Феритин як
маркер залізодефіцитної анемії та пухлинний маркер
Андреев Г. И.
магістр техніки і технології, випускник (2003 р.) СПбГПУ, факультет медичної
фізики та біоінженерії, кафедра фізико-хімічних основ медицини.
залізодефіцитною анемією (ЗДА) і прихованими формами дефіциту заліза
страждає 50-80% населення Росії. Визначення концентрації феритину в
сироватці крові дозволяє ефективно диференціювати ЗДА від інших типів
анемій. Високі концентрації феритину характерні для запальних і
інфекційних процесів, деяких онкологічних захворювань.
У статті описані структура та функції феритину, його роль у метаболізмі
заліза, характерні для різних станів зміни його концентрації в крові,
дано порівняльний аналіз характеристик ІФА-наборів зарубіжних виробників і
першої російської тест-системи.
Ferritin as a marker of iron-deficiency anemia and
oncomarker.
Andreev G. I. ([email protected]), magister of technology
(2003), Saint Petersburg State Polytechnic University.
Key words: iron
metabolism, ferritin, iron-deficiency anemia, oncomarkers, enzyme immunoassay.
There are 50-80% of population of
Russia are suffering from iron-deficiency (IDA) and latent forms of iron
deficiency. Determination of ferritin concentration in serum allows to
differentiate efficiently IDA from other forms of anemia. High ferritin levels
may be associated with inflammation and infectious diseases, certain
malignancies.
The article describes structure and
functions of ferritin, its role in iron metabolism, changes of its serum
concentration, corresponding to different physiological states. The comparison
of characteristics of the first Russian EIA kit and some foreign ones is given.
Вступ
Іони заліза
виконують в організмі людини дуже важливу функцію. Вони входять до складу
білків, що здійснюють перенесення кисню, цитохромів і железосеропротеінов,
залізовмісних ферментів. Тому недолік заліза в організмі призводить до
багатьох негативних наслідків. Одним з них є розвиток залізодефіцитної
анемії (ЗДА). Згідно з даними ВООЗ, від прихованого дефіциту заліза та ЗДА страждає
близько однієї третини населення планети. У деяких регіонах Росії цей
показник сягає 70-80%. Прояви цього захворювання різноманітні і
іноді призводять до тяжких наслідків.
Надмірне
вміст заліза в організмі також небезпечно. Воно призводить до розвитку токсикозів,
патологічного підвищення рівня активних форм кисню.
Внаслідок цього
важливо мати інтегральний показник оцінки вмісту заліза в організмі.
Високоінформативних маркером, що характеризують метаболізм заліза, є
феритин.
Для визначення
змісту феритину в сироватці крові використовуються іммунометріческіе методи. У
зв'язку з полівалентність даного антигену можна створити специфічні і
високочутливі системи визначення його концентрації. У Росії в даний
час визначення феритину в лабораторній практиці поширено дуже слабко.
Це пояснюється недостатньою поінформованістю населення та медичного
персоналу про діагностичної значущості даного показника, а також порівняно
високою вартістю проведення аналізу за допомогою наборів реагентів зарубіжних
виробників. Перша в нашій країні імуноферментна система для визначення
концентрації феритину в сироватці крові людини, заснована на застосуванні
моноклональних антитіл, розробляється в аналітичній лабораторії ЗАТ "Алкор Біо". Для
успішного застосування в лабораторній практиці створюваний продукт повинен
задовольняти всім вимогам до його якості, не поступатися з аналітичним
характеристиками зарубіжним аналогам, а також мати вартістю,
що забезпечує можливість проведення регулярних скринінгових обстежень.
1. Актуальність проблеми
Феритин --
розчинний у воді комплекс гідроксіфосфата заліза з білком апоферрітіном.
Найбільша його кількість знаходиться в клітинах печінки, селезінки, кісткового мозку
і ретикулоцитах, де найбільш інтенсивно проходять процеси синтезу, дозрівання
і деградації еритроцитів і феритин активно бере участь у метаболізмі та
перерозподіл заліза в організмі.
Здатність
синтезувати феритин з'явилася у клітин на ранніх етапах еволюції.
Характерні аналоги феритину знайдені у грибів, бактерій, рослин. У тварин
феритин виявлений у тканинах аннелідових черв'яків, молюсків, комах, риб,
амфібій і ссавців [1, 2, 3]. У хребетних захист від токсичного ефекту
заліза і активних форм кисню здійснюється двома железосвязивающімі
білками: позаклітинними трансферинами і внутрішньоклітинними феритину. Обидва
зберігають залізо в безпечній окисленої формі Fe (III), яка не каталізує
продукцію вільних радикалів. Феритин містить 15-20% загальної кількості
заліза в організмі.
Концентрація
феритину в сироватці крові дозволяє оцінити загальні запаси заліза в організмі
[4]. У здорових людей вміст феритину в плазмі крові становить 20-350
нг/мл. Падіння концентрації нижче 10 нг/мл свідчить про розвиток
залізодефіцитної анемії, у той час як при надмірному накопиченні заліза
концентрація феритину може зростати до декількох тисяч нг/мл.
Залізодефіцитна
анемія є найпоширенішим анемічних синдромом і становить
приблизно 80% захворюваності всіма видами анемій. Її поширеність
визначається фізіологічними, патологічними, екологічними і соціальними
чинниками. Припускають, що в світі страждає залізодефіцитною анемією близько 1,8
мільярда чоловік (ВООЗ, 1998). Згідно з даними ВООЗ (1992), дефіцит заліза
визначається як мінімум у 20-25% усіх немовлят, у 43% дітей у віці до 4
років і 37% дітей від 5 до 12 років. Навіть у розвинених країнах ці цифри не нижче 12%
у дітей до 4 років і 7% дітей у віці від 5 до 12 років [5].
Через
фізіологічних щомісячних крововтрат і виношування дітей більш ніж у 51%
жінок дітородного віку в усьому світі виявляється брак заліза аж
до відсутності його запасів. Дефіцит заліза в III триместрі вагітності
виявляється майже у 90% жінок і зберігається після пологів та лактації у 55% з
них [5].
У Росії
частота залізодефіцитної анемії наближається до показника країн третього світу.
У деяких регіонах Росії (Північ, Східний Сибір, Північний Кавказ) прихований
дефіцит заліза виявляється у 70-80% жителів. Це пов'язано і з несприятливою
екологічною обстановкою, і з нераціональним харчуванням, викликаним зниженням
рівня життя.
Негативні
прояви даного захворювання різноманітні і важко переносимість. Це синдром
хронічної втоми, раптова втрата свідомості, порушення менструального
циклу, дизуричні розлади, перекручення смакових відчуттів, порушення
психіки. ЗДА є обтяжливим фактором при захворюваннях серцево-судинної
і травної систем. У дітей анемії часто є причиною уповільнення
розумового та фізичного розвитку, зниження успішності. Дорослі страждають від
м'язової слабкості, тривалої ремісії після перенесених інфекцій, що
призводить до економічних втрат. Удавана дивина, несерйозність симптомів
(сонливість, швидка стомлюваність) змушують людей довгий час не звертатися
до лікаря з чіткими скаргами, а пристосовуватися до хвороби. Патологія ж
прогресує і в підсумку може призвести до серйозних, часом незворотних
порушень функцій організму. Так, анемії є частою причиною
внутрішньоутробної смерті плода, низької ваги новонароджених, вони спричиняються до
20% материнських смертей [6].
В даний
час загальноприйнята, що діагноз залізодефіцитних станів треба ставити до
розвитку повної картини захворювання, тобто до виникнення гіпохромною анемії.
При дефіциті заліза страждає весь організм, а гіпохромна анемія - це пізня
стадія хвороби.
У 1983 р. П. М.
Альперін і Ю. Г. Митерев запропонували нову класифікацію форм залізодефіцитної
анемії, яка в повній мірі відображає всі основні етіологічні фактори,
що приводять її до розвитку. Вони виділяють:
постгеморрагіческіе
анемії;
нутритивного
(аліментарні) анемії;
анемії при
підвищеній витраті заліза в організмі (наприклад, при вагітності, лактації,
рості і дозріванні);
залізодефіцитні
анемії при початково недостатньому рівні заліза;
залізодефіцитні
анемії при його недостатню резорбції (наприклад, постгастрорезекціонние,
агастральние, анентеральние);
при
перерозподіл заліза в результаті інфекції, при запальних і пухлинних
процесах;
при порушенні
транспорту заліза (наприклад, гіпотрансферрінеміческіе і атрансферрінеміческіе).
Регулярний
визначення феритину використовується для відстеження швидкого виснаження запасів
заліза під час вагітності, у донорів крові та у пацієнтів, які регулярно
що піддаються гемодіалізу. Воно також має цінність для діагностики
гемохроматоз, при моніторингу пацієнтів, які регулярно піддаються
переливання крові або железозаместітельной терапії і становлять групу ризику по
акумулювання надлишкових запасів заліза. Концентрація феритину може
підвищуватися за деяких гострих і хронічних захворюваннях печінки, при
голодуванні й виснаженні, наявності запальних процесів, інфаркті міокарда.
Можна використовувати визначення феритину для діагностики і моніторингу
онкологічних захворювань.
До сучасних
методів ранньої діагностики залізодефіцитних станів (гіпосідероза) відносяться
визначення концентрації заліза в сироватці, загальної железосвязивающей
здатності сироватки (ОЖСС), трансферрина і феритину в сироватці. Показники
метаболізму заліза при різних видах анемій представлені в табл. 1.
Таблиця 1.
Показники
обміну заліза в нормі і при різних видах анемій (Авцин А. П., 1990).
Показники метаболізму заліза
Норма
Залізодефіцитна анемія
Інфекційна, пухлинна анемія
Порушення синтезу гема і глобіну
Залізо сироватки, мкг/дл:
- чоловіки
50-160
<50
<50
> 180
- жінки
40-150
<40
<40
> 170
ОЖСС, мкг/дл
250-400
> 400
180
200
Коефіцієнт насичення трансферину,%
15-54
<15
<15
> 60
Феритин, нг/мл
20-350
<10-12
> 350
360-1000
Надмірне
вміст заліза в організмі називають сідерозом або гіперсідерозом.
У 1971 р. Dagg
e. a. запропонували клінічну класифікацію гіперсідерозов. Розрізняють наступні
форми гіперсідероза:
паренхіматозні
форми (з переважним відкладенням заліза в клітинах паренхіми печінки). До них
належать: первинний спадковий гемохроматоз, сідероз при деяких видах
цирозу печінки, вторинний сідероз при портокавальном анастомозі, сідероз при
вродженої атрансферрінеміі;
"ретикулоендотеліальної"
форми, до яких відносяться: генералізовані відкладення заліза при хронічних
рефрактерних (до специфічного лікування) анемія, гемолітична анемія,
багаторазових гемотрансфузіях, при надмірному парентеральному введенні заліза,
сідерозе банту;
локальні
форми: ідіопатичний гемосидероз легень, легенево-нирковий синдром Гудпасчера і
гемосидероз ниркового походження при нічній пароксизмальної гемоглобинурии.
При цих
патологічних станах концентрація феритину в плазмі крові підвищена
внаслідок порушення балансу обміну заліза.
У той час як
виснаження запасів заліза в організмі є єдиною причиною зниження
рівня сироваткового феритину, підвищення рівня феритину спостерігається не
тільки при надлишку запасів заліза, але також у деяких інших ситуаціях.
Визначення
феритину можна використовувати для діагностики та моніторингу ряду онкологічних
захворювань. Цінність визначення феритину як онкомаркер підтверджують багато
дослідження [7, 8].
Високі
концентрації феритину виявляються в сироватці пацієнтів з карциномою
підшлункової залози, рак легенів, гепатомой і нейробластоми, гострим
мієлобластним і лімфобластний лейкоз, лімфогранулематозом (хвороби
Ходжкіна). Концентрація сироваткового феритину звичайно підвищена при
метастазуючому раку молочної залози. При онкологічних захворюваннях
концентрація феритину в крові підвищена як внаслідок його активної секреції,
так і за рахунок підвищеного розпаду клітин і вивільнення цитоплазматичного
феритину, наприклад, при хіміотерапії. Після успішного лікування концентрація
феритину в сироватці крові знижується.
Концентрація
феритину може також підвищуватися при деяких гострих і хронічних
захворюваннях печінки (наприклад, алкогольне ураження, гепатит), при голодуванні і
виснаженні, запальних захворюваннях (легеневі інфекції, остеомієліт,
хронічні інфекції сечових шляхів, ревматоїдний артрит, системний червоний
вовчак, опікова хвороба), інфаркті міокарда [8, 9]. У цих випадках основна
причиною збільшення вмісту феритину в крові є некроз клітин і вивільнення
внутрішньоклітинної фракції.
Визначення
феритину в клінічній практиці дозволяє поліпшити діагностику порушень
метаболізму заліза. Безперечними перевагами методу є також мала
інвазивних і простота виконання. Однак правильна інтерпретація результатів
вимагає ясного розуміння як процесів метаболізму заліза, так і обліку інших
що впливають на рівень сироваткового феритину факторів, наприклад ураження печінки
або запальних процесів.
В даний
час багато закордонні виробники пропонують набори реагентів для
імуноферментного визначення вмісту феритину в сироватці, однак вони
дуже мало поширені в Росії внаслідок високої вартості та недостатньої
інформованості як медиків, так і населення про діагностичної значущості
даного показника. Таким чином, необхідність розробки вітчизняної
тест-системи для визначення концентрації феритину в крові людини очевидна.
2. Метаболізм заліза в організмі людини
Загальна
вміст заліза в організмі здорової дорослої людини становить 3-5 г (у
жінок часто менше). 70% від цієї кількості входить до складу гемоглобіну і
15-25% - феритину і гемосидерину. Решта припадає на м'язовий
міоглобін (8%), цитохроми і железосеропротеіни, що виконують функцію транспорту
електронів в мітохондріях, і залізовмісні ферменти (оксидази,
супероксиддисмутази, каталази) [10].
За добу в
організм з їжею надходить 1-2 мг заліза. Найбільш інтенсивне всмоктування
здійснюється в 12-палої і порожній кишці та відсутня в клубової.
Засвоюваність заліза обмежена і визначається багатьма факторами, наприклад,
складом їжі, станом шлунково-кишкового тракту. Всмоктування і транспорт
заліза до клітин здійснюють трансферрина - білки бета-глобуліновой фракції,
синтезуються печінкою. Розрізняють дві форми трансферину. Мукозная трансферрина
секретується з жовчю в кишечник, де окисляє і пов'язує одна або два атоми
заліза і проникає в ентероціт. На базальної стороні клітини він віддає залізо
феритину або своєму аналогу - плазматичної трансферрина.
Плазматичний
трансферрина, "навантажений" залізом, розноситься з током крові по
організму. При взаємодії трансферрина зі своїм специфічним рецептором на
поверхні клітинних мембран утворюється ендоцітозная вакуолю, всередині неї
відбувається зміна рН, і залізо, змінюючи ступінь окислення +3 на 2,
звільняється від трансферрина. Білок знову повертається в кровоносне русло, а
залізо негайно зв'язується низькомолекулярними хелаторамі, такими як цитрат
або аскорбінова кислота. Після цього залізо може бути використано для
синтезу гемоглобіну і залізовмісних ферментів або укладено для зберігання в
феритин.
В організмі
людини відбувається постійне перерозподіл заліза.
В
кількісному відношенні найбільше значення має метаболічний цикл (1):
плазма - »червоний кістковий мозок -» еритроцити - »плазма. Крім того,
функціонують цикли (2): плазма - »феритин, гемосидерину -» плазма і (3):
плазма - »міоглобін, залізовмісні ферменти -» плазма. Всі ці три цикли
взаємопов'язані через плазматичний трансферрина. Одноразово він пов'язує лише
3 мг заліза, але щоденний обмін заліза через нього в 10 разів більше.
Трансферрина, таким чином, відіграє центральну роль у "вирі"
заліза в організмі.
Можливість
видільної системи людини екскретуватися залізо з організму обмежена. У
день втрачається близько 1 мг заліза, в основному шляхом злущування слизової оболонки
кишечнику і з жовчю. Приблизно 0,1 мг виводиться?? сечею, потім, волоссям і
нігтями. Втрата 15-30 мл крові веде до втрати 7,5-15 мг заліза. Для зберігання
невиведенного надлишку заліза його необхідно конвертувати в зручну форму.
Вільні іони
заліза можуть утворюватися в клітці при перенесенні між трансферину і
низькомолекулярними хелаторамі, феритину і хелаторамі, хелаторамі і
мітохондріями, при деградації феритину в лізосомах, при надмірному накопиченні
гемосидерину. Непов'язане залізо разом з супероксид-радикалом, який
відновлює Fe (III) (рівняння 1), і перекисом водню, що утворюється в
ході реакції Фентона (рівняння 2), постачають високо реакційноздатні
гідроксильні радикали. Сумою цих двох реакцій є так звана
реакція Габера-Вейса (рівняння 3). Fe (III), що виходять при реакції Фентона
(рівняння 2), також може бути відновлено аскорбат, що веде до
подальшої продукції радикалів.
Він володіє
високою активністю гідроксильний радикал викликає перекисне окислення
ліпідів, розриви ниток ДНК і деградацію інших біомолекул. З його дією
зараз пов'язують розвиток нейродегенеративних і пухлинних захворювань [11].
Таким чином,
іони заліза постійно знаходяться в пов'язаної формі. Головні органи, які виконують
функцію зберігання заліза, - це печінка, яка містить близько 700 мг заліза,
селезінка і кістковий мозок. М'язи також важливі з-за їх великої маси, хоча
реальна концентрація зберігається в них заліза низька - 40 мг/кг.
3. Структура і функція молекули феритину.
Молекула
феритину утворена Н-і L-типами субодиниць (Н - heavy і L - light),
кодованих різними генами. Людини має близько 16 копій Н-гена і близько 5 копій
L-гена, локалізованих на різних хромосомах. Однак більшість з них
є безінтроннимі псевдогенамі. Функціонально активні Н-і L-гени
людини розташовуються в 12-13 сегменті довгого плеча 11 хромосоми та 13
сегменті довгого плеча 19 хромосоми відповідно. Ген L-ланцюга складається з 878
пар азотистих основ, Н-ланцюги - з 801 пари. Відома структура Н-і L-генів
людини. Всі вони містять три інтрони різної довжини. 5'-фланкуючі області
генів Н-та L-ланцюгів не мають схожості, тоді як серед гомологічних ланцюгів
різних видів зберігається високий ступінь консервативності [12, 13, 14].
У людини
амінокислотні послідовності Н і L ідентичні на 54%. Аспартат, глутамат і
їх аміди складають близько 25% амінокислотних залишків, лізин та аргінін --
11-13%. Високо зміст лейцину, але мало зміст ізолейцин. У
ссавців значно варіює зміст серину, проліну, гліцину,
лейцину, тирозину, фенілаланіну і аргініну. Поліпептидна ланцюг Н-типу людини
складається з 183 амінокислотних залишків, її молекулярна маса 21 кДа.
Молекулярна маса L-субодиниці, що складається з 175 амінокислот, близько 19 кДа.
Вторинна
структура субодиниць майже на 70% представлена альфа-спіралями.
Третинна
структура субодиниць тварин і рослин набагато більш консервативна, ніж їх
первинна послідовність [15]. Кожна субодиниця утворена пучком з
чотирьох довгих спіралей, розташованих паралельно, п'ятий короткої спіралі,
перетинає вісь субодиниці приблизно під кутом 60
