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). Stimulierende Faktoren der Eisenabsorption Vitamin C (Ascorbinsäure) in Früchten, Gemüsen, Fruchtsäften etc. Fleisch, Fisch, Innereien („Fleischeffekt“) Bernsteinsäure, Milchsäure, Zitronensäure (bestimmte organische Säuren) Vitamin A und ß-Caroten Hemmstoffe der Eisenabsorption Phenolische Verbindungen, Tannate in  Tee, Kaffee, Rotwein, Hülsenfrüchte Phytinsäure und andere Inositol-Phosphate in Getreideprodukten, Brotsorten, Cerealien, ungeschältem Reis, Nudelprodukten, Nüssen, Sojabohnen Calcium in Milch und Käse 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). 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).   DMT1                                                                                                                                                 Der „divalent metal transporter 1“ (DMT1, DCT1, Nramp2, SLC11A2) hat vier verschiedene Namen, vier Isoformen und transportiert möglicherweise 8 Metalle (8). In zwei lange bekannten Tierstämmen, der mikrozytischen (mk) Maus und in der Belgrad-Ratte, wurde die  G185R Mutation im DMT1-Gen nachgewiesen, die zu einer schweren Eisenmangelanämie bei verminderter gastrointestinaler Eisenabsorption und vermindertem Eisentransport aus Endosomen führt (36). DMT1 hat offenbar  mehrere Funktionen. Der Name DMT1 stellt die Funktion in der Nahrungseisenabsorption in den Mittelpunkt. DMT1 wirkt als Protonensymporter im Oozyten- Assay (8), bei der ein Proton mit jedem Fe2+  transportiert wird. Das würde bedeuten, dass ein leicht azider pH im proximalen Duodenum die Eisenabsorption fördert.  DMT1 ist auch bei dem Transport von Transferrin- gebundenem Eisen in Zellen über den Tf-TfR-Zyklus beteiligt. Durch pH-Änderung in Endosomen wird Eisen freigesetzt und über DMT1 ausgeschleust. Hierbei scheint die (-IRE)-Form von DMT1 beteiligt zu sein . Untersuchungen an der Belgrad-Ratte zeigten, dass auch die Aufnahme von nicht-Transferrin-gebundenem Eisen in Zellen stark von intaktem DMT1 abhängig ist. (-IRE)-DMT1 hat man auch im Kern von neuronalen Zellen gefunden, wobei die  Funktion im Zellkern unbekannt ist (37).   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. 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. 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.     Nukleärer Eisentransport                                                                                                         Nukleäres Ferritin wird von der gleichen mRNA gebildet wie zytosolisches Ferritin und besteht vorwiegend aus H- Untereinheiten. Die Funktion ist offenbar die Speicherung von potentiell toxischem Eisen im Kern. Stimulation von Zellen mit Eisenammoniumcitrat, Zytokinen oder H2O2 führt zu einem Wechsel der Lokalisation vom Zytosol in den Kern und zu einer Bindung an die DNA, wobei keine DNA-bindende Sequenz vorhanden ist. Es gibt auch kein Zellkern-Lokalisations-Signal, sodass nach alternativen Mechanismen einer Kerntranslokation gesucht wurde. Ein Mechanismus wäre die Ferritoid-medierte Ferritin-Translokation (52). Ferritoid ist ein 30-kd-Protein, das in Kornea-Epithelzellen exprimiert wird. Diese Zellen leiden unter UV-Stress und brauchen einen effektiven Mechanismus zum DNA-Schutz (53).         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. 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). 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Eisenstoffwechsel

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.

Eisenmangel

altertümliche Therapie des Eisenmangels (wenig wirksam!)
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