním ze spoluautorů představených guidelinů. 

Diabetik – prakticky vždy komplikovanější pacient. Dominantní problémy: cévní přístup (mediokalcinóza); syndrom diabetické nohy – prakticky neřešitelný; kompenzace DM; zhoršení visu až slepota; vyšší prevalence K-V komplikací. Prezentace z 3. bloku přednášek, která zazněla 2. listopadu 2013 v rámci třetího ročníku znovuobnoveného Klubu mladých nefrologů.