Neplodnost - problém přelomu tisíciletí: Endokrinní vyšetření: HPG osa a kontrola spermiogeneze
09.02.2010 18:50Úvod
Ačkoliv hormonální regulace byla předpokládána již starými Řeky, její kompletní studium začalo až v tomto století. Pokrok vedl k našemu ucelenému porozumění reprodukčních hormonů a tvoří základ pro endokrinní vyšetření infertilních mužů. Základní endokrinní koncepty (1) Třídy hormonů (2) Hormonální analýzy (3) Zpětné vazby Hypotalamo - pituitární - gonadální (HPG) osa 1. Vývoj fenotypu během embryogeneze Vzhledem ke své důležitosti pro normální i patologické stavy reprodukčního zdraví, je pochopení HPG osy zcela zásadní pro vyšetřování infertilních mužů. Hypotalamus Přední lalok hypofýzy Luteinizační hormon (LH) Folikuly-stimulující hormon (FSH) Prolaktin Růstový hormon (Growth Hormone, GH) Varlata Endokrinní oddíl varlat Exokrinní oddíl varlat lnhibin a aktivin Nadvarlata
Existují dva druhy hormonů, které klasicky zprostředkovávají mezibuněčnou komunikaci v těle: peptidové a steroidní. Obě tyto třídy hormonů jsou zastoupeny v HPG ose a jsou důležité pro normální reprodukci.
Peptidové hormony jsou malé sekreční proteiny, které ovlivňují receptory umístěné na buněčném povrchu. Příkladem peptidových hormonů jsou luteinizační hormon (LH) a folikuly-stimulujíci hormon (FSH).
Steroidní hormony, jsou na rozdíl od peptidových odvozeny od cholesterolu a ne od aminokyselin. Na rozdíl od peptidových steroidní hormony nejsou schraňovány v sekrečních granulích, a následně tedy míra jejich sekrece přímo odpovídá míře jejich produkce.
V krevním řečišti jsou tyto hormony obvykle vázány na proteinové nosiče. Protože jsou steroidní hormony lipofilní substance, které obecně pronikají buněčnou membránou, nepotřebují se ke vstupu do buňky vázat na povrchový receptor. Octnou-li se jednou v buňce, jsou navázány na intracelulární receptory a přemístěny na rozpoznávací místa DNA v jádře. Konečně, steroidní hormony regulují transkripci cílových genů. Příkladem steroidních hormonů jsou testosteron a estradiol.
Hormony mohou být kvantifikovány buď biologickou aktivitou (bioaassay) nebo měřením vázání se hormonů na specifické protilátky (immunoassay). Immunoeseje jsou více senzitivní a jejich provedení je rychlejší než u bioesejí. Nemonitorují ovšem biologickou aktivitu hormonů. Ve skutečnosti může být poměr bioreaktivita:immunoreaktivita (B:I) hormonů měněn různými variacemi v koncentraci hormonů, vazebných proteinů, a složením hormonálních podjednotek. Většina klinických laboratoří využívá k vyšetřování plasmatických hladin pituitárních a gonadaálních hormonů monoklonálně založené "sendvičové" eseje (ELISA).
Protože normální reprodukce závisí na kooperaci četných hormonů, musí být signály, jež hormony produkují, nějakým způsobem řízeny. Hlavním mechanismem, kterým se toto děje, je zpětná vazba. Zpětnou vazbou může hormon regulovat syntézu a účinek sebe sama nebo dalšího hormonu. Další koordinace je zajištěna účinkem hormonu na více místech a vyvoláním vícečetných odpovědí. Proto je zpětná vazba vynikajícím senzitivním mechanismem pro minimalizaci hormonálních odchylek a pro navrácení do homeostatického výchozího bodu.
Fyziologie reprodukce je soustředěna do HPG osy. Hraje klíčovou roli v každém z následujících procesů, z nichž poslední dva zde budou diskutovány.
2. Sexuální zrání během puberty
3. Endokrinní funkce produkce testikulárního testosteronu
4. Exokrinní funkce testikulární produkce spermií
Hypotalamus, který váží 4 gramy a je umístěný pod mozkovými komorami, sestává z mnoha buněk, jež jsou seskupeny do tzv. jader. Jako integrační centrum HPG osy, přichází do hypotalamu neuronální vstupy z mnoha částí mozku, včetně amygdaly, talamu, pontu, retiny a kůry, a je pulzním generátorem cyklické sekrece pituitárních a gonadálních hormonů. Anatomicky je spojen s hypofýzou jak portálním vaskulárním systémem tak neurony.
Navíc, zpětný tok tímto vaskulárním stromem může dovolovat hormonům hypofýzy přímý přístup do hypotalamu. To může vysvětlovat, proč muži s pituitární hyperprolactiémií mají problémy s impotencí a libidem, neboť přebytek prolaktinu může mít přímý vaskulámí přístup a efekt na vyšší mozková centra.
Hypotalamus uvolňuje několik hormonů, které působí na hypofýzu. Nejdůležitější pro reprodukci je z těchto hormonů gonadotropin - releasing hormon (GnRH nebo LH-RH). GnRH je peptidový hormon který se skládá z 10 aminokyselin. V současnosti je jedinou známou funkcí GnRH stimulace sekrece LH a FSH z předního laloku hypofýzy. GnRH je přítomen v mnoha oblastech mozku a dalších tkáních, ale jeho funkce v mimohypofyzámích oblastech není známa.
Stupeň GnRH sekrece hypotalamem je ovlivňován různými vlivy. Tyto vlivy zahrnují efekty stresu, námahy a stravy zprostředkovaně přes vyšší mozková centra, hypofyzámí gonadotropiny a cirkulující gonadální hormony. Protože nervová zakončení buněk podněcujících GnRH v hypotalamu nejsou chráněna relativně neprostupnou hematoencefalickou bariérou, je HPG osa vystavena efektům všech hormonů přítomných v periferní cirkulaci a z nich je zdaleka nejdůležitější inhibiční efekt gonadálních steroidních hormonů.
GnRH sekrece je ve své podstatě pulzní nebo epizodická, a je to přesně tato vlastnost, která řídí cyklické uvolňování gonadotropinů LH a v menší míře i FSH z hypofýzy. Důležitost pulzní sekrece GnRH na normální reprodukční funkce je demonstrována důkazem schopnosti GnRH agonistů Lupronu nebo Zoladexu (leuprolid acetát) zastavit produkci testosteronu ve varlatech. Tento efekt je zprostředkován vystavením hypofýzy abnormálnímu trvalému vlivu GnRH namísto cyklického působení.
Místem účinku GnRH je hypofýza, umístěná v sella turcica. Ze všech orgánů v těle má přední lalok hypofýzy nejvyšší krevní průtok (0,8 ml/g/min) a dostává okolo 80% svých živin jako "výtok" z hypotalamu přes portální řečiště.
Po navázání se na receptory s vysokou afinitou, které jsou umístěné na buněčném povrchu, GnRH stimuluje změnami v kalciových tocích produkci a uvolňování FSH a LH.
LH a FSH jsou primární hypofyzární hormony, které regulují funkci varlat. Produkují je stejné hypofyzámí buňky (gonadotropy) a oba jsou glykoproteiny složené ze dvou polypeptidových podjednotek. Tyto podjednotky, nazývané alfa a beta, jsou kódovány samostatnými geny. Podjednotky alfa obou těchto hormonů jsou identické a stejné pro všechny další hypofyzámí hormony; biologická a imunologická aktivita je dána jedinečnými beta podjednotkami. "Mikroheterogenita" forem může ovlivnit jak účinnost každého hormonu, tak i stupeň detekovatelnosti v různých esejích.
Protože FSH má připojených více karbohydrátů, je ze séra odstraňován pomaleji než LH. Toto má klinický význam daný tím, že sice oba hormony mají pulzní typ sekrece, ale plazmatické koncentrace FSH vykazují menší variace než LH. Proto jednorázově odebraný vzorek krve ke stanovení FSH, jež má delší plazmatický poločas, je klinicky více spolehlivý než jednorázové stanovení LH.
Frekvence sekrečních pulzů LH se pohybuje v rozmezí 8-16 pulzů za 24 hodin a v 1-3 amplitudách.
Sekreci LH kontroluje GnRH, kromě toho ji však přes negativní zpětnou vazbu regulují jak androgeny, tak estrogeny. Poměrná důležitost každého z těchto steroidů není jasná, protože androgeny jsou metabolizovány jak na dihydrotestosteron (DHT), tak estrogeny.
Zajímavé je, že se jeví, že účinek androgenů na sekreci LH ovlivňuje více pulzní frekvenci než amplitudu; to podporuje domněnku, že hypotalamus je místem primární zpětné vazby pravděpodobněji než hypofýza. Bylo prokázáno že akutní podávání LH (ve formě lidského choriového gonadotropinu - hCG) vyústí v "downregulaci" vlastních LH receptorů, snížení odpovědi na další dávku hCG. To má klinický význam: empirická hCG terapie mužské infertility může snížit počet receptorů, na které se váže a následně ztrátu účinku při opakovaném dávkování.
Účinek GnRH na pulzní sekreci FSH je méně probádán. FSH pulzy se vyskytují přibližně každé 1,5 hodiny a kolísá v amplitudě o 10%. Ačkoliv GnRH je schopen stimulovat sekreci FSH i LH, v řadě fyziologických stimulací je sekrece těchto dvou gonadotropinů značně rozdílná.
Je jasné, že gonadální steroidy - testosteron a estradiol přímo působí sekreci FSH a uvažuje se, že izolované zvýšení FSH může být výsledkem změn v poměru hormonů. Nedávno objevené gonadální proteiny inhibin a aktivin se mohou také výrazným způsobem uplatnit na sekreci FSH a mohou být zodpovědné za relativní sekreční nezávislost FSH na sekreci GnRH. To dále bude rozvedeno v části "Varlata".
Jediný známý efekt FSH a LH se odehrává v gonádách. Působí cestou peptidových hormonů a aktivují adenylát cyklásu, což vede ke zvýšení intracelulámiho cAMP. Ve varlatech LH stimuluje produkci steroidů v Leydigových buňkách indukcí konverze cholesterolu na pregnenolon a eventuálně na testosteron. FSH se váže na Sertoliho buňky a membrány spermatogonií ve varlatech a je hlavním stimulátorem růstu semenotvorných kanálků během jejich vývoje. Ve skutečnosti je FSH nezbytný pro iniciaci spermatogeneze v pubertě. V dospělosti je hlavní fyziologickou úlohou FSH stimulovat kvantitativně normální hladiny spermatogeneze.
Prolaktin, třetí hormon předního laloku hypofýzy má také efekt na HPG osu a fertilitu. Prolaktin je velký globulární protein skládající se ze 199 aminokyselin (23 KDa), který je znám svým účinkem na syntézu mléka během těhotenství a laktace u žen. Normální role prolaktinu u mužů je méně jasná. Normální hladiny prolaktinu jsou důležité pro udržení libida. Ačkoli nízké hladině sérového prolaktinu nejsou připisovány žádné signifikantní hypogonadální efekty, hyperprolaktinémii jsou připisovány jasné patofyziologické stavy. Nejvíce poznatků svědčí o tom, že hyperprolaktinémie ruší gonadotropinovou pulzatilitu interferencí s epizodickým uvolňováním GnRH.
Na rozdíl od FSH a LH je prolaktin pod tonickou inhibiční kontrolou hypotalamu. Důležitým mediátorem inhibice je v tomto systému dopamin. Sérové hladiny prolaktinu stoupají během spánku a klesají s probouzením; hladinu prolaktinu mohou také zvyšovat námaha a stres. Tyto efekty a rytmy mají důležitý vliv na vyšetřování hladiny prolaktinu v séru. Prolaktin by neměl být měřen během prvních dvou hodin po probuzení. Jestliže je při jednom měření hodnota sérového prolaktinu zvýšená, doporučuje se odebrat v odstupech další dva až tři vzorky a to flexilou zavedenou jednu hodinu před prvním odběrem.
Růstový hormon je čtvrtým hormonem hypofýzy na který se nedávno soustředil zájem v oblasti reproduktivní medicíny. Růstový hormon je uvolňován v závislosti na sekreci GH-RH (Growth Hormone-Releasing Hormone) z hypotalamu a výsledkem jeho působení je produkce Insulin-Like Growth Factor-l (ILGF-I) ve varlatech. Narůstají důkazy, že ILGF-l může být důležitým růstovým faktorem pro spermatogenezu. Jasně se ukázalo, že během puberty je GH nezbytný pro normální testikulární maturaci, neboť za stavů s deficitem GH nastupuje puberta opožděně a produkce steroidních hormonů je snížena. Jedná se o významnou oblast výzkumu, jež může mít důležitý vliv na medikamentózní terapii mužské infertility.
Normální mužská virilita a fertilita vyžaduje spolupráci mezi exokrinními a endokrinními oddíly ve varlatech. Obě tyto jednotky jsou pod přímou kontrolou HPG osy. Intersticium varlat, složené převážně z Leydigových buněk, je endokrinní oddíl a je zodpovědný za syntézu steroidů. Semenotvorné kanálky jsou exokrinním oddílem se spermiemi jako produktem.
Testosteron je tvořen z pregnenolonu v Leydigových buňkách a to po navázání LH a stimulaci systému cAMP jako druhého posla. Normální produkce testosteronu je u muže přibližně 5 gm za den. Sekrece probíhá nepravidelným pulzním způsobem.
U zdravého muže jsou přibližně 2 % testosteronu volného neboli nevázaného, jež je považován za biologicky aktivní. Zbytek je v krvi vázán na albumin nebo na sex hormone - binding globulin (SHBG). Několik patologických okolností může změnit hladiny SHBG v krvi a následkem toho může kolísat množství "volného" neboli bioaktivního testosteronu. Poslední poznatky ze studií na jaterních a mozkových tkáních ukazují, že testosteron navázaný na albumin může vstupovat do tkání stejně rychle jako "volná" forma. Z tohoto poznatku vychází předpoklad, že testosteron vázaný na albumin může být biologicky stejně "dostupný" jako volný testosteron.
Testosteron je pomocí zpětné vazby na HPG osu svým vlastním skutečným regulátorem. Tento inhibiční efekt probíhá hlavně na úrovni hypotalamu inhibicí GnRH pulzního generátoru, v malé míře však může působit přímo na hypofyzární sekreci LH.
Testosteron je v cílových tkáních metabolizován na dva hlavní aktivní metabolity: (a) působením 5 alfa reduktázy na dihydrotestosteron (DHT) a (b) působením aromatázy na estrogen estradiol. DHT je mnohem účinnější androgen než testosteron vzhledem ke své vyšší afinitě k androgenním receptorům. V nejperifernějších tkáních je k zajištění účinku androgenů nutná redukce testosteronu na DHT, ale ve varlatech a kosterním svalstvu není pro zajištění hormonální aktivity konverze na DHT nezbytná.
Primární místo účinku FSH jsou Sertoliho buňky, které vystýlají semenotvorné kanálky. Biochemické děje, které začnou navázáním FSH jsou podobné jak u LH: zvýšení cAMP a enzymatická aktivace následovaná syntézou RNA a proteinů. Jako odpověď na FSH tvoří Sertoliho buňky množství sekrečních produktů důležitých pro růst zárodečných buněk - "androgen-binding protein" (efekt potencovaný testosteronem), transferin, laktát, ceruloplasmin, clusterin, aktivátor plasminogenu, prostaglandiny a několik růstových faktorů. Jak bylo popsáno již dříve, FSH může potencovat senzitivitu Leydigových buněk na LH.
Tyto děje, zprostředkované FSH, pak během puberty stimulují růst semenotvorných kanálků a iniciují produkci spermií. Nicméně v dospělosti je potřeba FSH pro udržení spermatogenezy nejasná. Studie u mužů po ablaci hypotalamu naznačují, že FSH není nezbytný pro udržení spermatogeneze. Za těchto podmínek se ze spermatogonií nevyvíjejí žádné spermatocyty. Hormon podobný FSH a nazývaný lidský menopausální gonadotropin (hMG) může iniciovat a obnovit produkci spermií, ale není nezbytný pro její udržení. Toho lze dosáhnout podáním samotného lidského choriového gonadotropinu (hCG), hormonu podobného LH. Různé experimentální studie však ukazují, že normální spermatogeneza vyžaduje přítomnost FSH.
V třicátých letech tohoto století bylo prokázáno, že extrakt z býčích varlat může inhibovat hypofyzární funkce a bylo předpokládáno, že existuje gonadální substance, která může snižovat uvolňování FSH z hypofýzy. Toto bylo nedávno potvrzeno purifikací a klonováním hormonu nazvaného inhibin - proteinu, jež je odvozen od Sertoliho buněk a který specificky inhibuje uvolňování FSH z hypofýzy. Ve varlatech je produkce inhibinu stimulována FSH a působí negativní zpětnou vazbou snížení FSH sekrece na úrovni hypofýzy nebo hypotalamu. O této testikulární kontrole FSH sekrece se soudí, že hraje důležitou roli v relativní nezávislosti FSH sekrece na hypotalamickém GnRH pulzním generátoru.
Další testikulární kontrola FSH je odhadována podle faktu, že hladiny FSH rostou, nezávisle od vzestupu LH, proporcionálně ke ztrátě elementů zárodečných buněk ve varlatech.
Nedávno byl také purifikován a klonován aktivin, proteinový hormon strukturálně blízký transformujícímu růstovému faktoru beta (TGF-beta), který projevuje stimulační efekt na sekreci FSH. Aktivin je též produkován ve varlatech, ale typ buněk zodpovědných za jeho sekreci je stále neznámý. Je zajímavé, že aktivinové receptory existují v mnoha extragonadálních tkáních, což naznačuje možnost, že tento hormon může hrát roli růstového faktoru nebo regulační roli v celém těle.
Testy ke stanovení hladin inhibinu a aktivinu u člověka sice existují, ale téměř uniformně se potýkají se zkříženou reaktivitou podjednotek. Novější monoklonální testy využívající techniky ELlSA se jeví slibnější v rozlišení těchto podobných molekul.
Pro maturaci spermií je nutná normální funkce nadvarlat. Dodnes bylo izolováno několik epididymálních proteinů, jež jsou spojeny se spermiemi během jejich transportu nadvarletem. Sekrece mnoha těchto proteinů je androgen - dependentní. To naznačuje, že maturace a funkce spermií je složitě spojena s androgenním metabolismem v nadvarleti.
—————
