20.05.2022

Нарушение обмена железа — универсальный патогенетический фактор в поражении органов и систем при COVID-19

В настоящем исследовании использованы контент-анализ имеющихся научных публикаций и собственные наблюдения за особенностями клинической картины и лабораторных параметров у пациентов с тяжелым течением COVID-19, имевших гиперферритинемию в период наибольших проявлений заболевания

АД    — артериальное давление

ГФ    — гиперферритинемия

ИВЛ — искусственная вентиляция легких

ИЛ — интерлейкин

ИФА — иммуноферментный анализ

КОС — кислотно-основное состояние

ОРИТ — отделение реанимации и интенсивной терапии

BE — избыток оснований



MCV    — средний объем одного эритроцита

NTBI    — (non transferrin bound iron) — не связанное с трансферрином железо

SARS-CoV-2 — (Severe acute respiratory syndrome-related coronavirus 2) — представитель семейства коронавирусов

ВВЕДЕНИЕ

Успешность лечения любого заболевания определяется полнотой понимания всей цепи патологического процесса. Появившиеся в последнее время научные публикации указывают на вероятную связь тяжелого течения COVID-19 с нарушением метаболизма эндогенного железа. О высоком уровне сывороточного ферритина, физиологической функцией которого является депонирование (секвестрация) железа в тканях, было сообщено уже в первых публикациях, посвященных тяжелому течению COVID-19 [1]. G. Bolondi et al. помимо гиперферритинемии (ГФ) указали еще на ряд важных признаков, свидетельствующих об изменении обмена железа у тяжелых больных с COVID-19 — низкий уровень сывороточного железа, трансферрина и снижение насыщения трансферрина железом [2]. В других исследованиях было отмечено, что пациенты с тяжелой гипоксемией имеют значительно более низкий уровень сывороточного железа, а степень тяжести заболевания и летальность при COVID-19 тесно коррелируют с уровнем сывороточного железа [3, 4]. Также было установлено, что повышенные концентрации ферритина и гепсидина в сыворотке крови больных связаны с тяжестью COVID-19 [5]. Физиологическая роль гепсидина состоит в ингибировании экспорта железа из клеток в кровь, а синтез его индуцируется железом и цитокинами [6, 7].

Рассматривается несколько патофизиологических гипотез влияния SARS-CoV-2 на метаболизм железа. Одной из первых была гипотеза о вирус-индуциро-ванной гемоглобинопатии, вызванной вытеснением железа из молекулы гема, что приводит к нарушению кислородтранспортной функции крови и объясняет выраженную гипоксию у больных [8]. Позже выдвинута теория о гепсидиноподобном действии SARS-CoV-2, основанная на отдаленном сходстве аминокислотных последовательностей между белком шипа коронави-руса и гепсидином человека [9]. Гепсидиноподобное действие вируса может провоцировать нарушение метаболизма железа и приводить к гиперферритине-мии.

В последнее время обсуждается роль трансферрина в развитии заболевания, в частности, его участие в коа-гулопатии, связанной с COVID-19 [10]. Трансферрин — это белок-носитель железа, который циркулирует в крови и доставляет железо в клетки посредством рецепторно-опосредованного эндоцитоза [11]. Важно отметить, что сродство железа к трансферрину очень высокое (1023 M"1 при pH 7,4), но оно прогрессивно снижается с понижением pH среды. Установлено, что трансферрин усиливает ферментативную активность тромбина и ХПя фактора и блокирует инактивирующее действие антитромбина, оказывая прокоагулянт-ное действие [12]. Этот момент важен, так как в настоящее время тяжесть заболевания COVID-19 связывают с тромбообразованием, механизмы которого пока до конца не известны. Хотя трансферрин не был включен в список белков, взаимодействующих с SARS-CoV-2, исследование его роли в патогенезе заболевания представляется целесообразным [13].

Особого внимания заслуживает изучение участия свободного железа в патогенезе COVID-19. Известно, что связывание (нейтрализация) свободного железа снижает выработку интерлейкина-6 (ИЛ-6) и уменьшает проявления синдрома воспалительной реакции [14]. Свободное железо характеризуется высокой реакционной способностью и потенциально высокой токсичностью за счет образования активных форм кислорода [15]. Этот механизм может играть определенную роль при повреждении легких за счет высокой активности в них свободно-радикальных процессов. В норме защита легких от токсического действия железа обеспечивается многоуровневой системой, в которую входят транс-феррин, лактоферрин, ферритин, белок-транспортер железа в макрофагах (Natural resistance-associated acrophage protein1 — Nramp1), ферропортин. Нарушение целостности этой защиты вызывает тяжелое воспалительное повреждение легких [16]. Также железо оказывает многофакторное повреждающее действие на сердечно-сосудистую систему. Установлено, что свободное железо способствует усилению экспрессии молекул клеточной адгезии (Vascular Cell Adhesion Molecule 1 — VCAM-1, CD106) в эндотелиальных клетках, что провоцирует дисфункцию микроциркуляторного сосудистого русла [17]. Железо может играть одну из ведущих ролей в гиперкоагуляции, обнаруживаемой у пациентов с тяжелой формой COVID-19. Согласно концепции B. Lipinski (2013), свободное железо крови генерирует гидроксильные радикалы, превращающие циркулирующий фибриноген в нерастворимый фибриноподобный материал (или парафибрин), который полностью устойчив к ферментативному протеолизу. Парафибрин привлекает макрофаги, способствуя формированию воспалительного процесса [18]. Анализ многочисленных данных показал, что железо является фундаментальным фактором многих аспектов патологического тромбоза [19]. В эксперименте железо (Fe2+) дозозависимо индуцирует агрегацию тромбоцитов [20]. Также железо может оказывать прямое кардиотоксическое действие за счет усиления продукции активных форм кислорода, изменения мембранного потенциала митохондрий и нарушения цитозольной динамики кальция [21-23].

Обзор имеющихся литературных данных показал актуальность исследования обмена железа у пациентов с тяжелой формой COVID-19, что в дальнейшем может определить совершенствование терапевтического подхода.

Материалом настоящего исследования послужили данные обследования 30 больных, госпитализированных в отделение анестезиологии, реанимации и интенсивной терапии СПб ГБУЗ «Городская больница № 38 им. Н.А. Семашко» с диагнозом «COVID-19, двусторонняя полисегментарная пневмония, тяжелое течение», у которых было зарегистрировано повышение уровня ферритина в крови. Диагноз подтверждался визуализацией двусторонней вирусной пневмонии при компьютерной томографии легких. У 12 пациентов из 30 был положительный ПЦР-тест на наличие рибонуклеиновых кислот SARS-CoV-2, у 25 пациентов были выявлены антитела к SARS-CoV-2 классов IgM и IgG. Контрольную группу составили 20 здоровых добровольцев. У 6 пациентов из группы исследования и у 6 добровольцев определяли суточную экскрецию железа с мочой. У 6 пациентов из группы исследования определяли индуцированную суточную экскрецию железа с мочой после внутримышечного введения 500 мг дефероксамина.

У всех больных исследовали: гематологические показатели - содержание в крови гемоглобина, эритроцитов, лейкоцитов, нейтрофилов, лимфоцитов, моноцитов, тромбоцитов (Sysmex XN1000, Sysmex Corporation, Япония), биохимические показатели — сывороточное железо, альбумин, трансферрин, С-реактивный белок (СРБ) (Cobas с501, Roche Diagnostics, Швейцария); показатели газового и кислотно-основного состояния крови (КОС) (Cobas b221, Roche Diagnostics, Швейцария); содержание фибриногена (Sta Compact, Stago Diagnostica, Франция); концентрации ИЛ-6, D-димера (АО «Вектор-Бест», Россия), ферритина (ООО «Компания Алкор Био», Россия) в крови методом иммуноферментного анализа (ИФА) (ELx800, BioTek Instruments, США). Антитела классов IgM и IgG к SARS-CoV-2 определяли полуколичественным методом и оценивали по коэффициенту позитивности согласно инструкции к набору «SARS-CoV-2-IgM-ИФА-Бест» и «SARS-CoV-2-IgG-ИФА-Бест (АО «Вектор-Бест», Россия). Концентрацию железа определяли также в моче, собранной в течение 24 часов, методом масс-спектрометрии с индуктивносвязанной плазмой (Agilent 6850 Ser. II, США).

Статистическая обработка проведена с использованием пакетов Microsoft Excel и Statistica 10. Был выполнен расчет элементарных статистических показателей (Mе [25%; 75%]). Для оценки статистической значимости отличий независимых выборок использовали непараметрические критерии. Различия между признаками признавали статистически значимыми при доверительном уровне p<0,05.

Цель исследования — выявить изменения показателей обмена железа у больных с тяжелым течением COVID-19 и ГФ.

Исходя из цели исследования, были поставлены следующие задачи:

1.    Исследовать клинические и лабораторные показатели воспаления, коагуляции и обмена железа у больных с тяжелым течением COVID-19 и ГФ.

2.    Оценить суточную экскрецию железа с мочой и индуцированную суточную экскрецию железа с мочой у пациентов с тяжелым течением COVID-19 и ГФ.

3.    Определить основные направления дальнейшего исследования нарушений обмена железа как фактора патогенеза COVID-19.

РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

На момент исследования всем пациентам проводили респираторную поддержку под контролем газового и КОС артериальной крови: у 6 пациентов искусственную вентиляцию легких (ИВЛ) осуществляли в режиме SIMV-PC с FiO2 от 90% до 100%, 24 пациентам проводили неинвазивную ИВЛ с FiO2 от 40% до 100%. Тяжелое поражение легких подтверждалось низкими значениями индекса оксигенации — 93,6 [70,9; 119]. При оценке параметров системной гемодинамики пациентов отмечали тенденцию к гипертензии: среднее артериальное давление (АД) пациентов составляло 94,3 [81,3; 106] мм рт.ст. (табл. 2).

У всех пациентов наблюдали нейтрофильный лейкоцитоз и выраженную лимфоцитопению. Показатели красной крови и количество тромбоцитов у пациентов не отличались от значений контрольной группы (табл. 3).

Высокий уровень ферритина у больных сопровождался существенным снижением содержания в сыворотке крови трансферрина, альбумина и железа. Одновременно для пациентов было характерно значительное повышение содержания в ней СРБ и ИЛ-6. В крови пациентов зафиксировано значительное повышение концентрации D-димера и умеренное — фибриногена (табл. 4).

Железо в моче определяли у пациентов без азотемии, гематурии, протеинурии и гемоглобинурии (табл. 5). Так как выведение железа с мочой значительно изменяется в течение суток, было решено оценивать суточную экскрецию железа. В норме с мочой выводится небольшое количество железа — 100-300 мкг/сут [24]. У пациентов с тяжелым течением COVID-19 и ГФ суточная экскреция железа с мочой была значительно увеличена и составила 650 [452; 798] мкг/сут, что было статистически значимо выше значений контрольной группы (р=0,004). Суточная индуцированная дефе-роксамином экскреция железа с мочой у пациентов составила 1962 [1232; 2568] мкг/сут. В ранее проведенных исследованиях было установлено, что у здоровых людей суточная экскреция железа после введения дефероксамина составляла в среднем 800 мкг/сут [25, 26]. Известно, что дефероксамин связывает железо, образуя стабильное нетоксичное соединение ферок-самин, которое выводится почками. Важно отметить, что дефероксамин хелатирует только свободное железо в крови и в тканях, не оказывая влияния на железо трансферрина, гемоглобина и цитохромов [27]. В связи с этим повышение содержания железа в моче после введения дефероксамина может свидетельствовать о наличии свободного железа у пациентов с тяжелым течением COVID-19 и ГФ.

ОБСУЖДЕНИЕ

Проведенное исследование показало, что ГФ у больных с тяжелым течением COVID-19 сопровождалась снижением сывороточного уровня трансферрина и альбумина, что может быть связано с нарушением белково-синтетической функции печени. Повышенная экскреция железа с мочой после введения деферок-самина указывала на наличие в крови пациентов легко мобилизируемого свободного железа, которое может быть триггером мультиорганного поражения при тяжелом течении COVID-19. Повышенные уровни СРБ, ИЛ-6, D-димера и лимфоцитопения в сочетании с нейтрофильным лейкоцитозом свидетельствовали о выраженном воспалительном процессе, тромбообразовании и фибринолизе у таких пациентов. Анализ научных данных показал, что свободное железо является фундаментальным фактором воспалительного процесса и патологического тромбообразования, это позволяет сделать предположение об активном участии свободного железа в патогенезе тяжелого течения COVID-19 [28].

Рассматривая патофизиологические процессы, лежащие в основе появления свободного железа при COVID-19, можно высказать несколько гипотез. Первая гипотеза основывается на механизмах альтерации — высвобождение железа из клеток, поврежденных вирусной частицей. При этом содержимое цитоплазмы и органелл поступает в межклеточный матрикс, где подвергается фагоцитозу и разрушению специфическими ферментами, например, протеазами. После этого железо оказывается в межклеточном матриксе, если речь идет о ткани, или в плазме крови, если речь идет об эндотелиоцитах или эритроцитах. Кроме того, в любой клетке организма содержится достаточное количество железа цитохромов, которое также может высвобождаться в цепочке «вирус-матрикспротеаза». В результате возникает «цепная реакция», а именно: вирусная частица приводит к разрушению клетки с высвобождением железа, которое, являясь, по сути, «вторичным радикалом» и обладая мощными окислительными свойствами, вызывает дальнейшее лавинообразное разрушение клеточных мембран. В этом случае основным защитным механизмом является связывание свободного железа с трансферрином. Возникает гипотеза второго modus operandi вируса SARS-CoV-2 — повреждение белка трансферрина либо гена трансферрина. Учитывая, что повреждение отдельного белка вирусом невозможно, наиболее вероятной является теория нарушения синтеза белка. Можно предположить, что SARS-CoV-2 внедряет частицу своего генетического материала в геном гепатоцита ответственного за репликацию гена трансферрина. Меняется структура гена — меняется структура белка. Дефектный трансферрин не связывает молекулу железа, и вторичные свободные радикалы продолжают разрушать клеточные мембраны. Помимо этого, препятствовать процессу включения железа в трансфер-рин может нарушение регуляции ионного состояния железа — окисления Fe2+ в Fe3+, процесса, регулируемого ферроксидазой крови — церулоплазмином. Так или иначе, данные гипотезы требуют дальнейшего детального изучения с междисциплинарным подходом.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Проведенное исследование выявило изменение нескольких показателей обмена железа у пациентов с COVID-19, которые подтверждают высокую вероятность участия свободного железа в патогенезе тяжелого течения COVID-19. Сопоставление имеющих литературных данных о токсическом действии свободного железа с картиной тяжелого течения COVID-19 позволяет высказать предположение о схожести данных патологических процессов. Ряд авторов рассматривают применение железосвязывающей терапии в качестве перспективного компонента профилактики и интенсивной терапии тяжелого течения COVID-19 [29-31].

Появление свободного железа в крови или тканях могло быть вызвано повреждением клеток с высвобождением железа из цитохромов, миоглобина, гемоглобина либо нарушением процессов связывания железа с трансферрином, что, возможно, связано с изменением структуры белка или нарушением процесса перевода иона железа в трехвалентное состояние.

ВЫВОДЫ

В патогенезе тяжелого течения COVID-19 имеет место нарушение метаболизма железа, что подтверждается наличием гиперферритинемии (1263 [718; 1663] нг/мл; p<0,01), гипотрансферринемии (1,38 [1,17; 1,58] г/л; p<0,01), снижением уровня сывороточного железа (14,23 [9,2; 16,23] мкмоль/л; p<0,05) и повышенной экскрецией железа с мочой (650 [452; 798] мкг/сут; p<0,01). Высокие значения индуцированной экскреции железа с мочой, вероятнее всего, обусловлены наличием свободного железа в крови или тканях.

СПИСОК ИСТОЧНИКОВ

1.    Henry BM, Santos de Oliveira MH, Benoit S, Plebani M, Lippi G. Hematologic, biochemical and immune biomarker abnormalities associated with severe illness and mortality in coronavirus disease 2019 (COVID-19): a meta-analysis. Clin Chem Lab Med. 2020;58(7):1021-1028.

2.    Bolondi G, Russo E, Gamberini E, Circelli A, Meca MCC, Brogi E, et al. Iron metabolism and lymphocyte characterisation during Covid-19 infection in ICU patients: an observational cohort study. World J Emerg Surg. 2020;15(1):41.

3.    Shah A, Frost JN, Aaron L, Donovan K, Drakesmith H. Systemic hypoferremia and severity of hypoxemic respiratory failure in COVID-19.    Crit Care. 2020;24(1):320.

4.    Zhao K, Huang J, Dai D, Feng Y, Liu L, Nie S. Serum Iron Level as a Potential Predictor of Coronavirus Disease 2019 Severity and Mortality: A Retrospective Study. Open Forum InfectDis. 2020;7(7):ofaa250. PMID: 32661499

6.    Pigeon C, Ilyin G, Courselaud B, Leroyer P, Turlin B, Brissot P, et al. A new mouse liver-specific gene, encoding a protein homologous to human antimicrobial peptide hepcidin, is overexpressed during iron overload. J Biol Chem. 2001;276(11):7811-7819. PMID: 11113132 http:// doi.org/10.1074/jbc.M008923200

7.    Nairz M, Haschka D, Demetz E, Weiss G. Iron at the interface of immunity and infection. Front Pharmacol. 2014;5:152.

8.    Wenzhong L, Hualan L. COVID-19: Attacks the 1-beta chain of hemoglobin and captures the porphyrin to inhibit human heme metabolism. ChemRxiv 2020.

9.    Ehsani S. COVID-19 and iron dysregulation: distant sequence similarity between hepcidin and the novel coronavirus spike glycoprotein.


11.    Luck A, Mason A. Transferrin-mediated cellular iron delivery. Curr Top Membr. 2012;69:3-35.

12.    Tang X, Zhang Z, Fang M, Han Y, Wang G, Wang S, et al. Transferrin plays a central role in coagulation balance by interacting with clotting factors. Cell Res. 2020;30(2):119-132. PMID: 31811276

13.    Gordon D, Jang G, Bouhaddou M, Xu J, Obernier K, White KM, et al. A SARS-CoV-2 protein interaction map reveals targets for drug repurposing. Nature. 2020;583(7816):459-468. PMID: 32353859

14.    Vlahakos D, Arkadopoulos N, Kostopanagiotou G, Siasiakou S, Kaklamanis L, Degiannis D, et al. Deferoxamine attenuates lipid peroxidation, blocks interleukin-6 production, ameliorates sepsis inflammatory response syndrome, and confers renoprotection after acute hepatic ischemia in pigs. Artif Organs. 2012;36(4):400-408.

15.    Конькова Т.В., Каталевич А.М., Гуриков П.А., Рысев А.П., Меньшу-тина Н.В. Гетерогенные катализаторы Фентона на основе мезо-пористых силикагелей, полученные сушкой в среде сверхкритического диоксида углерода. Сверхкритические флюиды: теория и практика. 2012;8(4):29-35.



18.    Lipinski B, Pretorius E. Iron-induced fibrin in cardiovascular disease. Curr Neurovasc Res. 2013;10(3):269-274.


20.    Pratico D, Pasin M, Barry O, Ghiselli A, Sabatino G, Iuliano L, et. al. Iron-dependent human platelet activation and hydroxyl radical formation: involvement of protein kinase C. Circulation. 1999;99(24):3118-3124.


22.    Gordan R, Wongjaikam S, Gwathmey J, Chattipakorn N, Chattipakorn S, Xie L. Involvement of cytosolic and mitochondrial iron in iron overload cardiomyopathy: an update. Heart Fail Rev. 2018;23(5):801-816.

23.    Сависько А.А., Лагутеева Н.Е., Теплякова Е.Д., Шестопалов А.В. Роль нарушения метаболизма железа в развитии нарушений ритма и проводимости у детей с острым лейкозом. Медицинский вестник Юга России. 2015;(3):94-100.

24.    Ребров В.Г., Громова О.А. Витамины, макро- и микроэлементы. Москва: ГЭОТАР-Медиа; 2008.

25.    Bannerman R, Callender S, Williams D. Effect of Desferrioxamine and D.T.P.A. in Iron Overload. Br Med J. 1962;2(5319):1573-1577.

26.    Balcerzak S, Westerman M, Heinle E, Taylor F. Measurement of iron stores using deferoxamine. Ann Intern Med. 1968;68(3):518-525.

27.    Nelson LS, Howland MA, Lewin NA, Smith SW, Goldfrank LR, Hoffman RS. Goldfrank’s Toxicologic Emergencies. 10th ed. New York: McGraw-Hill; 2015. p. 1503-1513.





ИНФОРМАЦИЯ ОБ АВТОРАХ

 Шикалова Ирина Анатольевна - кандидат медицинских наук, старший научный сотрудник отдела клинической токсикологии ГБУ «СПб НИИ СП им. И.И. Джанелидзе»;

Вознюк Игорь Алексеевич - доктор медицинских наук, главный внештатный специалист-невролог Комитета по Здравоохранению Санкт-Петербурга, заместитель директора по научной работе ГБУ «СПб НИИ СП им. И.И. Джанелидзе», профессор кафедры нервных болезней «ВМА им. С.М. Кирова

Лодягин Алексей Николаевич - доктор медицинских наук, доцент, руководитель отдела клинической токсикологии ГБУ «СПб НИИ СП им. И.И. Джанелидзе», главный внештатный специалист-токсиколог Министерства здравоохранения РФ Северо-Западного федерального округа, главный внештатный специалист-токсиколог Комитета по здравоохранению Санкт-Петербурга


Батоцыренов Баир Васильевич - доктор медицинских наук, главный научный сотрудник отдела клинической токсикологии ГБУ «СПб НИИ СП им. И.И. Джанелидзе»;

Тимофеева Надежда Владимировна врач анестезиолог-реаниматолог 1-й категории, заведующая отделением анестезиологии, реанимации и интенсивной терапии СПб ГБУЗ «ГБ № 38 им. Н.А. Семашко»,

Пивоварова Людмила Павловна -  доктор медицинских наук, руководитель отдела лабораторной диагностики ГБУ «СПб НИИ СП им. И.И. Джанелидзе

Осипова Ирина Викторовна - кандидат медицинских наук, старший научный сотрудник отдела лабораторной диагностики ГБУ «СПб НИИ СП им. И.И. Джанелидзе»;

Поляков Игорь Анатольевич - кандидат медицинских наук, заместитель главного врача по медицинской части СПБ ГБУЗ «ГБ №38 им. Н.А. Семашко».

Арискина Ольга Борисовна - кандидат биологических наук, научный сотрудник отдела лабораторной диагностики ГБУ «СПб НИИ СП им. И.И. Джанелидзе»





Теги: новая коронавирусная инфекция
234567 Начало активности (дата): 20.05.2022 12:09:00
234567 Кем создан (ID): 989
234567 Ключевые слова:  новая коронавирусная инфекция, COVID-19, SARS-CoV-2, обмен железа, свободное железо, фер-ритин, трансферрин, NTBI, nontransferrin bound iron
12354567899