铁调素hepcidin对细菌性肺炎的保护作用、机制及其转化研究

Hepcidin is an acute phase protein synthesized by liver, which plays a key role in iron metabolism through interaction with the only receptor on cell surface, ferroportin. We previously reported that hepcidin expressed in the airway epithelium plays an important role in sepsis-induced lung injury. The expression level of hepcidin in the airway epithelium was increased after cecal ligation and puncture. Silencing the gene worsened lung injury and mortality, and increased the bacterial load in the lungs. However, in bacterial pneumonia, our primary experiment showed that the expression level of hepcidin in the airway epithelium had a significant decrease at 6 hours after infection, while the expression level of ferroportin in the alveolar macrophages increased. Given the important role of iron in bacterial growth and macrophage function, we hypothesize that the increased level of ferroportin in the alveolar macrophages leads to the release of intracellular iron to lung tissue, which promotes the growth of invading bacteria, and also inhibits macrophage phagocytosis through influence of small molecules G protein activity, and finally deteriorates bacterial pneumonia. Based on the hypothesis, enhancing the expression of hepcidin in airway epithelium or given exogenous activated fragment of hepcidin can effectively prevent bacterial pneumonia. This study not only elucidates the protective effect and mechanism of airway epithelium derived hepcidin in the pathogenesis of bacterial pneumonia, but also explores its translational value as a therapeutic target for bacterial pneumonia, which has important clinical significance.

铁调素是主要由肝脏合成的急性期蛋白，通过与细胞表面膜铁转运蛋白作用，在机体铁代谢中发挥关键作用。项目组前期报道：气管上皮来源的铁调素在脓毒症肺损伤中有重要作用；小鼠盲肠结扎穿孔诱导脓毒症后，气管上皮铁调素表达水平增高；特异性沉默该基因加重肺损伤和死亡率，肺部细菌负荷增加。但在细菌性肺炎中，预实验发现，小鼠气管上皮铁调素表达水平在感染后6h出现明显下降，肺泡巨噬细胞膜铁转运蛋白表达水平上升。鉴于铁对细菌生长和巨噬细胞功能的重要影响，我们推测：肺泡巨噬细胞膜铁转运蛋白表达增加后，释放胞内铁至肺组织，一方面直接促进入侵病原菌生长繁殖，一方面通过影响小分子G蛋白活性抑制巨噬细胞吞噬功能，恶化细菌性肺炎；增强气管上皮细胞铁调素表达或给予外源性铁调素能有效防治细菌性肺炎。该研究不仅阐明气管上皮细胞铁调素在细菌性肺炎发病中的保护作用及机制，并探索其作为细菌性肺炎治疗靶点的转化研究价值，具有重要临床意义。

肺炎是世界上最常见的感染性疾病，严重威胁着人类的生命健康。细菌性肺炎是最常见的肺炎类型，也是最常见的感染性疾病之一。目前临床上对细菌性肺炎的治疗除应用抗菌药物和辅助治疗外，尚无特异有效的手段，原因在于其发病机制尚未完全明确。铁调素（Hepdicin，Hamp1）主要是由肝脏合成并分泌的小分子阳离子抗菌肽，可与目前唯一已知的哺乳动物铁输出蛋白—膜铁转运蛋白（ferroportin，Fpn1）结合来调节机体铁代谢。研究表明，肝脏来源的铁调素在机体的免疫防御和抗感染过程中发挥重要作用。前期研究发现，铁调素在气道上皮细胞也有大量表达，但是气道上皮细胞来源的铁调素在细菌性肺炎发病中的作用尚未见研究报道。 本项目以临床常见的细菌性肺炎病原菌（包括肺炎链球菌、大肠杆菌、绿脓杆菌、金黄色葡萄球菌和肺炎克雷伯菌等）作为研究对象，在野生型（WT）小鼠和铁调素缺陷（Hamp1 KO）小鼠中采用气管内注射细菌的方式诱导肺炎，观察铁调素对细菌性肺炎小鼠的生存情况、细菌负荷、铁含量和巨噬细胞吞噬能力的影响，并阐明其机制。本项目发现：在临床常见的细菌性肺炎病原菌感染后，小鼠气道上皮细胞中铁调素水平降低，肺泡巨噬细胞上铁转运蛋白水平和肺组织铁浓度升高；气道上皮细胞铁调素缺失则恶化细菌性肺炎的预后，但调控巨噬细胞铁转运蛋白特异性缺失（Fpn1LysM/lysM）的小鼠的气道上皮细胞中的铁调素水平并不影响细菌性肺炎的进展；肺组织铁浓度的增加不仅促进细菌的生长，而且通过氧化RhoGDI 促使RhoAGTP 酶解离并活化RhoA GTP酶，导致肺泡巨噬细胞吞噬功能减弱；提高气道上皮中的铁调素水平能显著降低临床常见的细菌性（包括肺炎链球菌、大肠杆菌、绿脓杆菌、金黄色葡萄球菌和肺炎克雷伯菌等）肺炎小鼠的死亡率。本项目揭示了气道上皮细胞来源的hepcidin在细菌性肺炎发病中的重要作用，为细菌性肺炎的防治提供了新的分子靶标和治疗策略。