生長發(fā)育中的胰島素生長因子-I
前言
關(guān)于胰島素生長因子-I（IGF-I）作用的了解有了很大的進展。IGF-I是一種小多肽激素，因其調(diào)節(jié)DNA和蛋白質(zhì)合成、細(xì)胞大小和數(shù)量，而為正常生長發(fā)育所必需。IGF-I通過內(nèi)分泌、自分泌-旁分泌機制發(fā)揮其生物學(xué)作用。因為IGF-I的一個主要功能是調(diào)節(jié)生長激素（GH）對外周組織的促生長作用，所以，IGF-I缺乏（IGFD）將導(dǎo)致生長障礙。有生長障礙的和低血清IGF-I濃度的兒童稱為IGF-I缺乏。40年前，Laron報告了由于GH受體異常引起不敏感性而嚴(yán)重原發(fā)性IGF-I缺乏（PIGFD）的綜合癥。目前，IGFD病因譜包括了垂體分泌GH不足，GH信號轉(zhuǎn)導(dǎo)缺陷，IGF-結(jié)合蛋白（IGFBP）復(fù)合物形成缺陷，以及IGF-I的基因缺陷。因營養(yǎng)剝奪、急性疾病或慢性疾病，例如庫欣氏綜合癥、青少年關(guān)節(jié)炎和囊腫纖維化，IGFD也可能是獲得性的，如果治療適當(dāng)，在一定程度上是可逆的。
在1990s初期重組IGF-I（rhIGF-I）的數(shù)量很少，只能夠治療少數(shù)Laron綜合癥病人，這種治療改善了生長速度和身體組成。隨rhIGF-I產(chǎn)量的增加，進行了一些臨床試驗，證明對不同GHR缺陷疾病兒童，rhIGF-I治療有一致的促進生長速度的效果。批準(zhǔn)商業(yè)生產(chǎn)可注射的rhIGF-I產(chǎn)品有助于獲得治療有效性和安全性的大量數(shù)據(jù)。在最近幾年，循環(huán)IGF-I的胰島素樣作用促進了以rhIGF-I治療嚴(yán)重胰島素抵抗和I型或II型糖尿病的研究。本文綜述了IGF-I濃度的正常變異，IGFD的病因和rhIGF-I對PIGFD病人的作用。
血清IGF-I及其測量
IGF-I測量是GH-IGF軸疾病診斷的重要組分：疑似肢端肥大癥的標(biāo)準(zhǔn)診斷試驗，監(jiān)測治療反應(yīng)，矮身高兒童GH缺乏（GHD）和GH不敏感性（GHI）的篩查和治療。IGF-I缺乏狀態(tài)的的診斷不僅需要IGF-I測量的準(zhǔn)確性、可靠性和適當(dāng)?shù)臉?biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)，而且也需要適當(dāng)解釋血清IGF-I的生理學(xué)知識。盡管IGF-I是GH依賴性的，但也受到營養(yǎng)狀態(tài)、年齡、遺傳因素、IGF-I結(jié)合蛋白（IGFBPs）、胰島素、雌激素、雄激素、甲狀腺激素和皮質(zhì)醇激素的調(diào)節(jié)。營養(yǎng)是IGF-I合成的主要調(diào)節(jié)因素，GH刺激IGF-I合成的能力依賴于適當(dāng)?shù)臓I養(yǎng)素攝入，在分解狀態(tài)下通常干擾IGF-I的調(diào)節(jié)，例如嚴(yán)重?zé)齻虼笫中g(shù)后的病人和長期分解狀態(tài)疾病的病人，如囊腫纖維化或嚴(yán)重肝病。
IGF-I的測定
在過去的30年中，許多研究使用血清或血漿IGF-I的總免疫反應(yīng)性來估價內(nèi)源性IGF-I的生物活性。在所提出的不同測定方法中，大部分使用了高親和力和高特異性的抗IGF-I抗體，并都需要純IGF-I標(biāo)準(zhǔn)作為參照。這就提出了當(dāng)前IGF-I免疫測定的標(biāo)準(zhǔn)問題。
某些研究者使用了血清非結(jié)合的IGF-I（自由的）。在技術(shù)上，難以測量自由IGF-I，測定的重復(fù)性是有問題的。而且，作為GH狀態(tài)的標(biāo)志物，血清自由IGF-I并不比總IGF-I好。在大部分病人，總血清IGF-I很好地反映了IGF-I生物活性。I型糖尿病是一個重要的例外，受累病人表現(xiàn)出低濃度的循環(huán)總IGF-I水平，但縱向生長接近正常，推測外周IGF-I生物活性可能正常。值得注意的，在肝IGF-I和酸性不穩(wěn)定亞單位（ALS）缺乏小鼠模型，自由IGF-I濃度可能令人誤解；雙重基因斷裂動物表現(xiàn)出非常顯著的生長延遲，GH和自由IGF-I濃度升高。
在測定總IGF-I濃度之前，必須去除所有IGFBPs的干擾。雖然麻煩和費時，但使用酸性排除色譜法可將IGFs與IGFBPs分離開。酸/乙醇沉淀使用的更加普遍。添加過量IGF-II，使殘余的結(jié)合蛋白飽和可進一步改進測定的特異性。對于所有IGF-I測定方法，重要的是了解其回收一定量IGF-I標(biāo)準(zhǔn)品的測定有效性、寬大IGF-I濃度范圍內(nèi)的線性能力，以及可重復(fù)性，并應(yīng)當(dāng)對生物學(xué)樣本、取樣條件和測定程序進行確認(rèn)研究。在一段時間內(nèi)應(yīng)當(dāng)監(jiān)測IGF-I標(biāo)準(zhǔn)品的穩(wěn)定性以檢查測定偏移，在IGF-I標(biāo)準(zhǔn)品和抗IGF-I抗體更換后應(yīng)當(dāng)重新確認(rèn)，因為二者對測定能力有重大影響。
正常血清IGF-I濃度
IGF-I、IGFBP3和ALS三重復(fù)合物的穩(wěn)定性能夠緩沖許多影響GH濃度的變量的影響，這樣就提供了穩(wěn)定的血漿IGF-I儲備。與GH不同，血清IGF-I濃度的日間變化很小，一次IGF-I測定即可反映GH狀態(tài)，使用男、女青春期前和青春期兒童人群血清IGF-I濃度與自發(fā)24小時GH分泌之間的關(guān)系而進行診斷。但頻繁出現(xiàn)與營養(yǎng)攝入不良有關(guān)的急性病毒感染，以及IGF-I濃度的季節(jié)性變化說明，在矮身高兒童臨床檢查中應(yīng)當(dāng)重復(fù)測定IGF-I。
在健康兒童發(fā)育全過程中，循環(huán)IGF-I和IGFBPs濃度是變化的。出生時血清IGF-I濃度較低，在兒童期初期逐漸升高。在青春期開始時，血清IGF-I濃度增長，至青春期后期達(dá)到高峰，女孩（Tanner等級III~IV，平均年齡14.5歲）一般早于男孩（Tanner等級IV，平均年齡15.5歲）。然后，隨年齡增長血清IGF-I濃度逐漸下降。重要的是，性別，年齡和青春期對IGF-I的影響不是簡單累積的，在青春期Tanner等級內(nèi)隨年齡增長血清IGF-I存在顯著的變化。因此在評價生長障礙兒童血清IGF-I時，要了解性別、年齡和青春期發(fā)育分期。在一定24小時GH分泌情況下，血清IGF-I濃度卻存在顯著的不同，即使以年齡、性別和青春期分期修正后正常值范圍仍很寬大，可能反應(yīng)了IGF-I敏感性和IGFBP-3/ALS的多態(tài)性、表達(dá)和濃度的寬大變異。對同一個體測量的血清IGF-I值也表現(xiàn)出日常的變化。這些都強調(diào)了確定正常值范圍應(yīng)包括足夠數(shù)量正常受試者的重要性。
血清IGF-I、IGFBP-3和ALS水平密切相關(guān)。由兒童期初期開始，隨年齡的增長這些肽的水平增加。雖然在青春期出現(xiàn)最大值，但血清IGFBP-3和ALS平均水平峰值不如IGF-I那樣顯著。在大部分情況下，IGFBP-3的克分子濃度（約100nmol/L）約等于IGF-I和IGF-II濃度之和，而ALS濃度（250nmol/L）是過剩的。
PIGFD的病因與診斷
自最初報告Laron綜合癥以來，這種罕見生長疾病的深入研究對了解GH-IGF軸及其在線性生長和代謝中的作用做出了很大的貢獻。嚴(yán)重PIGHD由肝臟、肌肉、脂肪和外周生長板等生成IGF-I的組織缺陷所引起。在Laron綜合癥中，GH抵抗由GH受體基因（GHR）的純合子或混合的雜合子突變所致，雖然曾鑒別出了罕見的顯性失活雜合子病例。嚴(yán)重PIGFD也可能是由于轉(zhuǎn)錄的信號轉(zhuǎn)導(dǎo)程序和激活體（STAT）5b突變，或?qū)е翴GF-I蛋白缺乏或非功能性IGF-I蛋白表達(dá)的IGF-I基因缺陷所致。PIGFD也可能反映了循環(huán)系中IGF-I與IGFBP-3和ALS復(fù)合物形成的缺陷，如ALS基因突變病人所見。
PIGFD病人的IGF-I下降或無生物活性，或GH濃度增加（圖1）。繼發(fā)性IGFD可因各種下丘腦或垂體缺陷而GH不足或缺乏，引起IGF-I生成缺乏。在禁食和營養(yǎng)不良情況下，例如吸收障礙或炎癥，IGFD以GH濃度正?；蛏?，在GHR或其下游出現(xiàn)顯著的解偶聯(lián)或抵抗為特征，因此是一種獲得性的IPGFD，而不是繼發(fā)性的IGFD。在類固醇過多的情況下，抑制自發(fā)的和刺激的GH，而不一定是低水平的IGF-I，并引起靶組織抵抗GH和IGF-I，是出現(xiàn)獲得性PIGFD的基礎(chǔ)。
雖然隨新的GH-IGF軸缺陷的鑒別，原發(fā)性和繼發(fā)性IGFD分類顯然具有局限性，但這種分類為評價IGFD病因提供了基本方法。ALS缺乏病人血清IGF-I和IGFBP-3濃度顯著減少，反映出由于不能形成三元復(fù)合物而IGF-I的清除率增加，而IGF-I的生成未受到損害；這種病人的GH濃度正?；蛟黾?，刺激局部正常生成IGF-I，循環(huán)中的自由IGF-I也接近正常，因而僅有輕微的生長障礙。盡管生長延遲不明顯，但這樣的病人可能符合嚴(yán)重PIGFD的標(biāo)準(zhǔn)。此外，發(fā)現(xiàn)少數(shù)出生前后生長延遲的病人有IGF-I受體基因（IGF1R）雜合突變，導(dǎo)致IGF-I受體功能和數(shù)量異常，因而出現(xiàn)IGF-I抵抗。受累病人出生后的不同生長表現(xiàn)被歸因于殘留的IGF-I信號轉(zhuǎn)導(dǎo)的差異或正常IGF1R等位基因表達(dá)的上調(diào)。IGF1R單倍體不足似乎對GH或IGF-I分泌無顯著影響，最好分類為IGF-I抵抗。
在IGFD的分類中，對原發(fā)性和繼發(fā)性術(shù)語的使用具有爭論。某些作者提出，僅有IGF-I基因缺陷應(yīng)當(dāng)為原發(fā)性IGFD，由于GHR缺乏或功能障礙為繼發(fā)性。其它作者認(rèn)為，GH-IGF軸異常應(yīng)根據(jù)GH和IGF合成和作用的生物學(xué)通路定位分類。雖然將來的臨床手段和數(shù)據(jù)將精確矮身高兒童的診斷與分類，但目前的診斷試驗還不能對這組異類病人作出全面的分子學(xué)分類。在美國IGFD病人一般不足矮身高病人的1%，然而1/3的矮身高病人是IGF-I缺乏。在這些病人中，臨床表型可能反映了遺傳多態(tài)性的聯(lián)合體，而不是非連續(xù)的突變。此外，遺傳缺陷和環(huán)境影響可能共同引起原發(fā)性和繼發(fā)性IGFD。在對生長障礙病人診斷評價中廣泛使用IGF-I測定的情況下，IGFD的概念是合理的，可適當(dāng)評價繼發(fā)性病因（例如，GH生成缺陷）和原發(fā)性病因（例如，盡管血清GH正常或增長，但有低血清IGF-I）。表1為已經(jīng)鑒別出的引起IGFD的缺陷。
小于孕齡兒（SGA）矮身高的分類未包括有特定病因，已經(jīng)多次證實與神經(jīng)學(xué)缺陷和GH-IGF-I軸下游的缺陷有關(guān)。對于IGF1和IGF1R基因缺失的SGA兒童，嚴(yán)重PIGFD似乎是更合適的診斷。以前將某些不太嚴(yán)重的PIGFD矮身高兒童分類為特發(fā)性矮身高（ISS）。對于以rhGH治療的而無反應(yīng)的ISS兒童，應(yīng)當(dāng)接受進一步的診斷和分子學(xué)評價，考慮以rhIGF-I替代治療。
由于GHR缺失而嚴(yán)重PIGFD（Laron綜合癥）表現(xiàn)出中等程度的低出生體重，出生后生長嚴(yán)重延遲（身高為－4~－10 SDS）和異常的顱面發(fā)育，普遍出現(xiàn)禁食胰島素水平升高的低血糖事件。根據(jù)生物化學(xué)，這種綜合癥有很低的循環(huán)IGF-I水平（在小年齡病人通常不可檢測）、有低水平的IGFBP-3和ALS、基線和刺激的GH峰升高、對IGF-I生成試驗無反應(yīng)或反應(yīng)有限。
對懷疑有GH不敏感性的矮身高兒童，使用生長學(xué)和生物化學(xué)參數(shù)來鑒別PIGFD病人，也使用IGF-I生成試驗來診斷嚴(yán)重PIGFD。但是，青春期前的正常數(shù)據(jù)有限，并提出了不同IGF-I反應(yīng)的鑒別診斷閾值，而且，對于低劑量（0.011mg/kg/d）或標(biāo)準(zhǔn)劑量（0.033mg/kg/d）GH是增加了生成試驗的敏感性還是生成試驗的特異性問題尚無共識。測量IGFBP-3也是有價值的，慢性疾病引起IGFD病人循環(huán)濃度的下降通常較PIGFD病人顯著較少。
總之，在身高低于－3SDS的矮身高兒童中，目前PIGFD的臨床和內(nèi)分泌標(biāo)準(zhǔn)包括有低IGF-I濃度、GH水平正?；蛟黾?、IGF-I生成試驗中IGF-I生成不足。此外，在接受rhGH治療的嚴(yán)重PIGFD兒童，由于抗-GH抗體形成，生長反應(yīng)不佳。在歐洲，歐洲醫(yī)藥管理機構(gòu)（EMEA）對PIGFD的定義為：身高SDS≤－3，基礎(chǔ)IGF-I濃度低于2.5th百分位數(shù)，GH分泌充足，無繼發(fā)性IGFD病因。該PIGFD定義與美國（FDA）有些不同，美國對這樣的兒童定義為：身高和IGF-I SDS≤－3，血清GH濃度正?；蛏撸?qū)H出現(xiàn)中和抗體的GH基因缺失。
rhIGF-I治療嚴(yán)重PIGFD
對小樣本GH不敏感性的早期研究證實，rhIGF-I治療增加了生長速度，改善了身體組成，治療效果已由幾項長期研究所證實。最近，在一項最大樣本的研究中，證明了rhIGF-I治療（到12歲）PIGFD（n=76）兒童生長的長期效果，治療第一年平均身高速度由基線時的2.8cm/yr增加到8.0cm/yr（P<0.0001），第一年身高速度依賴于rhIGF-I的處理劑量。雖然有少數(shù)例外，但是根據(jù)EMEA和FDA批準(zhǔn)的rhIGF-I適用癥標(biāo)準(zhǔn)，該研究中的病人有嚴(yán)重的PIGFD。
除了匯總臨床實驗中因GH不敏感而嚴(yán)重PIGFD的病人數(shù)據(jù)外，現(xiàn)在也可通過上市后病人登記注冊來獲取有關(guān)rhIGF-I治療的資料。在美國IGFD注冊中，IGF-I治療約1年后的青春期前的病人身高速度數(shù)據(jù)提示，使用較高IGF-I劑量（每日兩次100ug/kg以上）與更高的身高速度相關(guān)，這一結(jié)果表明，基于體重的IGF-I劑量處理改善生長反應(yīng)的重要性。根據(jù)237名兒童安全性評估和對156名病人的數(shù)年追蹤，在這些輕微IGFD病人中，懷疑或證實的低血糖發(fā)生率較低（約5%），并與劑量無關(guān)。
IGF-I，胰島素和糖代謝
在胰島素和IGF-I之間以及各自受體之間，序列與結(jié)構(gòu)非常相似。IGF-I有48%的氨基酸序列與胰島素原相一致。兩種激素有不同的作用，而奇怪的是受體后信號轉(zhuǎn)導(dǎo)通路有高度相似性。象胰島素一樣，IGF-I也對脂、蛋白和糖代謝有不同的作用（圖2）。IGF-I對缺乏IGF-I受體的成熟脂肪細(xì)胞的作用很小，但是卻引起表達(dá)高水平IGF-I受體的前脂肪細(xì)胞的分化。在骨骼肌中，IGF-I刺激蛋白的合成，并通過IGF-I受體激活葡萄糖運載體4而刺激葡萄糖的攝取。即使胰島素循環(huán)水平下降，也同樣出現(xiàn)IGF-I的低血糖作用。雖然在成熟肝臟中不存在IGF-I受體，但IGF-I卻降低肝臟的葡萄糖生成，推測可能是通過與胰島素受體的相互作用。
rhIGF-I與低血糖
在早期研究中，靜脈內(nèi)rhIGF-I處理引起Laron綜合癥病人的低血糖。在健康志愿者，皮下rhIGF-I處理刺激外周肌肉的葡萄糖攝取，抑制肝葡萄糖生成，同時改善全身胰島素敏感性，引起低血糖。
在rhIGF-I的臨床實驗中，餐前處理降低了rhIGF-I的胰島素樣作用。最初的雙盲對照實驗研究，在以rhIGF-I治療的對GH不敏感的青春期前病人和接受安慰劑的受試者中發(fā)現(xiàn)了類似的低血糖發(fā)生率。最近，Chernausek et al.報告，因?qū)H不敏感而嚴(yán)重PIGFD病人，以rhIGF-I治療，兒童的低血糖發(fā)生率為49%（76名中有37名），但是其中32%的病人在治療前有低血糖病史。低血糖事件發(fā)生于早餐前和晚餐前，年齡較小者、以前有自發(fā)低血糖史的矮身高病人更多見。在注射時進餐一般可防止低血糖事件。與此相反，一項對青春期前PIGFD兒童的1年隨機、非盲、每天兩次IGF-I處理的平行劑量比較臨床實驗研究發(fā)現(xiàn)，在111名治療病人中有15名出現(xiàn)低血糖或報告血糖下降（14%），25名未治療病人中有2名（8%，P=0.74），并與劑量無關(guān)。
嚴(yán)重胰島素抵抗的rhIGF-I治療
胰島素受體缺陷、胰島素作用的受體后缺陷、或抗-胰島素受體抗體可引起嚴(yán)重的胰島素抵抗。在與骨發(fā)育不良或肌強直性營養(yǎng)不良有關(guān)的更復(fù)雜疾病情況下，也可能發(fā)生嚴(yán)重的胰島素抵抗。Donohue綜合癥是一種最為嚴(yán)重的胰島素抵抗疾病，胰島素受體基因細(xì)胞外區(qū)域的純合子或混合雜合子突變引起功能性受體的全部或幾乎全部的缺失。這些嬰兒在出生時就有嚴(yán)重的子宮內(nèi)生長延遲，出生后生長停滯。受累病人的其它臨床特征-多毛、黑棘皮病、多囊卵巢和organomegally，可能經(jīng)由IGF-I受體的高濃度胰島素信號轉(zhuǎn)導(dǎo)（>10000pM）而產(chǎn)生。對垂體和下丘腦的影響導(dǎo)致低濃度的GH、IGF-I和IGFBP-3，ALS幾乎不可檢測。Donohue綜合癥嬰兒不出現(xiàn)酮酸中毒，但卻出現(xiàn)禁食低血糖和餐后的高血糖。Rabson-Mendenhall綜合癥有比Donohue綜合癥較輕的表型，較長的存活和較少畸形，雖然也同樣由胰島素受體基因錯義突變引起，但保留了一定程度的胰島素受體活性。
A型胰島素抵抗以黑棘皮病、雄性激素過多、少或無月經(jīng)、多囊卵巢、男性化、多毛癥、痤瘡和禁食胰島素>150pM為特征。但許多病人卻表現(xiàn)出低血糖。盡管以胰島素治療，β細(xì)胞的功能下降，因糖尿病或其并發(fā)癥而死亡。僅在約10%的這類病人可鑒別出胰島素受體基因突變，提示其它病人存在胰島素信號轉(zhuǎn)導(dǎo)通路的缺陷。
IGF-I的作用及其與胰島素的相似性提示，rhIGF-I具有治療SIR的潛力。在1型糖尿病人，IGF-I對肝臟葡萄糖攝取有直接的胰島素樣作用，相對低劑量的IGF-I可改善胰島素的敏感性
同樣以rhIGF-I治療，能夠改善2型糖尿病人的胰島素敏感性，降低HbA1c。應(yīng)用rhIGF-I，以及最近應(yīng)用rhIGF-I+rhIGFBP-3的研究證明了對Donohue綜合癥病人的有效性。對Rabson-Mendenhall病人也至少有短期的有益效果。
幾項臨床實驗曾經(jīng)研究了應(yīng)用rhIGF-I治療A型胰島素抵抗。這些研究中，最多的使用每天兩次100-400uk/kg的rhIGF-I，對A型胰島素抵抗病人治療到16個月，減少了胰島素的需求，降低了葡萄糖和HbA1c濃度，對某些病人的擴展追蹤研究表明，7-8年連續(xù)有效。
在一項正在進行的對A型胰島素抵抗病人的臨床研究中，以rhIGF-I和rhIGFBP-3聯(lián)合治療，血糖控制和胰島素敏感性的改善伴隨以平均HbA1c的下降，盡管兩名很矮病人的反應(yīng)較差，4個月期間具有統(tǒng)計學(xué)顯著性。在1名女性病人也說明了治療的有益效果，改善了血糖控制（圖3），增加了胰島素敏感性，降低了肌細(xì)胞內(nèi)和肝臟的脂肪，改善了身體組成。
結(jié)論
除了Laron綜合癥外，已經(jīng)鑒別出PIGFD是許多生長疾病的病因。隨研究方法和診斷標(biāo)準(zhǔn)的改進，特別是關(guān)于ISS兒童的評價和分類，將來PIGFD特定病因的病人數(shù)量無疑將增加。血清IGF-I是矮身高研究中的重要方面，但仍然存在獲得和解釋可靠的血清IGF-I定量測定的挑戰(zhàn)，IGF-I異常的估價需要與大樣本標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)據(jù)進行比較。
目前，符合嚴(yán)重PIGFD標(biāo)準(zhǔn)的病人已獲益于rhIGF-I治療。已經(jīng)證明rhIGF-I治療改善嚴(yán)重胰島素抵抗各種疾病的血糖控制和胰島素敏感性。rhIGF-I臨床應(yīng)用仍有待于在臨床實驗的評估，注冊觀察研究也將提供新的臨床資料，增強我們對IGF-I生物學(xué)的了解。
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