Métabolisme du fer chez l'homme

 

 

1. Introduction.

 

 Le fer est utilisé principalement pour la synthèse de l’hémoglobine (Hb).

                L'Hb contient 80 % du fer de l’organisme, est produite dans le cytoplasme des érythroblastes de la moelle osseuse (MO), et est le constituant principal des globules rouges (GR) : son rôle essentiel est le transport de l’oxygène.

 

                La carence en fer (ou carence martiale) induit une anémie : c’est l’une des pathologies les plus fréquentes dans le monde (> 1 milliard d’individus). Elle est le plus souvent liée à une perte sanguine excessive (perte d’Hb et donc perte de fer).

                La surcharge en fer (hémochromatose, dérégulation de l’absorption du fer, maladies hématologiques, transfusions itératives) aboutit à une défaillance d’organes.

 

 

2. Distribution du fer dans l'organisme.

 

 

Il est à l’état ferreux ou ferrique, inclus dans des complexes hétéroprotéiniques

 

 

Homme adulte (70Kg)

Femme adulte (60 Kg)

Fer actif

-hémoglobine (= 70-80% du fer) :

(dans les érythroblastes= 0.7 – 0.8 g, dans les GR du sang circulant : 2 – 2.5 g)

-myoglobine (=  6% du fer)

- enzymes, autres *

3 g

0.3 g

0.3 g

2.5 g

0.2 g

0.3 g

Transport plasmatique : transferrine

4 mg

4 mg

Fer des réserves, sous forme de ferritine et hémosidérine (dans les macrophages de la moelle osseuse et foie ++, rate +/-)

0.8 – 1 g

0.4 – 0.5 g

Quantité totale de fer de l’organisme

4.5 g

(50-60 mg/Kg)

3.5 g

(40-50 mg/Kg)

 

*  constituant d’enzymes de la chaîne respiratoire mitochondriale, de plusieurs cytochromes, cofacteur enzymatique (catalase, peroxydase), implication dans la synthèse d’ADN et transcription de certains ARN messagers.

 

 

3. Besoins en fer : pertes et apports.

 

 

Le cycle du fer fonctionne en circuit fermé : le fer nécessaire à l’érythropoïèse provient de la récupération du fer de l’Hb des GR sénescents et phagocytés par les macrophages (MO ++, foie, et rate).

L’absorption digestive vise uniquement à compenser les pertes physiologiques et les éventuelles pertes excessives (saignements).

 

 

3.1. Les pertes.

 

Absence de mécanisme d’excrétion du fer.

 

- Environ 1 mg/jour chez l’homme : desquamation (cellules intestinales, peau, phanères), pertes sanguines (menstruelles, autres), sueur.

- Environ 2 mg/jour chez la femme : car se surajoutent les pertes gynécologiques. Lla quantité de sang perdue (20-50 ml) représente 8 à 20 mg de fer.

- Pertes liées à la grossesse.

Une grossesse nécessite un supplément d’environ 500 mg de fer : augmentation de l’érythropoïèse, besoins pour le fœtus (il possède environ 200-250 mg de fer à la naissance, transféré essentiellement au 3e trimestre de la grossesse), placenta, et pertes sanguines de la délivrance.

 

Remarque.  Pour les dons de sang : 1 poche de sang = 0.4 litre de sang  = 200 mg de fer      ( 1 L de sang contient 500 mg de fer)

 

 

3.2. Les apports.

 

- L’organisme n’absorbe que 5 % du fer d’origine végétale et 20 % du fer animal (= lié à l’hème des viandes).

- L’absorption ne peut dépasser 7 à 8 mg / jour (y compris dans l’hémochromatose et lors du traitement d’une carence martiale).

 

- Besoins alimentaires quotidiens : environ 10 mg de fer dans l’alimentation (variée), qui compensent les pertes (une alimentation normale en apporte 15 à 20 mg/jour).

- Aliments qui en contiennent le plus : foie, viandes, lentilles, œufs, vin, cidre, épinards …

- Des besoins supplémentaires [allaitement (+ 1 mg/jour), croissance (+ 0,5 mg/jour)] sont normalement fournis par une alimentation variée et équilibrée.

 

Remarques.

- Le lait maternel et le lait de vache contiennent très peu de fer.

- Chez le nouveau-né, il y a peu de fer dans l’alimentation. Chez le nourrisson le lait de vache, plus riche en calcium, diminue l’absorption digestive du fer.

- Certaines substances favorisent l’absorption du fer, comme l’alcool.

 

 

4. Absorption digestive du fer.

 

 

S’effectue grâce à un mécanisme actif et hautement régulé.

L’absorption intestinale se localise au pôle apical des entérocytes duodénaux et des premières anses jéjunales.

L’absorption intestinale vise à compenser les pertes quotidiennes.

 

 

4.1. Captation du fer alimentaire par le pôle apical de l’entérocyte

 

Fer végétal.

- L’acidité gastrique dissocie le fer végétal de ses complexes alimentaires.

- Le fer alimentaire est majoritairement Fe +++ : il est réduit par une Cytochrome B réductase duodénale (DcyB) sous forme Fe ++ ;

- Il pénètre dans le cytoplasme de l’entérocyte grâce à un transporteur de cations divalents : le Divalent Metal Transporter DMT1.

- Tout facteur qui favorise la transformation du fer à l’état ferreux et sa solubilisation aide à l’absorption, et tout élément qui précipite ou agrège le fer s’y oppose : les sucres et AA sont favorisants, alors que les oxalates, phytates, phosphates sont défavorisants.

 

Fer de l’hémoglobine et de la myoglobine (viandes).

- il est plus facilement disponible : le récepteur spécifique (nature précise inconnue) : il capte l’hème, l’endocyte, puis le fer est dissocié dans l’entérocyte par une l’hème oxygénase.

 

 

4.2. Régulation de l’absorption du fer au niveau de l’entérocyte

 

* Dans l’entérocyte le fer est soit stocké (couplé à une protéine de stockage = ferritine), soit se dirige vers le pôle basal pour être libéré dans le sang.

 - Pour que le fer soit fixé à la transferrine plasmatique, interviennent :

                - l’héphaestine et la céruléoplasmine, qui réoxydent le fer en Fe +++,

                - la ferroportine, qui assure le transport transmembranaire du fer vers le plasma.

 

* Plusieurs mécanismes régulent l’absorption du fer au niveau luminal intestinal, ainsi que son passage vers le plasma.

 

               - un système de signalisation médié par des facteurs inductibles par l’hypoxie (HIP), qui va augmenter la synthèse des DcyB et DMT1 en cas de carence en fer ;

                - un mécanisme faisant intervenir le fer lui-même :

Sur le mRNA du DMT1, de la ferritine et de la ferroportine il existe des régions particulières appelées IRE (Iron Responsive Elements) ; selon la quantité de fer présente dans la cellule ces IRE fixent + ou – de fer, ce qui entraine des effets variables selon les mRNA de ces diverses protéines (augmentation ou diminution de la translation).

Un manque de fer augmente la synthèse de DMT1 (= absorption du fer augmentée), réprime la synthèse de ferritine (diminue le stockage local), et augmente la ferroportine (= facilite la sortie du fer dans le plasma).

 

                - Un mécanisme faisant intervenir l’hepcidine.

 

 

4.3. L’hepcidine.

 

- Synthétisée par le foie ; 25 AA.

- Analogies avec les défensines, petites protéines antimicrobiennes de l’immunité naturelle.

- Fonction : se fixe à la ferroportine et induit sa dégradation (ubiquitinylation), ce qui limite la sortie du fer des cellules qui en contiennent : macrophages, hépatocytes, cellules intestinales, syncytiotrophopblastes placentaires.

 

 

- Régulation des effets.

De nombreux autres mécanismes régulent la production d’hepcidine :

 

** Plusieurs protéines contrôlent la synthèse de l’hepcidine :

                * Protéine HFE (molécule en compétition avec la transferrine (Tf) pour se fixer au récepteur de la transferrine (TfR2) : son inactivation entraine une fixation excessive de Tf + Fer sur les cellules qui portent le TfR, ce qui augmente l’apport en fer aux cellules),

                * L’hémojuvéline (ou HFE2) (=corécepteur de plusieurs cytokines appelées Bone Morphogenic Proteins (BMP) appartenant à la superfamille du TGF b),

                * Le récepteur de la transferrine TfR2.

Une mutation dans le gène de l’une de ces protéines entraine une perte d’action et la dérégulation de l’absorption du fer par les cellules.

 

** L’inflammation.

L’IL-6 induit la synthèse de l’hepcidine, et concourt à l’anémie inflammatoire (anémie des maladies chroniques).

 

** Divers composants agissant sur les érythroblastes (EPO : l’augmentation de l’EPO sérique provoque la diminution de synthèse d’hepcidine), ou sécrétés par les érythroblastes (Growth Division Factor 15 (GDF 15) produit par les érythroblastes matures et Twisted Gastrulation 1 (TWSG 1)  produit par les érythroblastes immatures provoquent une diminution de synthèse d’hepcidine)

 

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5. Transport plasmatique du fer ; transferrine.

 

 

5.1. Fer sérique ou sidérémie.                                 Valeur normale = 12 –25 µ mol/L chez l’adulte.

 

Il existe d’importantes variations nycthémérales intra individuelles, avec une amplitude au cours de la journée de 30 % à 40 %, selon un cycle circadien.

 

Le fer sérique :                                 augmente après les repas, et après prise d’un traitement par fer.

                                                       est abaissé au cours de la carence martiale et dans les états inflammatoires.

                                                       est augmenté en cas de surcharge en fer, hépatite, cirrhose, alcoolisme chronique, hémolyse, syndromes myélodysplasiques.

 

Le fer est transporté essentiellement par une protéine porteuse = la transferrine.

 

 

5.2. Transferrine (Tf)                                                   Concentration sérique = 1.6 – 3.2 g/L

 

Appelée également sidérophiline, c'est une bêta 1 glycoprotéine synthétisée par le foie.

Chaque molécule peut lier 2 atomes de fer +++.

 

Diminution au cours de : syndromes inflammatoires (par augmentation de son catabolisme), surcharge en fer (diminution de synthèse), insuffisance hépatocellulaire, dénutrition majeure (par diminution de sa synthèse), syndrome néphrotique (petite protéine).

La diminution de synthèse de transferrine est tardive : elle survient quand les réserves sont épuisées, que le fer sérique diminué et que l’érythropoïèse devient insuffisante.

 

Augmentation au cours de : carence en fer, grossesse, contraception orale.

 

Remarques.

 

- Deux éléments théoriques sont calculés à partir du dosage pondéral de la transferrine :

                (1) la capacité totale de fixation (ou de saturation) en fer de la transferrine (CTFT) (µmol/L) = transferrine (g/L) x 25 [ou CTFT (mg/L) = transferrine (g/L) x 1,395) ; la CTFT est de l’ordre de 40 à 80 µM (= quantité maximale de fer qui pourrait se fixer à la transferrine),

                (2) le coefficient de saturation en fer de la transferrine (CSS ou CST) = rapport entre le fer sérique et la capacité totale de fixation en fer de la transferrine (fer sérique/CTFT) ; la saturation de la protéine est de 20 à 45 % (ce coefficient de saturation informe sur le transport et la livraison du fer aux cellules utilisatrices).

 

- D’autres composés transportent le fer sérique en pathologie (plusieurs petites molécules dont le citrate, au cours des thalassémies et de l’hémochromatose)

 

- Dans le plasma on trouve également un peu de fer au sein de complexes haptoglobine/Hb ou/et hémopexine/Hb.

 

 

5.3. Ferritine plasmatique.                                      Valeur normale chez l’adulte : 12 – 300 µg/L

 

Forme modifiée de la ferritine tissulaire, elle provient du compartiment de stockage (non érythrocytaire).

 

Les valeurs normales varient en fonction de l’âge et du sexe, et il est nécessaire de se reporter aux valeurs fournies par chaque laboratoire.

 

- Sa concentration sérique est le reflet du fer des réserves : 1 µg/L de ferritine sérique correspond approximativement à 10 mg de fer de réserve.

 

- Elle est diminuée en cas de carence.

Chez l’enfant de < 5 ans le déficit en fer est avéré si la ferritinémie est < 12 µg/L (et < 30 µg/L si infection associée).

 

- Elle est augmentée en cas de surcharge en fer : hémochromatoses primitives et hémochromatoses secondaires (=acquises) : dysérythropoïèses, thalassémie majeure, anémies sidéroblastiques, aplasies médullaires, transfusions excessives, éthylisme chronique.

En faveur d’une surcharge : ferritine sérique > 400 µg/L

 

- MAIS elle est aussi augmentée et sans rapport avec la quantité de fer de l'organisme dans l’inflammation (= protéine de la phase inflammatoire), les cytolyses hépatique et musculaire, les cancers, le diabète décompensé, l’éthylisme, l’hyperthyroïdie, certains syndromes métaboliques. L’administration de fer induit la synthèse de la ferritine.

 

Le contexte bioclinique (inflammation, hépatopathie) est donc nécessaire pour interpréter les résultats de la ferritine sérique. On affirme une anémie par carence en fer quand la ferritine sérique est < 10 µg/L. L’hypothèse d’anémie ferriprive n’est pas vraisemblable pour des valeurs de ferritine sérique > 40 µg/L dans la population  générale et > 70 µg/L pour les patients présentant des pathologies inflammatoires ou hépatiques.

 

La ferritine intra érythrocytaire (dosée après lyse des GR) : un bon reflet des réserves en fer, mais son dosage exige un sang fraîchement prélevé et une séparation des leucocytes, ce qui en limite l’usage en routine.

 

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Principales variations du fer sérique, de la transferrine et de sa saturation, et de la ferritinémie en pathologie

 

 

Remarques pour le statut martial de la grossesse et du petit enfant.

 

- Les seuils de ferritine sérique ne font pas consensus pour l’enfant et la femme enceinte.

- Le statut martial varie les premiers mois de vie : initialement, il existe une augmentation de la ferritine par hémolyse et remplacement de l’hémoglobine fœtale par l’hémoglobine adulte, puis une diminution de la ferritine car le fer est largement utilisé du fait de la croissance  rapide.

- Au cours de la grossesse, l’expansion volémique observée aux  2ième et 3ième trimestres contribue à la diminution et la variabilité de la ferritine sérique dans cette période.

- D’une façon générale, les femmes en période d’activité génitale et les individus en croissance (adolescents) ont des réserves en fer moindres et des valeurs moyennes de ferritine sérique plus basses.

 

 

5.4. Le récepteur soluble de la transferrine (RsTf).

 

                Proposé initialement pour son indépendance par rapport au statut inflammatoire ou en cas de maladie hépatique,

un taux augmenté (diverses unités : se reporter aux valeurs proposées par son laboratoire) s’observe dans la carence martiale, mais également dans l’érythropoïèse inefficace (carences en vit B12, thalassémies)(il est recommandé de ne pas utiliser les RsTf pour le diagnostic d’une anémie par carence martiale dans les zones à forte prévalence de thalassémie) et les anémies régénératives.

Le taux est diminué en cas de surcharge en fer.

 

                La littérature originale sur les RsTf et l’index « RsTf / log ferritine » est d’un faible niveau de preuve (HAS 2011) : pas de concordance quant aux variations chez les sujets sains en fonction de l’âge (notamment les enfants et les sujets âgés), du sexe et de la grossesse ; résultats très hétérogènes selon les pathologies : l’index « RsTf / log ferritine » est peut-être plus utile pour identifier une carence martiale dans un contexte inflammatoire que les RsTf seuls.

 

Remarques.

 

- Les RsTf sont la forme soluble des récepteurs de la transferrine membranaire, très majoritairement exprimés sur les érythroblastes de la MO. Ils sont formés de deux sous-unités identiques reliées par un pont disulfure. Le nombre de récepteurs de la transferrine à la surface cellulaire est régulé positivement par l’activité érythropoïétique et la carence en fer de la cellule.

La forme soluble est obtenue par protéolyse de la forme membranaire.

 

 

5.5. Autres.

 

                * Le  précurseur  immédiat  de l’hème  est  la  protoporphyrine, dans laquelle le zinc peut remplacer le fer en cas de carence, donnant la protoporphyrine liée au zinc, qui est dosable et utilisée pour le diagnostic de carence en fer dans certains pays.

 

               *  Hepcidine. Dosage urinaire accessible aux laboratoires spécialisés, dosage sérique encore à l’état expérimental. La détermination de cette protéine permet de mieux comprendre l’anémie « inflammatoire » : L’IL 6 produite lors du processus inflammatoire stimule la synthèse hépatique de l’hepcidine (et donc son effet sur la ferroportine).

 

               *  Analyse des GR et des réticulocytes par les automates d’hémogrammes.

 

Les automates peuvent mesure l’hémoglobine totale, qui diminue dans la carence en fer quand les réserves sont devenues nulles = c’est donc un signe tardif de carence.

Les automates utilisant la technique laser optique peuvent mesurer la quantité individuelle d’Hb dans les GR : les GR « hypochromes » peuvent être identifiés (Q diminuée d’Hb) plus précocement que la baisse de l’Hb, et un nombre > 5% est évocateur de carence.

 

La concentration en Hb des réticulocytes peut être également mesurée : un contenu moyen en Hb dans les réticulocytes < 28 ou 29 pg (Ret-He ou CHr selon les automates) est signe de carence en fer.

Divers indices sont proposés par les divers automates récents pour aider à repérer ces GR ou ces réticulocytes « hypochromes ».

 

 

6. Stockage du fer : fer des réserves.

 

 

Les principales cellules stockant le fer sont les macrophages du foie (40-50%), de la MO et +/- de la rate, et les muscles. Les érythroblastes utilisent le fer pour la synthèse de l’Hb et en stockent très peu.

 

* Captation cellulaire du fer plasmatique :

Le récepteur membranaire 1 de la transferrine ou CD71, capte la Tf portant le fer ferrique, et l’ensemble est internalisé (vésicules d’endocytose dont le pH bas favorise la dissociation du fer tandis que la Tfe et son récepteur sont respectivement exocyté et réexprimé en surface)

 

* Dans la cellule le fer est présent dans 2 sous compartiments :

 

- un compartiment de transit où le fer est aisément disponible pour les enzymes et les cytochromes.

Particulièrement pour les érythroblastes, le fer est transporté vers les mitochondries et il traverse leur membrane (protéines de la famille ABC) pour être incorporé à l’hème par l’hème synthétase.

- un compartiment de stockage, sous forme de ferritine.

 

La ferritine est un complexe de 24 sous unités [qui peuvent être de 2 types : sous-unités L (liver) et sous unités H (heart) en proportions variables selon les cellules], qui peut contenir jusqu’à 4500 atomes de fer. L’hémosidérine est une protéine lysosomiale correspondant à une forme dégradée de ferritine, et qui stocke le fer de manière stable, plus difficilement mobilisable.

La céruléoplasmine et la transferrine sériques régulent la sortie du fer hors de la cellule (l’absence congénitale de céruléoplasmine est associée à une anémie microcytaire, et l’absence congénitale de transferrine entraîne également une anémie microcytaire avec surcharge martiale tissulaire)

 

 

7. Fer et érythropoïèse.

 

 

                La molécule d’hémoglobine est une ferroprotoporphyrine contenant 4 hèmes, donc 4 atomes de fer à l’état ferreux, synthétisée dans les érythroblastes. La Tfe sérique apporte la majorité du fer nécessaire aux érythroblastes (1-2 % pour la rhophéocytose de la ferritine, qui apporte du fer directement des macrophages vers les érythroblastes).

 

                L’érythropoïèse assure la majorité du turn over du fer de l’organisme : plus de 90% du fer sérique est utilisé par l’érythropoïèse.

 

                Les macrophages récupèrent le fer de l’Hb : ils phagocytent les hématies vieillies et les érythroblastes anormaux (de la dysérythropoïèse physiologique), dissocient l’Hb avec dégradation de la globine en AA alors que l’hème est catabolisé en bilirubine et le fer soit stocké dans le cytoplasme (couplé à la ferritine), soit externalisé (couplé à la transferrine).

 

 

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 8. Autres méthodes d'étude du fer de l'organisme.

 

 

* Coloration de Perls.

L’examen de référence pour estimer la quantité de fer de l’organisme est l’analyse du fer

contenu dans la moelle osseuse après coloration spécifique, la coloration de Perls, réalisée par technique cytochimique à partir de l'aspiration ou de la biopsie de moelle osseuse. C’est geste invasif, inapplicable au quotidien dans cette indication.

(voir le document spécifique).

 

* Etude moléculaire.

L’étude des mutations du gène de la protéine HFE et des diverses protéines impliquées dans les hémochromatoses constitutionnelles se réalise en biologie moléculaire, par technique PCR classique ou en temps réel à partir des leucocytes sanguins ou des cellules d’un prélèvement buccal.

 

* Cinétique du fer radioactif : n’est réalisée qu’exceptionnellement.

L’injection de fer radioactif (fer 59) par voie IV permet une exploration dynamique du métabolisme du fer. On peut ainsi observer :

 

 

 

 

Après quelques heures :

 7

Après quelques jours :

 8

Après quelques semaines :

 9

 

 

Conclusion.

La carence martiale est la maladie la plus fréquente dans le monde ; la connaissance du métabolisme du fer permet de mieux en cerner la physiopathologie et les aspects thérapeutiques.

 

 

 

Références.

Andrews NC. Forging a field : the golden age of iron biology. Blood 2008;112:219-230

Zhang AS & Enns CA. Molecular mechanisms of normal iron homeostasis. ASH educational program, 2009:207-212.

Recommandations HAS. Choix des examens du métabolisme du fer en cas de suspicion de carence en fer. Février 2011.

 

(janvier 2012)