Clinical and pathological features of brain iron metabolism in neurodegerative and demyelinating disorders

Cover Page

Cite item

Full Text

Abstract

The results of many modern studies show the significance of the role of changes in iron metabolism and its increased accumulation in the pathogenesis of neurodegenerative and demyelinating diseases. Determining the role of iron metabolism and the characteristics of its distribution in strategically important areas of the brain in diseases of the nervous system is important from a diagnostic point of view, since it can help determine the rate of disease progression and, accordingly, correction of therapy. The article presents modern literature data describing the main disorders of iron metabolism in the structure of the pathogenesis of neurodegenerative diseases (Alzheimer’s disease and Parkinson’s disease), and demyelinating diseases, in particular, multiple sclerosis. Attention is drawn to the role of changes in iron metabolism in the pathogenesis of the process of regulated cell death, ferroptosis, accompanied by depletion of intracellular glutathione, decreased activity of the enzyme glutathione peroxidase-4 and the subsequent process of lipid peroxidation caused by a decrease in the protective antioxidant system of cells and the accumulation of reactive oxygen species. Attention is drawn to the role of the Fenton reaction in the accumulation of free radicals, the oxidation of iron and, as a consequence, its excessive deposition in brain structures. Information is provided on the features of the pathogenesis of neuronal iron accumulation, modern diagnostic capabilities for assessing iron content in strategically important areas of the brain using various methods, and the possibility of various options for therapeutic treatment of these conditions is considered. Attention is drawn to the patterns of iron distribution in normal brain structures depending on age, as well as in the specified nosologies. Data are presented on the connection between an increase in the amount of iron content in brain cells and the severity of clinical manifestations of diseases. Attention is drawn to the relationship between the progression of disease severity and the increase in metal content in the cells of strategically significant areas of the brain. When writing the article, modern materials and meta-analyses were used, containing the results of a significant number of studies devoted to the problem considered in this review.

About the authors

Pavel S. Dynin

Military Medical Academy

Author for correspondence.
Email: pavdynin@yandex.ru
ORCID iD: 0000-0001-5006-8394
SPIN-code: 8323-3951
Russian Federation, Saint Petersburg

Igor' V. Litvinenko

Military Medical Academy

Email: litvinenkoiv@rambler.ru
ORCID iD: 0000-0001-8988-3011
SPIN-code: 6112-2792
Scopus Author ID: 35734354000
ResearcherId: F-9120-2013

M.D., D.Sc. (Medicine), Professor

Russian Federation, Saint Petersburg

Andrey Y. Emelin

Military Medical Academy

Email: emelinand@rambler.ru
ORCID iD: 0000-0002-4723-802X
SPIN-code: 9650-1368
Scopus Author ID: 35773115100
ResearcherId: I-8241-2016

M.D., D.Sc. (Medicine), Professor

Russian Federation, Saint Petersburg

Artem V. Ruban

Military Medical Academy

Email: tem13072002@gmail.com
ORCID iD: 0009-0007-6806-8115
Russian Federation, Saint-Petersburg

References

  1. Ward JR, Zucca AF, Duyn HJ, et al. The role of iron in brain ageing and neurodegenerative disorders. Lancet Neurol. 2014;13(10): 1045–1060. doi: 10.1016/S1474-4422(14)70117-6
  2. De Barros A, Arribarat G, Lotterie JA, et al. Iron distribution in the lentiform nucleus: A post-mortem MRI and histology study. Brain Structure and Function. 2021;226(2):351–364. doi: 10.1007/s00429-020-02175-7
  3. Tran D, DiGiacomo P, Born DE, et al. Iron and Alzheimer’s Disease: From Pathology to Imaging. Front Hum Neurosci. 2022;16:838692. doi: 10.3389/fnhum.2022.838692
  4. Duck KA, Simpson IA, Connor JR. Regulatory mechanisms for iron transport across the blood-brain barrier. Biochem Biophys Res Commun. 2017;494(1–2):70–75. doi: 10.1016/j.bbrc.2017.10.083
  5. Li J, Cao F, Yin HL, et al. Ferroptosis: past, present and future. Cell Death Dis. 2020;11(2):88. doi: 10.1038/s41419-020-2298-2
  6. Schweser F, Hagemeier J, Dwyer MG, et al. Decreasing brain iron in multiple sclerosis: The difference between concentration and content in iron MRI. Hum Brain Mapp. 2021;42(5):1463–1474. doi: 10.1002/hbm.25306
  7. Lehericy S, Roze E, Goizet C, Mochel F. MRI of neurodegeneration with brain iron accumulation. Curr Opin Neurol. 2020;33(4):462–473. doi: 10.1097/WCO.0000000000000844
  8. Litvinenko IV, Krasakov IV, Trufanov AG. TCerebral disorders of iron metabolism as the basis for the development and progression of neurodegenerative diseases. Bulletin of the Russian Military Medical Academy. 2018;(S3):68–78. (In Russ.)
  9. Guillemot J, Canuel M, Essalmani R, et al. Implication of the proprotein convertases in iron homeostasis: proprotein convertase 7 sheds human transferrin receptor 1 and furin activates hepcidin. Hepatology. 2013;57(6):2514–2524. doi: 10.1002/hep.26297
  10. Tian Yao, Tian Yuanliangzi, Yuan Zhixiao, et al. Iron Metabolism in Aging and Age-Related Diseases. Int J Mol Sci. 2022;23(7):3612. doi: 10.3390/ijms23073612
  11. Zucca FA, Segura-Aguilar J, Ferrari E, et al. Interactions of iron, dopamine and neuromelanin pathways in brain aging and Parkinson’s disease. Prog Neurobiol. 2017;155:96–119. doi: 10.1016/j.pneurobio.2015.09.012
  12. Litvinenko IV, Lobzin VYu, Emelin AYu, et al. The role of neuroinflammation in the development of Alzheimer’s disease. Russian Military Medical Academy Reports. 2022;41(S4):50–56. (In Russ.)
  13. Lobzin VYu, Kolmakova KA, Emelin AYu, Lapina AV. Glymphatic brain system and its role in pathogenesis of Alzheimer’s disease. Bulletin of the Russian Military Medical Academy. 2022;(1(65)): 230–236. (In Russ.)
  14. Buryak AB, Trufanov AG, Yurin AA, et al. The effect of iron accumulation in the basal ganglia on the dysfunction of the extrapyramidal system in Parkoinson’s disease. Russian neurological journal. 2020;25(1):29–37. (In Russ.). doi: 10.30629/2658-7947-2020-25-1-29-37
  15. Buryak AB, Trufanov AG, Yurin AA, et al. Effect of iron accumulation in the basal ganglia on gray matter function in Parkinson’s disease. Vestnik nevrologii, psikhiatrii i neyrokhirurgii. 2022;(2):130–143. (In Russ.). doi: 10.33920/med-01-2202-05
  16. Buryak AB, Trufanov AG. Features of the clinical course of Parkinson’s disease with iron deposition in the basal ganglia. Russian Medical Journal. 2022;(4):2–6. (In Russ.)
  17. Thomas GEC, Leyland LA, Schrag AE, et al. Brain iron deposition is linked with cognitive severity in Parkinson’s disease. J Neurol Neurosurg Psychiatry. 2020;91(4):418–425. doi: 10.1136/jnnp-2019-322042
  18. Dimov AV, Li J, Nguyen TD, et al. QSM Throughout the Body. J Magn Reson Imaging. 2023;57(6):1621–1640. doi: 10.1002/jmri.28624
  19. Ravanfar P, Loi SM, Syeda WT, et al. Systematic Review: Quantitative Susceptibility Mapping (QSM) of Brain Iron Profile in Neurodegenerative Diseases. Front Neurosci. 2021;15:618435. doi: 10.3389/fnins.2021
  20. Guan X, Xu X, Zhang M. Region-Specific Iron Measured by MRI as a Biomarker for Parkinson’s Disease. Neurosci Bull. 2017;33(5): 561–567. doi: 10.1007/s12264-017-0138-x
  21. Saeed U, Lang AE, Masellis M. Neuroimaging Advances in Parkinson’s Disease and Atypical Parkinsonian Syndromes. Front Neurol. 2020;11:572976. doi: 10.3389/fneur.2020.572976
  22. Wang Y, Liu T. Quantitative susceptibility mapping (QSM): decoding MRI data for a tissue magnetic biomarker. Magn Reson Med. 2015;73(1): 82–101. doi: 10.1002/mrm.25358
  23. Santin M, Didier M, Valabregue R, et al. Reproducibility of R2* and quantitative susceptibility mapping (QSM) reconstruction methods in the basal ganglia of healthy subjects. NMR Biomed. 2017;30(4). doi: 10.1002/nbm.3491
  24. Mahoney-Sánchez L, Bouchaoui H, Ayton S, et al. Ferroptosis and its potential role in the physiopathology of Parkinson’s Disease. Prog Neurobiol. 2021;196:101890. doi: 10.1016/j.pneurobio.2020.101890
  25. Thomas GEC, Zarkali A, Ryten M, et al. Regional brain iron and gene expression provide insights into neurodegeneration in Parkinson’s disease. Brain. 2021;144(6):1787–1798. doi: 10.1093/brain/awab084
  26. Schwarz ST, Afzal M, Morgan PS, et al. The ‘swallow tail’ appearance of the healthy nigrosome — a new accurate test of Parkinson’s disease: a case-control and retrospective cross-sectional MRI study at 3T. PLoS One. 2014;7(4): e93814. doi: 10.1371/journal.pone.0093814
  27. Das N, Raymick J, Sarkar S. Role of metals in Alzheimer’s disease. Metab Brain Dis. 2021;36(7):1627–1639. doi: 10.1007/s11011-021-00765-w
  28. Blinov DS, Donec DA, Poltavskij ID, et al. Magnitno-rezonansnye markery nejrodegeneracii pri rasseyannom skleroze. Bulletin of the Russian Military Medical Academy. 2018; S3:130–131. (In Russ.)
  29. Ropele S, Enzinger C, Fazekas F. Iron Mapping in Multiple Sclerosis. Neuroimaging Clin N Am. 2017;27(2):335–342. doi: 10.1016/j.nic.2016.12.003
  30. Schweser F, Hagemeier J, Dwyer MG, et al. Decreasing brain iron in multiple sclerosis: The difference between concentration and content in iron MRI. Hum Brain Mapp. 2021;42(5):1463–1474. doi: 10.1002/hbm.25306
  31. Luoqian J, Yang W, Ding X, et al. Ferroptosis promotes T-cell activation-induced neurodegeneration in multiple sclerosis. Cell Mol Immunol. 2022;19(8):913–924. doi: 10.1038/s41423-022-00883-0
  32. Devos D, Labreuche J, Rascol O, et al. FAIRPARK-II Study Group. Trial of Deferiprone in Parkinson’s Disease. N Engl J Med. 2022;387(22):2045–2055. doi: 10.1056/NEJMoa2209254
  33. Lu L, Zheng X, Wang S, et al. Anti-Aβ agents for mild to moderate Alzheimer’s disease: systematic review and meta-analysis. J Neurol Neurosurg Psychiatry. 2020;91(12):1316–1324. doi: 10.1136/jnnp-2020-323497

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download

Copyright (c) 2023 Eco-Vector

Creative Commons License
This work is licensed under a Creative Commons Attribution-NonCommercial-NoDerivatives 4.0 International License.

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».