罗沙司他等HIF-PHI药物可有效调节铁代谢，治疗肾性贫血

罗沙司他等HIF-PHI药物可有效调节铁代谢，治疗肾性贫血

铁调素是机体维持铁稳态的关键激素，可负向调节铁代谢。近年来，国内外研发了多种铁调素调节相关药物，其中以罗沙司他为代表的缺氧诱导因子脯氨酸羟化酶抑制剂类药物被认为可有效减少铁调素表达，提高血清铁水平，进而促进红细胞生成，治疗CKD患者的贫血。

铁转运障碍是慢性肾脏病(CKD)患者难治性贫血的常见原因。铁调素是机体维持铁稳态的关键激素,可负向调节铁代谢,该过程由多种信号通路调节,包括骨形志发生蛋白/Smad信号通路、Janus激酶/信号转导与转录激活子3通路、炎症、促红细胞生成、缺氧等。铁调素已成为临床治疗铁代谢失衡的主要靶点。近年来,国内外研发了多种铁调素调节相关药物,其中以罗沙司他为代表的缺氧诱导因子脯氨酸羟化酶抑制剂类药物被认为可有效减少铁调素表达,提高血清铁水平,进而促进红细胞生成,治疗CKD患者的贫血。

铁与铁代谢的重要性

铁参与调节细胞增殖、呼吸作用、营养代谢、免疫等多种基本功能,在人体机能运行中起重要作用。人体中的铁可分为两类：以血红蛋白铁、肌红蛋白铁、酶和辅因子结合铁为代表的功能铁;以铁蛋白、含铁血黄素为代表的贮存铁。成年人每天需20～25 mg的铁以合成新的红细胞,大部分铁由巨噬细胞从衰老的红细胞中回收,少部分由胃肠道从食物中吸收。过量的游离铁具有细胞毒性,可催化自由基的产生、氧化应激、脂膜功能障碍等。由于人体缺乏大量排泄铁的途径,因此,需严格控制铁的摄入以维持铁稳态正常,防止缺铁所致的贫血及铁过多所致的组织损伤与器官衰竭。

铁调素的功能

铁调素为铁代谢的负向调节激素,主要由肝脏合成。位于19号染色体上的Hamp基因编码产生的84个氨基酸的前多肽原,经过连续水解,最终形成具有25个氨基酸的肽类激素,是铁调素的主要活性形式。铁调素与FPN1的相互作用是机体维持铁稳态的核心。FPN1是人体中唯一已知的可将铁由细胞转运至血液的载体蛋白,其高表达于吸收食物中铁的十二指肠肠上皮细胞、储存铁的肝kupffer细胞、回收衰老红细胞中铁的巨噬细胞和胎盘合体滋养层细胞膜表面。铁调素与FPN1结合后可加速FPN1的泛素化、内化和降解,通过减少肠上皮细胞吸收铁,减少肝细胞和巨噬细胞释放铁,使血清铁浓度下降。Hamp基因的表达主要受反馈环中的铁调节,当机体铁负荷增高时,肝脏分泌铁调素增多,进而减少铁的吸收与排放入血。该反馈调节过程受多种刺激作用,包括炎症、红细胞生成、氧化应激、糖异生、激素或药物等。

铁调素也可作为非特异性免疫的介质参与免疫应答。在炎症反应中,白细胞介素6(IL-6)等炎症因子可刺激铁调素生成,抑制巨噬细胞释放铁,降低细胞外液的铁浓度,抑制微生物生长,防止感染扩散。

影响铁调素表达的因素

铁过载

调节铁调素的核心是骨形态发生蛋白(BMP)/Smad信号通路(图1)。储存铁增加可诱导肝窦内皮细胞产生BMP,其中BMP2/6是主要调控蛋白。BMP2/6可与细胞膜的BMP受体复合物活化素受体样激酶(ALK)2或 ALK3结合,同时血幼素(HJV)作为辅助受体,使细胞内Smad1/5/8磷酸化,并与Smad4形成转录复合物,与细胞核中的HAMP基因启动子结合,诱导铁调素的表达。

炎症

在炎症状态中,IL-6通过Janus激酶/信号转导与转录激活子3 (JAK/STAT3)途径(图1),促进铁调素生成。IL-6与细胞表面IL-6受体结合,在JAK介导下使STAT3磷酸化,活化的STAT3可与细胞核内的HAMP基因启动子结合,增加铁调素的表达。炎症状态下,JAK/STAT3通路激活的同时也可激活BMP/Smad通路,进而最大限度地促进铁调素的表达。

红细胞生成与缺氧

合成血红蛋白需要大量的铁,因此红细胞的生成主导了铁代谢的调节,出血、缺氧、促红细胞生成素(EPO)药物、溶血等均会导致铁调素水平下降。缺氧诱导因子(HIF)是机体应对缺氧状态时的调控因子(图1)。缺氧或贫血状态时,肾脏激活缺氧诱导因子系统,HIF可促进EPO基因表达,使红细胞大量生成。当机体不再处于缺氧状态时,HIF会被特定的脯氨酸羟化酶(PHD)羟化降解。HIF也是缺氧时引起铁调素表达变化的主要因子,当机体缺氧时,HIF被激活并与细胞核中的HAMP基因启动子的缺氧反应元件(HRE)结合,抑制铁调素的表达。

图1 影响HAMP基因编码的铁调素表达的主要途径
HAMP基因：人铁调素编码基因;BMP：骨形态发生蛋白;ALK：活化素受体样激酶;HJV：血幼素;JAK：Janus激酶;STAT3：信号转导与转录激活子3;IL-6：白细胞介素6;IL-6R：白细胞介素6受体;HIF：缺氧诱导因子;HRE：缺氧反应元件

抑制铁调素的药物

直接铁调素抑制剂

完全人抗铁调素抗体可有效降低炎症性贫血小鼠的铁调素水平,且对炎性细胞因子和EPO的产生无明显影响。Anticalin蛋白为具有良好结合能力的配体蛋白。PRS-080#22为改良后的Anticalin蛋白,可剂量依赖性地降低铁调素水平,提高血清铁和转铁蛋白饱和度(TSAT),且具有良好的安全性和耐受性。两种抗铁调素shRNA(H6与H10)可选择性抑制Hepc1 mRNA,在小鼠炎症性贫血模型中成功降低了铁调素的表达并纠正了贫血。鸟苷5'-二磷酸酯(GDP)既可与铁调素结合,形成稳定的复合物,又可抑制FPN泛素化,促进细胞铁流出。左旋寡核苷酸NOX-H94对HAMP mRNA有很强的结合力,抑制铁调素,并剂量依赖性地提高血清铁和TSAT,并具有良好的安全性和耐受性。

BMP/Smad通路的靶向治疗

肝素可与BMP6结合,抑制Smad磷酸化和铁调素mRNA的表达。戊烷多硫酸盐和肝素与二羟基铁的复合物都能抑制铁调素的同时保持较低的抗凝活性。二甲双胍是2型糖尿病首选的降糖药物,在对小鼠肝细胞进行二甲双胍干预后,发现BMP6剂量依赖性下降,进而抑制了铁调素的产生,提示二甲双胍在临床应用的潜力。DS79182026对BMP受体复合物活化素ALK2有很强的亲和力,可显著抑制铁调素的生成。ABT-207和h5F9-AM8是两种分别对HJV具有中度与高度亲和力的单克隆抗体,可阻断BMP/Smad通路,进而降低铁调素,增加血清铁浓度,并降低不饱和铁结合力。这两种药物具有长效的铁调素抑制作用,为临床上克服铁调素的高转化率提供了新方案。

JAK/STAT3通路的靶向治疗

托珠单抗是一种抗IL-6单克隆抗体,可阻断IL-6受体JAK1/STAT3信号通路,用于治疗类风湿性关节炎。前瞻性研究发现,类风湿性关节炎患者使用托珠单抗后,出现了铁调素水平降低。阿司匹林可抑制JAK/STAT3途径,减少铁调素的表达,同时增加细胞FPN1的表达,进而减少细胞中铁的含量。依那西普可中和肿瘤坏死因子α(TNF-α),临床上被用于治疗类风湿关节炎。动物实验表明,依那西普可显著降低TNF-α,IL-6和铁调素基因的表达,纠正红细胞指数并恢复血清铁和铁蛋白水平。AG490是酪氨酸激酶抑制剂,通过抑制STAT3的磷酸化来降低铁调素的表达,改善铁代谢。GDP与硫酸亚铁的复合物可抑制STAT3,降低HAMP mRNA水平。进一步研究发现,GDP可减少巨噬细胞分泌IL-6,抑制JAK2/STAT3通路,最终降低炎症状态时的铁调素水平。莫美替尼是JAK1和JAK2激酶抑制剂,改善贫血的同时不伴FPN1降解。

HIF脯氨酸羟化酶抑制剂(HIF-PHI)

HIF-PHI曾被认为是一种通过提高患者EPO水平,进而治疗贫血的药物。最新研究发现,当由HIF介导的EPO生成被炎性因子[IL-1α、IL-1β、转化生长因子β(TGF-β)、TNF-α等]抑制时,HIF-PHI仍可抑制铁调素的表达,促进红细胞生成,纠正炎症性贫血。其作用机制为HIF-PHI与PHD特异性结合并降低其活性,抑制PHD对HIF的羟化降解作用, 减少HIF分解的同时增强HIF的转录活性,从而降低铁调素浓度。多个大型临床试验证实,无论是透析还是非透析肾性贫血患者使用HIF-PHI后,都出现了血清铁调素和铁蛋白水平下降,总铁结合力(TIBC)和血清转铁蛋白(Tf)升高。HIF-PHI还可调节多种铁代谢相关基因,包括二价金属转运体(DMT1)、十二指肠细胞色素B (DcytB)、Tf、转铁蛋白受体等。肠道中的三价铁被DcytB还原成亚铁形式后被二价金属转运体(DMT1)吸收到肠细胞中,口服HIF-PHI后,DcytB和DMT1的基因表达增加,证明HIF-PHI可在基因水平上促进铁的摄取。

罗沙司他是临床使用最多的HIF-PHI药物,目前已在中国和日本应用,它能可逆地促进HIF转录,模拟机体对缺氧的自然调节反应。药代动力学研究表明,罗沙司他的清除率低,口服生物利用度高。细胞学和动物学实验发现,罗沙司他可以克服炎性因子对EPO生成的抑制作用,增加循环中的EPO浓度,改善铁代谢的同时促进红细胞生成。一项临床试验发现,透析患者使用罗沙司他后,血红蛋白水平升高,铁调素水平降低,血清铁轻度升高的同时TSAT降低,且具有统计学差异。TSAT是血清铁与Tf结合能力的比值,即血清铁/TIBC。临床上一般认为TSAT降低是由于血清铁降低的同时TIBC升高,因此TSAT降低往往提示了缺铁性贫血,但是HIF-PHI类药物为临床解释TSAT降低提供了新的思路。应用罗沙司他后,患者血清铁较基线轻度升高,TIBC显著升高,导致TSAT降低,说明此时患者的Tf被大量激活,铁利用率升高,贫血状态好转。而使用EPO后,患者与基线相比血清铁水平显著降低,TIBC显著降低,此时TSAT降低说明患者的铁未被动员,铁利用率降低。

除罗沙司他外,还有3种HIF-PHI药物在进行3期临床试验：Daprodustat,Vadadustat和Molidustat。日本的一项3期临床试验表明,与EPO相比,Daprodustat提高患者血红蛋白水平的同时会使铁调素水平降低,血清铁水平和TIBC升高,且降低铁蛋白的能力更强,这些意味着Daprodustat更能促进铁的动员和利用。Vadadustat可剂量依赖性地增加CKD患者的血红蛋白水平,提高TIBC,降低铁蛋白和铁调素的水平。对于未接受过透析的初治患者,Molidustat会降低TSAT、铁调素、铁蛋白和血清铁水平,而使TIBC升高。Molidustat治疗后出现血清铁水平的降低,这可能是由于患者短时间内红细胞大量生成,而未及时补充铁剂。与Molidustat相比,罗沙司他的降低铁调素的能力不受患者炎症状态影响,更适合作为临床上治疗肾性贫血的药物。

上调铁调素的药物

Minihepcidin是铁调素的活性模拟物,可降低铁蛋白和血清铁水平,改善红细胞的形态和寿命,减少无效红细胞生成,抑制脾肿大。不同的氨基酸组合成的Minihepcidin具有不同的特性,其中PR73具有极高的铁蛋白亲和力,可快速降低血清铁水平。环N-甲基化的Minihepcidin在保持铁调素活性的同时,具有更好的耐受力,且易通过肠道吸收,有望发展为口服铁调素类似物药物。siRNA与N-乙酰半乳糖胺(GalNAc)结合后的偶联物可上调铁调素,治疗小鼠的β-地中海贫血中的无效红细胞生成和继发性铁过载。

小结

铁调素是机体调节铁水平的重要负向调控激素。CKD患者因肾小球滤过率下降和长期处于慢性炎症状态,铁调素水平异常增高,铁代谢紊乱,进而出现难治性贫血。铁调素的表达受多种信号通路共同调节,近年来,多种药物以这些通路作为靶点,实现了对铁调素水平和铁稳态的调控。其中新型HIF-PHI类药物(如罗沙司他)展现出了较好的铁动员能力,为临床治疗肾性难治性贫血提供了新方案。