综述：铁载体的分类、微生物摄取机制及其在医疗领域的应用

《BMEF (BME Frontiers)》：Microbial Siderophores: A New Insight on Healthcare Applications

本文全面阐述铁载体（siderophores）在多领域的研究进展，聚焦其于医疗应用中的关键作用与潜在价值。

　　

铁载体研究综述：从基础到应用的全面解析

在生命科学和健康医学领域，铁元素扮演着极为关键的角色。作为地壳中含量第四的过渡元素，铁以 Fe (II) 和 Fe (III) 等氧化态存在，在细胞的各类化学反应，如 DNA 代谢、蛋白质功能维持和脂肪酸合成中，都是不可或缺的参与者。然而，铁含量过高或过低都会引发一系列健康问题，在人体内，过量的铁会导致氧化应激，进而引发心肌梗死、胰腺脂肪组织炎症和肝损伤等严重疾病。微生物在铁的获取和利用方面，进化出了独特的策略，铁载体（siderophores）就是它们在铁获取过程中的关键 “武器”，这一物质在多个领域展现出了巨大的研究价值和应用潜力。

铁载体的分类

目前，科学家们已经对超过 500 种微生物铁载体展开了深入研究和记录。依据结构差异，铁载体主要可分为三大类：异羟肟酸类（hydroxamates）、儿茶酚类（catecholates）和羧酸盐类（carboxylates）。不同微生物能够产生特定类型的铁载体，比如，Streptomyces会产生儿茶酚类的肠杆菌素（enterobactin），Vibrio cholerae能合成儿茶酚类的弧菌素（vibriobactin），Pseudomonas aeruginosa则可分泌儿茶酚类的绿脓菌素（pyochelin）以及独特的荧光铁载体绿脓菌素（pyoverdine）。而异羟肟酸类铁载体，像Alcaligenes denitrificans产生的 alcaligin、Staphylococcus spp. 产生的葡萄球菌铁载体（staphyloferrin）、Mycobacterium tuberculosis产生的分枝杆菌铁载体（mycobactin）和Bacillus anthracis产生的 petrobactin 等，在微生物界也广泛存在。真菌产生的铁载体多属于异羟肟酸铁色素家族，部分真菌还能合成羧酸盐和酚盐类铁载体，不过，Saccharomyces cerevisiae较为特殊，它虽不能合成铁载体，但具备利用铁载体 - 铁摄取系统从周围微生物获取铁的独特方式。

铁载体的鉴定、提取与表征

检测铁载体生产的常用方法是铬天青 S（Chrome Azurol S，CAS）检测法。该方法基于染料指示剂的铁离子复合物与微生物产生的铁载体 / 螯合剂之间对铁的竞争原理。当铁载体从培养基中夺取铁时，会使 CAS 试剂从蓝色变为橙色，从而指示铁载体的产生。但从复杂的环境，如土壤基质中提取铁载体颇具挑战，传统的离子交换色谱、反相色谱、尺寸排阻色谱和固相萃取等技术，回收率较低。为了更有效地纯化和鉴定铁载体，液相色谱技术结合质谱分析成为了有力工具。此外，固定化金属亲和色谱（immobilized metal affinity chromatography，IMAC）依据金属离子亲和力对铁载体进行纯化，Fe (III) - 固定化 IMAC 柱常被用于此。纯化后的铁载体可通过傅里叶变换红外分析（Fourier transform infrared analysis）来确定其功能基团，核磁共振（nuclear magnetic resonance，NMR）光谱能辅助识别其结构，X 射线衍射可用于金属络合分析，高效液相色谱（high - performance liquid chromatography，HPLC）结合紫外检测、反相 HPLC - 质谱（MS）以及液相色谱（liquid chromatography，LC） - 串联 MS 等技术，都能从不同角度对铁载体进行表征。

微生物利用铁载体摄取铁的机制

铁在环境中并非能直接被微生物利用，在有氧条件下，铁会被氧化为不溶性的羟基氧化铁聚合物，之后需还原才能被微生物使用。微生物拥有多种特异性的铁转运蛋白，在铁缺乏的特定条件下，它们能合成并利用低分子量（<10 kDa）的铁螯合分子 —— 铁载体来获取铁。

1. 细菌铁载体摄取机制：革兰氏阴性菌和革兰氏阳性菌在铁载体介导的铁摄取机制上存在差异。在革兰氏阴性菌中，TonB 依赖的外膜受体（outer membrane receptor，OMR）、ATP 结合盒（adenosine triphosphate - binding cassette，ABC）型 ATP 依赖的周质铁载体结合蛋白（periplasmic siderophore - binding protein，SBP）发挥着重要作用。高亲和力的铁载体与细胞外的三价铁结合，形成手性铁 - 铁载体复合物，经 OMR 和 SBP 识别后，转运至细胞内。而革兰氏阳性菌由于缺乏外膜，SBP 直接锚定在与细胞外膜相关的 ABC 通透酶上，识别并导入 Fe²⁺离子。许多与植物相关的微生物，如Bacillus、Pseudomonas等，能通过铁载体摄取铁，满足自身代谢、生长和生存需求，部分微生物还能产生多种铁载体，促进其他微生物对铁和其他金属的获取。
2. 真菌铁载体摄取机制：真菌的铁载体在铁转运方面有着独特的机制，主要包括四种类型。在Ustilago maydis中，存在穿梭机制，Fe (III) - 铁载体复合物穿过细胞膜，在细胞质中由还原酶释放 Fe (III)，铁载体则被循环利用；Rhodotorula spp. 采用出租车系统，将细胞外铁载体中的 Fe (III) 转运至细胞内配体；Mycelia Sterilia 利用水解机制，将 Fe (III) - 铁载体复合物整体转运至细胞内，经过一系列降解和还原反应，形成 Fe (II) 并排出铁载体；Ustilago sphaerogena等采用还原途径，在细胞膜处将 Fe (III) 还原为 Fe (II)，实现铁的摄取。此外，除了铁缺乏，温度、pH、金属、碳和其他营养限制等外部参数，也会对真菌铁载体的生物合成产生重要影响。

铁载体的应用

铁载体凭借其独特的性质，在多个领域展现出了广泛的应用前景。

1. 益生菌领域：在食品生产和加工过程中，铁载体可用于调节酶的活性，这些酶以铁作为辅助因子，参与呼吸、氧运输、DNA 和氨基酸合成等生理功能。对于食品强化中可能存在的不溶性铁，产生铁载体的结肠靶向益生菌微生物能更好地促进人体对铁的吸收，有助于改善铁缺乏导致的贫血和癌症等问题。研究发现，传统喜马拉雅发酵食品 chhurpi 中的Bacillus subtilis L9 和Pediococcus pentosaceus BAC L7 分别产生儿茶酚类和异羟肟酸类铁载体，其纯化后的铁载体具有较高的铁清除活性，为改善贫血和对抗高海拔缺氧提供了潜在的治疗选择。此外，Aspergillus oryzae产生的去铁铁赤素（deferriferrichrysin）铁载体具有抗氧化作用，能平衡食品中的氧化还原反应。Bacillus spp. 产生的具有抗菌特性的 2,3 - 二羟基苯甲酸（属于儿茶酚类），可在胃肠道中抑制如Salmonella typhimurium、Streptococcus pyogenes和Staphylococcus aureus等肠道病原体。
2. 制药行业的生物传感器领域：基于铁载体的生物传感器在食品行业、法医学、制药和分子生物学等领域备受关注。例如，P. aeruginosa产生的荧光绿脓菌素铁载体，可用于生物传感器中监测和检测样品中的铁元素，其对 Fe (III) 的检测具有高度选择性，能有效分析溶液（10 ng/ml）或固定化形式（3 ng/ml）的痕量铁。N - 甲基蒽基去铁胺（N-methylanthranyl DFO，DFO 的衍生物）在水生系统中被广泛用作环境化学传感器和光活性生物传感器。从极端嗜水微生物Paracoccus denitrificans中提取的 parabactin，可用于分析海洋中的铁浓度，并在金属生物浸出的转化和生物修复中发挥作用。Pseudomonas fluorescens产生的铁载体也被用于开发高灵敏度和特异性的生物传感器，不过目前仅有少数具有潜力的生物传感器得到实际应用，对用于生物传感器的铁载体的研究仍有待加强。
3. 对抗细菌感染的特洛伊木马抗生素领域：多重耐药（multidrug - resistant，MDR）菌株的迅速出现和传播对全球健康构成了严重威胁。研究发现，MDR 菌株的致病性与铁的生物利用度密切相关，它们通过产生各种铁载体从宿主获取铁，增强自身毒力，引发感染。为了应对这一挑战，科学家们开发了利用铁载体运输特性的 “特洛伊木马策略”。以革兰氏阴性菌E. coli和P. aeruginosa为例，它们产生的肠杆菌素和绿脓菌素与头孢地尔（cefiderocol）结构相似，头孢地尔可借助微生物的铁转运系统穿过外细胞膜，克服革兰氏阴性菌的碳青霉烯耐药机制，抑制病原菌的细胞壁合成。此外，通过将抗生素与铁载体结合，利用微生物的铁摄取机制，可将抗生素精准输送到细菌细胞内，增强抗菌效果。例如，一些 RNA 聚合酶抑制剂与铁载体共轭后，对 MDR E. coli的抗菌活性提高了 32 倍。临床上，如 MC - 1（monocarbam）、BAL30072（monosulfactam）、S - 649266（cephalosporin）和 GSK3342830（cephalosporin）等共轭抗生素 - 铁载体复合物，已被证明对Acinetobacter baumannii和P. aeruginosa等 MDR 菌株具有疗效。对于生物膜形成微生物，铁载体可通过竞争铁元素，抑制生物膜形成，增强微生物的运动能力，调控群体感应相关基因的表达。另外，镓盐，如麦芽酚镓（gallium maltolate），可通过竞争性结合替代铁，抑制病原体的代谢活动，且对宿主生物活动无干扰，在对抗耐甲氧西林金黄色葡萄球菌（methicillin - resistant S. aureus）等方面展现出潜力。
4. 抗疟疾和抗结核活性领域：铁载体在治疗原生动物感染，如疟疾方面，也发挥着重要作用。Klebsiella pneumoniae和S. pilosus分泌的去铁胺 B（DFO B）对Plasmodium falciparum具有抗疟活性，其机制是进入寄生细胞，消耗细胞内的铁。DFO B 与甲基蒽酸共轭后，对Plasmodium falciparum的活性提高了 10 倍以上，与合成喹诺酮共轭物结合后，活性也显著增强。此外，青蒿素与铁载体类似物共轭后，不仅能治疗疟疾，还对M. tuberculosis感染细胞具有抗结核活性，为治疗这两种严重疾病提供了新的治疗策略。
5. 铁过载疾病治疗领域：β - 地中海贫血（β - thalassemia）和镰状细胞贫血（sickle cell anemia）患者在治疗过程中需要定期输血，这会导致体内铁逐渐积累，对肝脏等器官造成损害。传统上，这些患者使用去铁胺（Desferal）来减少体内铁的积累，从S. pilosus提取的铁载体也可用于治疗血色素沉着症（hemochromatosis）和 β - 地中海贫血等铁过载疾病，对与红细胞相关的疾病和异常，如疟疾和镰状细胞贫血也有一定的治疗作用。
6. 治疗癌症领域：过量的铁沉积会增强铁催化的自由基生成，引发氧化应激，增加患癌症的风险。癌细胞对铁的需求较高，通过使用铁螯合剂，如铁载体，阻断癌细胞对铁的摄取，可抑制癌细胞的增殖。研究表明，DFO 能显著抑制神经母细胞瘤（neuroblastoma）或白血病（leukemia）患者体内侵袭性肿瘤的进一步增殖，Actinobacterium产生的 DFO E 能降低恶性黑色素瘤（malignant melanoma）细胞的活力。此外，像去铁酮（aredexrazoxane）、o-trensox、去铁异羟肟酸（desferriexochelins）、去铁硫霉素（desferrithiocin）和 tachpyridine 等铁载体，在癌症治疗中也发挥着铁螯合剂的作用。目前，对于化疗患者血清中高水平的非转铁蛋白结合铁，铁载体也展现出了一定的治疗潜力，如地拉罗司（deferasirox）对化疗耐药的急性单核细胞白血病（acute monocytic leukemia）患者具有有效的抗白血病作用。
7. 铁载体产生菌作为培养基增强剂领域：在微生物研究中，通过 16S 核糖体 RNA 基因的分子数据分析来鉴定未知微生物，虽然准确率高，但成本昂贵，且传统培养基难以准确反映微生物的实际分布和丰度。铁载体产生菌或铁载体可作为培养基增强剂，促进未培养细菌的生长。研究发现，细菌培养产生的铁载体有助于未培养细菌在合成培养基上生长，通过这种方法，不仅能回收和培养未培养细菌，还有助于发现新的微生物，且成本相对较低。
8. 细菌分型或铁载体分型领域：不同微生物产生的铁载体具有特异性，这一特性可用于鉴定未知微生物菌株，即铁载体分型（siderotyping）。Pseudomonas spp. 产生的荧光绿脓菌素可作为分类标记，用于对细菌的相关菌株进行分类和鉴定。结合质谱（MS）和等电聚焦电泳等技术，能更有效地进行铁载体分型。通过基因组挖掘、CAS 检测和 MS 研究等方法，科学家们还鉴定出了多种新的铁载体，如Burkholderia xenovorans产生的非核糖体合成的铁载体、Variovorax boronicumulans产生的脂肽铁载体 variochelin A 和 B，以及Streptomyces sp. 产生的 qinichelins 等。
9. 铁载体作为疫苗领域：在医疗领域，根除病原体感染的方法主要是使用抗菌药物或疫苗。铁载体在开发疫苗方面具有潜在价值，基于铁载体的疫苗可用于制造铁载体 - 复合抗生素，增强抗生素的疗效，治疗耐药性传染病。以尿路感染（urinary tract infections，UTIs）为例，Enterobacteriaceae家族的病原体是导致女性 UTIs 的主要原因，针对这些病原体产生的铁载体开发的疫苗，如耶尔森菌素（yersiniabactin）与牛血清白蛋白共轭物，能引发小鼠的适应性免疫反应，有效预防 UTIs。对于回肠克罗恩病（ileal Crohn’s disease），由粘附侵袭性E. coli（adherent - invasive E. coli，AIEC）引起的肠道炎症，通过免疫激发针对 AIEC 铁载体的抗体，可干扰其与黏膜的结合，减轻小鼠结肠炎症状。
10. 用于感染分子成像领域：在现代医学中，准确确定感染的位置、性质并与炎症区分开来，是一项极具挑战性的任务。分子成像技术为感染的检测提供了更可靠、非侵入性的方法。放射性核素标记的铁载体在分子成像中展现出了潜力，如⁶⁷Ga、¹¹¹In、⁶⁸Ga 和⁸⁹Zr 等标记的铁载体，可用于单光子发射计算机断层扫描（single - photon emission computed tomography，SPECT）和正电子发射断层扫描（positron emission tomography，PET）成像。通过将合适的放射性金属引入天然铁载体复合物或对天然铁载体进行化学修饰，可制备出用于成像的铁载体。研究表明，⁶⁷Ga 标记的铁载体在研究微生物铁转运机制方面具有重要价值，⁶⁸Ga 由于其可通过⁶⁸Ge/⁶⁸Ga 发生器系统产生，成本较低且半衰期较长，在 PET 成像中的应用日益广泛。

铁载体应用面临的未来挑战

尽管铁载体生物学已成为一个充满活力的研究领域，新的铁载体类别和应用不断被发现，但仍面临诸多挑战。深入理解宿主 - 病原体相互作用中涉及铁分子的机制至关重要，这有助于开发针对临床病原体的新治疗方法。同时，在食品保存和加工、提高农产品铁含量、克服铁的生物积累以及生物修复等方面，铁载体也有着广阔的应用前景，不过需要对其抑制代谢过程，如生物合成、分泌、导入以及共轭物的功能进行深入研究。目前，在食品、医学、植物生长和生物修复等领域，铁载体的结构数据及其与功能和应用的相关性研究还较为匮乏。为了更好地应用铁载体，需要运用质谱（MS）、核磁共振（NMR）等多种技术对其进行检测和表征，加强基因操作研究，以获取更具实际应用价值的成果。随着纳米技术的发展，铁载体在药物递送方面的应用有望更加精准，但还需要深入研究其作用机制、功能和特定靶点。对微生物铁载体代谢的分子特征进行更深入的研究，将有助于在人类健康、营养、农业和环境等多个领域取得新的突破。

结论

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