铁蛋白的化学与生物学功能

1. 引言

铁是生物体系中必不可少的元素，对于氧气运输、细胞能量产生以及作为酶促反应的辅因子或催化剂都至关重要。在人类体内，70%的铁被整合到血红蛋白中，以在红细胞中携带氧气。由于其特定的电子排布，铁可以作为氧化还原催化剂，例如在铁依赖的组蛋白去甲基化酶中发挥作用。此外，铁还存在于铁-硫（Fe-S）簇和血红素基团中。尽管铁对生命至关重要，但过量的细胞铁是有毒的，因为游离态的铁会导致氧化应激，因此细胞已经进化出一种复杂的系统来平衡细胞铁的导入、导出和储存，以调节铁的稳态。铁蛋白是一种多聚体蛋白，形成纳米笼结构，可容纳多达约4500-5000个铁原子。铁蛋白在所有形式的细胞生命中普遍存在（酵母菌除外），除了储存铁之外，还具有广泛的功能，包括维持细胞铁浓度、从入侵病原体中夺取铁以及保护细胞免受氧化应激。铁蛋白已被表征为胞质蛋白，但也存在于其他细胞区室，如细胞核、线粒体和溶酶体，铁蛋白的一小部分位于血清中。本综述报告了关于铁蛋白结构和功能的最新发现，并重点介绍了铁蛋白在不同细胞区室中的定位和功能的新知识，将其功能与具有空间分辨率的铁稳态联系起来。我们还讨论了铁蛋白在一种称为铁死亡的程序性细胞死亡形式中的作用，这是一种铁依赖的程序性细胞死亡，对从癌症到阿尔茨海默病（AD）等多种疾病具有重要意义。此外，我们还阐述了铁蛋白在各种疾病（如癌症、2019冠状病毒病（COVID-19）、高铁蛋白血症、肾脏疾病）中的作用以及作为诊断和预后标志物的用途。最后，我们描述了基于铁蛋白的生物纳米技术及其应用。

2. 铁蛋白的结构与活性

2.1 铁蛋白基因与铁蛋白超分子组装

铁蛋白蛋白超家族可分为三个主要亚类：经典铁蛋白（Ftn）、含血红素的细菌铁蛋白（Bfr）和饥饿细胞中的DNA结合蛋白（Dps）。Ftn和Bfr由24个亚基组成，而Dps较小，只有12个亚基。Ftn存在于植物、细菌和动物中，而Bfr和Dps仅限于原核生物。基于结构和序列同源性的系统发育网络分析得出结论，这三个亚类都有一个共同的祖先。此外，最近在细菌和古菌中发现了一种新型铁蛋白——包被铁蛋白，并且已通过质谱法表征了其组装途径。

人类铁蛋白由两种不同的亚基组成，轻链（L-铁蛋白）和重链（H-铁蛋白）的分子量分别为19 kDa和21 kDa，其基因（FTH1和FTL）分别位于11q和19q染色体上。这两个亚基具有约55%的序列同源性，并具有相似的三维结构，由四条平行和反平行的螺旋（A-D）以及一条与其他螺旋形成60°角的较短的第五条E螺旋组成（图1A）。人类铁蛋白亚基共同组装形成一个几乎呈球形的纳米笼，其内径和外径分别为8纳米和12纳米。铁蛋白纳米笼包含六个由四个单体的E螺旋形成的疏水四重（C4）通道和八个狭窄的亲水三重（C3）通道，后者是铁离子的通道（图1B和C）。重要的是，由此形成的纳米笼将铁核与外部环境分离，在pH值3至9之间非常稳定。

图1 铁蛋白亚基及铁蛋白纳米笼的结构。(A) 人类H型铁蛋白（PDB ID：4ZJK）和L型铁蛋白（PDB ID：6TSF）的结构。尽管H型铁蛋白和L型铁蛋白之间的序列同源性约为55%，但它们的3D结构相似。(B) 铁蛋白24聚体纳米笼的结构，其中包含构成离子通道的C3轴和C4轴（PDB ID：2FG8）。(C) 铁蛋白纳米笼内的铁和氧元素。铁离子通过3倍和4倍对称轴通道进行传输。铁原子和氧原子在成核位点处累积（PDB ID：6TSF）。(D) 左图：人类H型铁蛋白中的Fe2+结合位点（根据PDB ID：3AJO修改）。天冬氨酸残基（粉色）和谷氨酸残基（橙色）位于C3通道中。谷氨酸残基（蓝色）允许离子在C3通道出口和铁氧化酶位点之间转运。L型铁蛋白的结构和结合位点与之相似。右图：H型铁蛋白中铁氧化酶中心的Fe2+结合位点（根据PDB ID：4YKH修改）。(E) H型铁蛋白和L型铁蛋白的氨基酸序列，其中Fe2+结合位点用颜色标记[来自UniProtKB—P02792（FRIL_HUMAN）和P02794（FRIH_HUMAN）]。高亮显示的序列和彩色字母对应于A–E螺旋。

铁蛋白自组装的机制已通过一种简单模型进行描述，该模型仅将四聚体、六聚体和十二聚体视为中间产物。 Sato等人表明，大肠杆菌铁蛋白A可在酸性pH条件下解离形成二聚体，这些二聚体保持类似天然的二级和三级结构，且当pH升高时可重新组装成24聚体铁蛋白。此外，铁蛋白组装的速率随离子强度的增加而增加，这表明组装单元之间的局部主要是排斥性的静电相互作用在铁蛋白自组装动力学中发挥作用。有趣的是，利用pH和离子强度为将小分子捕获到铁蛋白纳米笼中提供了手段，可用于药物递送等生物技术应用。使用Förster共振能量转移技术能够阐明铁蛋白自组装的机制和动力学。H/L异二聚体的形成在动力学上更快，且在热力学上比H/H同聚物更有利，这是铁蛋白自组装的初始步骤。这解释了结构化铁蛋白倾向于形成异聚物而非同聚物的原因。可以认为，大多数铁蛋白多聚物是由两种铁蛋白亚基组成的异聚物，即使其中一种亚基的浓度远低于另一种，这一规律依然成立。H/L比率还进一步由各自细胞区室中每种亚基的丰度和生物利用度决定。

最近，低温扫描透射电子显微镜技术使得人们能够深入了解铁蛋白的结晶过程，而这一过程无法用经典理论或两步成核理论进行预测。作者发现，无定形前体经历去溶剂化，从而形成聚集体，这些聚集体的有序度和密度从表面向内部连续增加。这一发现可进一步利用，因为结晶过程对于药物制剂或生物纳米技术应用至关重要。

2.2 铁离子载入铁蛋白和铁氧化酶活性

每个铁蛋白复合物可包含数百至4500–5000个铁原子。重要的是，两种铁蛋白亚基具有不同的功能。H型铁蛋白亚基通过双核铁结合位点具有铁氧化酶活性（图1D），而L型铁蛋白亚基则缺乏此位点。因此，L型铁蛋白亚基的主要功能被认为是在铁蛋白多聚体核心内储存和矿化铁。已有文献记录了铁的氧化和载入铁蛋白的过程，其中包括了体外反应动力学的表征。一旦Fe2+在铁氧化酶位点被氧化为Fe3+，它会迅速移向位于L型铁蛋白亚基上的成核位点，随后让下一个Fe2+离子进入铁氧化酶位点。通过这种方式，异聚物中L型铁蛋白亚基的存在增强了H型铁蛋白亚基的铁氧化酶活性，因此，这种协同作用促进了H/L异聚物中铁的氧化和核心的形成。因此，H亚基在Fe2+快速氧化为Fe3+中起主要作用，而L亚基则从中心清除铁以支持铁的矿化和储存。有趣的是，仅由L亚基组成的铁蛋白纳米笼仍然可以将Fe2+氧化为Fe3+，但速率要低得多。一旦Fe2+离子到达催化位点，它们就会被分子氧（O2）或过氧化氢（H2O2）氧化，从而产生铁蛋白氧化物矿物，如纤铁矿（5Fe2O3·9H2O）、磁铁矿（Fe3O4）、磁赤铁矿（γ-Fe2O3）或赤铁矿（α-Fe2O3），具体取决于铁蛋白的生物环境和铁载入量。有人提出了铁蛋白核心内铁氧化的机制，其中Fe(III)-O-Fe(III)位于铁氧化酶中心，直到被Fe2+离子取代。最近使用差分脉冲伏安法的一项研究揭示了铁蛋白中铁氧化机制的逐步解析。迄今为止，只有C3通道被证明参与铁的载入和铁氧化酶活性，但这项研究提供了新的证据，表明C3和C4通道都具有功能。在铁载入铁蛋白的过程中，矿物核心会演化出不同的模式；它沿着铁蛋白外壳生长，并最终形成固体或空心结构。现在重要的是要研究这些不同的铁核心结构如何影响细胞中铁蛋白的功能。

C3通道是亚铁离子进入铁蛋白纳米笼的主要通道（图1C）。分子动力学研究可以确定C3通道中亚铁离子的结合位点（图1D），在那里亚铁离子可以同时结合。当第四个离子靠近通道入口时，最深处的离子会从内部结合位点释放并移动到铁氧化酶位点。铁载入铁蛋白可能取决于围绕铁蛋白多聚体的游离铁浓度。较高的游离铁池（LIP）会影响反应动力学，并导致更多的铁储存到铁蛋白中。两个谷氨酸残基构成了额外的Fe2+结合位点，连接铁蛋白离子通道出口和铁氧化酶催化位点或成核位点（图1D和E）。在一项关于R. catesbeiana H型铁蛋白的研究中，作者比较了Fe2+、Mg2+和Zn2+的转运，并得出结论：C3通道中的E130残基可能通过影响离子的扩散动力学而对进入的金属离子产生选择性。D127残基的金属离子结合羧酸盐决定了离子通道大小以及内部出口附近的静电性质。铁蛋白链序列中的单个突变，如D127E，可以通过改变静电性质来极大地影响铁通过通道的转运。这可以显著降低铁蛋白的酶活性以及多聚体内铁矿物核心的形成。游离铁可以通过扩散进入铁蛋白通道。在人类中，被称为人多聚（rC）结合蛋白1和2（PCBP1和PCBP2）的伴侣蛋白据报道可促进铁向铁蛋白的递送。PCBP1和PCBP2是DNA和RNA结合蛋白，在哺乳动物中高度保守，广泛表达并位于细胞质和细胞核中。由于它们作为细胞质铁伴侣蛋白将铁递送给铁蛋白，它们在细胞内的铁流通中起主要作用。由于PCBP1和铁蛋白都存在于细胞核中，因此可以认为PCBP1可能负责将铁递送到细胞核，甚至可能还有其他细胞区室。需要更多的研究来阐明这些机制。此外，PCBP1还与BolA家族成员2（BolA2）和谷胱甘肽形成铁伴侣复合物，用于在BolA2–Glrx3（谷氧还蛋白3）上组装细胞质[2Fe–2S]簇。因此，PCBP1不仅参与铁的储存，还参与细胞内数百种蛋白质活性所需的铁硫簇的合成。迄今为止，PCBP1是已知的唯一与铁蛋白相互作用的铁伴侣蛋白，但可能还有其他未确定的伴侣蛋白，负责从铁蛋白加载或卸载铁，这一领域值得进一步研究。

3.铁蛋白定位

3.1 铁蛋白在不同器官和组织中的分布

H型和L型铁蛋白亚基以特定比例共组装成24聚体，这一比例取决于组织类型。早期一项研究比较了肝脏和胎盘中铁蛋白的组成，发现这些不同器官中铁蛋白亚基的组成存在巨大差异。含有脂质不溶性铁蛋白（LIPs）的组织，如肌肉组织或大脑的许多组织，往往新陈代谢和能量转换较快。这些LIPs可能导致活性氧（ROS）的形成，而这些组织往往表达高水平的H型铁蛋白。小鼠实验证明了这一点，即H型铁蛋白缺乏的小鼠大脑中铁水平正常，但氧化应激增加，其他铁稳态蛋白也发生变化。心脏组织中也含有大量H型铁蛋白，且富含铁。在肝脏或脾脏等涉及铁储存的器官中，观察到L型铁蛋白水平较高。铁蛋白在肝脏内的分布并不均匀，而是积聚在肝细胞和网状内皮细胞中，这在大鼠实验中得到了证实。这表明肝脏的某些区域负责铁储存。特定的转录程序负责控制H型铁蛋白的表达。有趣的是，在肝脏和心脏中（以及可能在其他器官中），L型铁蛋白和H型铁蛋白的表达在转录和转录后水平均受到调节。使用四环素诱导型启动子表达H型铁蛋白的转基因小鼠实验结果表明，H型铁蛋白的表达随铁含量变化而变化，并能诱导铁缺乏表型，这表明H型铁蛋白能够主动调节整体组织铁平衡。鉴于核受体共激活因子4（NCOA4）和H型铁蛋白在铁蛋白自噬过程中的相互作用，NCOA4可能更倾向于降解富含H型铁蛋白的铁蛋白聚合物，而非L型铁蛋白聚合物。因此，H型铁蛋白和NCOA4的表达可能会影响不同组织和器官中铁的释放速率。

3.2 铁蛋白在细胞内的定位与功能

最初，铁蛋白主要被视为一种具有普遍铁储存功能的胞质蛋白。然而，铁蛋白也存在于其他细胞区室中，如细胞核、线粒体或溶酶体，其在这些区室中的作用会根据细胞环境的不同而有所差异（图2）。线粒体铁蛋白可以保护细胞免受活性氧（ROS）的损害，从而防止铁死亡。在不同细胞区室中，L型铁蛋白（L-ferritin）和H型铁蛋白（H-ferritin）的表达可能存在差异。在肝脏和脾脏细胞中，H型铁蛋白主要存在于细胞核中，而L型铁蛋白则主要存在于胞质中。此外，特定的受体还可以通过内吞作用摄取外源性铁蛋白。要进一步研究这一过程如何精确影响细胞的铁稳态，以及它与转铁蛋白或透明质酸盐的受体介导铁内吞作用或通过膜铁通道的铁摄取过程有何关联，还需开展更多研究。在铁耗竭的条件下，铁蛋白会出现在溶酶体区室中，更具体地说，是在自噬体和自溶酶体中，这一过程称为铁蛋白吞噬作用，它能够从铁蛋白储存中释放出游离铁。

图2 铁蛋白在细胞内的定位与功能。该图示描绘了铁蛋白在细胞内的定位与组成（红色文字部分）。图中标明了铁蛋白的各种功能。外源性铁蛋白可通过膜受体转铁蛋白受体1（TfR1）和清道夫受体A类成员5（Scara5）内化，并通过一种依赖于Prominin2蛋白的途径排出。铁蛋白的排出是通过非经典途径进行的。铁蛋白可存在于不同的细胞区室中，包括胞质、线粒体和细胞核，并可作为铁的储存库。铁蛋白向细胞核的转运机制目前尚不清楚。在细胞核内，铁蛋白可保护DNA免受氧化损伤，并提供铁储备，以及可能为组蛋白和DNA去甲基化等过程提供铁。铁是控制表观遗传可塑性的关键因素。线粒体铁蛋白可以保护细胞免受活性氧（ROS）的损害，从而防止铁死亡。多聚胞苷酸结合蛋白1（PCBP1）是一种向铁蛋白输送铁的伴侣蛋白。铁蛋白的降解由核受体辅激活因子4（NCOA4）介导，NCOA4是一种将铁蛋白运送到自噬体的货物受体。铁蛋白多聚体在自溶酶体中的降解会释放出铁，这些铁将成为游离铁池的一部分。

核铁蛋白可以通过螯合铁并防止不受控制的芬顿反应，或直接与DNA结合来保护DNA。核铁蛋白主要是H型铁蛋白而非L型铁蛋白，这可能表明核铁蛋白的作用并不仅仅是储存铁。此外，在角膜上皮细胞（CE细胞）中，核铁蛋白会下调c-Jun N-末端激酶（JNK）信号通路，从而防止细胞损伤（尤其是紫外线辐射）引起的凋亡。这项关于CE细胞的研究揭示了一个反馈循环：JNK信号增强会促进核铁蛋白的产生，而核铁蛋白反过来会降低JNK信号通路的活性。重要的是，近期研究表明，核铁蛋白在癌细胞可塑性中发挥着作用。然而，目前尚不清楚铁蛋白是如何从胞质转移到细胞核的。在CE细胞中，一种名为铁蛋白体的分子能够与铁蛋白结合，并促进其转移到细胞核中。但铁蛋白体是CE细胞特有的，其他分子可能参与了铁蛋白的核转运。此外，这一机制尚未在其他细胞类型中得到验证。此外，铁蛋白是以单体还是多聚体的形式进行转运，以及自组装过程发生在何处，这些问题仍有待确定。

铁蛋白（Ftn）家族还包括线粒体铁蛋白（FtMt），后者由人类基因组5号染色体长臂（5q）上不含内含子的FTMT基因编码。FtMt定位于线粒体基质中，并在高代谢活性细胞如心脏和大脑中表达。线粒体铁蛋白属于H型铁蛋白，这表明其作用不仅限于储存铁，还可能用于控制线粒体中的游离铁池（LIP），后者是各种代谢过程所必需的。FtMt的信使核糖核酸（mRNA）缺乏经典的铁反应元件（IRE）茎环结构，因此其翻译似乎并不受细胞内铁水平的调节，这与H型和L型铁蛋白不同。FtMt具有一个用于线粒体导入的N端前导序列。一旦进入线粒体，该前导序列会被切除，FtMt肽段形成24聚体的铁蛋白壳结构，以类似于胞质H/L型铁蛋白的方式结合铁元素。FtMt的成熟氨基酸序列与H型铁蛋白有77%的同源性，并包含铁氧化酶中心的所有残基。然而，尽管它们在铁氧化酶中心具有相似性，但H型铁蛋白和FtMt在氧化和水解化学方面存在差异。FtMt在初始Fe²⁺氧化后无法再生其铁氧化酶活性，且铁氧化和铁矿化速率较慢。因此，FtMt能够控制线粒体中的游离铁水平。有趣的是，研究发现FtMt能够保护神经元细胞免受氧化损伤和erastin诱导的铁死亡。

3.3 血清铁蛋白

铁蛋白也可由细胞分泌，并存在于血清中，其中主要由L型铁蛋白亚基构成。 L型铁蛋白主要参与铁的储存和矿化。因此，血清铁蛋白可能携带铁，但并不携带细胞外的游离铁。重要的是，有研究表明，血清铁蛋白有很大一部分来源于巨噬细胞。哺乳动物铁蛋白没有用于经典内质网-高尔基体分泌途径的信号肽。相反，在H型和L型亚基的BC环上发现了一种独特的、仅存在于铁蛋白中的13个氨基酸序列，该序列对铁蛋白的分泌似乎至关重要。目前尚不清楚铁蛋白是以单体还是多聚体的形式分泌。同样，也不清楚在分泌过程中铁是否与铁蛋白结合，或者铁是否能在血清中结合到铁蛋白上，这引发了血清铁蛋白水平在多大程度上能反映血清铁浓度的问题。为了更好地理解血清铁蛋白作为铁载体、输送或储存系统的作用，这些问题还有待解答。

4.铁蛋白与健康及疾病的关系

4.1 铁蛋白作为预后因素

人体中的铁蛋白大部分存在于细胞内，少量存在于血清中，血清铁蛋白可以携带铁。与细胞内的铁蛋白相比，血清铁蛋白的铁含量较低，但它仍然对细胞铁的输送有重要贡献。血清铁蛋白水平常被用来估算人体内的铁含量，并在血液检查中作为诊断指标。血清铁蛋白水平高可能反映遗传性和获得性铁过载疾病，如血色病或输血治疗，而血清铁蛋白水平低则可能表明缺铁性贫血。疾病进展与血清铁蛋白水平之间似乎存在正相关关系。诊断值显示，血清铁蛋白是诊断铁缺乏症的非常有力的指标，其效力超过红细胞或转铁蛋白饱和度。鉴于存在其他细胞摄铁途径，如CD44和脂钙蛋白-2，转铁蛋白饱和度可能并不是衡量体内铁水平的非常可靠的指标。然而，测量血清铁蛋白水平并不能提供铁蛋白是以单体还是多聚体形式存在的线索，在后一种情况下，也无法确定铁蛋白壳是空的、完全装载了铁还是处于中间状态。考虑到所有这些因素，不同患者通过血清铁蛋白测量的铁含量可能有所不同。直接观察血清中的铁含量可能更能近似反映体内的铁水平。铁蛋白水平可以提供关于铁储存、输送和炎症的额外信息，但在诊断和预后方面，不应将其视为铁水平的绝对指标。铁蛋白也可能是某些类型癌症的预后因素，已有报道指出其在乳腺癌、卵巢癌、胰腺癌、以及晚期非小细胞肺癌等疾病中的作用。

4.2 铁蛋白与炎症

血清铁蛋白已被描述为急性和慢性炎症的标志物，并在多种炎症状态下升高，包括类风湿性关节炎、系统性红斑狼疮、慢性肾脏病、由SARS-CoV-2病毒引起的COVID-19、急性感染、甲状腺炎等。有趣的是，在类风湿性关节炎患者的滑膜液和细胞中检测到了铁蛋白水平升高，并且据报道铁蛋白水平与疾病严重程度相关。铁蛋白已被证实是炎症和M1型巨噬细胞活化的标志物。高铁蛋白血症（血清铁蛋白≥500 ng/ml）是区分流感A病毒感染确诊住院患者亚群的一个潜在标志物，这些患者发生不良结局（如呼吸衰竭、入住重症监护病房或住院期间死亡）的风险较高。血清铁蛋白显著升高可能表明单核-巨噬细胞系统被激活，这是炎症细胞因子风暴的关键部分。重要的是，处于严重状态的COVID-19患者常因细胞因子风暴导致的过度失控炎症反应而死亡。在大多数重症COVID-19患者中，炎症血清生物标志物（白细胞介素-6、凝血指数和铁蛋白）表明可能存在炎症风暴。重要的是，糖尿病COVID-19患者的炎症生物标志物水平更高，包括铁蛋白水平升高，这在此情境下将细胞代谢和铁联系起来。然而，该研究并未记录涉及的是哪种类型的糖尿病。一个重要的问题是，铁蛋白是炎症的介质还是结果。H型铁蛋白似乎可以调节巨噬细胞对免疫刺激的反应，并在保护机体免受铁诱导的氧化应激方面发挥重要作用。巨噬细胞中H型铁蛋白的过表达会导致其根据环境中的细胞因子向M1或M2状态极化。此外，在脊髓损伤（SCI）的啮齿动物模型中，与未受伤动物相比，SCI动物受伤（脊髓）和非受伤（脾脏）组织的巨噬细胞的胞质溶胶和溶酶体中铁蛋白密度增加。这种增加伴随着SCI大鼠血清铁蛋白水平升高，这表明SCI诱导Toll样受体4激活，刺激系统性铁扣留，从而促进巨噬细胞摄取SCI引起的出血和细胞死亡释放的铁。然而，之前的一些研究描述了铁蛋白既具有促炎作用又具有免疫抑制作用，这可能不仅取决于背景和激活的各种信号通路，还取决于所涉及铁蛋白分子的作用和定位、多聚体中的H/L比例以及单体铁蛋白在这些炎症通路中的潜在作用。铁蛋白作为铁提供者或储存者的功能可能是关键，其调节机制可以解释不同的观察结果。

在肾脏疾病中，尽管不同地区（欧洲、日本和美国）的中位铁蛋白水平存在差异，但已有文献记录显示，这三个地区患者升高的铁蛋白水平与升高的死亡率相关。然而，由于不同地区可能存在的静脉补铁剂量、炎症、贫血管理策略或饮食差异，铁蛋白作为生物标志物的应用受到限制。由于透析患者在透析过程中会丢失铁，因此他们经常补充铁剂，这引发了关于补铁安全性的争论。这也提出了铁蛋白和铁在该病发病机制中有多大程度影响的问题。为了阐明这一问题并改善患者护理，需要进一步研究。

4.3 铁蛋白在癌症诊断中的作用

许多类型的癌症中，铁和铁蛋白的水平都存在异常。癌细胞通常会表现出铁水平升高，这既可能是通过上调细胞对铁的摄取和保留来实现的，也可能是通过减少铁的排出来实现的。通常，与正常组织相比，癌细胞中的铁蛋白水平也会升高。细胞内铁的增加在癌症的发病机制中发挥着多种作用，包括代谢、癌症生长和转移灶的形成。多种类型的癌症中铁蛋白会上调，从而促进铁储存增加，同时限制铁依赖的活性氧（ROS）产生。血清铁蛋白水平升高与多种类型癌症的不良预后相关，包括乳腺癌、结直肠癌、肝癌、肺癌、弥漫性大B细胞淋巴瘤、前列腺癌、和口腔癌等。有趣的是，血清铁水平作为癌症的预后和诊断标志物，其效果优于血清铁蛋白，这表明血清铁蛋白和铁水平之间并不一定相关。这可能是由于不同患者血清铁蛋白上的铁负载不同。癌症通常与贫血相关，而铁蛋白水平升高可能反映了肿瘤细胞内的铁积累，或是与肿瘤相关炎症（涉及肿瘤相关巨噬细胞）有关。

4.4 铁蛋白与癌症中的细胞可塑性

细胞响应环境刺激而改变其表型的能力被称为细胞可塑性。在这一过程中，染色质状态会发生变化，这些变化可能与癌症的特征密切相关。肿瘤微环境或治疗干预引起的压力可以改变DNA和组蛋白去甲基化酶，重塑染色质景观，从而可能导致细胞可塑性和药物耐药性的产生。在上皮肿瘤中，具有干细胞样特性的一小部分细胞，即癌症干细胞（CSCs），会经历上皮-间质转化（EMT），在此过程中它们会失去极性和粘附特性，从而获得迁移和侵袭性表型，并在迁移到体内远处部位后形成转移灶。EMT受到包括表观遗传修饰、线粒体代谢、转录和翻译调控、可变剪接、蛋白质稳定性和亚细胞定位等不同水平的调节。由于CSCs是药物耐药性、复发和转移的主要促成因素，因此靶向这些细胞成为癌症治疗中的一大挑战。

CSCs中铁稳态失调，这些细胞的铁周转率增加，并且通常含有更高水平的铁蛋白。最近，在间质肿瘤细胞中发现了一种替代性的铁摄取机制。这些细胞不是通过经典的转铁蛋白受体途径摄取铁，而是在经历EMT时倾向于通过CD44介导的替代途径将铁结合透明质酸内化。（图3）与受过量铁负调控的转铁蛋白受体（TfR1）不同，CD44受核内铁的转录上调，从而使间质细胞能够更大程度地摄取铁。该研究进一步表明，核铁作为金属催化剂促进组蛋白去甲基化，成为表观遗传可塑性的限速因素。特别是，铁依赖性去甲基酶PHD指蛋白8（PHF8）可去除组蛋白H3赖氨酸9二甲基（H3K9me2）抑制标记，在调控间质基因表达和细胞可塑性方面发挥重要作用。这与间质状态下核铁蛋白水平升高相关，这可能对核铁的传递和/或储存至关重要。另一项关于乳腺癌细胞的研究显示，具有侵袭性间质表型的细胞中铁蛋白表达上调，并伴有核H-铁蛋白水平升高和游离铁水平降低。在胶质母细胞瘤起始细胞中，H-铁蛋白上调，成为肿瘤细胞存活的关键因素。因此，H-铁蛋白可能在肿瘤细胞存活和可塑性中发挥主要作用。然而，铁转运入核的机制以及核铁蛋白的确切作用仍有待阐明。H-铁蛋白可能介导铁转运入核，或者在核内对铁储存是必需的。它还可能通过还原铁蛋白铁核来提供游离铁。所有这些都需要进一步研究，以阐明其在表观遗传可塑性中的确切作用。有趣的是，在A549肺癌细胞中，转化生长因子β1诱导的EMT通过铁蛋白自噬增强H-铁蛋白降解，并从溶酶体中泄漏游离铁，导致活性氧（ROS）产生，从而在EMT过程中进一步引发自噬。这些细胞中铁蛋白的降解导致游离铁增加，这可能为组蛋白去甲基酶提供铁的替代机制，值得进一步研究。在卵巢癌中，H-铁蛋白通过抑制EMT来抑制癌症增殖和CSC增殖。据推测，这种调节至少部分是通过参与细胞迁移和EMT基因表达的一组微小RNA实现的。综上所述，应进一步研究不同细胞类型和细胞组分中铁蛋白（包括H/L链组成）与游离铁池之间的联系。

图3：细胞铁蛋白在铁死亡中的作用。细胞过程示意图，其中铁蛋白作为铁稳态的核心调节因子。铁离子可通过转铁蛋白受体（TfR1）或CD44-透明质酸被摄取，随后被还原为亚铁离子并释放到细胞质中。STEAP3是负责铁离子还原的还原酶，而DMT1是负责亚铁离子转运至细胞质的蛋白质。CD44介导的铁内吞过程中这些过程的介导机制尚需进一步研究。外源性铁蛋白也可直接通过TfR1或Scara5受体被摄取。游离的亚铁离子可储存在铁蛋白多聚体内或通过Fpn输出。内吞作用和铁蛋白降解是产生不稳定铁池的主要原因。不稳定铁可产生氧化应激和脂质过氧化物，进而引发铁死亡。GPX4可防止脂质过氧化物的积累。SGH=谷胱甘肽；GSSH=谷胱甘肽二硫化物。线粒体铁蛋白（MtFt）可保护细胞免受铁死亡的影响。

由于特定癌细胞中铁含量上调，因此有两种主要方法靶向这些癌细胞：剥夺癌细胞的铁，或者相反，利用癌细胞中过量的铁来诱导其死亡。可以使用去铁胺（DFO）或DpdtC等铁螯合剂来抑制上皮-间质转化（EMT）。有趣的是，通过使用可进行点击化学的DFO合成衍生物的荧光标记，发现该分子主要存在于细胞核中，这表明DFO通过抑制铁依赖的组蛋白去甲基化来抑制EMT。在H-铁蛋白上调的癌症中，可以使用小干扰RNA（siRNA）下调H-铁蛋白，从而敏化间充质肿瘤细胞以进行化疗（如乳腺癌所示）或放疗（如胶质母细胞瘤所示）。有趣的是，一些小分子可用于敏化癌症干细胞（CSCs）对铁死亡。已开发出一种名为ironomycin的萨林霉素合成衍生物，它对乳腺癌干细胞表现出强大且选择性的活性。因此，溶酶体内铁扣留增加，导致氧化应激、溶酶体膜通透性增加，并通过铁死亡导致细胞死亡。溶酶体膜通透性增加可能是细胞死亡的原因或结果，对不同细胞区室的脂质组学实验可能会提供更多答案。溶酶体内铁扣留是一种强大的策略，可选择性靶向铁内吞作用增加的细胞。青蒿琥酯是一种用于治疗疟疾的药物，可通过增加细胞游离铁水平（从而增加氧化应激和细胞死亡）以非自噬依赖的方式诱导溶酶体降解。此外，青蒿琥酯通过干扰铁IRE/IRP（铁调节蛋白）信号传导，可进一步增加细胞游离铁。

4.5 疾病中的铁蛋白糖基化

铁蛋白可以以糖基化和非糖基化的形式存在。最初，有人认为H型铁蛋白上的O-糖基化位点可能参与核转位。然而，这一机制仍不太清楚，需要进一步研究。还有报道称，分泌型L-铁蛋白有很大一部分是N-糖基化的。在成人斯蒂尔病或类风湿性关节炎等疾病中，糖基化和非糖基化形式的比例有所不同。此外，血清铁蛋白水平升高和糖基化铁蛋白水平降低与成人斯蒂尔病和噬血细胞性淋巴组织细胞增生症均有关。由于这两种疾病都是炎症性疾病，且低糖基化铁蛋白水平与巨噬细胞过度激活也有关，因此血清铁蛋白糖基化可能与免疫系统密切相关。目前，糖基化铁蛋白被用作上述疾病的生物标志物，但其调节机制和作用尚不清楚，需要进行机制研究。另一项研究发现，接受高效抗逆转录病毒疗法治疗的人类免疫缺陷病毒1（HIV-1）患者血清铁蛋白呈现高糖基化。由于HIV以免疫白细胞为目标，这一结果支持了铁蛋白糖基化在巨噬细胞激活中的作用。综上所述，已在多种疾病中发现糖基化铁蛋白，并且需要研究其在不同环境下与铁稳态的关联，以开发潜在的新型疗法。

4.6 铁蛋白在其他疾病中的意义

有一些遗传性疾病与铁蛋白有关（图4）。遗传性铁蛋白病或神经铁蛋白病是一种罕见的常染色体显性遗传病，其特征是大脑中异常积累铁和铁蛋白包涵体。该病由FTL基因突变引起，导致L-铁蛋白C端区域发生改变，造成允许铁泄漏的4倍通道紊乱，并增强非协调铁的形成。因此，L-铁蛋白的突变会改变铁蛋白多聚体的功能，并增强铁的通透性。此外，这些突变还会改变铁蛋白多聚体的整体构象和稳定性。由于这些铁蛋白多聚体结构的破坏严重阻碍了其稳定性和功能，从而导致铁稳态受损，进而可能引发随后的铁诱导氧化损伤。神经铁蛋白病的特征是形成铁蛋白包涵体，因为细胞为了对抗铁积累而过表达铁蛋白。然而，铁蛋白聚集可能只是疾病的次要效应，而非病因。另一种已知与铁蛋白相关疾病有关的基因突变是引起高铁蛋白血症。人类真核翻译起始因子3（eIF3）通过与紧邻铁反应元件（IRE）的5'非翻译区（UTR）结合，作为FTL mRNA翻译的阻遏物，提供独立于IRE/IRP机制的额外翻译调控。FTL基因5'UTR中的单核苷酸多态性会破坏eIF3对FTL基因的阻遏作用，从而导致铁蛋白过表达。然而，eIF3在铁水平调节中的潜在作用仍有待阐明，特别是在考虑到重/轻（H/L）铁蛋白异聚体的情况下。

神经系统疾病患者体内铁机制失调和铁蛋白水平异常。已在神经系统疾病患者，包括阿尔茨海默病（AD）和帕金森病（PD）患者体内，检测到铁机制失调和铁蛋白水平异常，这与这些疾病环境下铁诱导的氧化损伤可能增加有关。在AD患者的病变大脑中发现了铁和铁蛋白水平和分布异常。有趣的是，在AD患者海马区的神经纤维斑块中检测到大量铁蛋白积聚，这些积聚几乎完全与小胶质细胞相关，并且在AD小鼠模型的淀粉样斑块中也观察到皮质铁和铁蛋白水平升高。尚不清楚这种铁蛋白积聚是否与疾病病因相关，或是疾病的结果。AD患者的脑脊液中铁蛋白水平也升高，但PD患者则未观察到此现象。此外，一项研究对AD患者海马体中铁和铁蛋白的定位进行了成像，发现铁蛋白在少突胶质细胞的细胞质和细胞核中含量丰富，并且在与少突胶质细胞突起相关的髓鞘轴突中特别表达。作者推测，毒性脑亚铁离子增加可能促进自由基的产生，从而诱导AD患者细胞氧化应激和髓鞘分解。有报道指出，铁和铁蛋白与早发性退行性疾病弗里德赖希共济失调（FA）有关，包括铁水平升高。然而，据报道FA患者血清铁蛋白水平正常，这表明铁螯合治疗可能不是可行的策略。在该疾病中，线粒体铁蛋白据报道可通过调节线粒体铁含量来限制氧化损伤。有趣的是，线粒体铁蛋白在包括AD在内的多种神经退行性疾病中具有保护作用。

铁蛋白也与自身免疫性疾病有关。例如，成人斯蒂尔病是一种以关节炎和高铁蛋白血症为特征的疾病，在大多数情况下均如此。有趣的是，在该疾病中，升高的铁蛋白水平为糖基化。铁蛋白也是系统性红斑狼疮的标志物，在脑膜炎患者的尿液和脑脊液中也检测到铁蛋白。多发性硬化症（MS）患者也描述了铁代谢功能障碍，包括血清铁蛋白水平升高。有趣的是，在MS小鼠模型中，注射脱铁铁蛋白可减轻疾病，这表明铁蛋白可能在该疾病中铁螯合中发挥作用，可能作为防御机制，对抗因铁周转增加而引起的氧化损伤。MS患者脑组织中铁蛋白和转铁蛋白的正常分布模式发生改变。铁蛋白可能与MS相关的脱髓鞘有关，或是其结果。多发性肌炎和皮肌炎是以结缔组织紊乱为特征的炎症性自身免疫性肌病，尤其在老年患者中发现血清铁蛋白水平升高。特发性全面性癫痫和非典型不安腿综合征的特征是L-铁蛋白水平降低。因此，铁蛋白聚合物主要由H-铁蛋白亚基组成，导致更多铁整合到由此产生的H-铁蛋白同聚物中。这导致细胞铁可用性降低。

5. 铁蛋白中铁的动员和铁蛋白自噬

储存在胞质铁蛋白中的铁可以被同一细胞利用或从细胞中排出。在后一种情况下，铁转运蛋白（Fpn）可促进从铁蛋白中提取铁，随后铁蛋白亚基可被单泛素化，导致铁蛋白笼解体，随后亚基被蛋白酶体降解。Fpn与铁调素肽共同调节铁的排出。铁可以从完整的铁蛋白中动员出来，最近的研究揭示了这些过程。然而，这些过程在细胞中的发生程度仍不清楚，这有待进一步研究。几种还原剂可导致完整铁蛋白纳米笼中的阳离子释放，包括抗坏血酸、黄素单核苷酸、连二亚硫酸钠和超氧化物。虽然还原型黄素可以从铁蛋白中动员出所有铁，但抗坏血酸和谷胱甘肽的效率较低，只能还原铁核的一部分。有趣的是，只有在所有可溶性氧被消耗的情况下，还原型黄素才能在体外从铁蛋白中动员铁，这在细胞环境中不太可能发生。这引发了疑问，即这些反应在细胞有氧环境中是否相关。这些试剂导致铁蛋白铁还原为可溶性Fe²⁺阳离子，这些阳离子通过铁蛋白的八个3倍通道离开铁蛋白内部腔室，加入细胞不稳定铁池（LIP）。铁蛋白纳米笼的通道对于这些还原剂来说太大，无法自由扩散，这表明电子转移很可能是通过这种机制还原铁蛋白铁核的方式。另一种铁蛋白释放铁的机制是使用烟酰胺腺嘌呤二核苷酸（NADH，还原型）作为还原剂，在存在溶解的分子氧的情况下进行演示。由于不同还原剂动员铁的速度不同，可以推测，亚细胞环境和化学成分在铁蛋白中铁的动员中发挥作用，为这一过程增加了一层控制。

在人类细胞中，铁蛋白降解和随后铁释放的主要机制发生在自溶酶体中。自噬是细胞通过将功能失调的蛋白质或细胞器封存在自噬体中，并将其运送到溶酶体进行降解，从而回收或清除它们的自然机制。核受体辅激活因子4（NCOA4）作为选择性货物受体，将铁蛋白引导至自溶酶体进行降解，导致铁释放。（图3）通过自噬，溶酶体降解铁蛋白的过程被称为铁蛋白自噬。NCOA4与铁蛋白复合物以及自噬相关蛋白8蛋白结合，后者将货物-受体复合物募集到自噬体中。这种导致铁蛋白自噬的相互作用在铁螯合剂实验刺激的铁耗竭条件下增加。通过迁移率变动分析确定，在铁蛋白24聚体中，每个H型铁蛋白亚基可以结合一个NCOA4，形成高稳定性复合物，该复合物不能被尿素、氯化钠或β-巯基乙醇解离。值得注意的是，最近的研究表明，大约八个NCOA4分子可以结合一个铁蛋白纳米笼。使用酶联免疫吸附试验，发现Fe²⁺可部分抑制结合，而其他二价金属离子则不能，这意味着当不稳定铁丰富时，它会通过干扰NCOA4介导的与自噬体的相互作用来防止铁蛋白降解。此外，NCOA4选择性结合H型铁蛋白而非L型铁蛋白，并且由于其与H型铁蛋白具有79%的序列同源性，也可以结合线粒体铁蛋白（FtMt）。与L型铁蛋白的结合可能不是必需的，因为铁蛋白通常以杂聚物形式存在，并且已经通过H型铁蛋白与NCOA4结合。该研究进一步确定，结合是通过NCOA4（383-522）片段发生的，并且R23A突变型H型铁蛋白无法与NCOA4结合。在溶酶体中降解载铁铁蛋白后，当暴露于溶酶体提供的酸性环境时，水铁矿晶体溶解，随后铁离子在溶酶体液中被释放和还原。这些离子通过二价金属转运蛋白1（DMT1）或自然抗性相关巨噬细胞蛋白1（Nramp1）（取决于细胞类型）运回胞质溶胶，然后被转移到血液中供机体的另一部分使用，或由细胞用于内源性铁依赖过程。在细胞内，线粒体需要铁来维持其功能，通过（i）铁硫簇和含血红素的蛋白质，主要存在于电子传递链中；（ii）与其他金属和代谢物的氧化还原稳态。铁缺乏会改变线粒体呼吸、呼吸链复合物组装和膜电位。在铁缺乏条件下，NCOA4介导的铁蛋白自噬通过细胞内铁的释放和向线粒体的供应来维持线粒体功能。

铁蛋白自噬及其受NCOA4的调节对健康与疾病有影响。NCOA4介导的铁蛋白自噬可能与神经退行性病变有关，并且已在小鼠和大鼠大脑中检测到NCOA4。然而，需要详细研究才能在这一背景下建立明确联系和更清晰的图像。有趣的是，据报道，NCOA4介导的铁蛋白自噬对于红细胞生成是必需的，因为在红细胞分化的体外模型中，其耗竭会损害血红蛋白化和分化。在小鼠模型中，也表明NCOA4介导的铁蛋白自噬对于维持红细胞生成很重要。对斑马鱼的初步研究表明，NCOA4 mRNA表达在红细胞生成部位上调，并且红细胞的转录分析显示，NCOA4在正染红细胞中高度上调，其中血红蛋白合成最高。

6. 铁死亡

2012年，人们提出了一种新型的受调控细胞死亡形式——铁死亡，它与凋亡和坏死不同。这种依赖于铁的细胞死亡途径被称为铁死亡，其特征是铁积累产生的活性氧（reactive oxygen species，ROS）和脂质过氧化。铁蛋白自噬可通过NCOA4介导的自噬降解铁蛋白并在成纤维细胞和癌细胞中随后释放不稳定铁，从而促进铁死亡。铁蛋白自噬在胶质瘤细胞因胱氨酸剥夺而诱发的铁死亡中发挥重要作用。最近，胶质瘤细胞的研究也表明，NCOA4介导的自噬增加会使细胞对铁死亡更敏感。这是通过下调胶质瘤细胞中的被膜蛋白复合体亚基ζ1（COPZ1）来实现的。高水平的不稳定Fe2+会诱发氧化应激，从而导致脂质过氧化和细胞死亡（图3）。然而，与铁无关的ROS也可能参与由小分子铁死亡诱导剂erastin介导的自噬的诱导。铁死亡与多种人类疾病有关，如神经退行性疾病、缺血/再灌注损伤、传染病以及重要的癌症（图4）。铁死亡还涉及慢性阻塞性肺疾病的发病机理，该病主要由吸烟引起。香烟烟雾中含有的颗粒物（包括铁）沉积在吸烟者的肺部，改变铁稳态，导致氧化应激和炎症，进而引发铁死亡。另一项研究提供了铁代谢紊乱与阿尔茨海默病（Alzheimer's Disease，AD）有关的证据，以及铁死亡可能参与其中。有趣的是，最近的一项研究表明，在AD肽β-淀粉样蛋白（Aβ）（一种在AD患者体内常见的肽）存在的情况下，铁蛋白中储存的铁会减少。这与疾病病因的关系还需进一步研究。

图4 健康与疾病中的铁蛋白。图示简要列出了铁蛋白在疾病环境和生物医学应用中的参与情况。上半部分（紫色）指出了铁蛋白在各种疾病中的影响。在这一部分中，铁蛋白通过影响铁稳态，参与基于铁蛋白改变的遗传性疾病、铁死亡细胞凋亡以及甲基化和炎症等表观遗传修饰。下半部分（蓝色）展示了铁蛋白在生物医学应用中的不同用途。铁蛋白在诊断、药物递送系统和医学成像这三大领域发挥着重要作用。

持久性癌细胞通常会对谷胱甘肽过氧化物酶4（GPX4）产生依赖，GPX4是一种保护细胞免受脂质过氧化影响的酶，因此是铁死亡的负调节因子（图3）。因此，使用GPX4抑制剂（如RAS选择性致死剂3（RSL3）181和ML210182）触发这些细胞中的铁死亡可能是一种有前景的策略，可以选择性地清除这些细胞并防止癌症复发。然而，由于这两种化合物的药代动力学特性较差，因此它们的体内应用具有挑战性。最近发现了一种先前未表征的硝基氧化物隐蔽亲电体家族，这些分子能特异性靶向GPX4并形成共价键，有望成为药物开发的有前景的化合物。另一种方法是使用天然分子（如蛋白质）并对其进行修饰以靶向癌细胞。一种无载体的纳米药物——纳米粒子铁蛋白结合erastin和雷帕霉素已被开发出来，用于靶向GPX4并诱导铁死亡。另一种方法是靶向溶酶体铁，通过芬顿反应生成ROS，利用癌干细胞中铁转运增加的特点。沙利霉素是一种正在研发中的分子，正在开发其多种类似物以在持久性癌细胞中诱导铁死亡。有趣的是，最近的一项研究还发现，调控细胞铁输出与乳腺癌细胞对铁死亡的抗性有关。

7.生物纳米技术和治疗中的应用

铁蛋白已被用作多种纳米技术应用中的多功能构建模块，本文在此重点介绍其中的一些应用。铁蛋白因其多功能特性和与无机纳米材料的潜在相互作用，在生物纳米技术中成为一种极具吸引力的粒子。此外，铁蛋白多聚体的均匀尺寸使其成为有序纳米结构的理想材料，且该蛋白可通过基因工程或直接化学修饰进行改性。这创造了一些具有多种应用前景的有趣复合生物材料。

例如，制备了一种由铁蛋白制成的稳定且可生物降解的纳米粒子，能够将Cr(IV)还原为无毒的Cr(III)。另一份报告描述了基于这种蛋白质的水体中磷酸盐去除系统的开发。还制备了包含铁蛋白作为催化剂的碳纳米管。铁蛋白的一个有趣应用是作为小鼠磁共振成像（MRI）的造影剂。为此，已通过H型铁蛋白的转染或通过病毒载体外源性引入了铁蛋白。铁蛋白还被克隆到狂犬病病毒载体中，这些载体可以穿过血脑屏障。静脉注射阳离子化铁蛋白后也进行了MRI检查，发现这些粒子既无肾毒性也无肝毒性，且不会增加健康大鼠的白细胞计数。还使用了编码铁蛋白的组织特异性载体，通过MRI可视化小鼠神经元。然而，必须考虑到引入铁蛋白（特别是装载有铁的铁蛋白）可能会引起铁水平和分布的变化，从而影响MRI图像。

铁蛋白亚单位可以通过基因修饰在纳米笼表面添加功能，同时不改变笼状结构的形成。铁蛋白的多价蛋白表面提供了有用的功能，可用于结合配体，如患者血清中I型糖尿病的自身抗体所示。重要的是，通过使用细菌培养可以获得高产量的材料，且成本相对较低。由于N端位于蛋白质外壳外部，因此易于进行修饰，据报道C端也可以进行修饰，而不会改变单体折叠或多聚体组装的能力。综上所述，这为治疗和分析生物医学应用开辟了广阔的道路。

由于其尺寸、空腔、无毒可生物降解性以及可直接被细胞摄取的特性，铁蛋白可以开发成药物递送系统（图4）。例如，正在开发蛋白质纳米笼，以将封装的蛋白质递送到肿瘤细胞中。此外，通过利用铁蛋白的pH依赖性解离/再组装特性，可以将化合物捕获在多聚体内部。由于铁蛋白空腔中含有铁，它还具有医学成像的优势。已开发出一种基于铁蛋白的药物递送系统，其中亚单位经过修饰，使其表面具有CGKRK肽的笼状结构，专门靶向肿瘤血管生成血管和肿瘤细胞。修饰后的铁蛋白装载了近红外吸收的金属有机络合物（称为“556-Ph”）。这种新的药物递送系统在MDA-MB-435肿瘤细胞和异种移植肿瘤中的成像引导光动力疗法和光热疗法中显示出良好结果。另一项研究将人类铁蛋白亚单位的C端延长了靶向肿瘤细胞受体的肽，并向这种铁蛋白中装载了约800个砷酸盐和约1100个铁原子，使其对乳腺癌细胞具有毒性。一旦砷酸盐装载的铁蛋白被癌细胞摄取，它就会被引导到溶酶体中进行降解并释放砷酸盐，随后导致细胞死亡。然而，这种方法的细胞毒性尚未在非癌细胞上进行测试。铁蛋白还可以通过人工修饰，在其核心中包含磁性氧化物（磁赤铁矿或磁铁矿）。这种修饰后的铁蛋白被称为磁铁蛋白。由于其稳定性、生物相容性和磁性，磁铁蛋白已被广泛用于成像和生物医学应用（图4）。

基于铁蛋白的放射性核素纳米颗粒也已被开发用于癌症放射成像和放射免疫疗法。然而，由于特异性弱以及与其他元素的竞争，这一策略已被证明存在问题。一些癌细胞的铁代谢增强可能为利用铁蛋白受体介导机制向这些细胞传递药物提供了途径。为此，铁蛋白与携带常用抗癌药物5-氟尿嘧啶的脂质纳米颗粒结合。这种结合增加了MDA-MB-468细胞的摄取量，这些细胞在上皮-间质转化谱中也表现出可塑性，且在间质状态下铁负荷增加。有趣的是，这些基于铁蛋白的纳米颗粒导致携带MDA-MB-468肿瘤的BALB/c小鼠肿瘤生长减少。此外，还开发了磁性纳米颗粒来检测阿尔茨海默病（AD）中铁蛋白的积聚。

8.结论

近期研究为铁蛋白的结构及其自组装机制提供了新的见解，这有助于我们更好地理解铁蛋白在铁稳态中的多重作用，以及铁蛋白对铁离子相对于其他金属的选择性。不同器官和组织中H型铁蛋白和L型铁蛋白的分布不同，这影响了它们的生物学功能。富含L型铁蛋白的铁蛋白多聚体更倾向于发挥储存功能，而富含H型铁蛋白的多聚体则除了铁储存外，还具有其他功能，包括调节不稳定铁池（LIP）或提供不稳定铁。铁蛋白不同形式在细胞区室内的独特分布也产生了深远的生物学影响。其中，L型铁蛋白主要存在于胞质溶胶中，H型铁蛋白则富集于细胞核内，而线粒体铁蛋白的特性与H型铁蛋白密切相关。

铁蛋白能够形成规则的多聚体结构，且能在多个位点进行蛋白质修饰，这使得它在纳米生物技术领域具有应用价值。这些特性以及铁蛋白能够直接被细胞摄取的事实，也使其成为药物递送中一种有趣的载体。

铁蛋白在铁储存和抗氧化应激保护方面的作用已被广泛研究。许多疾病中铁稳态失衡，而血清铁蛋白则作为身体铁水平和/或炎症的生物标志物。这尤其有趣，因为有证据表明血清铁蛋白水平与受损细胞中铁蛋白的泄漏相关。由于血清铁蛋白水平在许多疾病中会以非特异性的方式发生改变，因此应结合其他更具特异性的生物标志物进行诊断和预后评估，同时考虑人群差异（治疗方法、年龄、性别、社会背景、地理区域等），并关注铁蛋白结构（单体或多聚体、H/L比例、铁装载量）。此外，观察线粒体铁蛋白水平和细胞中的LIP是否也发生失调也至关重要，特别是考虑到线粒体铁代谢在肿瘤发生和癌细胞可塑性中发挥着关键作用。有趣的是，其他金属如铜也在此过程中发挥作用，这些金属在线粒体中的相互作用将是未来研究的一个有趣方向。

铁蛋白通过上皮-间质转化（EMT）促进癌症进展并产生癌症干细胞（CSCs），人们已经开发了一系列小分子来靶向这一亚群的癌细胞，利用它们固有的铁上调特性。尽管大量文献报道了在这些环境中铁蛋白上调的情况，但也有报道指出铁蛋白对癌症增殖具有相反的影响。这可能是由于存在组织特异性或癌症特异性的效应。此外，在这些报道中，铁蛋白吞噬作用（ferritinophagy）似乎也发挥了作用，暗示了提供不稳定铁的另一种机制。近期有有趣的研究探讨了铁蛋白如何通过非NCOA4介导的铁蛋白吞噬作用（如还原性动员）提供不稳定铁。研究这些过程发生在哪个细胞区室中对于更好地理解铁依赖的生物学过程至关重要，例如在癌细胞可塑性期间细胞核内发生的铁催化组蛋白去甲基化。

此外，对铁蛋白在不同细胞类型和疾病中的功能及其细胞定位进行更详细的研究，可能会为不同环境中（包括不稳定铁）铁池的控制提供有价值的信息。我们现在知道铁蛋白也参与巨噬细胞活化，但其潜在机制尚待阐明。此外，研究表明H型铁蛋白具有促炎或免疫抑制作用，这引发了一个明显的问题：铁蛋白是否仅仅是一种铁储存蛋白，还是具有其他功能，如控制LIP。这对包括流感或COVID-19等呼吸道感染在内的具有炎症反应的疾病具有广泛影响。这可以通过仔细平衡铁蛋白亚基和杂聚物组成以及铁蛋白在细胞内的不同定位来调节。此外，在特定细胞环境中铁蛋白的特定翻译后修饰可能在铁调节方面发挥不同的作用。铁蛋白单体也可能通过与某些分子相互作用或在铁蛋白易位中发挥作用而在特定细胞区室中发挥作用。对于癌症而言，同样的推理也适用，因为铁蛋白吞噬作用可以促进细胞生长，而在其他情况下则触发铁死亡。这显然也对仅通过血清铁蛋白浓度来评估患者铁负荷的做法提出了质疑。如果不了解聚合物组成和铁装载量，这些读数可能会产生误导。为了正确理解铁蛋白在铁稳态和疾病中的作用，应努力确定铁蛋白的作用、定位、结构、组成与其与其他分子的相互作用以及对不稳定铁水平的影响之间的联系。

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