《Nutrients》：Iron Dysregulation During Severe COVID-19: Longitudinal Evidence from Hospitalized Patients
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背景/目的：新型冠状病毒肺炎（COVID-19）大流行凸显了铁稳态在感染中的关键作用，尤其在高炎症状态下，白细胞介素（IL）-6、肿瘤坏死因子-α（TNF-α）和白细胞介素（IL）-8等细胞因子大量升高所驱动的过度炎症可触发急性呼吸窘迫综合征（ARDS）、进行
背景/目的：新型冠状病毒肺炎（COVID-19）大流行凸显了铁稳态在感染中的关键作用，尤其在高炎症状态下，白细胞介素（IL）-6、肿瘤坏死因子-α（TNF-α）和白细胞介素（IL）-8等细胞因子大量升高所驱动的过度炎症可触发急性呼吸窘迫综合征（ARDS）、进行性多器官衰竭及死亡率升高。这种极端免疫反应加剧全身铁失衡，并最终引发恶性循环，即炎症状态加剧铁代谢受损，从而促进疾病严重程度。本研究的主要目的是在特征明确的重型COVID-19住院患者队列中阐明炎症与铁代谢之间的关系。方法：本研究评估了在维罗纳大学医院内科病房住院的389例COVID-19肺炎患者，对住院期间（入院时（T0）、1周后（T1）和2周后（T2））的完整临床参数、炎症标志物及铁相关标志物的变化趋势进行分析。受试者按住院期间的疾病严重程度进行分组。结果：高严重度病例在基线时IL-8、IL-6、IL-10、铁调素（hepcidin）和铁蛋白（ferritin）浓度显著更高。铁调素与炎症标志物强相关，并且是COVID-19严重程度的预测因子（p = 0.014）。尽管逐渐下降，铁调素水平在较严重疾病形式的患者中跨时间点仍显著更高。结论：研究人员的发现强调了铁相关标志物在COVID-19管理中的临床实用性，以及在临床环境中对其进行评估以实现更好患者分层的重要性。
研究背景方面，铁是包括人类在内几乎所有生物必需的基本元素，因其可通过电子交换在氧化态之间转换，在氧运输和宿主防御等基本机制中发挥不可或缺的作用。体内约80%的铁存在于红细胞（RBCs）中，为血红蛋白（Hb）合成所必需。由于机体无生理性排铁途径，铁量必须严格平衡以避免过量与缺乏。铁调素-膜铁转运蛋白（FPN）轴是铁调节的核心：铁充足时，肝源性激素铁调素作为负性调节因子结合FPN并诱导其溶酶体降解。铁经FPN释放后与转铁蛋白（Tf）结合运输，通过转铁蛋白受体1（TfR1）被细胞摄取，其可溶性形式sTfR是评估铁状态的有价值生物标志物。巨噬细胞每日回收约20–25 mg铁，在缺氧或严重失血时，红系调节因子erythroferrone（ERFE）抑制铁调素表达以维持增强的红细胞生成。相反，感染和全身炎症时铁代谢发生改变以限制病原体获取铁，铁蛋白（FT）既作为储存蛋白也作为炎症和铁状态标志物，其合成受铁可利用度及IL-6等炎症信号调节。IL-6等细胞因子还介导铁调素生成增强，降低血流铁水平，从而限制依赖非转铁蛋白结合铁（NTBI）的细胞外微生物生长，但由此产生的低铁血症减少红细胞生成可利用铁，促进炎症性贫血发生。COVID-19由严重急性呼吸综合征冠状病毒2（SARS-CoV-2）引起，2020年3月11日被宣布为大流行，迄今全球已造成超过710万例死亡。约80%患者无症状或表现为干咳、发热和乏力等轻中度症状，约15%发展为需住院的病毒性肺炎，约5%进展为危重症，以ARDS、多器官衰竭（MOF）或休克为特征，需机械通气或入住重症监护病房（ICU）。COVID-19患者体内两种通常以相反方式调控铁代谢的刺激共存：一方面高水平炎症诱导急性期蛋白增加并通过铁调素和铁蛋白生成限制铁供应；另一方面缺氧状态需动员铁以支持红细胞生成而抑制铁调素表达。鉴于铁在感染和免疫中的功能及COVID-19复杂的病理生理机制，本研究旨在阐明特征明确的重型COVID-19住院患者中炎症分子与铁稳态之间的关系及相关性，重点阐明经典和新兴铁参数（铁调素、ERFE、sTfR、细胞因子）在三个时间点作为疾病严重程度预测因子的作用。
研究人员开展的研究为回顾性单中心研究，纳入2020年4月至2021年5月意大利维罗纳综合大学医院（Azienda Ospedaliera Universitaria Integrata of Verona）连续收治的389例SARS-CoV-2肺炎患者。数据包括人口学、病史、生化参数和动脉血气，录入专用COVID-19数据库，住院临床过程信息从病历回顾性收集。生物样本在入院时（T0）、住院1周（T1）和2周（T2）三个时间点采集。纳入标准包括SARS-CoV-2鼻咽拭子阳性并经后续检测确认、入院48小时内采集T0血样及COVID-19肺炎诊断。维罗纳大学医院伦理委员会批准研究（No. 2646CESC），鉴于大流行特殊情况，委员会豁免非干预性观察性研究的书面知情同意要求，病历中记录的口头知情同意被视为充分。主要关键技术方法包括：常规血液检测由维罗纳大学医院中心实验室自动完成；采用Ella（ProteinSimple, Bio-Techne, San Jose, CA, USA）自动化多重免疫分析仪检测细胞因子组合（IL-1 ra、IFNγ、IL-10、IL-1β、IL-22、IL-6、TNF-α和IL-8）；铁调素、ERFE和sTfR采用市售ELISA试剂盒（Intrinsic LifeSciences, The BioIron Company, La Jolla, CA, USA和DRG Instruments GmbH, Marburg, Germany）按说明书检测，GraphPad Prism 8软件用于双份数据插值和简化；统计学采用Shapiro-Wilk检验评估正态性，连续变量正态分布以均值±标准差（SD）表示、非正态以中位数和四分位距（25th–75th百分位数）表示，分类变量以计数和百分比表示，采用Student t检验或Mann–Whitney U检验评估与疾病严重程度关联，分类变量采用卡方（χ2）检验，Spearman R相关分析评估变量间关联，双侧p < 0.05为统计学显著，使用R（4.1.1）、SPSS（IBM SPSS statistics 28）和GraphPad Prism（10.0.1）生成图像和统计描述；跨时间点变化采用重复测量ANOVA（正态数据）或Friedman检验（非正态数据），配对事后比较采用Bonferroni校正的Wilcoxon符号秩检验；逻辑回归和线性回归（多变量分析）由R软件完成。
研究结果方面，研究人群入院时生化和血液学特征显示，患者主要为男性，中位年龄71岁。重型COVID-19风险随男性比例和年龄增加。两组住院天数差异有统计学意义，高严重度组住院中位17天。D-二聚体值两组间无显著差异。淋巴细胞减少、白细胞计数升高、中性粒细胞计数升高及高中性粒细胞/淋巴细胞（N/L）比值等免疫细胞异常与更严重疾病进展相关，中位C反应蛋白（CRP）水平亦更高。较高的红细胞分布宽度（RDW）与更差结局相关，而血红蛋白值和RBC计数在正常范围内且两组间无差异。低/中严重度组氧需求指标PaO2/FiO2（动脉血氧分压/吸入氧分数）显著更高，符合预期。Charlson合并症指数（CCI）两组间无显著差异。治疗方面，几乎所有患者接受类固醇和肝素（>90%），34.5%使用瑞德西韦，仅3例使用托珠单抗，治疗在两组间未达统计学显著。铁相关参数方面，结果显示明显低铁血症和高铁蛋白血症。全人群铁调素浓度高于正常范围；重症患者铁调素和铁蛋白值高于低/中严重度组。相反，基线血清铁、ERFE或转铁蛋白饱和度两组间无显著差异。本研究人群ERFE水平与文献中采用相同检测方法在同类生物体液中的正常范围相似（0.51 ng/mL（IQR：0.12–1.25））。细胞因子谱显示，高严重度组IL-6、IL-8和IL-10水平显著高于低/中严重度组。
在疾病严重程度预测因子分析中，研究人员将既往显示两组间显著差异的变量纳入二元逻辑回归，多变量模型证实单变量发现，确定铁调素为疾病严重程度的高度显著预测因子（p = 0.004），模型判别性能优异，曲线下面积（AUC）为0.88（95% CI 0.83–0.93）。进一步将铁调素浓度按四分位数分层（Q1：<129.5 ng/mL；Q2：129.5 ng/mL–200.9 ng/mL；Q3：200.9 ng/mL–265.3 ng/mL；Q4：>265.3 ng/mL），显示最高类别（Q4）患者发生更严重COVID-19形式的风险升高四倍（Exp(B) = 4）。为探究合并症和药物治疗的可能作用，研究人员对CCI和各类药物调整模型，铁调素的主导作用仍然稳健，而合并症和特定治疗均未达统计学显著。
在变量相关性分析中，低至中严重度患者血清铁水平与炎症指标（IL-6、IL-1-R-A、CRP）呈负相关，这些相关性在高严重度组减弱，提示随病情进展和免疫系统失调加剧出现线性依赖丧失。与前述铁调素诱导作用一致，IL-6与铁调素浓度正相关（rs = 0.46；p < 0.001），其他炎症细胞因子呈相似模式。铁调素与铁蛋白水平之间出现预期的强正相关（rs = 0.46；p < 0.001）。值得注意的是，高严重度组铁与铁调素间未发现显著相关性（rs = ?0.17；p = 0.075），多变量线性回归分析进一步证实。ERFE与铁调素（rs = ?0.12；p < 0.001）或ERFE与铁（rs = ?0.17；p < 0.001）之间未观察到相关性。以铁调素为因变量的多变量线性回归分析显示，与铁调素呈统计学显著关系的变量为IL-1-RA、IL-6、IL-8、CRP、铁蛋白和N/L。增量解释方差（ΔR2）分析表明，炎症标志物对铁调素水平预测贡献最大（ΔR2 = 0.321），铁可利用度标志物也占相当部分方差（ΔR2 = 0.112），而年龄及红细胞生成和氧合相关变量仅呈边际增量效应（ΔR2分别为0.005和0.040）。
在T1和T2临床生化参数与疾病严重程度分析中，细胞因子方面，住院期间记录到IFNγ（T0 3.6 pg/mL、T1 0.93 pg/mL、T2 1.15 pg/mL）和IL-10（T0 16 pg/mL、T1 7.8 pg/mL、T2 6 pg/mL）高度显著且早期下降，以及IL-1 Ra（T0 1310 pg/mL、T1 1283.5 pg/mL、T2 1740 pg/mL）和IL-1β（T0 0.3 pg/mL、T1 0.4 pg/mL、T2 0.5 pg/mL）在COVID-19诊断后2周内延迟升高，提示细胞因子风暴逐渐减弱。铁参数亦呈现特殊趋势：铁蛋白浓度在高严重度组住院14天后显著更高，仅在非重症组呈下降模式（T0 839 μg/L、T1 821 μg/L、T2 537.5 μg/L）。血清铁水平随时间呈U型模式，两组间无显著差异，但配对比较中血清铁仅在T0与T1间存在显著差异（p = 0.001），T1与T2间无差异（p = 0.239）。转铁蛋白饱和度（TSAT）作为催化铁水平的可能指标，T0与T1间显著不同（p = 0.001），T1与T2间无差异（p = 0.150），并呈U型模式；重型COVID-19患者在T1和T2时TSAT水平均显著高于其他形式COVID-19患者。总体上，铁调素水平在整个住院期间保持高位，但呈随时间下降趋势（T0 230.4 ng/mL、T1 188.4 ng/mL、T2 151 ng/mL）。
讨论部分总结：本回顾性研究分析了近400例COVID-19肺炎住院患者三个时间点的综合细胞因子和铁相关标志物，评估与住院期间最差呼吸状态的关联以更好反映总体疾病负担。高与低/中严重度组在多项临床和生化参数上存在差异。与既往文献一致，重症疾病以中性粒细胞为主而非淋巴细胞为主的免疫反应为特征；淋巴细胞减少可能反映淋巴细胞向受累组织再分布、细胞因子介导的淋巴细胞生成和存活受损及活化诱导细胞死亡增加。D-二聚体两组间无差异，可能与评估时机、合并抗凝治疗、凝血异常或肾功能受损有关。高严重度组较高RDW可能提示炎症应激下无效红细胞生成和红细胞生成异质性；研究人员既往研究发现115例COVID-19患者中65%存在红细胞形态异常，最常见为棘细胞，异常红细胞超过10%者淋巴细胞减少和血小板减少更明显，支持与持续免疫炎症应激性造血及更高死亡率相关。铁参数方面，与既往研究一致，本队列显示明显低铁血症和高铁蛋白血症，该模式更符合炎症驱动的铁隔离而非循环铁可利用度增加。FT与疾病严重程度正相关，与重症/危重症较轻微病例更常见持续高铁蛋白血症一致，尽管受年龄、性别和肾功能等因素影响，FT可作为疾病严重程度标志物而非仅铁储备指标。重症患者sTfR水平显著升高，反映全身炎症和功能性铁缺乏驱动的细胞铁需求增加和应激性红细胞生成。ERFE水平两组间无显著差异，尽管ERFE通常对缺氧作出反应，但以大量IL-6释放和高铁调素水平为特征的严重炎症环境似乎覆盖或解耦了ERFE对铁调素的预期代偿性抑制。本研究中铁调素是最重要发现和与疾病严重程度最一致的铁相关参数，是唯一在所有评估时间点持续保持高水平（超过正常范围）于高严重度组的指标，尽管从T0的200.88 ng/mL进行性纵向下降至T1的156.87 ng/mL和T2的149.98 ng/mL（Friedman检验，p < 0.001）。这些发现与铁调素升高与重症肺炎轨迹相关的研究一致，但已发表结果仍不一致，部分报告描述危重患者铁调素水平较低或相当。在较严重组，铁调素与IL-6强相关但与血清铁不相关，与Moreira等的研究结果一致；这种分离可能反映急性感染复杂的炎症和代谢反应，COVID-19肺炎中促炎细胞因子可独立于铁状态驱动铁调素生成，破坏通常的反馈机制。多变量分析进一步强调铁调素依赖于炎症标志物和免疫细胞而非性别或年龄变化，提示不受控制的炎症反应覆盖生理刺激；炎症标志物解释铁调素约21%的方差，证实炎症是住院患者铁调素上调的主要驱动因素。严重程度预测模型确定铁调素第四四分位数（>265.3 ng/mL）尤其具有信息价值，该四分位数患者重型COVID-19风险高四倍，证实较高铁调素与较差结局间的进行性关联；调整CCI和治疗方案（包括抗凝剂、抗病毒药和类固醇）等协变量后该显著性仍然稳健。总体而言，这些结果提示铁调素测定可能有助于早期识别危重症风险患者，但不同方法获得的浓度应谨慎比较。细胞因子方面，重症患者IL-6水平较高，与复杂COVID-19探索性研究一致，IL-8水平较高，IL-8是中性粒细胞趋化驱动因子和候选预后生物标志物。IL-10显著升高（13.2 pg/mL）是细胞因子风暴的特征，可能代表代偿性抗炎反应，但持续IL-10信号也可能促进COVID-19免疫病理和严重程度。研究人员的发现支持炎症驱动的铁隔离主导缺氧通常激活的代偿机制的模型；铁调素持续升高提示铁失调伴随持续炎症活动而非入院时的孤立改变。严重感染诱导大量IL-6释放，上调肝脏铁调素合成；铁调素结合FPN促进其内化和降解，从而限制巨噬细胞和网状内皮细胞铁释放，导致伴铁蛋白升高的功能性铁缺乏；该情况下典型的肝肾功能障碍可能进一步改变铁调素-铁关系。生理条件下缺氧刺激ERFE介导的铁调素抑制以动员铁，但在重型COVID-19中炎症刺激覆盖该轴，尽管血清铁受抑和红细胞生成需求增加仍维持高铁调素水平；本研究中sTfR水平升高伴ERFE水平不变，可能反映铁限制性炎症信号与代偿性红细胞生成间的失衡。重型COVID-19中多种甚至冲突机制并存及其相互作用的复杂性，也可解释高严重度组中铁相关标志物与炎症标志物相关性减弱的观察。研究人员承认本研究存在局限性：回顾性单中心设计无法进行因果推断，可能存在选择偏倚和残余混杂；入组时期和不断演变的治疗标准可能影响观察到的关联；缺乏对照组（健康受试者或其他类型肺炎患者）限制了评估这些改变是否COVID-19特异性，但主要目的是描述住院COVID-19患者队列中铁稳态的纵向变化和预后价值而非进行COVID-19与其他感染性疾病或健康个体的比较分析，且大量文献证据已确立低铁血症和高铁蛋白血症是“炎症性贫血”的标志，该状况常见于各种严重感染，本研究在此基础上详述了这些动态在重型COVID-19肺炎两周住院期间的具体展开和轨迹预测。另一局限性涉及高严重度组的异质性，其混合了接受CPAP者与机械通气者和死亡者或接受气管插管者；须考虑大流行等特殊情况下内科病房资源分配的操作限制，部分重症患者仅接受无创支持管理，尽管存在这些操作限制，这些个体仍具有可比的生物学和炎症负担。数据缺失、部分人体测量参数（BMI）缺乏及各时间点评估患者数量变化可能引入额外偏倚，尤其是T2时的幸存者偏倚和失访偏倚。
结论部分翻译：总之，研究人员的发现支持铁相关生物标志物在COVID-19中的预后价值及其在患者分层和治疗决策中的潜在效用。研究数据有助于在特征明确的患者队列中厘清炎症与铁失调的复杂相互关系。铁蛋白，尤其是铁调素，可能有助于识别危重症风险个体并指导治疗优化以减少不良结局。总体而言，本研究证实铁代谢在COVID-19中处于免疫调节、炎症和多器官损伤交汇处的核心作用。
