Organizm gospodarza kontra drobnoustroje w walce o żelazo. Rola żelaza w zakażeniach

• Authors: Jolanta Artym , Michał Zimecki

Title variants

EN

Host's organism against pathogens in combat for iron. The role of iron in infections

• Languages of publication: PL EN

Abstracts

PL

Żelazo, poprzez swój udział w wielu procesach metabolicznych, jest niezbędnym składnikiem odżywczym dla wszystkich istot żywych: drobnoustrojów i organizmów wyższych. Problem pojawia się, gdy z żelaza korzysta organizm gospodarza i zasiedlające go drobnoustroje patogenne. Żelazo warunkuje wzrost patogenów, więc w interesie gospodarza jest ograniczyć jego dostępność dla drobnoustrojów. Z drugiej strony, organizm gospodarza sam potrzebuje odpowiedniej ilości żelaza dla własnych potrzeb metabolicznych, w tym do prawidłowego funkcjonowania kluczowego w zwalczaniu infekcji układu odpornościowego. Najlepszym rozwiązaniem jest więc utrzymywanie zasobów żelaza pod stałą i ścisłą kontrolą. Elementem tej kontroli są białka silnie wiążące jony żelaza, głównie siderofiliny (laktoferyna i transferyna) oraz ferrytyna, albumina, hemopeksyna, haptoglobina i albumina. Odgrywają one rolę zarówno w stanie zdrowia, jak i w czasie zakażenia i zapalenia. Jako odpowiedź na uraz (infekcję, uszkodzenie tkanek, wzrost nowotworowy) rozwija się ważna fizjologicznie reakcja obronna nazywana hipoferremią/anemią zapalenia lub chorób przewlekłych, której celem jest dalsze czasowe ograniczenie dostępności żelaza dla patogenów i procesów zapalnych. Drobnoustroje w drodze ewolucji rozwinęły własne systemy pozyskiwania żelaza w ustroju żywiciela. To różne białka receptorowe wiążące siderofiliny i odzyskujące z nich żelazo oraz drobnocząsteczkowe związki silnie chelatujące żelazo, siderofory. Patogeny mogą też uzyskiwać żelazo po degradacji proteolitycznej bogatych w żelazo białek gospodarza, np. hemoglobiny. Skuteczność nabywania żelaza przez patogeny stanowi o ich wirulencji. Obecnie stosowane są różne metody lecznicze, które mają wspomóc organizm w walce z zakażeniem poprzez zmniejszenie dostępności żelaza dla patogenów. W zależności od potrzeb stosuje się ubogą w żelazo dietę, cykliczne upusty krwi lub związki chelatujące żelazo: desferoksaminę, deferipron i inne.

EN

Iron, owing to its participation in various metabolic processes represents an indispensable nutritional element for all organisms - microorganisms and eukaryotic ones. In vertebrates, iron is necessary for metabolism, maintenance of physiological microflora and defense against pathogens of the host. However, the access to iron has to be strictly controlled in order to limit potential expansion of pathogenic bacteria. This controlling system encompasses proteins able to bind iron ions, mainly siderophilins (lactoferrin and transferrin) as well as ferritin, haptoglobin, hemopexin and albumin. These proteins play a role in iron metabolism both in health and infection. Clinical insult, injury, infection or tumor growth initiates an important physiological defense response called hypoferremia/anemia of inflammation or chronic diseases, aimed at transient restriction of iron access for pathogens and inflammatory processes. Microorganisms developed during evolution their own systems of iron acquisition in the host's organism including various receptor proteins able to bind siderophilins and regaining from them iron, as well as strongly chelating iron low-molecular compounds, siderophores. Pathogens can also acquire iron following proteolytic degradation of iron-rich proteins, e.g. hemoglobin. The efficacy of iron acquisition by pathogens determines their virulence. At present, various therapeutic strategies are applied, designed to aid the organism in combating infection by diminution of access to iron by pathogens. Depending on circumstances, iron-deficient diet, cyclic bloodletting or iron-chelating compounds such as desferrioxamine and deferiprone, are practised.

• Journal: Kosmos
• Year: 2014
• Volume: 63
• Issue: 3
• Pages: 345-366

Dates

published

2014

Contributors

author

Jolanta Artym

• Zakład Terapii Doświadczalnej, Instytut Immunologii i Terapii Doświadczalnej PAN, Weigla 12, 53-114 Wrocław, Polska

author

Michał Zimecki

• Zakład Terapii Doświadczalnej, Instytut Immunologii i Terapii Doświadczalnej PAN, Weigla 12, 53-114 Wrocław, Polska

References

• Aisen P., Enns C., Wessling-Resnick M., 2001. Chemistry and biology of eukaryotic iron metabolism. Int. J. Biochem. Cell. Biol. 33, 940-959.
• Andrews N. C., 2004. Anemia of inflammation: the cytokine-hepcidin link. J. Clin. Invest. 113, 1251-1253.
• Andrews N. C., 2008. Forging a field: the golden age of iron biology. Blood 112, 219-230.
• Artym J., 2008. Udział laktoferryny w gospodarce żelazem w organizmie. Cześć I. Wpływ laktoferryny na wchłanianie, transport i magazynowanie żelaza. Hig. Med. Dosw. 62, 599-611.
• Artym J., 2010. Udział laktoferryny w gospodarce żelazem w organizmie. Cześć II. Działanie przeciwmikrobiologiczne i przeciwzapalne poprzez sekwestrację żelaza. Postepy Hig. Med. Dosw. 64, 604-616.
• Artym J., 2012. Laktoferyna - niezwykłe białko. Wydawnictwo Borgis, Warszawa.
• Artym J., Zimecki M., 2013. Rola laktoferyny w zakażeniach i zapaleniu. Forum Zakażeń 4, 329-345.
• Bartosz G., 2013. Druga twarz tlenu. Wolne rodniki w przyrodzie. Wydawnictwo Naukowe PWN, Warszawa.
• Beard J. L., 2001. Iron biology in immune function, muscle metabolism and neuronal functioning. J. Nutr. 131, 568S-580S.
• Bullen J. J., 1981. The significance of iron in infection. Rev. Infect. Dis. 3, 1127-1138.
• Byrd T. F., Horwitz M. A., 1989. Interferon gamma-activated human monocytes downregulate transferrin receptors and inhibit the intracellular multiplication of Legionella pneumophilla by limiting the availability of iron. J. Clin. Invest. 83, 1457-1465.
• Cartwright G. E., 1966. The anemia of chronic disorders. Semin. Hematol. 3, 351-375.
• Cartwright G. E., Lauritsen M. A., Humphreys S., Jones P. J., Merrill I. M., Wintrobe M. M. 1946. The anemia associated with chronic infection. Science 103, 72-73.
• Collins H. L., 2003. The role of iron in infections with intracellular bacteria. Immunol. Lett. 85, 193-195.
• Doherty C. P., 2007. Host-pathogen interactions: the role of iron. J. Nutr. 137, 1341-1344.
• Fang Y. H., Fang X., Xu H., Wu Z. H., Xu Y. J., 2013. Efficacy of iron saturated recombinant human lactoferrin on allevaiating iron defficiency anemia in rats. Beijing Da Xue Xue Bao 45, 417-421.
• Frank K. M., Schneewind O., Shieh W. J., 2011. Investigation of a researcher's death due to septicemic plague. N. Engl. J. Med. 364, 2563-2564.
• Ganz T., Nemeth E., 2012. Hepcidin and iron homeostasis. Biochim. Biophys. Acta 1823, 1434-1443.
• Gutteberg T. J., Rokke O., Andersen O., Jorgensen T., 1989. Early fall of circulating iron and rapid rise of lactoferrin in septicemia and endotoxemia: an early defence mechanism. Scand. J. Infect. Dis. 21, 709-715.
• Hentze M. W., Muckenthaler M. U., Galy B., Camaschella C., 2010. Two to tango: regulation of mammalian iron metabolism. Cell 142, 24-38.
• Hino K., Nishina S., Hara Y., 2013. Iron metabolic disorder in chronic hepatitis C: mechanisms and relevance to hepatocarcinogenesis. J. Gastroenterol. Hepatol. 28 (Suppl. 4), 93-98.
• Khan F. A., Fisher M. A., Khakoo R. A., 2007. Association of hemochromatosis with infectious disease: expanding spectrum. Int. J. Infect. Dis. 11, 482-487.
• Leibman A., Aisen P., 1979. Distribution of iron between the binding sites of transferrin in serum: methods and results in normal human subjects. Blood 53, 1058-1065.
• Lieu P. T., Heiskala M., Peterson P. A., Yang Y., 2001. The roles of iron in health and disease. Mol. Aspects Med. 22, 1-87.
• Lipiński P., Starzyński R. R., 2006. Rola białek IRP (iron regulatory proteins) w regulacji ogólnoustrojowej homeostazy żelaza: lekcje płynące z badań na myszach z nokautem genów Irp1 i Irp2. Postepy Hig. Med. Dosw. 60, 322-330.
• Lipiński P., Jarząbek Z., Broniek S., Zagulski T., 1991. Protective effect of tissue ferritins in experimental Escherichia coli infection of mice in vivo. Int. J. Exp. Pathol. 72, 623-630.
• Lipiński P., Starzyński R. R., Styś A., Gajowiak A., Staroń R., 2014. Metabolizm hemu jako integralny element homeostazy żelaza. Postepy Hig. Med. Dosw. 68, 557-570.
• Locke A., Main E. R., Rosbash D. O., 1932. The copper and non-hemoglobinous iron contents of the blood serum in disease. J. Clin. Invest. 11, 527-542.
• Majka G., Śpiewak K., Kurpiewska K., Heczko P., Stochel G., Struś M., Brindell M., 2013. A high-throughput method for the quantification of iron saturation in lactoferrin preparations. Anal. Bioanal. Chem. 405, 5191-5200.
• McFarlane H. S., Reddy S., Adcock K. J., Adeshina H., Cooke A. R., Akene J., 1970. Immunity, transferrin, and survival in kwashiorkor. Br. Med. J. 4, 268-270.
• Means R.T., 1995. Pathogenesis of the anemia of chronic disease: a cytokine-mediated anemia. Stem Cells 13, 32-37.
• Mikucki J., Lisiecki P., 1998. Siderofory - agresyny bakteryjne. Post. Mikrobiol. 37, 73-97.
• Moalem S., Weinberg E. D., Percy M. E., 2004. Hemochromatosis and the enigma of misplaced iron: implications for infectious disease and survival. Biolmetals 17, 135-139.
• Murray M. J., Murray A. B., Murray M. B., Murray C. J., 1978. The adverse effect of iron repletion on the course of certain infections. Br. Med. J. 2, 1113-1115.
• Nairz M., Theurl I., Ludwiczek S., Theurl M., Mair S. M., Fritsche G., Weiss G., 2007. The coordinated regulation of iron homeostasis in murine macrophages limits the availability of iron for intracellular Salmonella typhimurium. Cell. Microbiol. 9, 2126-2140.
• Oppenheimer S.J., 2001. Iron and its relation to immunity and infectious disease. J. Nutr. 131, 616S-635S.
• Ortiz-Estrada G., Luna-Castro S., Pina-Vazquez C., Samaniego-Barron L., Leon-Sicairos N., Serrano-Luna J., De La Garza M., 2012. Iron-saturated lactoferrin and pathogenic protozoa: could this protein be an iron source for their parasitic style of life? Future Microbiol. 7, 149-164.
• Paesano R., Berlutti F., Pietropaoli M., Goolsbee W., Pacifici E., Valenti P., 2010. Lactoferrin efficacy versus ferrous sulfate in curing iron disorders in pregnant and non-pregnant women. Int. I. Immunopathol. Pharmacol. 23, 577-587.
• Romanowski T., Sikorska K., Bielawski K. P., 2006. Molekularne podstawy dziedzicznej hemochromatozy. Postepy Hig. Med. Dosw. 60, 217-226.
• Sheth S., 2014. Iron chelation: an update. Curr. Opin. Hematol. 21, 179-185.
• Sikorska K., Bielawski K.P., Romanowski T., Stalke P., 2006. Hemochromatoza dziedziczna - najczęstsza choroba genetyczna człowieka. Postepy Hig. Med. Dosw. 60, 667-676.
• Van Snick J. L., Masson P. L., Heremans J. F., 1974. The involvement of lactoferrin in the hyposidermia of acute inflammation. J. Exp. Med. 140, 1068-1084.
• Van Snick J. L., Markowetz B., Masson P. L., 1977. The ingestion and digestion of human lactoferrin by mouse peritoneal macrophages and the transfer of its iron into ferritin. J. Exp. Med. 146, 817-827
• Viatte L., Vaulont S., 2009. Hepcidin, the iron watcher. Biochimie 91, 1223-1228.
• Vogel H. J., 2012. Lactoferrin, a bird's eye view. Biochem. Cell. Biol. 90, 233-244.
• Weinberg E. D., 1978. Iron and infection. Microbiol. Rev. 42, 45-66.
• Weinberg E. D., 1996. Iron withholding: a defense against viral infections. Biometals 9, 393-399.
• Weinberg E. D., 1997. The lactobacillus anomaly: total iron abstinence. Persp. Biol. Med. 40, 578-583.
• Weinberg E. D., 1999. Iron loading and disease surveillance. Emerg. Infect. Dis. 5, 346-352.
• Weinberg E. D., 2009a. Iron availability and infection. Biochim. Biophys. Acta 1790, 600-605.
• Weinberg E. D., 2009b. Iron toxicity. New conditions continue to emerge. Oxid. Med. Cell. Longev. 2, 107-109.
• Weinstein D. A., Roy C. N., Fleming M. D., Loda M. F., Wolfsdorf J. I., Andrews N.C., 2002. Inappropriate expression of hepcidin is associated with iron refractory anemia: implications for the anemia of chronic disease. Blood 100, 3776-3781.
• Weiss G., 2002. Iron and immunity: a double-edged sword. Eur. J. Clin. Invest. 32 (Suppl. 1), 70-78.
• Weiss G., Goodnough L.T., 2005. Anemia of chronic disease. N. Engl. J. Med. 352, 1011-1023.
• Wessling-Resnick M., 2010. Iron homeostasis and the inflammatory response. Annu. Rev. Nutr. 30, 105-122.
• Zagulski T., Zagulska A., Jędra M., Jarząbek Z., 1985. Rabbit plasma iron level after in vivo administration of lactoferrin. Prace i Mater. Zoot. 36, 95-105.
• Zagulski T., Jędra M., Jarząbek Z., Zagulska A., 1986. Protective effect of lactoferrin during a systemic experimental infection of rabbits with Escherichia coli. Anim. Sci. Pap. Rep. 1, 59-75.
• Zagulski T., Lipiński P., Zagulska A., Broniek S., Jarząbek Z., 1989. Lactoferrin can protect mice against lethal dose of Escherichia coli in experimental infection in vivo. Br. J. Exp. Path. 70, 697-704.