Iron Overloadと鉄キレート療法

第2章　鉄過剰症の病態と診断

• 1 総論
  • 1.鉄による細胞障害の機序
  • 2.過剰鉄によるROSが肝癌の誘因となる理論的背景
  • 3.動物モデルやヒトにおける鉄過剰症による発癌
  • 4.鉄過剰症の診断

サマリー

　この数年のあいだに，鉄代謝におけるkey proteinの遺伝子が次々とクローニングされ，鉄の細胞内（生体内）への取り込み機構とその調節に関する理解が急速に進んだ．体内への鉄吸収は，十二指腸の鉄トランスポーターなどを介して行われ，肝臓で産生されるヘプシジンおよびヘモジュベリンが鉄吸収量を制御する．また，細胞内への鉄取り込みは，主としてiron regulatory proteinが細胞内の鉄需要に応じてmRNA上のiron responsive elementへの結合性を変化させることにより，トランスフェリン（Tf）受容体やフェリチンの発現量を制御するほか，HFEがTf受容体の機能を負に制御することによって調節されている．これらのシステムに異常が生じ，過剰の鉄が細胞内に蓄積する病態が原発性鉄過剰症である．また，輸血依存性の血液疾患患者においては，輸血により赤血球内の鉄が過剰に負荷されるため続発性鉄過剰症を発症する．いずれにおいてもフェリチンの収容量を超えた遊離鉄が活性酸素の産生を触媒し，結果的にアポトーシス・シグナルを誘導するほか，脂質過酸化やDNA損傷などの細胞毒性を発揮する．その結果，鉄過剰症では主として肝・心肺・内分泌腺・皮膚が障害され，進行すると肝硬変・肝癌や心筋症を発症する．診断法については鉄過剰症を疑う場合の血清フェリチン値の基準が明確化されたほか，MRIを用いた鉄過剰症の診断法が急速に進歩してきており，早期診断と早期治療が可能となりつつある．

はじめに

　ヒトの体内には3.5～4gの鉄が存在し，その大部分はヘモグロビン（Hb）に結合した鉄である．体内での鉄動態は，図1に示すように一種の半閉鎖系を保っている．鉄の生理的出納は，0.5～1mg/日の鉄が便，尿，汗，皮膚から排泄され，それに見合った鉄量が主に十二指腸で吸収される．通常，食物中の鉄は三価の形状であるが，腸上皮細胞の管腔側に存在するduodenal cytochrome b（Dcytb）の作用で還元され二価となり，金属イオン・トランスポーターであるDMT‐1（Nramp2）内のチャネルを通って吸収される（図2）．腸上皮細胞内に入った鉄は基底膜側の鉄トランスポーターであるフェロポルチン1を通り抜け，その際にhephaestinの作用で再び三価となり，血漿トランスフェリン（Tf）に受け渡される．吸収されたTf鉄は肝を経て骨髄中の赤芽球や網状赤血球へ運搬され，ヘモグロビン（Hb）合成に利用される．一方，寿命（約120日）を迎えた老廃赤血球は網内系で処理され，Hbに結合していた鉄は再び血漿Tfに受け渡され再利用される¹⁾．鉄過剰症は，何らかの原因によって体内の鉄量が増加し，細胞内に鉄が蓄積していく病態である．鉄蓄積が進行し細胞内鉄が過剰状態になると，遊離鉄イオンが生じ，活性酸素種の生成を刺激し，DNA損傷，脂質過酸化，アポトーシスなど組織障害を引き起こしてくる．この病態がヘモクロマトーシス（HC）である²⁾．
　鉄過剰症の原因は，遺伝性（原発性）のものと，血液疾患，肝疾患，過剰輸血などに起因する二次性（続発性）のものに大別される．上述のごとく近年の分子生物学的手法の導入により，消化管からの鉄吸収や細胞の鉄摂取にかかわる新たな鉄関連遺伝子群やそれを調節するペプチドホルモン（ヘプシジン）などが次々とクローニングされた．それに伴って，鉄過剰症の原因遺伝子は少なくても数種類存在することが明らかとなった^3,4,5,6,7,8)．すなわち，遺伝性HCは単一の遺伝子異常に基づく疾患ではないことが判明したのである．したがって，現在では鉄過剰症は鉄過剰症候群としてとらえたほうがより適当と考えられる．鉄過剰症候群で侵される標的臓器は，肝・心肺・内分泌腺・皮膚などであるが，生命予後を規定するのは，肝硬変・肝癌および心不全である．このほか，最近ではC型肝炎，アルコール性肝障害（alcoholic liver disease；ALD）および非アルコール性脂肪肝炎（nonalcoholic steatohepatitis；NASH）においても肝実質細胞に沈着した鉄が，ラジカルの産生を亢進し，細胞障害を引き起こすことが明らかとされている．したがって，これらの疾患も広義の鉄過剰症候群ととらえることができよう⁹⁾．遺伝性および続発性鉄過剰症それぞれの病因論，本邦での現状および診断については，各論において各分野の専門家が詳細を述べる．本稿では，鉄過剰によって引き起こされる細胞障害および発癌の分子機構についての最近の知見を解説するとともに，鉄過剰症の診断法について概説する．

• ページの先頭に戻る

　細胞内で鉄は通常蛋白質に結合し，毒性を発揮しないようになっている．たとえばすべての細胞に発現しているフェリチン蛋白（鉄貯蔵蛋白）は1分子あたり2,000～5,000の鉄イオンを収容する能力を有しており，鉄の毒性から細胞を守っている．しかもこのフェリチン蛋白のmRNAは鉄によって翻訳が高まるため，よほどの鉄が細胞に取り込まれても対処できるようになっている¹⁰⁾．しかし，何らかの理由で鉄が過剰になると，鉄と結合したフェリチンがリソソームで変性を受けヘモジデリンとなる際に，過剰な鉄イオンが遊離されやすくなる．すると，生じた遊離鉄が電子供与体として働き，

　　　　Fe²⁺＋H₂O₂→Fe³⁺＋OH^-＋・OH

というフェントン反応やハーバーワイス反応を経て，reactive oxygen species（ROS）のなかでは最も毒性の強いヒドロキシラジカル（・OH）を生成する．・OHラジカルが脂質膜の過酸化を惹起したり，DNAに傷をつけて細胞を障害することはよく知られた事実であるが，われわれは図3に示すようなアポトーシス・シグナルの伝達過程でapoptosomeの形成に活性酸素（・OH）の存在が必須であることを見出した¹¹⁾．具体的にはapoptosomeの構成成分であるApaf1の活性化に活性酸素が必要であることを，in vitroの再構成実験と細胞を用いたin vivo実験で示したのである．
　さらに，慢性炎症はさまざまな組織障害を惹起するROSの持続的産生を促進している．ROSは細胞内で脂質過酸化，蛋白の変性，DNA鎖の破壊などさまざまな分子レベルの障害を引き起こし，高濃度のROSによって実質細胞は死に至り，その空隙は組織線維化によって置換される．たとえば肝炎ではウイルスが感染した後，それに由来するペプチドがHLA分子に提示され，それを認識した細胞障害性T細胞がFASやTNFを介して細胞にアポトーシス・シグナルを入れる．そのときに上述のような活性酸素が関与すると考えられる．実際に，C型肝炎患者では鉄の消化管からの鉄吸収増加により，肝内鉄過剰状態にあることが明らかとされているが，これに対して瀉血と低鉄食併用の除鉄療法を行うと，肝細胞障害が改善（ALT低下）することがわれわれやほかの施設によって証明された（図4）^9,12,13)．このことは，過剰な遊離鉄イオンはヒトの体内において，慢性炎症における細胞障害の増悪因子になり得ることを示しているものと考えられる．

• ページの先頭に戻る

　上述のごとく通常細胞内の鉄はフェリチン殻内に閉じ込められているため無毒であるが，蛋白に結合していない遊離鉄は，酸素をROSに変換させる反応を触媒する．8‐OHdGはROSによる酸化反応によって，DNA塩基の1つであるグアニン残基（G）のC‐8位に・OHが結合することでGが変換されたものである（図5）．その8‐OHdGがGの代わりにDNAに取り込まれると，本来のG：C対形成が曖昧となり，主としてAと相互作用することとなるので，G：C→A：Tのtransversion型の遺伝子変異が誘発されるのである（図5）．ROSによる細胞障害から生き残った細胞では，このような変異が癌遺伝子あるいは癌抑制遺伝子に生じる結果，発癌が起きると推定されている．Odaらはラジカルで異常の生じる遺伝子の候補としてp53を挙げ報告している¹⁴⁾．その理由として本邦における肝細胞癌のp53遺伝子変異を解析したところ，G：C→A：T型変異が高頻度であったことから，ROSにより8‐OHdGが形成されたものとしている．しかしながら，ヒト肝癌ではp53遺伝子変異の頻度が必ずしも高くないことから，この結果の解釈は慎重にする必要があると思われる．
　最近われわれは鉄過剰状態にあるC型慢性肝炎の肝生検組織からゲノムを抽出し，ROSにより8‐OHdGが形成された遺伝子群を網羅的に解析するChIP on Chip assayを確立した（図6）．この方法の概略は，genomic DNAを制限酵素XbaIで切断した後に，抗8‐OHdGで障害された遺伝子を免疫沈降し，沈降してきたDNAを数サイクルのPCRで増幅した後に，全ゲノムを網羅するDNA arrayにかけることで，傷害された遺伝子を同定するものである．その結果，細胞接着，細胞周期，クロマチン修飾，血管新生，シグナル伝達分子および転写因子など，少なくとも100種以上の遺伝子に傷害がみられることを見出した．このことから，鉄過剰症で発癌が起こる機序は単一の遺伝子変異に基づくものではなく，多彩な遺伝子変異の蓄積の結果生ずるものと考えられる．

• ページの先頭に戻る

　鉄過剰状態にあるさまざまな動物に肝細胞癌が発生することは以前より知られていた¹⁵⁾．in vivoの自然肝炎肝癌発症モデルとして，LECラットはATP‐7Bという銅の細胞内輸送蛋白（遺伝子）の異常のほか，鉄代謝異常をあわせもつため肝内は銅のみならず鉄も過剰状態となる．さらにこのLECラットは生後14～20週になると，血中の遊離銅による溶血発作の結果，大量のヘム鉄が肝に流入するため急激な鉄過剰症となってROSの産生が高まり，その半数は劇症肝炎を発症し死亡する．生き残った半数のラットは慢性の肝炎状態，高8‐OHdG状態を経て肝癌を発症する．われわれは，このLECラットを鉄欠乏食で飼育することで肝組織中の鉄量を減少させると，アポトーシスを介した劇症肝炎が抑制されること，さらに慢性肝炎・肝硬変の程度が軽減されるだけでなく，肝癌の発生を抑制できることを示している（図7）¹⁶⁾．
　また，ヒトにおいても，実際に遺伝性の鉄過剰症で高頻度に肝癌が発生することはよく知られている．疫学的に大規模なコホート研究によって，トランスフェリン飽和度の高値，不飽和鉄結合能の低値および鉄貯蔵量高値が発癌のリスクとなることが示されている^17，18)．さらに確定診断が得られた鉄過剰症の患者を瀉血や鉄キレート剤を投与することで，体内の鉄量を正常化させると，心筋症，糖尿病および肝硬変への進展や肝癌の発症を予防することが可能であることが明らかとされている¹⁹⁾．

• ページの先頭に戻る

　鉄過剰症の患者では肝臓の貯蔵鉄量と相関して血清フェリチンの増加が認められる（図8）²⁰⁾．しかしながら，慢性炎症では炎症性サイトカインの作用によって肝での産生が亢進したヘプシジンによって，網内系からの鉄遊離（網内系から血中トランフェリンへの鉄の授受）が低下し，その結果，血清フェリチンが増加する²¹⁾（表1）．また，慢性肝障害，造血器腫瘍および悪性腫瘍の際には組織崩壊などによるフェリチンの血清への逸脱のため，体内貯蔵鉄量とは無関係に血清フェリチンがやや上昇（250～500ng/mL）を示す．さらに，成人Still病や血球貪食症候群では血清フェリチンの中等度から高度上昇（1,000～5,000ng，ときに数万台まで上昇する）が認められる（表1）．しかしながら，これらの疾患では強い炎症所見や特異的症候を呈するため鉄過剰症との鑑別診断が比較的容易と考えられる．
　 鉄過剰症を疑い診断を進めていくための血清フェリチン値の目安が重要と考えられるが，血清フェリチンが1,800ng/mLを越えると心筋鉄過剰状態が引き起こされるとの報告がある²²⁾．したがって，より早期の段階で鉄過剰症を診断し，治療を開始する必要があると考えられる．現在では血清フェリチン1,000ng/mLを基準とし，鉄過剰症を疑い診断を進めていくことが世界共通のコンセンサスと考えられる（表1）．鉄過剰症が疑われたら，血清鉄増加，トランスフェリン飽和度高値を確認する．肝臓のCT値90以上も診断の助けとなる．体内鉄過剰を確定診断するためには肝生検は重要であり，鉄過剰症では鉄染色で肝実質細胞への鉄過剰沈着が認められ，肝生検材料中の鉄含量の200μg/100mg dry Wt以上の上昇が認められる（健常人の肝で30～140μg/100mg dry Wt）．最近になってMRIの撮影法の進歩により，肝および心筋における鉄過剰の状態をかなり正確に把握することが可能となってきた²³⁾．MRIを用いた鉄過剰症の診断法は，非侵襲的で治療経過を観察するうえでもきわめて有用と思われる．

表1　血清フェリチン値を解釈する場合の留意点

1．血清フェリチンの正常値 　　　 男性　83.9±43.7ng/mL 　　　 女性　30.1±22.8ng/mL 2．血清フェリチンが低値（＜12ng/mL）を示す場合 　　　 鉄欠乏状態 3．血清フェリチンが高値を示す場合 　　　(1)やや上昇（250～500ng/mL）：癌，造血器腫瘍，慢性肝障害， 　　　　　慢性炎症・感染症，自己免疫疾患（リウマチを含む） 　　　(2)軽度上昇（500～1,000ng/mL）：癌，鉄過剰初期など 　　　(3)中等度上昇（1,000～5,000ng/mL）：鉄過剰症， 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 　　　　　　 成人Still病，血球貪食症候群 　　　(4)高度上昇（5,000ng/mL以上）：鉄過剰症

本邦では，炎症などにより血清フェリチンが軽度高値をとることが過度に認識されている．しかしながら成人Still病や血球貪食症候群などにより細網内皮系に急激な鉄負荷がかかる疾患以外では，血清フェリチンが1,000ng/mLを超えることはなく，鉄過剰症を積極的に疑うべきである．

• ページの先頭に戻る

おわりに

　鉄過剰症における細胞障害と発癌の分子機構について解説した．ここ最近の技術的進歩は目覚しく，遊離鉄によるROSの産生を蛍光色素によって可視化できるようになったほか，いくつかのROSの消去剤が開発されたことにより，鉄による細胞障害の分子機構がより詳細に解明されてきた．さらに，DNA修復システム（特に塩基除去修復系）の分子機構が解明されたことにより，遊離鉄がROSを介してDNA損傷する分子機構とそれを解析するシステムが開発されてきている．診断法については鉄過剰症を疑う場合の血清フェリチン値の基準が明確化され，MRIを用いた鉄過剰症の診断法が進歩を遂げている．今後，鉄過剰症が早期に診断され臓器障害を発症する前に，適切に治療されていくことが期待される．

• 2　先天性疾患における輸血依存性鉄過剰症の病態／白土基明

Iron Overloadと鉄キレート療法 目次に戻る