Bruno Nobili

Napoli 5 aprile 2018Ordine dei Medici

Novita’ in tema di metabolismo del ferro

…il ferro non ha la brillantezza dell’oro o il luccichio dell’argento, ma li supera entrambi per importanza biologica …

da Nathan and Oski’s: “Disorders iron metabolism” NC Andrews,CK Ullrich and MD Fleming

Forging a field: the golden age of iron biology

Il ferro è essenziale

� sintesi dell’Eme, gruppo prostetico di:

� - emoglobina e mioglobina �trasporto e accumulo di O2;

� - citocromi e perossidasi �catalisi delle reazioni REDOX

� cluster ferro-zolfo (es. aconitasi) �respirazione cellulare

� sintesi e riparazione del DNA

Il ferro è il quarto elemento più abbondante della crosta terrestre (4,7%).

Tossicità del ferro

�Il ferro, il maggior elemento di transizione in biologia, è potenzialmente tossico per lasua capacità di trasferire un elettrone e catalizzare la produzione di radicali liberi.

Forme chimiche del ferro

Ferrico (3+) : insolubile a pH fisiologico

Ferroso (2+): pericoloso se liberoforma radicali liberi

Fe libero è tossico: deve essere legato a proteine

Il ferro è essenziale

O2- (superossido) e H2O2 (perossido di

idrogeno) si generano nelle normali reazionicellulari. O2

- e H2O2 stress ossidativoprovocano danno cellulare da ferro libero

Il ferro è tossico

Reazione di FentonO2

- + Fe+++ � O2 + Fe++

Fe++ + H2O2 � Fe+++ + OH- + OH

(radicali idrossilici)

ossidazionemorte cellularefibrosi LIBERO

Transferrina e non-transferrin-bound iron(NTBI)

NTBI compare nel plasma quando la TF è quasi completamente saturata (saturazione >60-70 %)Fe entra nelle cellule ed è altamente tossico

ROS

Danno mitocondriale

Perossidazionelipidi

Danno proteico

Lisosomi

Danno DNA

Distribuzione del ferro

ferritina edemosiderinamioglobina.

Hb

enzimi70%

25%

4%

1%�Fe emoglobinico 2500 mg

� Fe di deposito 1000 mg� Fe mioglobinico 130 mg� Fe di trasporto 3 mg� Pool labile 80 mg� Fe di altri tessuti 8 mg8 mg

� dalla quantità e dalla forma del ferrocontenuto negli alimenti

� dalla interazione fra i costituenti la dieta

� dai meccanismi di regolazione della mucosa intestinale

Assorbimento di ferro alimentare

Fattori che influenzano l’assorbimento del ferro

• BIODISPONIBILITA’Eme > Fe2+ > Fe3+

• FACILITANTICarne, pesce, ac. ascorbico, ac. citrico,amminoacidi, acidi organici, carenza di ferro

• INIBENTIFibre vegetali, fitati, proteine della soia, fosfo-proteine dell’uovo, fosfati, tannino, fenoli, sovraccarico di ferro

• COMPETITORIPiombo

Costituenti Effetto Latte materno Latte vaccino Ferro (mg/d l) 0,5 0,5 Caseina (g/d l) - 3,7 25,0 Lattoferrina (g/d l) + 1,7 0,01 Lattosio (g/d l) + 71,0 47,0 Ac.ascorbico (mg/l) + 55,0 11,0 Fosforo (mg/d l) - 140,0 900,0 Calcio (mg/d l) - 270,0 1040,0

Costituenti Effetto Latte materno Latte vaccino Ferro (mg/d l) 0,5 0,5 Caseina (g/d l) - 3,7 25,0 Lattoferrina (g/d l) + 1,7 0,01 Lattosio (g/d l) + 71,0 47,0 Ac.ascorbico (mg/l) + 55,0 11,0 Fosforo (mg/d l) - 140,0 900,0 Calcio (mg/d l) - 270,0 1040,0

ASSORBIMENTO DEL FERRO : DIFFERENZA FRA LATTE MATERNO E LATTE VACCINO

La quantità di ferro alimentare assorbito

�Ferro non eme : 85-90 % ferro alimentare�Ferro non eme : 35-40 % ferro assorbito

�Ferro eminico : 10-15 % ferro alimentare�Ferro eminico : 60-65 % ferro assorbito

IRON ECONOMY

Compartimenti del ferro: ricambio

4/5 gr di ferro(~10 anni )

1/2 mg/die

Iron balance

Body Iron 4 - 5 g

Losses

1-2 mg/day

Acquisition

1-2 mg/day

Regulated

In duodenum

Non-regulated

Cell defoliationBody fluids

Blood losses

Assorbimento del ferro

A - REGOLAZIONE LOCALE

HIF2a Transcription factor involved in the induction of oxygen regulated genes.Ipossia� trascrizione di Tfr e Tfr-R per aumentata eritropoiesi

� IRP1

� IRP2

DMT1

DcytB

DMT1 (3’UTR)

FPN (5’UTR)

TfR (3’UTR)

∆-ALA (5’UTR)

Ferritina (5’UTR)

B - REGOLAZIONE SISTEMICA: EPCIDINA

Novità in tema di metabolismo del ferro

� Epcidina

� Eritroferrone (ERFE)

� Ormone peptidico prodotto dal fegato che regola l’omeostasi del ferro

� Costituita da una proteina di 25 aminoacidi ottenuta mediante il clivaggio di un grosso precursore, la proepcidina

� Proteina della fase acuta � Aumenta in corso di infiammazione� Proprietà anti-batteriche

Hepcidin: Hepatic bactericid al protein

L’epcidina è espressione anche della stretta connessione tra:

Il metabolismo del ferro e la difesa dai patogeni

I batteri hanno bisogno di ferro per le loro ribonucleotidi reduttasi(DNA synthesis)

L’ospite ha bisogno di ferro per il funzionamento di enzimi anti-batterici

(Nitric oxide synthase ed altri)

I batteri e l’ospite competono per il ferro libero

Bersaglio cellulare: enterocita, macrofago

Bersaglio molecolare: ferroportina

macrofago

enterocita

FEGATO

epcidina

� ferroportina

� ferroportina

L’Epcidina è il principale regolatore dell’omeostasi del ferro

FPN FPN

Epcidina

Enterocita Macrofago

Fe

Epcidina regola il rilascio di Fe dall’enterocita e dal macrofago in modoinibitorio. Tale effetto si esercita attraverso il legame con il suo recettore[ferroportina] e la sua degradazione intracellulare, riducendone la suafunzione di esportatore di ferro.

Macrophage

FPN

Ferritin

Recettore della transferrina

Endocitosi della transferrina

DMT1

DMT1

La produzione di epcidina è regolata dalla attività eritropoietica e dai depositi di ferro

Midollo eritroide EpatocitaMacrofag o

Enterocita

Ridotti

Fabbisogno di ferro

Depositi di ferro

rilascio di ferroepcidina

Basso Aumentati

epcidinarilascio di ferro

Alto

IPOSSIA

Regulation of hepcidin in infection/inflammation

The aim is to subtract iron (a growth factor) to themicroorganisms

Novità in tema di metabolismo del ferro

� Epcidina

� Eritroferrone (ERFE) (confermato solo su modello murino)

Regolatore eritroide dell’epcidina responsivo all’EPO. EPO aumenta il rilascio dagli eritroblasti di ERFE che agisce riducendo la produzione

di epcidina, favorendo l’assorbimento del ferro ed il rilascio dai tessuti

EPO ERFEEpcidina

Aumento della disponibilità di Fe

Epatocita

Eritroferrone

• Topi trattati con EPO o salassi stimolazione eritropoiesi

Epcidina 9-12 h

� Nei profili di espressione degli eritroblasti midollari è stato individuato un trascritto eritroide intensamente espresso prima della riduzione dell’epcidina

� Fra i trascritti è stata individuata una proteina (ERFE) immessa in circolo e destinata al fegato correlata alla famiglia di TNF-alfa.

Kautz L. et al Blood 2014

Assorbimento del ferro nel I° anno di vita

� A differenza dell’adulto, nel neonato e nel lattante il trasporto del Fe livello dell’enterocita è regolato dalla lattoferrina (LfR), e non tramite DMT1

� LfR� LfR sull’enterocita viene legata e internalizzata con il Fe ad essa

legato� la regolazione negativa dell’epcidina non è presente alla nascita (9

mesi)

Nei lattanti non sideropenici la supplementazione in ferro comporta un aumento dell’Hb dovuto

all’aumentato assorbimento di Fe non inibito dall’epcidina; lo stesso non avviene dopo i 9 mesi.

Anemie microcitiche correlate al metabolismo del ferro

�Anemia sideropenicaGenetica IRIDA (mutazioni di TMPRSS6)

Acquisita aumentato fabbisogno

ridotto apporto con la dieta

malassorbimento

perdita cronica

�Difetti genetici del trasporto e dell’utilizzo del ferroDeficit di DMT1Ipo-atransferrinemiaAnemie sideroblastiche congenite (ALAS2,ABCB7,….)

�Difetti nel riciclo del ferroGenetici Aceruloplasminemia ( mutazioni di Cp)

Acquisiti Anemia dei disordini cronici

Difetti dell’assorbimento del ferroIRIDA - OMIM #206200

� Iron refractory iron deficiency anemia:

� Disordine autosomico recessivo dovuto a mutazionidi TMPRSS6 (matriptase-2)

� Modesta anemia fin dall’età pediatica, mcrocitosi ++

� Diminuzione della sideremia e dell’ I.S.

� Normale feritina sierica

� Livelli inappropriatamente alti di epcidina

� Refrattarietà alla terapia marziale per os e ev

Hepcidin activation in IRIDA: molecularmechanism

↓HEPC

SMADs

BMP

BMPR

m-HJV

TMPRSS6

↑ serum iron↑HEPC

SMADs

BMP

BMPR

m-HJV

TMPRSS6

↓ serum iron

IRIDAIDA

TMPRSS6 codifica per

matriptasi-2 che funge da

inibitore dell’epcidina

Come diagnosticare IRIDA

� Anemia microcitica fin dai primi mesi di vita

� Modesta anemia (più grave in età pediatrica per aumentato

fabbisogno )

� Familiarità (autosomica recessiva)

� Discrepanza fra ferritina e saturazione della transferrina

� Esclusione sindromi da malassorbimento (celiachia..)

� Epcidina normale o aumentata in presenza di IDA

� Refrattarietà al ferro per os (controllo della dose, tipo di

ferro,compliance) e parziale refrattarietà al ferro e.v.

� Individuazione del TMPRSS6 gene

Anemia da disordine cronico

�Anemia associata ad uno stato di flogosi cronica conattivazione del sistema reticoloistiocitario e linfocitario,sintesi di proteine della fase acuta, disregolazione delpool del ferro ed alterata risposta all’eritropoietina:

� Omeostasi del ferro

� Proliferazione dei progenitori eritroidi

� Produzione di Epo

� Emivita dei GR

Citochine infiammatorie

�1) Citochine immunoregolatorie coinvolte nello sviluppo enell’attivazione dei linfociti e monociti (IL-2, IL-4, IL-10, IFNα,TGFα)

�2) Citochine prodotte dai monociti/macrofagi ad azione pro-infiammatoria (IL-1, TNFα, IL-6) ed infiammatoria (IL-8)

�3) Citochine-fattori di crescita (IL-3, IL-5, IL-7, GM-CSF, G-CSF)

Fisiopatologia dell’ anemia nelle

infiammazioni croniche

�1) L’infiammazione aumenta i livelli di epcidina

�2) L’epcidina riduce la mobilizzazione di ferro dai macrofagi e dagli enterociti

�3) Il ferro è trattenuto nell’enterocita e nel sistema reticolo-endoteliale

Fisiopatologia infiammazione cronica

�Eccessiva produzione citochine infiammatorie (IL-1, TNFα, IL-6): metabolismo del ferro (epcidina):

�Accumulo di ferro nelle cellule del reticolo endotelio ( sideremia , ferritina , assorbimento intestinale )

�Inibizione Epo ed eritropoiesi.

�G-CSF stimola mielopoiesi: leucocitosi neutrofila�Iperproduzione IL-6 fattore di crescita e

differenziazione magacariocitaria: piastrinosi

Precursori eritroidi

IL-1

IFN-γTNF

Epo Eritroferrone

Diagnosi differenzialeAnemia da

disordine cronicoAnemia

sideropenica

Ferro

Transferrina

I.S.

Ferritina =

sTfR =

Citochine =

=

Stato marziale e …….

AdDC Anemia sideropenica

AdDC +An. Sider.

Sideremia

TransferrinemiaN

I.S. Transferrina

FerritinaN

sTfR N N

sTfR/log Fer.

Hypoferraemia in obese adolescents

Wenzwl BJ, Stultus HB, Mayer J.

Lancet. 1962;2:327-8

Serum iron and iron-binding capacity in adolescents . Comparison of obese and non obese subjects

Seltzer CC, Mayer J.

Am J Clin Nutr. 1963;13:354-61

Carenza marziale negli obesi

Già agli inizi degli anni ’60 alcuni studi epidemiologici

avevano messo in luce una più alta incidenza di carenza

marziale nei bambini e negli adolescenti obesi

Carenza marziale negli obesi - Le cause

Zimmerman Mb et al (2008) Miraglia Del Giudice E. et al. (2009)

Adipocita IL-6

EPCIDINA

Responsabile di iposideremia e/o IDA dovuta all’inibizione

dell’assorbimento intestinale di ferro e all’aumentato sequestro

dello stesso da parte dei macrofagi

Serum Hepcidin and Iron Absorption inPaediatric Inflammatory Bowel Disease

Martinelli M, Strisciuglio C, Alessandrella A, Rossi F, Auricchio R, Campostrini N, Girelli D, Nobili B, Staiano A, Perrotta S, Miele E. J Crohns Colitis. 2016 May;10(5):566-74

The DMT1 IVS4+44C>A polymorphism and therisk of iron deficiency anemia in children with celiac disease

Tolone C, Bellini G, Punzo F, Papparella A, Miele E, Vitale A, Nobili B, Strisciuglio C, Rossi F. PLoS One. 2017 Oct12;12(10):e0185822

Hereditary hypochromic microcytic anemia associated with

loss-of function DMT1 gene mutations and absence of liver

iron overload

Casale M, Borriello A, Scianguetta S, Roberti D, Caiazza M, Bencivenga D, Tartaglione I, Ladogana S, Maruzzi M, Della Ragione F, Nobili B, Perrotta

S. Am J Hematol. 2018;93:E58–E82.

Miraglia Del Giudice E. et al. J Clin Endocrinol Metab 2009.

Hepcidin in obese children as a potential mediator of the associationbetween obesity and iron deficiency

…il ferro non ha la brillantezza dell’oro o il luccichio dell’argento, ma li supera entrambi per importanza biologica …(nathan and oski’s)

These rocks don’t lose

their shape.

Diamonds are a girl's

best friends