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Il ferro è fondamentale per vari processi metabolici, tra cui la crescita e lo sviluppo, la produzione di energia e il trasporto di ossigeno1. Il mantenimento dell'omeostasi del ferro è un processo dinamico e coordinato. Il ferro viene assorbito dal cibo nel duodeno e trasportato in tutto il corpo nella circolazione legato alla proteina transferrina di trasporto del ferro (Tf). È utilizzato da ogni cellula per i processi enzimatici, incorporato nell'emoglobina negli eritrociti nascenti e riciclato dagli eritrociti invecchiati dai macrofagi. Il ferro viene immagazzinato nel fegato quando in eccesso e perso dal corpo attraverso emorragia o desquamazione cellulare. La quantità di ferro in circolazione è il risultato dell'equilibrio tra il consumo e l'apporto di ferro, quest'ultimo strettamente regolato dall'ormone epatico epcidina (HAMP), il regolatore centrale dell'omeostasi del ferro1. L'epcidina funziona per limitare la biodisponibilità del ferro nel sangue occludendo o inducendo ubiquitinazione e degradando l'esportatore di ferro ferroportina (FPN)2. La riduzione dell'FPN funzionale porta a una diminuzione dell'assorbimento del ferro nella dieta, al sequestro del ferro nel fegato e alla diminuzione del riciclaggio del ferro dai macrofagi1.
L'epcidina è regolata dallo stato del ferro, dall'infiammazione, dalla spinta eritropoietica e dalla gravidanza (rivisto in 3). Dato che l'omeostasi del ferro è altamente dinamica, è importante comprendere e misurare il pool totale di ferro e la distribuzione e il turnover del ferro. Gli studi sugli animali si basavano tradizionalmente su isotopi di ferro radioattivi, un approccio altamente sensibile ma oneroso per misurare la dinamica del ferro. Tuttavia, in studi più recenti, incluso lo studio presentato qui4, gli isotopi di ferro stabili non radioattivi (58Fe) sono utilizzati per misurare il trasporto di ferro durante la gravidanza 5,6,7,8,9. Gli isotopi stabili sono strumenti preziosi per studiare il metabolismo dei nutrienti (rivisto in 10). L'uso di isotopi di ferro stabili negli studi sull'uomo ha dimostrato che i) l'assorbimento del ferro aumenta verso la fine della gestazione5,6, ii) il trasferimento di ferro alimentare al feto dipende dallo stato di ferro materno7, iii) il ferro eme ingerito per via materna è più facilmente incorporato dal feto rispetto al ferro nonheme 8 e iv) il trasferimento di ferro al feto è negativamente correlato con i livelli di epcidina materna 8, 9. Questi esperimenti hanno misurato gli isotopi di ferro nei sieri o la loro incorporazione nei globuli rossi; tuttavia, la misurazione del ferro incorporato nei globuli rossi da sola può sottostimare il vero assorbimento del ferro9. Nel presente studio, sia l'eme che il ferro nonheme sono misurati nei tessuti.
Durante la gravidanza, il ferro è necessario per sostenere l'espansione del volume dei globuli rossi materni e per il trasferimento attraverso la placenta per sostenere la crescita e lo sviluppo del feto11. La dotazione di ferro fetale dipende interamente dal trasporto di ferro attraverso la placenta. Durante la gravidanza umana 12 e roditore 4,13, i livelli di epcidina diminuiscono drasticamente, aumentando la disponibilità di ferro plasmatico per il trasferimento al feto.
I fondamenti del trasporto placentare del ferro sono stati inizialmente caratterizzati negli anni 1950-70 utilizzando traccianti radioattivi (59Fe e 55Fe). Questi studi hanno determinato che il trasporto di ferro attraverso la placenta è unidirezionale 14,15 e che la transferrina ferrica è una delle principali fonti di ferro per la placenta e il feto 16,17. L'attuale comprensione del trasporto placentare del ferro è più completa, anche se alcuni trasportatori chiave del ferro e meccanismi di regolazione rimangono sconosciuti. I modelli murini sono stati essenziali per comprendere la regolazione e il trasporto del ferro18 perché i trasportatori e i meccanismi chiave sono notevolmente simili. Sia le placenta umane che quelle di topo sono emocoriali, cioè il sangue materno è in contatto diretto con il corion fetale19. Tuttavia, ci sono alcune notevoli differenze strutturali.
Il sinciziotrofoblasto è lo strato cellulare placentare che separa la circolazione materna e fetale e trasporta attivamente ferro e altri nutrienti20. Nell'uomo, il sinciziotrofoblasto è un singolo strato di cellule fuse. Al contrario, la placenta del topo è costituita da due strati di sincitiotrofoblasto21, Syn-I e Syn-II. Tuttavia, le giunzioni gap all'interfaccia di Syn-I e Syn-II consentono la diffusione di nutrienti tra gli strati22,23. Pertanto, questi strati funzionano come un singolo strato sinciziale simile al sinciziotrofoblasto umano. Ulteriori somiglianze e differenze tra placenta umana e di topo sono esaminate da Rossant e Cross21. Il trasporto placentare del ferro è innescato dal legame di ferro-Tf dal sangue materno al recettore della transferrina (TfR1) localizzato sul lato apicale del sinciziotrofoblasto24. Questa interazione induce l'internalizzazione del ferro-Tf/TfR1 tramite endocitosi mediata da clatrina25. Il ferro viene quindi rilasciato dal Tf nell'endosoma acido26, ridotto a ferro ferroso da una ferrieductasi indeterminata ed esportato dall'endosoma al citoplasma da un trasportatore ancora da determinare. Resta da descrivere anche come il ferro viene accompagnato all'interno del sinciziotrofoblasto. Il ferro viene infine trasportato sul lato fetale dall'esportatore di ferro, FPN, localizzato sulla superficie basale o fetale del sinciziotrofoblasto (rivisto in27).
Per comprendere come la regolazione fisiologica e patologica di TfR1, FPN ed epcidina influenzi il trasporto placentare del ferro, sono stati utilizzati isotopi di ferro stabili per quantificare il trasporto di ferro dalla circolazione materna alla placenta e all'embrione in vivo4. Questo documento presenta i metodi per la preparazione e la somministrazione isotopica di ferro-transferrina a topi gravidi, l'elaborazione dei tessuti per ICP-MS e il calcolo delle concentrazioni di ferro nei tessuti. L'uso di isotopi stabili del ferro in vivo può essere adattato per studiare la regolazione e la distribuzione del ferro in diversi modelli animali per studiare la regolazione fisiologica e patologica del ferro.