Eisen ist das vierthäufigste Element in der gesamten Erde und in der kontinentalen Erdkruste.  Als  Übergangsmetall hat Eisen vielfältige chemische Reaktionsmöglichkeiten und es ist sicher deswegen von der Evolution als Spurenelement für fast alle bekannten Lebewesen  ausgewählt worden, obwohl zuviel an Eisen in biologischen Systemen toxische Reaktionen hervorrufen kann. Um Eisen gefahrlos nutzen zu können wurde ein kompliziertes System von feinregulierter Aufnahme, Transport und Speicherungsmechanismen geschaffen, damit im Normalzustand eine ausgeglichene Eisenbilanz sichergestellt wird (Abb. 1)

Abb. 1          Ausgeglichener Eisenstatus bei adäquater Eisenaufnahme

Viele Störungen des Eisenstoffwechsels beruhen auf genetischen Veränderungen von beteiligten Proteinen, sodass die Kenntnis dieser Zusammenhänge wesentlich zum tieferen Verständnis der Pathophysiologie, Diagnostik und Therapie von Eisenstoffwechselkrankheiten geführt hat. Dies gilt insbesondere für die Eisenüberladungserkrankungen.

Die Bedeutung von Eisen im Sauerstofftransportprotein Hämoglobin ist lange bekannt. Des Weiteren sind eisenabhängige Enzyme (Oxidoreduktasen, Monooxygenasen, Dioxygenasen, 2Fe-2S, 4Fe-4S-Enzyme) an allen wichtigen Stoffwechselzyklen beteiligt. So finden sich in der inneren Membran von Mitochondrien Cytochrome, die wesentliche Funktionen bei der oxidativen Phosphorylierung einnehmen. Zu den eisenhaltigen Oxidoreduktasen gehört z.B. die Ribonukleotidreduktase, das Schlüsselenzym der  DNA-Synthese. Die Cytochrom P450-Familie katalysiert hunderte von Reaktionen im Fremdstoffmetabolismus. Fettsäuredesaturasen, Lipoxygenasen, Peroxidasen, NO-Synthetasen, die Akonitase im Citratcyclus, die Guanylatcyclase (Signaltransduktion, second messenger) und die Aminophosporibosyltransferase (Purinsynthese) sind gleichfalls eisenhaltige Enzyme (5, 6).

Der menschliche Körper eines Erwachsenen enthält 3-5 g Eisen hauptsächlich in Form von Hämoglobin, als  Häm- oder nicht-Häm-Eisen-Enzymen und als Depot-Eisen, gespeichert in Ferritin und Hämosiderin  (Tabelle 2). Der tägliche physiologische Eisenverlust in Form von abgeschilferten Epithelzellen der äußeren und inneren Körperoberflächen, sowie durch Schweiß und Urin beträgt insgesamt ca. 1-2 mg und ist nicht regulierbar.

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Tab. 1.2: Verteilung von Eisen im Körper

Dieser Verlust wird durch die Eisenaufnahme  mit der Nahrung normalerweise genau ausgeglichen. Dabei wird auch die Speicherung von Reserveeisen in Form von Ferritin und Hämosiderin in Leber, Milz, Knochenmark und Muskulatur aufrechterhalten. Beim erwachsenen Mann sind dies ca. 800 mg, bei Frauen und Kindern deutlich weniger. Die täglich im Körper zirkulierende Eisenmasse ist wesentlich größer als der Eisenverlust oder die Eisenaufnahme (Abb. 2).

Abb. 2:          Eisenhomöostase beim Erwachsenen. Zahlenangaben in mg/Tag berechnet für einen 70-kg Mann. Ca. 20 mg Eisen zirkulieren täglich im Blut. Das Hormon Hepcidin wirkt als  negativer Regulator des Eisenmetabolismus, indem es die Zufuhr von Eisen aus dem Darm und aus dem Hämabbau hemmt. 

Intestinale Eisenabsorption                                                                                                           Eisen ist in der Ökosphäre ubiquitär, kommt aber in Nahrung und Trinkwasser nur in geringen Konzentrationen vor.  Komplizierte Aufnahmemechanismen im Darm sind nötig, um dem Bedarf angepasste Eisenmassen (normal 1-2 mg/Tag, maximal 3-5 mg/Tag) aufzunehmen.

Ernährungsphysiologisch wichtig ist die Unterscheidung zwischen tierischem Eisen (Häm-Eisen) und pflanzlichen Nahrungseisen (nicht-Häm-Eisen). Der Hauptort für die Absorption von Eisen in allen Formen sind das Duodenum und das obere Jejunum. Im starken Eisenmangel können aber auch tiefere Darmabschnitte zusätzlich substantielle Eisenmengen aufnehmen (Abb. 3.).   

   Abb. 3: Intestinale Absorption von Eisen, Mineralstoffen und Vitaminen im Darm

Absorption von nicht-Häm-Eisen                                                                                                 Pflanzliches Eisen in der Nahrung liegt größtenteils als polymerer Fe(III)-hydroxid-Kohlenhydrat-Komplex vor. Es wird daraus im sauren Magenmilieu, besonders gut unter reduzierenden Bedingungen (Vitamin C), herausgelöst und kann als zweiwertiges ionisches Eisen unter den Bedingungen im Duodenum (Übergang saurer-neutraler pH-Wert) gut löslich gehalten und dann absorbiert werden. Dreiwertiges ionisches Eisen unterliegt bei neutralem pH schnell der Hydroxylierung, wobei  extrem schwerlösliches Eisen(III)-Hydroxid entsteht, was nicht mehr aufgenommen werden kann. Bei der Reduktion von pflanzlichem Nahrungseisen spielt möglicherweise die cytochromhaltige Eisenreduktase Dcytb in der Bürstensaummembran des Enterozyten eine Rolle (Abb. 3) (7).  

Abb. 4:            Schema der intestinalen Eisenabsorption im Dünndarm. Zweiwertiges Eisen wird über DMT1 aufgenommen und über IREG1 wieder aus dem Enterozyten ausgeschleust. Nach Oxidation durch die Ferroxidase Hephaestin wird Fe³⁺ an Apo-Transferrin im Blut gebunden. Die Regulation der Eisenabsorption findet vorwiegend auf der basolateralen Seite statt. Hepcidin bindet an IREG1/Ferroportin1. Dieser Transporter wird internalisiert und es findet kein Eisenexport mehr ins Blut statt. HCP1 ist der neugefundene Häm-Fe-Rezeptor. Ein ähnlicher Transporter (Bcrp) findet sich auch an der Basolateralmembran, sodass Häm-Fe evtl. auch ins Plasma weitergeleitet wird.

Lösliches, ionisches Fe(II) wird beim Menschen über den divalenten Metall-Ionen-Transporter (DMT1) in den Enterozyten aufgenommen (8). Dieses Protein bewirkt einen Protonen-vermittelten Kationentransport für Fe²⁺, Zn²⁺, Mn²⁺, Co²⁺, Cd²⁺, Cu²⁺, Ni²⁺, und Pb²⁺. Beim Menschen ist DMT1 offenbar vorwiegend für den Transport von Eisen(II) zuständig (9). Die DMT1-Expression im Duodenum ist im Eisenmangel erhöht, Mutationen in DMT1 bewirken einen systemischen Eisenmangel mit Anämie. Offenbar gibt es beim Menschen verschiedene DMT1 Varianten mit und ohne 3’ IRE oder 5’-IRE -Aktivität (vergl. Kap. 1.2.1), die eine komplexe Regulation der Eisenaufnahme in verschiedenen Geweben bewerkstelligen können (10). Wenn Eisen im Organismus benötigt wird, dann erfolgt der Transport aus dem Enterozyten ins Pfortaderblut sehr rasch. Der basolaterale Transfer wird durch das Membranprotein IREG1 (in USA auch Ferroportin1 genannt)  bewerkstelligt (11, 12).  

Das aus dem Enterozyten ausgeschleuste zweiwertige Eisen wird über die kupferhaltige Ferroxidase Hephaestin oxidiert,  um dann im Pfordaderblut an Apotransferrin gebunden zu werden (13). Unklar ist weiterhin die Rolle von HFE (Genprodukt des Hämochromatose-Gens, vergl. Kap. 2) an der Regulation der intestinalen Eisenabsorption.   

Ergänzend wird in der Literatur von einer Arbeitsgruppe ein zusätzlicher Aufnahmemechanismus von Fe(III) (Ferri-Eisen) im Darm  über den „IMP-Weg” (Integrin/Mobilferrin/Paraferritin) postuliert (14). Versuche mit blockierenden Antikörpern und konkurrierenden Kationen (speziell Mn²⁺)   legen nahe, dass beide Aufnahmewege (Fe²⁺, Fe³⁺)  unabhängig voneinander sind. Nach gegenwärtigem Stand wird von den meisten  Autoren in diesem Gebiet jedoch bezweifelt, dass beim Menschen die Absorption von Fe(III) nennenswert zur Versorgung mit Nahrungs-Eisen beiträgt, ebenso ist die Bioverfügbarkeit von oralen Eisen(III)-Verbindungen in der Eisentherapie nur sehr gering.

Absorption von Häm-Eisen                                                                                                              Aus einer typischen westlichen Mischkosternährung mit 6 mg Fe/1000 kcal wird ca. 1/3 der täglichen Nahrungseisenaufnahme aus Häm-Eisen gedeckt, obgleich nur 10-15 % des Nahrungseisens aus Häm-Fe bestehen (15). Häm-Fe aus Fleisch wird also sehr effizient über spezifische, mukosale Bürstensaum-Rezeptoren aufgenommen. Ein daran beteiligtes Protein (heme-carrier-protein 1, HCP1) ist vor kurzem gefunden worden (16). Zuerst wird im Darmlumen Häm aus Hämo- bzw. Myoglobin freigesetzt und auf unbekannte Weise stabilisiert, Häm wird dann als intaktes Molekül aufgenommen. Der geschwindigkeitsbestimmende Schritt in der Häm-Fe-Absorption ist der Abbau von Häm durch eine Hämoxygenase im Enterozyten (17) (Abb. 1.3.). Hemmstoffe der Hämoxigenase  inhibieren die Häm-Eisen-Absorption (18).

Da die Applikation von hohen Dosen Häm-Fe auch die Absorption von nicht-Häm-Fe und umgekehrt hemmt, muss das aus Häm-Fe freigesetzte Eisen in den gleichen intrazellulären Eisenpool eingespeist werden wie Eisen aus der nicht-Häm-Fe-Absorption. Dies gilt auch für den Abtransport aus den Enterozyten über IREG1/Ferroportin1, der für alle absorbierten, ehemals unterschiedlichen Eisenverbindungen (Häm-Fe, ionisches-Fe, Laktoferrin), gleich ist. 

Regulation der Eisenabsorption                                                                                                    Beim Menschen ist sowohl die Häm- als auch die nicht-Häm-Eisenabsorption regulierbar, sodass im starken Eisenmangel deutlich höhere Mengen Nahrungseisen absorbiert werden  können. Der genaue Mechanismus ist sehr komplex, es gibt verschiedene genetisch bedingte Erkrankungen, die direkt oder indirekt mit einer Fehlregulation der Eisenabsorption einhergehen (vergl. è Kap. 2.)

Eine Art der Regulation der Eisenabsorption muss über  die Vorläuferzellen von Enterozyten in den Darmkrypten erfolgen, die ausschließlich von der basolateralen Seite, also vom inneren Milieu des Körpers, mit Eisen versorgt werden und die sich innerhalb von wenigen Tagen zu absorbierenden Zottenenterozyten verwandeln. Im Eisenmangel und bei hereditärer Hämochromatose wird in den Kryptenzellen die DMT1-Aktivität über einen posttranslationalen Mechanismus gesteigert. Dies geschieht über die Bindung eines "Iron-Responsive-Proteins (IRP) an ein "hairpin-IRE" in der 3'-nichttranslatierten Region der mRNA von DMT1 (vergl. 1.2.). Erhielt der Enterozyt in seiner Vorgeschichte ausreichend Eisen, wird die DMT1-Aktivität herunterreguliert. Nach einer Hypothese zur Erklärung der physiologischen Funktion des HFE-Proteins, wurde diesem eine Beteiligung an der Eisenversorgung der Kryptenenterozyten zugeschrieben (19).

Die offenbar effektivste Art der Regulation der intestinalen Eisenabsorption ist über das IREG1/Ferroportin möglich, das für den Transport von Eisen aus Enterozyten ins Plasma zuständig ist (Abb.1.3). Nachdem C. Finch 1994 einen  "storage-iron regulator" postuliert hatte, wurde 2001 mit dem 25 AS-Peptid Hepcidin ein solcher Regulator des Eisenstoffwechsels tatsächlich gefunden (20-23) (s. 1.5.1).

Hemmstoffe der Eisenabsorption                                                                                                   Eine große praktische Bedeutung, evtl. auch als Therapieoption bei Eisenüberladungserkrankungen, hat die Tatsache, dass die Absorption von ionischem Nahrungseisen prinzipiell gehemmt werden kann. Bestimmte Stoffe, die in vielen pflanzlichen Nahrungsmitteln vorhanden sind, wie z.B. pflanzliche Polyphenole  in Tee (Tannine) oder Hülsenfrüchten, Phytate  in Getreiden, Nüssen, Hülsenfrüchten, pflanzliche "nicht-Stärke-Polysaccharide" in Getreide, sowie Calcium und Phosphat z.B. in Cola und Limonaden können die Absorption von ionischem Eisen hemmen (15) (vergl. Tab. 3). Die Wirkung dieser Inhibitoren beruht auf einer Komplexierung bzw. teilweisen Ausfällung  von ionischem Eisen im Gastrointestinaltrakt, sodass die Konzentration von absorbierbarem löslichen Fe(II) im Darmlumen deutlich abnimmt (24).  Eine Tasse schwarzer Tee zu einer Mahlzeit kann den größten Teil des pflanzlichen Eisens binden, was bei der erblichen Eisenspeicherkrankheit bereits als Therapiemöglichkeit untersucht wurde (25). Häm-Eisen wird durch diese Hemmstoffe nicht erreicht, weil das Häm-System das Eisen vor einer solchen Komplexierung schützt. Vitamin C hingegen stellt einen Enhancer der Eisenabsorption speziell unter sonst ungünstigen Bedingungen dar, indem es Fe(III) reduzieren und Fe(II) vor Oxidation schützen kann. Möglicherweise fördert ein in der Struktur noch unbekannter Faktor aus tierischen Produkten ebenfalls die Absorption von nicht-Häm-Eisen („Fleischeffekt“).  Vitamin A und ß-Caroten heben möglichweise die Hemmung durch Phytate und Tannine auf und werden deshalb als Zusatz bei Eisenfortifizierungsprogrammen in der Dritten Welt diskutiert (26).

Tabelle 3: Enhancer und Inhibitoren der intestinalen Eisenabsorption

Transport und Aufnahme in Zellen

Transferrin, mit seinen zwei Bindungsstellen für Eisen, ist das Haupttransportprotein für  Eisen(III) im Plasma. Es ist notwendig,  um Eisen vor allem für Erythroblasten aber auch für andere Zellen bereitzustellen.  In den letzten Jahren sind eine ganze Reihe von neuen Proteinen entdeckt worden, die eine Rolle im Eisentransport spielen und die für eine feinregullierte Eisenbilanz  wichtig sind. Dazu zählen der Divalente Metallionentransporter- 1 (DMT1), Ferroportin-1, Heme-carrier-Protein-1, Duodenal cytochrom-b (Dycytb), Membrantransporter ABCG2, ABC-mitocondrial erythroid (ABC-me), ABCB7, Mitoferrin, Ferritinrezeptoren, Calcium-Kanäle. Im Folgenden kann nur exemplarisch auf einige wichtige Aufnahmemechanismen eingegangen werden.

Transferrin und Transferrin-Rezeptor                                                                                        Um die intrazellulär benötigen Eisenmassen bereitstellen zu können, gibt es offenbar strikt regulierte Mechanismen für das Ein- und Ausschleusen von Eisen in Zellen. Nach der intestinalen Eisenabsorption wird Fe²⁺ über Ferroportin1 aus Enterozyten transportiert, von Hephaestin oxidiert und als Fe³⁺  an Transferrin gebunden. Transferrin besitzt zwei Fe-bindende Domänen. Fe₂-Transferrin, nicht aber Apotransferrin, weist eine hohe Affinität zum Zelloberflächen-Transferrinrezeptor (TfR) auf (27). Der Transferrinrezeptor ist ein dimeres, transmembranes Glykoprotein aus zwei identischen Untereinheiten, welche durch zwei Disulfidbrücken miteinander verbunden sind. Transferrin wird durch Bindung an den Transferrin-Rezeptor und anschließende Internalisierung in Endosomen in Zellen aufgenommen. Der pH-Wert in dem internalisierten Vesikel wird auf ca. 5.5 abgesenkt und dadurch Eisen freigesetzt. Eine endosomale Reduktase (STEAP3) reduziert Fe³⁺ zu Fe²⁺,  welches dann durch DMT1 ins Cytosol transportiert wird, wo ein bisher unbekannter Transporter das Eisen übernimmt (28) (Abb. 6).

Der TfR-Trf-Komplex rezykliert an die Zelloberfläche und apo-Transferrin wird dann bei dem höheren pH zurück ins Blut entlassen.

Der Transferrin-Rezeptor 2 ist ein Homologes des TfR1 (45 % Sequenzhomologie), weist aber kein „iron responsive element“ (IRE) auf der mRNA auf und wird nicht durch die intrazelluläre Eisenkonzentration reguliert (29). TfR2 hat eine andere Verteilung als TfR2 (Expression höher in Hepatozyten als in Erythroblasten), ein TfR2-knockout ist embryonal nicht letal wie TfR1, sondern führt phenotypisch zu einer Eisenüberladung. Er bindet zwar Transferrin auch in einer pH-abhängigen Weise wie TfR1, aber mit 25fach niedrigerer Affinität. TfR2 dient weniger der Versorgung von Zellen mit Eisen sondern dient offenbar als Sensor für hepatische Eisenspeicher, um die Aktivität von Hepcidn zu regulieren (30). 

TfR2 hat auch eine mitochondriale Targetsequenz und kürzlich wurde ein neuer Tf/TfR2-Transportweg in Mitochondrien gefunden, der offenbar bei Parkinsonpatienten beeinträchtigt ist (31). Morbus Parkinson (PD) ist eine häufige neurodegenerative Erkrankung, die assoziert ist mit einer Degeneration von dopaminergen Neuronen in der Substantia Nigra (SN). Es ist schon lange bekannt, dass der Eisengehalt in der SN gesteigert ist und dass es dadurch offenbar zu Schäden in Mitochondrien durch gesteigerten oxidativen Stress kommt. 

 Lösliche („soluble“) Transferrin-Rezeptoren (sTfR) entstehen durch proteolytische Abspaltung des Rezeptors von Zellmembranen („shedding“)  und zirkulieren frei im Blutplasma. Die Serumkonzentration von sTrF ist direkt proportional zur Rezeptorkonzentration auf Zellen, wobei sich 80-95 % der TfR auf blutbildenden Zellen befinden. Bei Eisenmangel steigt die Menge an sTfR an, weil die Erythropoesezellen mehr TfR exprimieren. sTfR ist daher ein neuer diagnostischer Parameter, der den Eisenbedarf von Geweben widerspiegelt und in manchen Fällen mit komplexer Anämie eine Aussage über Eisenmangel erbringt, wenn das falsch erhöhte Serum-Ferritin keine Aussage zulässt (32).

Laktoferrin ist ein 80 kDa Mitglied der Transferrin-Familie von eisenbindenden Glykoproteinen (33). Laktoferrin wird exprimiert und sezerniert durch glanduläre Epithelzellen. In besonders hohen Konzentrationen  (7 g/L) kommt es im menschlichen Kolostrum vor. Die genaue Funktion von LF ist unklar. Es gibt LF-Rezeptoren im Dünndarm, sodass eine Funktion von Laktoferrin in der Eisenversorgung von Neugeborenen plausibel erscheinen mag (34). Allerdings befindet sich das reife Neugeborene physiologisch eher im Zustand einer leichten Eisenüberladung, sodass Laktoferrin durch Sequestrieren von Eisen möglicherweise vor den Schäden durch überschüssiges Eisen schützen soll. Unstrittig ist eine Funktion von Laktoferrin im Schutz vor mikrobieller Infektion, indem es das Eisen, dass Bakterien zum Wachstum braucht, bindet.   Melanotransferrin (MTf) ist ebenfalls ein Homologes von Transferrin, es wird membrangebunden in Melanomzellen hochreguliert. Seine physiologische Funktion ist noch unklar (35).

Ferritin und der Ferritinrezeptor                                                                                                Über eine Rolle von Ferritin im Eisentransport wurde lange spekuliert, ohne dass man bis vor kurzem einen definierten Ferritinrezeptor hat charakterisieren können. In Nierenzellen von Mäuseembryonen wurde nun gezeigt, dass TfR1-knockout-Zellen trotzdem effizient Eisen aufnehmen können. Kapselzellen exprimieren dabei das Protein Scara5, das als  Ferritinrezeptor angesehen wird (38).  H-Ferritin scheint auch eine besondere Rolle beim dem Eisentransport ins Gehirn zu spielen (39).

Maus-Oligodendrozyten im Gehirn zeigen histochemisch eine stärkere Eisenanfärbung als alle anderen Gehirnzellen.  Dabei findet man in adulten Zellen kein TfR-Protein und keine mRNA für TfR.  In diesen Zellen wurde dafür das Protein Tim-2 („T-Zell-Immunoglobulin und Mucin domain-containing protein-2“) als Rezeptor für H-Ferritin indentifiziert (40).  Ferritin scheint also für bestimmte Zellen und zu bestimmten Zeiten (Organogenese) eine wichtige Rolle im Eisentransport zu spielen. Beim Menschen gibt es kein Tim-2, hier ähnelt aber Tim-1 dem Maus Tim-2. Es bleibt abzuwarten, ob beim Menschen eine ähnliche Funktion gefunden wird und ob das Serum-Ferritin im Eisentransport eine physiologische Funktion besitzt und bei Eisenüberladung neben der diagnostischen Bedeutung auch eine pathophysiologische Rolle spielt.

Spannungsäbhängige L-Typ-Kalziumkanäle                                                                                                                        Ein weiterer Weg, Eisen in Zellen zu bringen sind Ca-Kanäle. Es gibt eine ganze Reihe von solchen Transportern. Für einige gibt es Hemmstoffe, die als Medikamente schon lange bekannt sind, wie z.B. Nifedipin oder Verapramil.

Oudit et al. haben gezeigt, dass spannungsabhängige L-Typ Calcium-Kanäle (VGLCC) die wesentlichen Transporter für Eisen in Kardiomyozyten bei Eisenüberladung darstellen (41). Verapramil hemmt diese Kanäle und führt zu einer verminderten Eisenaufnahme und zu weniger oxidativem Stress in diesen Zellen. Dies gilt offenbar auch für neuronale Zellen, wo diese Kanäle ebenfalls eine wichtige Rolle bei der Eisenaufnahme spielen (42).

Neben dieser Art von Ca-Kanälen gibt es wohl mindestens einen weiteren Effekt  in Richtung Eisentransport. Die bereits erwähnte G185R-Mutation im DMT-1  führt zu einer mikrozytären Anämie bei Mäusen und Ratten, weil kein Eisen mehr aus Endosomen ins Cytoplasma transportiert werden kann. Gleichzeitig ist der Ca-Transport erhöht. Basierend auf diesem Befund wurde untersucht, inwieweit Calzium-Antagonisten auf DMT1 einwirken (43). Es wurde gezeigt, dass der L-typ Calciumkanal-Blocker Nifedipin (Dihydropyridin-Typ), nicht aber Verapramil, den DMT-1–bezogenen Eisentransport um den Faktor 10-100 erhöht, indem es die Eisentransportaktivität zeitlich verlängert. Interessanterweise führt dies bei eisenüberladenen Mäusen auch zu einer deutlichen  Eisenausscheidung über die Nieren und zu einem deutlichen Abbau der Eisenüberladung. Ob dies auch beim Menschen zutrifft ist  noch unklar.  Dieser Effekt würde eine neue Art der Eisenentzugstherapie ermöglichen, was für einige Krankheitsbilder eine wertvolle Alternativtherapie darstellen könnte.

Mitochondrialer Eisentransport

Die Bedeutung von Eisen in der Funktion von Mitochondrien für die Hämsynthese und für die Bildung von Eisen-Schwefel-Cluster-Proteinen ist gut belegt (44). Es ist aber nicht genau bekannt, wie und in welcher Form die notwendigen großen Mengen an Eisen in Mitochondrien hinein gelangen und wie das dort prozessierte Eisen aus Mitochondrien heraustransportiert wird. Kürzlich wurde ein neuer hochaffiner Eisen-Transporter, Mitoferrin, mtfn (SLC25A37) als möglicher Kandidat für die Haupteisenversorgung von Erythroblasten vorgeschlagen (45). Die menschliche Variante ist, wie bei Zebrafisch und Maus,  hoch exprimiert in Mitochondrien von hämatopoetischem Gewebe wie foetaler Leber, Knochenmark und Milz. 

Mitochondriales Ferritin ist struturell und funktionell ähnlich zu cytosolischem Ferritin, hat aber keine funktionelle IRE-Struktur und wird daher nicht eisenabhängig exprimiert (46). Seine Überexpression führt zu einem Transport von Eisen aus dem Cytosol in die Mitochondrien (47).  In Mäusen wird es in Hoden, Herz, Hirn, Rückenmark, Nieren, Pankreaszellen exprimiert, nicht aber in Leber und Milz (48).  Dies deutet daraufhin, dass es keine Funktion in der Eisenspeicherung hat, sondern protektiv wirksam ist gegen oxidativen Stress in Zellen mit hoher metabolischer Aktivität und hohem Sauerstoffbedarf.

Wesentliche neue Erkenntnisse des Eisentransports kommen von molekularbiologischen Untersuchungen  an Tiermodellen mit bekannten Defekten des Eisenmetabolismus oder an Erkrankungen, bei denen eine Störung  des mitochondrialen Eisentransportes nahe liegt, wie z.B bei der X-chromosomalen sideroachrestischen Anämie (XLSA), bei der XLSA mit Ataxie (XLSA/A) oder bei der Friedreich’schen Ataxie (Tabelle 1.4).

Die häufigste Form (ca. 50 % der Fälle) XLSA beruht auf dem Mangel an delta-Aminolävulinsäuresynthetase Typ 2 (ALAS2) in Erythrozytenvorläuferzellen (49). Dieser Defekt führt zu einer mitochondrialen Eisenakkumulation mit Ringsideroblasten  und zu einer systemischen Eisenüberladung. In manchen Fällen ist eine Therapie mit Pyridoxin, dem Cofaktor von ALAS2, erfolgreich. Mutationen im ABCB7-Gen des Menschen  erzeugen XLSA/A, eine seltene Ursache für eine mitochondriale Eisenakkumulation mit Bildung von Ringsideroblasten. ABCB7 und sein Hefe-Homolog atm1 haben etwas mit der Reifung von [Fe-S]-Cluster-Proteinen zu tun. Es ist nicht klar wie dieser Defekt zu einer hypochromen mikrozytären Anämie führen kann.

Tabelle 5: Gendefekt und Symptome bei hereditären mikrozytären Anämien

Die Friedreich Ataxie (FA) ist die häufigste Ataxieform überhaupt (50). Der Defekt liegt in einer Hyperexpansion eines (GAA)n-Repeats im ersten Intron des FA-Genes, FRDA. FRDA kodiert für ein 210 AS Protein, das Frataxin, dessen Funktion immer noch etwas rätselhaft ist. Frataxin bindet Eisen(II) an negativ geladene Aminosäureresten auf seiner Oberfläche. Als Eisen-Chaperon fördert es die mitochondriale Synthese von eisenhaltigen Molekülen, speziell Eisen-S-Cluster und Häm, und es kontrolliert die eisenbasierte Redoxaktivität (51). Frataxinmangel beeinträcht die Fe-S-Cluster-Synthese und vermindert dadurch die Aktivität von entsprechenden Enzymen. Es hat darüber hinaus möglicherweise eine protektive Funktion gegen oxidativen Stress.  

Eisenspeicherung                                                                                                                               Die intrazelluläre Eisenspeicherung wird durch Ferritin und sein Abbauprodukt, Hämosiderin bewerkstelligt. Apo-Ferritin ist ein sphärisches Protein mit einem äußeren Durchmesser von 12 bis 13 nm und einer inneren Höhle von 7 bis 8 nm (54). Der eisenhaltige Kern von Ferritin ist ein polymeres Ferrihydrat-Phosphat, das bis zu 4500 Atome enthält (maximale Eisen-Sättigung: 34 %). Ferritin besteht aus 24 Untereinheiten, wobei es strukturell zwei verschiedene Typen gibt.  Die Isoferritine in verschiedenen Organen unterscheiden sich in der relativen Menge beider Untereinheiten. In Körpergeweben gibt es ein Mosaik von Heteropolymeren, vom reinen H-Typ bis zum reinen L-Typ. Es gibt Hinweise, dass H-reiche Ferritine (z.B. in Herz, roten Blutzellen, Lymphozyten, Monozyten) mehr für die Detoxifikation von Eisen zuständig sind, während L-reiche Ferritine die Funktion der Langzeit-Speicherung von Eisen wahrnehmen.  

Es gibt zwei unterschiedliche Typen von Kanälen in der Apo-Ferritin-Hülle, vier mit hydrophoben Resten und acht mit sehr polaren Resten.  Durch diese Kanäle wird der Transport von Eisen hinein oder heraus aus dem Käfigmolekül,  Apoferritin, bewerkstelligt. Mit der H-Untereinheit, unabhängig von den beschriebenen Kanälen, ist eine Ferroxidase-Aktivität  assoziiert. 

Plasma-Ferritin unterscheidet sich von Ferritin aus Gewebe (z.B. Leber) durch die Halbwertszeit im Plasma (Plasma-Ferritin ca. 30 h, Gewebe-Ferritin 3-30 min). Die Ursache liegt wahrscheinlich im Kohlenhydratanteil des Plasma-Ferritins. Der Ursprung des Plasma-Ferritins, das in gewissen Bereichen eine quantitative Aussage über das vorhandene Ganzkörperspeichereisen zulässt (erschöpfte Eisenspeicher: < 12 µg/l, Eisenüberladung > 300 µg/l), ist nicht geklärt. Es werden die Meinungen vertreten, dass Serum-Ferritin aus dem RES-System stammt, oder aber auch aus parenchymalen Zellen. 

 Im Gegensatz zum kristallisierbaren und dadurch gut definierten Ferritin ist Hämosiderin eine wasserunlösliche, amorphe Ablagerung. Hämosiderin enthält ein polymeres Eisen(III)-Hydroxid mit unterschiedlicher Core-Größe. Elektronenmikroskopisch ist Hämosiderin ein elektronen-dichtes Teilchen mit einem Inter-Partikel-Abstand kleiner als 5 nm oder ein elektronen-dichter Klumpen, in dem einzelne Partikel nicht zu erkennen sind (55). Im Gegensatz zu Ferritin kommt Hämosiderin ausschließlich in Siderosomen vor.

Regulation durch IREs und IRPs                                                                                                      Die Eisenhomöostase auf zellulärem Niveau wird durch eine dem Bedarf angepasste Expression von Transferrin Rezeptor und von Ferritin bewerkstelligt, die für eine adäquate Aufnahme von Eisen in die Zelle und seine  Speicherung sorgen (aktueller Review 56). Die Regulation der Expression dieser beiden Proteine geschieht posttranskriptional, wobei dafür zwei zytoplasmatische Proteine, IRP1 und IRP2 (IRP= iron regulatory protein), zuständig sind, die an Haarnadel-Strukturen (IREs = iron responsive elements) in der 5' oder 3'- untranslatierten Region der betreffenden mRNAs binden (Abb. 1.6).

Inzwischen wurden eine Reihe Proteine mit unterschiedlichen Funktionen gefunden, die über das IRE/IRP-Netzwerk reguliert werden können: H-Ferritin und L-Ferritin (Eisenspeicherung), eALAS (erythropetische Hämsynthese), Ferroportin (Eisenexport), HIF2alpha (Erythropoese), mAconitase (Citratzyklus); TfR1 und DMT1 (Eisenaufnahme), CDC14A (Zellzyklus) (56). 

IRP1 und IRP2 sind homologe Proteine mit 889 bzw. 964 AS und gehören zur Klasse der Eisen-Schwefel-Isomerasen. Menschliches IRP1 ähnelt zu 58 % der mitochondrialen Akonitase aus Schweineherz und ist identisch mit der lange bekannten cytoplasmatischen Akonitase, deren Funktion damit jetzt erklärt werden kann.  Durch den Vergleich mit der Kristall-Struktur dieses genau charakterisierten Proteins geht man von drei kompakten Domänen aus, die mit einer vierten Domäne durch ein flexibles Gelenk verbunden  sind (Abb. 1.6).

Bei Eisenmangel wird die Initiation der Translation von Ferritin gehemmt. Die Wirkung auf die TfR-Biosynthese ist genau umgekehrt.  Indem IRP an das IRE in der nicht-translatierten Region am 3’-Ende (3´-UTR) der mRNA bindet, wird  der Nuklease-vermittelte Abbau von TfR-mRNA gehemmt und  die Stabilität der TfR-mRNA damit erhöht, sodass mehr Transferrin-Rezeptor gebildet wird. (Abb. 1.7). Bei Eisenüberschuss funktioniert dieser Regelkreis so, dass die Synthese von Ferritin hochgefahren, die von Transferrinrezeptor herunterreguliert wird.

Das menschliche IRP1, das bereits isoliert und kloniert wurde, hat eine hohe Affinität  zu der mRNA-Bindungsstelle (K_d=10-30 pM). Die Akonitasefunktion von IRP1 ist mit einem intakten [4Fe-4S]-Zentrum aktiv und wird inaktiviert, wenn eines der Eisenatome verloren geht. Umgekehrt verhält es sich mit der mRNA-Bindungsfähigkeit. Unter Eisenmangelbedingungen ist die Affinität zur Bindungsstelle sehr hoch.

Ein weiterer Befund ist die Beteiligung von Stickstoffmonoxid (NO) an der zellulären Eisenhomöostase (57). NO kann Eisen aus Eisen-Schwefel-Proteinen freisetzen und damit die IRPs in die hoch-affine Form überführen. Dies könnte ein Mechanismus für die posttranskriptionelle Regulation der zellulären Eisenhomöostase, z.B. bei Entzündungen, darstellen. Des Weiteren wird eine direkte Verbindung zwischen Eisenmetabolismus und oxidativem Stress diskutiert (58). Diese Annahme basiert auf dem experimentellen Befund, dass H₂O₂ in-vivo (nicht in-vitro) auf IRP1 einwirkt, so dass die Akonitaseaktivität inaktiviert und die IRE-Bindungsfähigkeit aktiviert wird.  Weniger genau zu erfassen ist allerdings,  was oxidativer Stress auf molekularer Ebene genau darstellt und welche Bedeutung dabei substantiellen Konzentrationen von H₂O₂ zukommt.  

Es wurden knock-out-IRP1- und -IRP2-Mäuse generiert (59). Sie sind lebens- und vermehrungsfähig und vordergründig phänotypisch wenig beeinträchtigt. Dies gilt aber bei genauer Betrachtung mehr für IRP1- als IRP2-Mangel-Mäuse. Letztere zeigen eine Akkumulation von Eisen im Gehirn und entwickeln eine progressive Neurodegeneration mit Tremor, Ataxie  und Bradykinesie. Sie entwickeln auch eine Eisenmangelanämie durch die mangelnde Expression von TfR auf sich entwickelnden Erythrozyten. IRP2-/- Zellen zeigen einen deutlich fehlregulierten Eisenmetabolismus, wenn Sie unter 3 – 6 % Sauerstoff gehalten werden, was der physiologischen Sauerstoffkonzentration in Geweben entspricht. Unter den laborüblichen Bedingungen von Zellkulturen mit 21 % Sauerstoff wird in IRP2 -/- Zellen IRP1 aktiviert und kann so die fehlende IRP2-Aktivität substituieren. Daraus wird geschlussfolgert, dass IRP2 und nicht IRP1 die Regulation des Eisenstoffwechsels in Säugetierzellen unter physiologischen Bedingungen dominiert (59). Die Arbeiten über IRP knock-out Mäuse legen auch nahe, dass eine Eisenfehlregulation die primäre Ursache für eine Neurodegeneration sein kann. Es wurde ebenfalls gezeigt, dass Zink und Cadmium mit der IRE-Bindungsaktivität interferieren und zwar über IRP1, aber nicht über IRP2 und nicht über die Akonitaseaktivität von IRP1. Diese neuen Daten lassen einen Mechanismus für die biologische Toxizität von Cadmium und hohen Zinkkonzentrationen vermuten, die durch Wechselwirkung mit dem Eisenstoffwechsel zustande kommt. 

Abb. 9: Posttranskriptionale Regulation der Transferrin-Rezeptor- und der Ferrritin-Synthese

Regulation der systemischen Eisenhomeostase                                                                      Eine systemische Regulation des Eisenstoffwechsels kontrolliert die Nahrungseisen- absorption im Darm und die Mobilisierung von Eisen aus den Eisenspeichern, um den Bedarf hauptsächlich für die Erythropese zu decken (60). Da es keine aktive Ausscheidung von Eisen gibt, muss die Aufnahme von Eisen fein reguliert sein. Bei ausreichend vorhandenem Körpereisen wird die Eisenabsorption herunterreguliert, ein Phänomen, das lange bekannt als „Mukosablock“ bezeichnet wurde. Die Absorption von Nahrungseisen ist vom Eisengehalt der Diät abhängig, ein Mechanismus der als „Diät-Regulator“ bezeichnet wurde.  Ferner muss es einen „Speicher-Regulator“ geben, der die Eisenkonzentration im Blut detektiert. Dieser Regulator programmiert Enterozyten in Darmkrypten, die später zu absorbierenden Zottenzellen differenzieren, die dann viel oder wenig Eisen über DMT1 aufnehmen können. Da hier Eisenspeicher in Leber, Muskulatur und Knochenmark mit Darmzellen zusammenarbeiten, muss es sich um eine lösliche Verbindung handeln, ein Hormon. Ein dritter Regulator, der „erythopoetische Regulator, hat bei Eisenmangel direkt Einfluss auf die Eisenabsorption und wirkt stärker als der Speicher-Regulator. Die zelluläre Retention von Eisen bei  Infektion/Entzündung oder Tumorerkrankungen mag ein weiterer Mechanismus sein, um den Wachstumsfaktor Eisen z.B. von invasiven Bakterien fernzuhalten. Dies könnte man als „Entzündungs-Regulator“ ansprechen.

Ein neues Bild von der Regulation des Eisenstoffwechsels ergab sich durch die Entdeckung von Hepcidin, als Hormon und negativer Regulator des Eisenstoffwechsels (21-23, 61, 62). Zusammen mit anderen Proteinen wie HJV, TfR2, HFE, BMP bildet Hepcidin ein feinabge- stimmtes Netzwerk für die Kontrolle der Eisenhomeostase. 

Hepcidin                                                                                                                                   Hepcidin wurde zuerst als antimikrobiell wirksames Peptid im menschlichen Urin isoliert und leap1 (Leber antimikrobielles Peptid) genannt (21). Bei einer knock-out Maus wurde dann eher zufällig die Entwicklung einer hämochromatosetypischen Eisenüberladung festgestellt und so ein Zusammenhang zwischen dem Hamp-Gen (Hepcidin) und dem Eisenstoffwechsel entdeckt (22,23). Inzwischen ist klar, dass Hepcidin den zentralen Regulator der intestinalen Eisenabsorption darstellt (61, 62). Hepcidin bindet an IREG1 und bewirkt eine Internalisierung dieses Eisenexporters, sodass der basolaterale Eisentransport gedrosselt wird (63, 64). Die Synthese von Hepcidin in der Leber ist abhängig von der Leber- und Plasmaeisenkonzentration, wird herunterreguliert bei Eisenmangel und ist erhöht bei Eisenüberladung (Abb. 1.8). Aber auch andere Faktoren sind wichtig, die nicht unmittelbar etwas mit dem Eisenstoffwechsel zu tun haben wie Sauerstoffmangel oder erhöhter Spiegel von Interleukin 6 (Abb. 4). Dies erklärt damit auch die Hemmung der Eisenabsorption bei Hypoxie, Infektionen, Entzündungen und Tumorerkrankungen. Hepcidin kann bisher nur mit  relativ aufwendigen  Methoden im Serum und Urin von Patienten bestimmt werden, wird aber   wohl zukünftig an Bedeutung als neuer diagnostischer Parameter für eine Hemmung  der intestinalen Eisenabsorption gewinnen (65, 66).

Abb. 10:        Synthese von Hepcidin in der Leber. HFE, TfR2 (Transferrinrezeptor 2)  und HJV (Hämojuvelin) müssen intakt vorhanden sein, weil Ausfälle dieser Proteine zu unterschiedlichen Hämochromatoseformen (Typ 1-3)  führen, die alle mit dem Fehlen von Hepcidin einhergehen. Eisenmangel hemmt, gefüllte Eisenspeicher in der Leber oder hohe Plasmaeisenkonzentrationen aber auch chronische Entzündungszustände stimulieren die Hepcidinsynthese.

Durch eine Fehlregulation in der Achse Hepcidin-Ferroportin lassen sich alle bekannten Formen der erblichen Eisenspeicherkrankheit auf einfache Weise erklären. Bei verschiedenen Hämochromatoseformen  liegt ein Hepcidinmangel vor, sodass HFE, TfR2 und Hämojuvelin in der Leber direkt etwas mit der Hepcidinsynthese zu tun haben müssen. Besonders Patienten mit HJV-Mutationen weisen extrem niedrige Hepcidinspiegel auf, sodass HJV vermutlich der wichtigste Hepcidinmodulator ist.

Eine weitere neue Entdeckung ist TMPRSS6, das für eine TypII-Plasmamembran Serin-Protease, Matriptase-2,  kodiert.  Matriptase-2 ist hoch konserviert im Mensch, Maus und Ratte und hoch exprimiert in der Leber.  Ein Mausmodell mit Eisenmangelanämie und Körperhaarausfall wurde von Ernest Beutler auf dem ASH Meeting Ende 2007 vorgestellt, das eine Mutation im TMPRSS6 aufweist (70). Diese Mask-Mäuse können die intestinale Eisenabsorption nicht hochregulieren und haben inadäquat hohe Hepcidinwerte, die die Eisenabsorption blockieren und Ursache der Anämie sind. Momentan wird TMPRSS6 als Eisensensor bei Eisenmangel angesehen, der das Signal der basalen Hepcidinaktivierung über BMP/BMP-R und SMAD abschaltet. Ein mögliches Modell ist in Abb. 1.9. dargestellt.  

Unklar ist weiterhin, über welche Mechanismen HFE und TfR2 auf die Hepcidinaktivierung einwirken. Die Funktion der Matriptase-2 ist beim Menschen konserviert. Erste Studien berichten über einige Familien und wenige sporadische Fälle mit eisenrefraktärer Eisenmangelanämie infolge TMPRSS6-Mutationen (71, 72). Auf solche (seltenen) Fälle ist in der Abklärung von unklarer Eisenmangelanämie zukünftig zu achten.

 Abb. 11          Hypothetischer Mechanismus der Funktion von TMPRSS6 in der Hepcidinaktivierung über HJV, BMP und BMPR. Im Eisenmangel (Schere offen) wird die Hepcidinaktivierung abgeschaltet und es kann vermehrt Nahrungseisen absobiert werden. Bei mutiertem TMPRSS6 (MASK-Maus) bleibt die Hepcinaktivieung bestehen und es kommt zu einer Eisenmangelanämie durch ständige Hepcidinaktivierung. Bei Infekt/Endzündung wird über IL6 der IL6R aktiviert. Über den Signalkaskadeweg STAT3 („signal transducer and activator of transcription 3”, Akute-Phase-Response-Factor) wird ein regulatorisches Element im Hepcidinpromotor aktiviert.

Hepcidin bei Eisenmangel und Eisenüberladung

Die Grundzüge der Hepcidinaktivierung gelten heute als bekannt. Hepcidinmangel ist Ursache der erblichen Eisenspeicherkrankheiten  Typ1-3 und ist bei sekundärer Eisenüberladung theoretisch hochreguliert, sodass kein Eisen mehr aus dem Darm aufgenommen wird (3). Bei Eisenmangel ist Hepcidin niedrig. Bei Infekt/Entzündung ist bei Patienten mit Anämie ist die  Hepcidinkonzentration  im Serum meist hoch, was aber nicht auf einzelnen Patienten zutrifft, bei denen offenbar noch andere Effekte wirken, die Hepcidinsynthese oder – abbau beeinflussen (62). Insgesamt gibt es zum Thema Hepcidin inzwischen unzählige Studien bei einzelnen Krankheitsbildern. Ein großes Problem bisher ist die zuverlässige Bestimmung von Hepcidin im Serum und im Urin. Die ist zum einen methodisch bedingt – es gibt keine guten Antikörper gegen das kleine Peptid-, zum andern scheinen auch Tagesschwankungen und eine Tag-zu-Tag-Variation eine Rolle zu spielen. Auch fehlen standardisierte Bedingungen der Probengewinnung und Verarbeitung. Es bleibt daher abzuwarten, inwieweit Hepcidin den Weg in die Alltagsroutine der Diagnostik bei Eisenmangel und Eisenüberladung finden wird.