Alessia David, MDa, Louise A. Metherell, PhDa, Adrian J.L. Clark, DSca, Cecilia Camacho-Hubner, MDb, Martin O. Savage, MDb,c,*
aMolecular Endocrinology Centre, William Harvey Research Institute St. Bartholomew’s Hospital, London, UK; bDivision of Paediatric Endocrinology, Queen Mary’s School of Medicine and Dentistry, Queen Mary’s University of London, London, UK; cDepartment of Paediatric Endocrinology, St. Bartholomew’s Hospital, London, UK
Endocrinol Metab Clin N Am 34 (2005) 581–595
生長激素不敏感性(Growth hormone insensitivity, GHI)描述了對GH生物學作用不敏感為特征的許多臨床疾病。本文將從三個方面報告臨床處理的進展。首先,討論目前對GHI所包括的遺傳疾病譜的了解;第二,報告GHI遺傳病因的分子學研究和診斷的進展;第三,返回到GHI的臨床處理,并綜述當前以重組人胰島素樣生長因子(rhIGF)-I或IGF-I/IGF結合蛋白(BP)-3聯(lián)合治療GHI兒童的經(jīng)驗。
生長激素不敏感性的臨床診斷
生長激素不敏感性的臨床特點
GHI是一種罕見疾病,其表型類似于GH缺乏,但依據(jù)高水平的循環(huán)GH可進行區(qū)分。嚴重GHI稱為GHI綜合癥(GHIS)或Laron綜合癥。在兒童期未治療病人出現(xiàn)嚴重的生長障礙,導致成年的矮身高。GHIS病人具有典型低水平的血清IGF-I、IGFBP-3、酸性不穩(wěn)定亞單位和GHBP。病人對外源性GH治療出現(xiàn)抵抗。
子宮內(nèi)的生長并未顯著受累,雖然出生體重和身長處于異常的邊緣。但是,都可見出生后的線性生長障礙,生長速度嚴重迅速下降。如果不治療,GHIS病人的成年身高將低于年齡性別中位數(shù)下4~10 SDS,骨骼和肌肉系統(tǒng)發(fā)育不良,以雙能X線吸收法測量,可發(fā)現(xiàn)骨量減少,但由病人身體大小計算的體積礦物質密度正常。在以色列研究組群,報告了上下體節(jié)比例的增加。
典型GHIS病人表現(xiàn)出因蝶骨和下頜骨發(fā)育不足所引起的面中部發(fā)育不全,小鼻子,鼻梁扁平,前額突出;毛發(fā)稀少,顳和額面凹。GHIS病人相對肥胖,瘦體重與脂肪量比例下降。一般情況下不出現(xiàn)青春期生長突增,青春期延遲,但男女病人均可達到完全的性發(fā)育,具有正常的性和生殖功能。GHIS也引起代謝異常,例如禁食低血糖。盡管如此,已經(jīng)證實了胰島素抵抗的狀態(tài),某些病人在成年期出現(xiàn)糖尿病。成年人也存在高膽固醇血癥的血脂異常。
生長激素不敏感性譜:Laron綜合癥、非典型的生長激素不敏感性綜合癥和特發(fā)性矮身高
GHI分為兩類,原發(fā)或遺傳性GHI與繼發(fā)或獲得性GHI。Laron et al.報告了第一例原發(fā)性GHI,為GH受體(GHR)遺傳性缺失。繼發(fā)性GHI有不同的診斷類別,可能的病因有抗GH或其受體的抗體、營養(yǎng)不良、肝臟疾病或未控制的糖尿病等。大部分典型的GHI病人有高水平的循環(huán)GH和低水平的血清GHBP、IGF-I、IGFBP-3,但少數(shù)病人有正?;蛏踔粮咚降腉HBP。
某些原發(fā)性GHI病人不太嚴重,稱為非典型的GHI,有正常的面部表現(xiàn)和較小異常的生長與生化特征(圖1)。因為這些病人無Laron綜合癥表型,可能被分類為特發(fā)性矮身高(idiopathic short stature, ISS)。而且,某些特發(fā)性矮身高病人有低血清GHBP濃度。
自從1966年首例報告以來,在世界各地已經(jīng)鑒別出250名原發(fā)性GHI病人,在以色列和厄瓜多爾報告的病例最多。目前,對這種地理區(qū)域性仍然無清晰地解釋,但共同的祖先可能是一個因素。報告病例的家譜表明,同源性是GHI增加的主要貢獻因素。
圖1. 歐洲系列GH不敏感性病人譜中Laron綜合癥(▲)到特發(fā)性矮身高(○)的臨床表型.
身高SDS與IGFBP-3 SDS相關
生長激素不敏感性的分子學診斷
生長激素受體功能障礙
1984年,Laron及其同事最早報告了原發(fā)性GHI病人細胞對GH無反應的證據(jù),他們的研究證明,碘125(125I)-GH與以色列病人肝膜制備的GHR無結合反應。當代分子生物學和克隆技術的出現(xiàn),以及人GHR特征的描述已經(jīng)對GHI的病理生理學有所了解。事實上,在發(fā)現(xiàn)有分子學缺陷的GHI病人幾乎都存在GHR突變。
生長激素受體的性狀
調節(jié)GH的作用需要有GHR,GHR的表達普遍存在。GHR是細胞因子受體家族之一,這個家族包括有促乳素、紅細胞生成素、干擾素、白細胞介素以及許多刺激紅細胞生成因子的受體。成熟的GHR是一種620個氨基酸、單鏈、130-kDs的糖蛋白,由與GH結合和GHR二聚作用的細胞區(qū)域、使GHR停留在細胞表面的所必須的跨膜區(qū)域、以及GH信號轉導的細胞內(nèi)區(qū)域所組成。細胞外區(qū)域也以GHBP獨立存在,與GH有高度親和力的可溶性異構體。
GHR由位于染色體5短臂(5p13-p12)的單基因編碼。該基因跨度至少有87kb,分為10個外顯子和9個內(nèi)含子(圖2),外顯子2編碼信號肽,外顯子3~7編碼細胞外區(qū)域、外顯子8編碼跨膜區(qū)域、外顯子9~10編碼細胞內(nèi)區(qū)域和3’非編碼區(qū)。
圖2. GHR結構和ISS病人的突變. 外顯子2-7編碼細胞外區(qū)域,外顯子8編碼跨膜區(qū)域(TM),外顯子9和10編碼細胞
生長激素受體二聚作用和細胞內(nèi)信號轉導
GH激素通過與GHR結合而啟動其作用。結合后與同一GH分子表面上其它的GHR再次結合,形成含有兩GHRs與一個GH分子相聯(lián)的復合物。GH引起的GHR的二聚作用似乎是GHR信號轉導和GH作用所必需,它促使酪氨酸激酶2(JAK2)與GHR位于細胞內(nèi)近端富含脯氨酸Box1區(qū)域結合。GHR-JAK2相互作用激活JAK2,調節(jié)酪氨酸磷酸化級聯(lián),包括JAK2本身、GHR、信號轉導與轉錄活化因子(STAT)1,3,5、胰島素受體底物1和2、絲裂原活化蛋白激酶組分、蛋白激酶C、磷脂酰肌醇3-激酶通路、以及幾種其它細胞內(nèi)信號蛋白。通過這種信號轉導級聯(lián),激活基因的轉錄。
典型生長激素不敏感性中的生長激素受體突變
1989年,Godowski et al首次報告了GHIS病人的突變,描述了編碼GH結合區(qū)域的純合子缺失。應用聚合酶聯(lián)反應,現(xiàn)在能夠擴增GHR的編碼外顯子,擴增產(chǎn)物的測序已經(jīng)發(fā)現(xiàn)GHI病人60種以上的GHR基因突變。這些基因幾乎都是以純合子或復合雜合子形式隱性遺傳,其范圍由外顯子缺失至各種點突變,包括錯義、無義、拼接和移碼突變。
幾乎所有報告的GHR分子學缺陷都發(fā)生在編碼受體細胞外區(qū)域的部位,這樣突變的病人缺乏或有極端低的GHBP水平,具有典型Laron綜合癥的面部特征。目前在這一區(qū)域已經(jīng)報告了50種以上的突變,包括有基因的大部缺失和導致移碼因此產(chǎn)生過早終止密碼子的小部分缺失。最普遍的是點突變,導致過早的終止密碼子(無義)或氨基酸的改變(錯義),以及引起隱蔽剪接位點的激活或產(chǎn)生新位點的核苷酸取代。許多分子學缺陷具有相同的致病機制,導致缺乏與GH結合功能的GHR蛋白,因此,循環(huán)GHBP水平低或缺乏。
生長激素結合蛋白突變-陽性生長激素不敏感綜合癥
Duquesnoy et al.報告了幾例D152H突變(在152位置上的天冬氨酸殘基被組氨酸取代)并有陽性GHBP水平的病人。Woods et al.也報告了在內(nèi)含子8剪接供體位點純合子點突變(IVS8ds-1 G→C),導致遺漏外顯子8的典型GHIS病人。這是細胞內(nèi)突變的首次報告,作者預測突變的GHR可能被細胞釋放下來,以GHBP被測量到,缺乏與細胞表面結合的能力。Silbergeld et al.所報告的突變有類似的表型,這種在內(nèi)含子7接受體拼接位點的點突變(IVS7as-1 G→T)導致遺漏外顯子8,引起有高水平GHBP的GHIS.
非典型生長激素不敏感性綜合癥中的突變
在1997年,Ayling et al.報告了第一例顯性負效應雜合子突變,對GHI分子學缺陷提供了新的看法。作者報告了內(nèi)含子8剪接受體位點的突變(IVS8as-1 G→C),導致遺漏外顯子9和被刪節(jié)的GHR產(chǎn)物。突變的GHR形成野生型GHR和對正常蛋白有顯性負效應的異源二聚體。Iida et al.報告了導致相同后果的第二種突變(IVS9ds+1 G→A)。這兩種病人都有陽性GHBP和正常的面部。Metherell et al.在4名兄弟姐妹報告了突變引起外顯子6和7之間插入假外顯子的類似表型,這種108-bp插入引起密碼子206和207結構之間額外的36個氨基酸,作者預言這將影響受體的二聚作用,但這種突變GHR的晶體結構模型表明二聚作用區(qū)域未改變,而且細胞研究提示,實際導致了信息傳輸?shù)娜毕荨?/p>
細胞內(nèi)突變
除上述提到的4種突變(IVS7as-1 G→T, IVS8ds+1 G→C, IVS9ds+1 G→A, and IVS8as-1 G→C)之外,也報告了幾種跨膜和細胞內(nèi)區(qū)域的突變。在一名ISS病例和3個缺失突變中報告了這種導致一種氨基酸改變(A478T)的單核苷酸變化的突變。其中兩種缺失有類似的影響,在mRNA的981位置上單核苷酸缺失和外顯子9中13bp的缺失。二者突變導致無信號的GHR刪節(jié),也無顯性負效應的作用。最近,Milward et al.在有低但可檢測GHBP水平的兩名同胞,證實了信號轉導缺陷,兩名病人為外顯子10中純合子22-bp缺失,導致無STAT5結合位點和無STAT5活性的GHR突變。
特發(fā)性矮身高的生長激素受體突變
雖然已經(jīng)報告了60多種GHR分子學缺陷,但仍然存在有正常GH分泌的矮身高,其生長障礙的病因還不能得到完全的解釋。在1995年,Goddard et al.研究了一組提示有部分GHI的低血清GHBP濃度的14名ISS兒童,4名病人為GHR雜合突變(圖2)。一種復合雜合子,兩種有害的突變(E44K 和 R161C)可能解釋了一名病人的矮身高,因為其余3名病人的跨膜和細胞內(nèi)區(qū)域未測序,所以細胞內(nèi)區(qū)域可能存在第二種未鑒別出的突變,致使這些兒童矮身高。而且,作者將研究擴展到GHI譜范圍內(nèi)的100名病人,發(fā)現(xiàn)了3名攜帶更多細胞外區(qū)域雜合突變的病人和1名外顯子10的雜合突變(A478T)病人(圖2)。同樣,在一項17名ISS受試者的研究中,雖然僅使用單鏈構型多態(tài)性分析外顯子序列,但發(fā)現(xiàn)1名病人外顯子6的新雜合突變(V144I),另一等位基因無突變。
單核苷酸多態(tài)性與生長激素不敏感性
其它研究證明了與ISS有關的GHR突變。報告了兩種突變(C422F and P561T)與ISS相關,但是尚無這些突變是病人病因的真實證據(jù)。有研究證明,野生型和C422F突變的GHR之間信號轉導無差異。在15%的正常人群發(fā)現(xiàn)P561T的變化,并證明與身高無關。新的外顯子4中T51I雜合突變與矮身高或GHI無關。
細胞內(nèi)信號轉導缺陷
兩項以前的研究證明,ISS病人缺乏GH引起的STAT蛋白的酪氨酸磷酸化,以及無GHR基因的突變,但是作者未能在這些病人中鑒別出任何突變。只在最近,才出現(xiàn)了一名ISS病人GH信號轉導級聯(lián)分子學缺陷的首例報告。Kofoed et al.報告了STAT5b基因外顯子15的雜合突變,并證明突變的蛋白不能被GH所激活,因此不能激活基因的轉錄。這名兒童具有所有典型GHI的癥狀,也存在與無功能的STAT5b相一致的免疫缺陷。
生長激素不敏感性的治療
生長激素不敏感性的rhIGF-I治療
在rhIGF-I出現(xiàn)之前,GHIS是一種不可治療的疾病。因此熱切希望能夠以IGF-I治療,來改善兒童期和成年期的身高。在急性研究中,rhIGF-I發(fā)揮了合成作用;一項對GHIS和正常受試者皮下注射(SC)40和80mg/kg的rhIGF-I藥物動力學研究證實,GHIS受試者的清除率和半衰期分別為0.60mL/分/kg和6小時,正常受試者分別為0.20mL/分/kg和20小時。在GHIS病人,rhIGF-I迅速的清除率與IGFBP-3和ALS生成下降和生物學效應減小有關,這一結果得到了對兩名兒童GH脈動性研究的支持,在每天接受兩次120mg/kg的rhIGF-I后4和7小時重復出現(xiàn)GH脈沖。
在GHIS的rhIGF-I實驗開始于1980s后期,大部分研究每天兩次皮下IGF-I注射,每次劑量范圍在40~120mg/kg,Laron et al.使用每天一次150mg/kg的劑量。所有發(fā)表的報告證實治療期間生長速度增加,治療第一年的平均生長速度增加7.2~9.3cm/年。在一項治療期7年以上的長期研究中,報告了持續(xù)的趕上生長。在一項17名歐洲病人的研究中,每天兩次80~120mg/kg劑量的治療,身高SDS由-6.5增加到-4.2,生長速度保持在6.3cm/年。Backeljauw 和 Underwood的研究使用每天兩次80~120mg/kg的rhIGF-I劑量,也報告了身高持續(xù)獲益,由-5.2 SDS增加到-4.2 SDS,第一年治療的身高速度為9.3cm/年,在治療的6年中為4.8cm/年。
這些研究證明,與安慰劑相比明顯受益于rhIGF-I治療,提示了每天兩次80mg/kg劑量對生長速度的劑量依賴性穩(wěn)定效果。也有研究報告,GHIS對IGF-I的反應低于嚴重GH缺乏病人對GH治療的反應。在以每天兩次80mg/kg的rhIGF-I治療的歐洲病人亞組,證明了身高SDS與IGFBP-3 SDS之間負相關,二者都反映了疾病的嚴重性和對rhIGF-I治療的反應,生物學缺陷越嚴重,對rhIGF-I治療的反應越大。這可能與GHIS較輕病人的治療有關。
rhIGF-I治療的不利作用
以rhIGF-I治療GHIS引起一定范圍的不利作用。最普遍的不利作用是注射部位的疼痛和頭痛。在歐洲的研究中,大部分癥狀在治療的第一個月出現(xiàn),然后好轉,以后的問題很小。其它的影響是注射部位脂肪增生,以及很少見的與良性顱內(nèi)高血壓有關的視神經(jīng)乳頭水腫,以及面神經(jīng)麻痹。在這些情況下,中止治療后癥狀得以改善,當以較低劑量再開始治療時不會再發(fā)生。
GHIS病人易感低血糖提出了以rhIGF-I治療的問題。低血糖只在少數(shù)病人出現(xiàn),偶爾伴隨以抽搐,通常為食欲下降引起的并發(fā)疾病,當在飯后注射rhIGF-I時,這種問題通常消失,不會成為長期治療中的重大不利事件。在歐洲研究中以及Backeljauw 和 Underwood追蹤的病人中,也觀察到了脂肪量和體重指數(shù)的顯著增長。
在許多接受rhIGF-I治療的病人,淋巴組織出現(xiàn)了顯著的增長,嚴重病例引起氣道阻塞,需要扁桃腺切除術。在治療的前2年中脾臟大小也迅速增加,但此后的增長正常。在治療6~7年后,雖然腎臟功能正常,但其大小也增長到年齡的95th百分位數(shù)以上。面部的外觀發(fā)生變化,其特征變得粗略,毛發(fā)生長增多,這些變化在青春期最為明顯。
rhIGF-I治療的潛在新靶
特發(fā)性矮身高 在歐洲GHIS人群,典型GHIS至ISS之間的原發(fā)性GHI連續(xù)譜的范圍是明顯的,由寬大范圍的臨床和內(nèi)分泌缺陷病人所組成。根據(jù)寬大范圍的ISS病人組難以得出病理結論。但是,許多研究報告了ISS病人異常的IGF-I水平。在這一方面,全國協(xié)作生長研究(NCGS)提出有趣的數(shù)據(jù),在511名ISS (身高 ≤-2.0) 病人中,20%病人的GHBP水平低于-2 SDS。這些病人的IGF-I水平為-3.3±1.1 SDS,相比之下,80%的有正常GHBP的病人IGF-I水平為-2.5±1.4 SDS。在另一項研究中,6447名矮身高兒童中,4664名身高低于-2 SDS,其中43%的兒童IGF-I低于-2 SDS,60%的兒童(n=1227)無生長激素缺乏證據(jù)。在NCGS最近的報告中,280名ISS兒童IGF-I水平為125±82 mg/L,128名GH缺乏病人為120±86 mg/L。在280名ISS兒童中,60名身高低于-3.83 SDS的兒童組IGF-I水平低于輕微ISS組(P<0.001)。
與IGF-I缺乏和生長激素不敏感性有關的慢性疾病 慢性疾病可能干擾IGF-I缺乏,損害正常的兒童期生長。已知營養(yǎng)不良和饑餓與IGF-I缺乏有關。這種狀況可能貢獻于矮身高,類似于IGF-I和IGFBP-3水平與體重指數(shù)正相關的囊性纖維化病。rhIGF-I治療有益于這些病人的生長。在炎性腸疾病,營養(yǎng)不良和慢性炎癥共同發(fā)生作用,特別是克羅恩疾病,IGF-I水平下降。在14名7-17歲克羅恩疾病患者,血清IGF-I為72ng/ml。在17名兒科病人的進一步研究中,IGF-I水平為148.2±29.8 ng/mL,而正常對照組為506±36.4 ng/mL(P<0.05)。這樣的病人處于經(jīng)常的分解狀態(tài),GH治療不可能有效。因此,除了基礎疾病的適當治療外,rhIGF-I治療可能是有益的。
慢性炎癥,如青少年慢性關節(jié)炎,與局部和全身性細胞因子生成過多有關。在慢性炎癥鼠模型,過多表達的細胞因子白細胞介素(IL)-6抑制IGF-I生成。在14名慢性風濕性關節(jié)炎病兒科病人,血清IGF-I水平為3.5±29.7ng/mL,而健康對照組為120.8±51.5ng/mL (P<0.0001)。曾有報告, GH治療對慢性關節(jié)炎有一定的益處,但rhIGF-I治療可能提供更生理性的治療方法。
rhIGF-I/IGFBP-3復合物的經(jīng)驗
自然循環(huán)的大部分IGF-I以克分子IGF-I、IGFBP-3和ALS形成的三元絡合物形式存在。IGFBP-3結合IGF-I和ALS,調節(jié)IGF-I的生物可利用性和生物學分布。攜帶IGF-I的三元絡合物的半衰期在12小時以上。受到增強IGF-I效果以及消除與rhIGF-I治療有關的急性胰島素樣副作用可能性的驅動,出現(xiàn)了IGF-I/IGFBP-3復合物的治療藥物。這種復合物的治療效果已在改善嚴重發(fā)燒兒童分解代謝和髖部骨折兒童肌肉骨骼合成代謝方面得到了證明。在1型和2型糖尿病的成年人,胰島素的需要量減少。最近來自英國劍橋的劑量范圍研究發(fā)現(xiàn),對1型糖尿病青少年以rhIGF-I/IGFBP-3復合物處理,導致劑量依賴性的循環(huán)IGF-I和IGFBP-3水平正常化,抑制GH分泌,改善胰島素敏感性。
在GHIS,rhIGF-I/IGFBP-3復合物的在理論上優(yōu)于rhIGF-I。首先,大部分GHIS病人嚴重缺乏三元絡合物的3種肽,因此,rhIGF-I半衰期顯著下降到6小時,而正常成年人在20小時以上,以致必須每天兩次注射IGF-I。rhIGF-I/IGFBP-3復合物的較長半衰期可能減少注射次數(shù)。第二,與rhIGF-I治療有關的不利影響可能與皮下注射后產(chǎn)生高濃度的自由IGF-I有關,使用rhIGF-I/igfbp-3復合物可減少小這種風險。為了回答這些問題,Camacho-Hunbner et al.在4名GHIS兒童進行了一項rhIGF-I/IGFBP-3復合物與自由IGF-I的比較研究。復合物使IGF-I濃度在正常范圍內(nèi)增加,與rhIGF-I(8小時)相比,半衰期也增加了(15-18小時)。目前,全球都在進行以rhIGF-I/IGFBP-3復合物治療自然GHIS病人的實驗。
結論
rhGH成功治療GH缺乏是生長疾病臨床和研究活動的主要趨勢。在過去的15年中,GH-IGF-I軸分子學研究進展以及rhIGF-I的應用重新引起了對GH不敏感性疾病領域的興趣。對于這種人類正常生長關鍵軸的生理學以及應用rhIGF-I治療潛力的了解已經(jīng)有了重大進步。本文強調了這類人類疾病診斷與治療的主要進展。