Ferritin – assessment of iron status and diagnostic value

Wstęp

Niniejszy artykuł powstał ze względu na częste, a jednocześnie zazwyczaj błędne wiązanie hiperferrytynemii z hemochromatozą na poziomie diagnostyki w podstawowej opiece zdrowotnej. Podobnie jak hiperferrytynemia również hipoferrytynemia wymaga analizy w kontekście obrazu klinicznego. Przyjmuje się, że prawidłowe stężenia ferrytyny w osoczu krwi mieszczą się w granicach 30–300 µg/l u mężczyzn i 15–200 µg/l u kobiet miesiączkujących, u kobiet po menopauzie prawidłowe wartości są podobne jak u mężczyzn [1].

Żelazo jako biometal

Żelazo stanowi niezbędny składnik wszystkich organizmów i zaliczane jest do metali przejściowych (podobnie jak miedź, nikiel, kobalt, mangan, wanad, chrom, cynk), które mają niesparowane elektrony na powłokach wewnętrznych. Dzięki temu metale te mogą przyjmować wiele stopni utlenienia: żelazo w komórkach i płynach ustrojowych występuje w postaci jonu żelazowego (Fe3+) i jonu żelazawego (Fe2+). Ustrojowa homeostaza w zakresie gospodarki żelazem jest utrzymywana poprzez regulowanie jego poziomu w osoczu krwi, który zależy od czterech skoordynowanych procesów: absorpcji żelaza w dwunastnicy i jelicie czczym, jego odzysku z makro-fagów (żelazo pozyskane z rozpadających się erytrocytów), zapasów żelaza w wątrobie i erytropoezy [2]. Głównym konsumentem żelaza w ustroju jest szpik kostny, gdyż erytropoeza wymaga ok. 30 mg żelaza w ciągu doby. Zapotrzebowanie to jest pokrywane przede wszystkim (> 28 mg/dobę) z odzysku żelaza z układu makrofagów [3, 4]. Przeciętna zawartość żelaza w dobowej diecie w krajach zachodnich wynosi ok. 1–2 mg dla żelaza hemowego i ok. 10–15 mg dla żelaza niehemowego. Wchłanianiu ulega jednak tylko ok. 30% żelaza hemowego i ok. 10% żelaza niehemowego. Około 1–2 mg żelaza wchłania się więc z przewodu pokarmowego i podobna ilość jest eliminowana z moczem, złuszczonym nabłonkiem skóry, nabłonkiem jelitowym i fizjologiczną utratą krwi z przewodu pokarmowego. W okresie wzrostu, miesiączkowania i ciąży zapotrzebowanie na żelazo jest znacznie większe i może być pokryte tylko wzmożonym wchłanianiem jelitowym, gdyż ilość żelaza pochodzącego z makrofagów jest stała niezależnie od zapotrzebowania. Zawartość żelaza w organizmie dorosłego człowieka ocenia się na 3–5 g, z czego ok. 75% przypada na żelazo budujące cząsteczkę hemu. Hem występuje w hemoglobinie i mioglobinie, poza tym we wszystkich komórkach jako składnik enzymów hemowych (enzymy mitochondrialnego łańcucha oddechowego, enzymy cyklu kwasu cytrynowego – cykl Krebsa, enzymy inaktywujące toksyczne postaci O2 oraz biorące udział w syntezie DNA), które odgrywają zasadniczą rolę w procesach życiowych [5]. Drugą dużą pulę żelaza, ok. 10–20%, stanowi żelazo niehemowe magazynowane w postaci ferrytyny w hepatocytach, syderoblastach szpiku kostnego i makrofagach (tzw. żelazo zapasowe). Niewielka ilość żelaza krąży we krwi w postaci transferryny, która transportuje ten biometal do wszystkich tkanek i narządów.

Wchłanianie żelaza

Źródłem żelaza niehemowego są rośliny i mięso, natomiast żelazo hemowe jest tylko w pokarmach mięsnych. Żelazo niehemowe występuje głównie w postaci jonu żelazowego (Fe3+), jednak absorpcji jelitowej może podlegać tylko forma zredukowana (Fe2+). Transport żelaza ze światła jelita do enterocytów dwunastnicy odbywa się poprzez błonę apikalną tych komórek. Tu dochodzi do redukcji jonu żelazowego przy udziale cytochromu b (Dcytb) i białek z rodziny STEAP (six transmembrane epithelial antigen of the prostate proteins) wykazujących aktywność metaloreduktaz. Aktywne w tym procesie są również substancje o potencjale redukcyjnym zawarte w pokarmach, głównie kwas askorbinowy [6–8]. W absorpcję Fe2+ do enterocytów zaangażowany jest transporter błonowy metali dwuwartościowych DMT1 (divalent metal transporter). Żelazo wchłonięte do enterocytów może być magazynowane w postaci ferrytyny (ferrytyna wykazuje właściwości ferrooksydazy, przekształcając Fe2+ do Fe3+) lub uwolnione do krwi po stronie bazolateralnej tych komórek. W procesie tym bierze udział białko transportowe – ferroproteina (FPN1), obecna również w makrofagach. Nadekspresję FPN1 indukuje wysoki poziom żelaza śródkomórkowego, natomiast do supresji doprowadza hepcydyna – białko wytwarzane przez hepatocyty. Zbudowane jest ono z 25 aminokwasów, a syntezę wzmagają niedobór żelaza, nieefektywna erytropoeza, hipo­ksja i stany zapalne [9]. U kobiet przed menopauzą fizjologiczne osoczowe stężenia hepcydyny są niższe niż u kobiet po menopauzie (mediana: 11,4 ng/ml vs 23,7 ng/ml), a u mężczyzn podobne jak u kobiet po menopauzie (21,8 ng/ml). Hepcydyna należy do białek ostrej fazy i jej stężenie koreluje zwykle ze stężeniem białka C-reaktywnego [9]. Aktywność biologiczna hepcydyny wynika z jej zdolności do wiązania ferroportyny. Ferroportyna jest błonowym receptorem dla hepcydyny i wykazuje funkcje komórkowego eksportera żelaza. Wykazano jej obecność w wielu komórkach mających istotny udział w gospodarce żelazem, takich jak enterocyty, makrofagi i syncytiotrofoblasty łożyska. Związanie hepcydyny z ferroportyną prowadzi do jej internalizacji do enterocytów z następczą degradacją w lizosomach komórkowych, do zahamowania eksportu żelaza do krwi i zmniejszenia lub zahamowania absorpcji żelaza przez enterocyty [6]. W trakcie przejścia przez błonę komórkową jon żelazawy ulega utlenieniu do Fe3+ i w tej postaci jest wiązany z białkiem apotransferyną, tworząc transferynę. Synteza tego białka odbywa się w wątrobie, a jego biologiczną funkcją jest transport żelaza z krwią do wszystkich narządów i tkanek. Transferyna odgrywa również ważną rolę w procesach nieswoistej odporności na zakażenia bakteryjne oraz w swoistych reakcjach immunologicznych. Każda cząsteczka transferyny może związać dwa jony żelaza, ale w warunkach fizjologicznych tylko ok. 30–40% jest wysycone żelazem [10]. Transferyna jest łatwo wychwytywana przez komórki za pośrednictwem błonowego receptora transferryny 1 (TfR1). Po przekazaniu żelaza do komórki transferyna jest uwalniana do krwiobiegu w postaci apotransferyny i może być ponownie wykorzystana do wiązania żelaza [6]. W badaniach pochodzących ze Stanów Zjednoczonych stwierdzono, że zwiększony wskaźnik wysycenia transferyny żelazem łączy się ze zwiększoną chorobowością i śmiertelnością bez względu na przyczynę tego zjawiska [11]. W ostatnich latach wykazano, że żelazo niezwiązane z transferyną („wolne żelazo”) również może wnikać do komórek, a bierze w tym udział transporter błonowy ZIP14, jeden z czternastu transporterów rodziny 39 (SLC39/ZIP). Do niedawna ich funkcje wiązano tylko z transportem cynku z przestrzeni zewnątrzkomórkowej do komórki [12]. Wraz ze stwierdzeniem udziału ZIP14 w transporcie żelaza pojawiły się perspektywy nowej terapii hemochromatozy (inhibicja transportera ZIP14). Inhibitorami wchłaniania żelaza niehemowego w jelicie cienkim są niektóre polifenole, szczególnie kwercydyna (wykazuje działanie helatujące), w którą bogate są owoce i jarzyny (jabłka, czerwona i biała cebula, żurawina, czarne jagody, figi i wiele innych). Z kolei epikatechina i kempferol, również w dużej ilości występujące w owocach i jarzynach (m.in. kakao, jabłka, pomidory, jeżyny, wiśnie, czarne winogrona), mogą zwiększać biodostępność żelaza [4]. Żelazo hemowe jest łatwiej absorbowane niż żelazo niehemowe, a w okresach niedoboru biodostępność żelaza hemowego może sięgać 50% [13]. W procesie absorpcji hemu do enterocytów bierze udział swoiste białko – HCP1 (haem carier protein 1). W cytoplazmie enterocytów pod wpływem oksygenazy hemowej uwolniony zostaje jon żelazawy (Fe2+), biliwerdyna i tlenek węgla. Przykładem dobrego wykorzystania wchłaniania żelaza hemowego w praktyce są preparaty farmaceutyczne zawierające tę właśnie postać żelaza [13].

Żelazo w indukowaniu stresu oksydacyjnego

Wolne żelazo jest wysoce toksyczne dla komórek, gdyż wchodząc w reakcję Fentona, prowadzi do powstania bardzo reaktywnego rodnika hydroksylowego (OH.-): H2O2 + Fe+2  Fe+3 + OH. + OH.. Rodnik hydroksylowy i inne reaktywne formy tlenu (RFT) oraz reaktywne formy azotu (RFA) w pewnych granicach stężeń są niezbędne do prawidłowego metabolizmu i funkcjonowania komórek i narządów. Nadmierna akumulacja RFT i RFA prowadzi natomiast do zaburzenia równowagi z systemem antyoksydacyjnym (wyczerpanie mechanizmów przeciwutleniających), co określa się mianem stresu oksydacyjnego. Stres oksydacyjny może powodować uszkodzenia molekuł budujących struktury komórkowe, takie jak białka, lipidy i DNA, co zmienia ich strukturę i funkcję. Ochroną każdej komórki przed cytotoksycznym działaniem wolnego żelaza jest wbudowanie tego biometalu do ferrytyny.

Ferrytyna

Ferrytyna występuje we wszystkich komórkach organizmu, jej funkcją jest magazynowanie żelaza i ochrona przed uszkodzeniem molekuł budujących struktury komórkowe. Jest białkiem globularnym o średnicy 10–12 nm, kształtem przypomina wydrążoną kulę, w której wnętrzu deponowane jest żelazo – stanowi ono mineralny rdzeń ferrytyny. Jedna cząsteczka ferrytyny może wiązać 2000–4500 atomów żelaza. Białkowa część zbudowana jest z 24 podjednostek typu H i L (mogą tworzyć ok. 20 izoform), kodowanych przez odrębne geny i wykazujących różne aktywności biochemiczne [7]. Stosunek podjednostek H do L jest różny w poszczególnych narządach i zależy od funkcji fizjologicznych komórek. Podjednostki H dominują w sercu i nerkach, a wykazując aktywność ferrooksydazy, biorą udział w utlenianiu jonów Fe+2 do Fe+3. Podjednostki L magazynują żelazo w postaci nieaktywnego jonu żelazowego (Fe+3), przede wszystkim w wątrobie i śledzionie, zmniejszając w ten sposób pulę reaktywnego jonu żelazawego (Fe+2). Żelazo komórkowe zdeponowane w ferrytynie nie może być zużytkowane przez komórki bezpośrednio, ale dopiero po uwolnieniu z ferrytyny. Dochodzi do tego zwykle poprzez degradację ferrytyny w lizosomach komórkowych [14, 15]. Ferrytyna obecna w osoczu zbudowana jest głównie z podjednostek L, a więc o małej zawartości żelaza. Wytwarzanie ferrytyny kontrolują dwa białka regulatorowe IRP1 i IRP2 (iron regulatory proteins 1 and 2). Białka te wiążą się do swoistych regionów RNA (iron responsive elements – IREs), m.in. do RNA kodujących ferrytynę i receptor transferyny. Regulacja syntezy ferrytyny jest uzależniona nie tylko od ustrojowej gospodarki żelazem, lecz także od cytokin prozapalnych (TNF-α, IL-1a, IL-6 i kachektyna), które indukują syntezę podjednostki H, a ponadto od hormonów tarczycy i insuliny indukujących syntezę obu podjednostek. W warunkach fizjologicznych surowicze stężenie ferrytyny jest czułym klinicznie wskaźnikiem gospodarki żelazem. Przyjmuje się, że stężenia poniżej 30 µg/l wskazują na niedobór ustrojowego żelaza bez względu na współistnienie anemii czy jej brak. Nie odnosi się to jednak do stanów zapalnych z powodów przedstawionych powyżej. Kliniczne znaczenie hiperferrytynemii W każdym przypadku podwyższonego surowiczego stężenia ferrytyny należy dążyć do określenia przyczyny i ocenić ewentualne ryzyko nadmiernego gromadzenia żelaza w organizmie. Najczęstszymi (ponad 90%) przyczynami hiperferrytynemii są patologie niezwiązane z przeładowaniem organizmu żelazem, mianowicie nadużywanie alkoholu, zespół metaboliczny, stany zapalne i cytoliza [1–3]. W pozostałych przypadkach w pierwszym rzędzie należy brać pod uwagę dziedziczną hemochromatozę, nie wykluczając innych rzadkich przyczyn.

Alkohol

Hiperferrytynemię, zazwyczaj nieprzekraczającą 1000 μg/l, stwierdza się u ok. 40–70% osób przewlekle używających alkoholu. Wysycenie transferyny żelazem jest w tych przypadkach zwykle poniżej 50%, jednak czasem (u ok. 15%) przekracza tę granicę. Alkohol zwiększa syntezę ferrytyny i zmniejsza syntezę hepcydyny. Pomimo zmniejszonej syntezy hepcydyny nie dochodzi do istotnego zwiększenia magazynów żelaza w wątrobie. Pełna abstynencja od alkoholu już po 2 tygodniach prowadzi do zmniejszenia ferrytynemii, czasem jednak dopiero po 6 tygodniach [3, 12].

Zespół metaboliczny

Przyjmuje się, że do rozpoznania zespołu metabolicznego konieczne jest stwierdzenie co najmniej trzech spośród następujących pięciu zaburzeń: otyłość typu centralnego (obwód talii u mężczyzn > 94 cm, u kobiet > 80 cm), stężenie triglicerydów > 150 mg/dl, stężenie HDL < 40 mg/dl u mężczyzn oraz < 50 mg/dl u kobiet, ciśnienie tętnicze ≥ 130/85 mm Hg, glikemia na czczo ≥ 100 mg/dl. Niealkoholowa stłuszczeniowa choroba wątroby (non-alcoholic fatty liver disease – NAFLD) jest uważana za wątrobową manifestację zespołu metabolicznego. Stężenia ferrytyny są często podwyższone, szczególnie w stłuszczeniowym zapaleniu wątroby (non-alcoholic steatohepatitis – NASH), zwykle nie przekraczają 500 µg/l. Jeśli wysycenie transferryny jest większe niż 50%, należy brać pod uwagę współistnienie dziedzicznej hemochromatozy.

Stany zapalne

Ferrytyna jako białko ostrej fazy (jak wspomniano wcześniej, synteza jest indukowana cytokinami prozapalnymi) jest surowiczym markerem ostrych i przewlekłych zapaleń, szczególnie przewlekłych chorób nerek, reumatoidalnego zapalenia stawów i innych chorób o podłożu autoimmunologicznym oraz ostrych zapaleń infekcyjnych [1, 2]. W zakażeniach bakteryjnych ferrytyna zmniejsza dostępność żelaza koniecznego dla życiowych procesów mikroorganizmów [15, 16]. W stanach zapalnych zwykle obserwuje się zmniejszenie zapasów żelaza (z anemią lub bez), mimo to nie dochodzi do hipoferrytynemii, ale odwrotnie – częsta jest hiperferrytynemia. Jest to spowodowane wzmożoną indukcją syntezy ferrytyny i hepcydyny przez cytokiny prozapalne, szczególnie IL-6. Stężenia ferrytyny mieszczą się w dość szerokim zakresie, zwykle w granicach 500–700 µg/l, natomiast wysycenie transferyny jest obniżone. W zapaleniach o podłożu autoimmunologicznym hiperferrytynemia jest mniej nasilona. W ostrych zapaleniach hiperferrytynemia pojawia się już w pierwszej lub drugiej dobie, osiągając szczyt w ósmej. W posocznicy stężenia mogą przekraczać 20 000 µg/l, a nawet 100 000 µg/l. Ekstremalnie wysokie stężenia ferrytyny, przekraczające 100 000 µg/l (nawet do 250 000 µg/l) obserwuje się w chorobie Stilla u dorosłych [2, 17]. Choroba ta jest ostrym układowym procesem zapalnym mediowanym immunologicznie i charakteryzuje się wysoką hektyczną gorączką, bólami stawów i mięśni oraz plamisto-grudkową wysypką skórną pojawiającą się i znikającą na szczycie gorączki. Często pozostaje nierozpoznana, a jej obraz kliniczny określany jest jako „gorączka o nieznanej przyczynie”.

Cytoliza

Cytoliza w przebiegu ostrych i przewlekłych zapaleń wątroby oraz zapaleń mięśni może prowadzić do hiperferrytynemii, czemu towarzyszy wzrost surowiczej aktywności aminotransferaz. W uszkodzeniach wątroby typu hepatocelularnego, w okresie niewydolności metabolicznej tego narządu, można obserwować wzrost wysycenia transferyny żelazem. Nie świadczy to o przeładowaniu organizmu żelazem, gdyż niewydolność metaboliczna wątroby przejawia się m.in. zmniejszoną syntezą transferyny, co prowadzi do obniżenia jej osoczowego poziomu, a tym samym odsetek wysycenia żelazem może być zwiększony. Obserwuje się to szczególnie często w zapaleniach wątroby u chorych ze współistniejącymi mutacjami genów hemo­chromatozy dziedzicznej [2]. Na marginesie tych uwag: z naszych obserwacji wynika, że stosunkowo rzadko wykorzystuje się badanie ferrytynemii w panelu laboratoryjnych badań wątrobowych.

Hemochromatoza dziedziczna

W chorobie tej osoczowe poziomy ferrytyny najczęściej nie przekraczają 5000 µg/l, a wysycenie transferyny żelazem jest większe niż 50%. Hemochromatoza dziedziczna jest najczęściej wynikiem mutacji genu HFE, dziedziczy się autosomalnie, recesywnie. Choroba występuje głównie u homozygot C282Y genu HFE (ok. 80%), rzadziej heterozygot złożonych, u których występują równocześnie dwie mutacje: C282Y i H63D. Inne formy hemochromatozy wrodzonej niezwiązane z genem HFE występują bardzo rzadko: mutacje receptora transferyny typu 2 (TfR2), hepcydyny (HAMP), hemojuweliny (HJV), ferroportyny. Szacuje się, że hemochromatoza wrodzona występuje u ok. 1/200–250 osób rasy kaukaskiej [18]. W wyniku przeładowania tkanek żelazem i stresu oksydacyjnego dochodzi do postępującego włóknienia wątroby i marskości (zwiększone ryzyko pierwotnego raka wątroby), kardiomiopatii z zaburzeniami rytmu serca i zastoinową niewydolnością krążenia, cukrzycy, artropatii, hipogonadyzmu i brązowych przebarwień skóry. U chorych z poziomami ferrytyny powyżej 1000 µg/l, zwiększoną surowiczą aktywnością aminotransferaz i liczbą płytek krwi poniżej 200 000/mm3 w ok. 80% przypadków stwierdza się marskość [18]. Badaniem obrazowym, które może mieć znaczenie diagnostyczne w bardziej zaawansowanych stadiach choroby, jest rezonans magnetyczny wątroby, natomiast w stadiach wcześniejszych wskazana jest biopsja wątroby. Leczenie krwioupustami może być skuteczne, szczególnie gdy zostanie rozpoczęte w okresach poprzedzających znaczny stopień uszkodzenia narządów. Dlatego u wszystkich chorych z cechami uszkodzenia wątroby wskazane jest oznaczanie surowiczego stężenia ferrytyny i wskaźnika wiązania transferyny żelazem.

Rzadkie przypadki hiperferrytynemii

Do rzadkich przyczyn hiperferrytynemi należą: porfiria skórna późna, wrodzony zespół hiperferrytynemia–zaćma (hereditary hyperferritinemia-cataract syndrome), limfohistiocytoza hemofagocytarna (hemophagocytic lymphohistiocytosis – HLH) – do zachorowań dochodzi często pod wpływem zakażenia wirusem Epsteina-Barr [3, 19].

Kliniczne znaczenie hipoferrytynemii

Hipoferrytynemia (u osób dorosłych poniżej 15 µg/l) może być dobrym wskaźnikiem niedoboru żelaza ustrojowego, i to bez względu na istniejącą anemię lub jej brak. Należy jednak pamiętać, że niedobór ustrojowego żelaza nie musi się przejawiać hipoferrytynemią. Ferrytyna jest białkiem ostrej fazy, a więc w stanach zapalnych pomimo niedoboru żelaza i anemii stężenie ferrytyny nie musi być obniżone. Tak dzieje się choćby w przypadkach niedokrwistości chorób przewlekłych, w których stężenie osoczowe ferrytyny jest podwyższone, a stężenie wolnych receptorów transferyny (sTfR) prawidłowe (norma: 2,8–8,5 mg/l). W celu rozpoznania tej postaci niedokrwistości należy wykazać stany przewlekłego zapalenia, takie jak zakażenia, choroby autoimmunologiczne, choroby nerek, nowotwory złośliwe. Jeśli nie można usunąć przyczyny, w leczeniu może mieć zastosowanie erytropoetyna. Niedokrwistość z niedoboru żelaza jest najczęstszą postacią niedokrwistości – osoczowe stężenie ferrytyny jest obniżone, zwiększona jest całkowita zdolność wiązania żelaza przez transferynę [total iron binding capacity – TIBC; norma: 44,8–73,4 µmol/l (250–410 µg/dl)] i podwyższone jest stężenie sTfR. Hipoferrytynemię stwierdza się też w celiakii, niedo­czynności tarczycy i niedoborze witaminy C [20]. Oznaczanie stężenia ferrytyny w osoczu krwi w codziennej praktyce lekarskiej jest zasadne i pomocne, jednak nieprawidłowa interpretacja wyniku może prowadzić do błędów diagnostycznych.