现代内分泌代谢病学的主要特征

内分泌代谢病学和其他生命科学一样,自20世纪80年代以来,其发展是以加速度方式前进的。目前,每天有关内分泌学的论文已达数百篇之多,并正在以更快的速度向纵深发展。知识更新的周期已由数年、数月缩小到了更短的时间,一些沿用数十年的理论或学说被推翻或被加进崭新内容,新的学说和理论日新月异。现代内分泌代谢病学的基础研究与临床发展有如下一些特点。

分子内分泌代谢病学成为研究热点与发展方向

从最早的表型(phenotype)观察到内分泌激素作用机制和生理作用的确定经历了漫长的时期,主要的研究手段是切除某个腺体(如胰腺、睾丸、卵巢、垂体、肾上腺等)来观察出现的病理生理变化。例如,切除狗的胰腺引起糖尿病,切除睾丸出现性腺功能减退症等。从20世纪70年代开始,人们用激素抗体、激素受体抗体或激动剂、拮抗剂来模拟或取消某种激素的作用,以观察激素的生理效应。近一二十年来,应用转基因动物、基因打靶和基因敲除(gene knockout)技术,将研究手段精细到了具体的激素或激素受体基因,从而准确复制出单个激素或激素受体基因过表达(亢进)或无表达(低下)的动物模型。细想一下,从腺体切除到基因敲除,是一种什么样的飞跃?目前已用这些方法对许多疾病基因、激素和激素受体基因以及危险因素的候选基因进行了广泛的研究,并且已将目标扩展到激素结合蛋白、激素结合蛋白的相关蛋白、受体亚型、受体调节蛋白、基因表达调节蛋白及其信号传递途径中的所有成员。与此同时,还注意到了结构物质,如隙间连接(gap junction)元件,包括连接体(connexon)、连接素(connexin)、药物受体和离子通道蛋白等基因的研究。基本弄清了隙间连接分泌和信号传导的奥秘,发现了许多新的内分泌疾病与代谢疾病,如钙受体病、G蛋白病、水孔蛋白病、离子通道病、分子钟(molecular clock)病和RAS病(RASopathy)等。

但是,传统的基因剔除技术在全身所有组织中剔除了某一基因,不具备组织特异性和可调控性,而新的研究策略(如hit and run strategy、tag and exchange strategy和Cre-lox P recombination system等),可对特定细胞和组织中的任一基因进行核苷酸水平上的可调控性突变。这在理论上讲,可以对复杂基因组进行定量、定点修饰,并定向改变细胞乃至整体的遗传结构和特征。条件性基因敲除法是在基因敲除的基础上结合cre/LoxP系统,将靶基因的修饰限制于某些特定类型的细胞或发育的某一特定阶段,从而可以真实反映特定组织或细胞靶基因被敲除或被修饰的后果;这实际上是对基因修饰的时空设置了一个可调控的“按钮”,从而使基因组的修饰范围和时间可控。此外,人们使用报道基因系统确定了许多基因的调控区功能,用转基因动物进行了基因的功能分析,明确外源基因的功能;或者通过转入外源基因进行基因产品生产。转基因动物在基因功能及结构研究、找寻新基因、建立人类疾病的动物模型及基因治疗模型等方面有着广泛的应用价值。

大多数内分泌代谢疾病是环境因素与遗传因素共同作用的结果,而表观遗传学(epigenetics)在调节环境致病因素中起了重要作用。表观遗传学研究非基因序列改变所致基因表达的变化,虽然不涉及DNA的序列变化,但却表现为DNA甲基化谱、染色质结构状态和基因表达谱在细胞各代之间传递的遗传现象,以及组蛋白的表观修饰与功能、染色质重塑、结构与功能、基因组印记等。例如,长期的高脂饮食可引起小鼠的体细胞和精细胞表观遗传学变化,并使下一代罹患糖尿病。

分子内分泌代谢病学促进内分泌代谢病发展的另一个典型例子是低促性腺素性性腺功能减退症(hypogonadotrophic hypogonadism,HH)。Kallmann综合征为最常见的低促性腺素性性腺功能减退症,常伴有嗅觉失敏(或丧失)和神经缺陷(神经性耳聋及色盲等)。主要病变在下丘脑及邻近的嗅觉中枢,GnRH分泌不足是本病的主要发病原因;若伴发渗透压受体功能异常及渴感异常,说明下丘脑损害广泛。该病可呈X连锁隐性遗传、常染色体显性遗传和常染色体隐性遗传。人们用分子生物学技术证明,60%的特发性低促性腺素性性腺功能减退症(idiopathic HH,IHH)患者伴有嗅觉缺失,主要与KAL1或FGFR1.基因突变有关,另外15%的病例是由于PROK2和PROKR2突变引起的。而在40%的嗅觉正常的IHH患者中,部分存在GnRH、KISS1R、TAC3、TACR3突变。近年又发现,kisspeptin和神经激肽B(neurokinin B)激发GnRH分泌,并促进性腺成熟。神经激肽B受体由TACR3编码。主要分布于下丘脑,调节GnRH的分泌,神经激肽B或其受体突变是下丘脑性低促性腺激素性性腺功能减退症的重要原因。现已确定了导致HH的12个相关分子,即GnRH受体、LHβ链、NROB1、leptin、leptin受体、激素原转化酶1(prohormone convertase 1)、kisspeptin受体(GPR54)、嗅觉素-1(anosmin-1)、成纤维细胞生长因子受体(FGFR1)、鼻胚胎LHRH因子(nasal embryonic LHRH factor,NELF)、PKR2和染色体结构域螺旋酶DNA结合蛋白7(chromodomain helicase DNA binding protein 7,CHD7)。

内分泌、旁分泌、自分泌网络:激素调节机制重点

从目前的研究结果看,可以说没有一种激素的作用是单一的,也没有一种激素在靶细胞的作用无旁分泌/自分泌因子的参与。例如,肾上腺皮质和髓质激素的分泌以及类固醇类激素(糖皮质激素、雌激素等)对中枢神经系统的作用等都有众多的细胞因子、生长因子、旁分泌激素参与调节。事实上,任何激素靶组织(如骨、脑、心和肾等)内都有一套以促激素(或靶激素)为轴心的复杂神经-体液-免疫局部调节系统;这些系统既有来源于循环血液的激素、激素结合蛋白,又有局部释放的激素(有些同时也是经典意义上的内分泌激素,如心肌分泌的ANP、肾素、AT-2和醛固酮)、细胞因子及免疫因子。另一方面,经典的和新发现的激素,如CRH、AVP、肾素、血管紧张素、醛固酮、雌二醇、糖皮质激素和三碘甲状腺原氨酸(T3)不能再认为仅仅是内分泌激素,因为众多的组织也可合成、转化或释放这些激素。相反,一些以前认为的经典旁分泌/自分泌激素(如肾上腺髓质素、GLP-1和IGF-1等)又在各组织中起着不同的调节作用,尽管这些旁分泌激素主要是在局部产生的,但它们的作用绝非局限于某一种(些)组织。例如,在骨组织中,旁分泌激素、细胞因子和免疫因子在耦联成骨-破骨作用和成骨细胞-破骨细胞活性中,与PTH、降钙素、1,25-(OH)2D和排磷素相比,似乎更为重要而明显。

各学科知识向内分泌代谢病学渗透

现代内分泌代谢病学的研究需要应用各相关学科的综合知识和技术来完成。除生物化学、免疫学、遗传学与内分泌学仍紧密结合外,出现了生物物理学、模拟数学、工程学、计算机学、功能影像学、网络信息工程学等与内分泌学融合而解决内分泌学理论与实践问题的新局面。例如,用分子生物学、工程力学、微电子学、免疫学和计算机技术制成的DNA芯片(DNA microarrays,DNA chips)出现还不到两三年时间,又紧接着推出了蛋白质芯片、个体化治疗药物筛选芯片、产前遗传病基因诊断芯片等。

激素定量进入高敏感超微量时代

最早的激素活性测定方法是化学比色法和生物分析法(biological assays),后者是注射某种激素于动物体内后,观察生物行为的变化。20世纪50年代就逐渐用放射免疫法(radioimmunoassay,RIA)淘汰了化学比色法和生物测定法。70年代末建立的免疫放射分析法(immuno radiometric analysis,IRMA)比RIA的敏感度高10~100倍,特异性更强;不久又建立了放射受体法(radioreceptor analysis,RRA)、酶免疫分析法(enzyme immunoassay,EIA)、酶联免疫分析法(enzymelinked immunosorbent assay,ELISA)、化学发光酶免疫分析法(chemiluminescence enzyme immunoassay,CLEIA)和时间分辨免疫荧光法(time-resolved fluoroimmunoassay,TRFIA)、电化学发光免疫分析法(electrochemiluminescence immunoassay, ECLIA)、免疫聚合酶链反应法(immunopolymerase chain reaction,IPCR)等。激素测定的灵敏度由原来生物法和化学比色法的10-2~10-3mol/L逐渐提高到10-9~10-12mol/L,甚至达到10-16~10-21mol/L。正是因为激素检测技术的不断进步,才使痕量激素微小变化的观测成为可能。1992年,由Sano等首次建立了IPCR法,其检测灵敏度可达到10-21mol/L,这在理论上可检测到单个抗原(或抗体)分子的存在,而且特异性也更高。ECLIA、TRFIA和IPCR法均已特异到了感兴趣的具体抗原决定簇或单个氨基酸残基,若能排除污染因素,则基本克服了长期困扰人们的免疫交叉反应问题。

又如,用高敏的方法现已可测定血清AVP的浓度,用于尿崩症的鉴别诊断。但是,AVP测定虽然为尿崩症的诊断提供了方便,但仍存在假性升高或降低等问题,而copeptin(AVP相关糖肽,AVP-associated glycopeptide)来源于含164氨基酸残基的前血管加压素原(prepro-vasopressin),分子中含AVP、神经垂体素Ⅱ(nenrophysin Ⅱ)和copeptin。测定copeptin仅需5μl血清,标本不需要预处理,也不需要加入蛋白酶抑制剂。在室温下,血清或血浆放置7天不受影响。这样,使下丘脑激素的测定技术向前迈进了一大步。

激素测定技术的发展提高了临床诊疗质量。激素的快速监测达到既迅速明确诊断,又指导具体治疗(point-ofcare)的目的。例如,人们在超敏TSH测定的基础上,又将亚临床甲亢分为低TSH型(TSH 0.1~0.4mU/L)和TSH抑制型(TSH<0.1mU/L)两个亚型。Graves病早期一般表现为TSH抑制型亚临床甲亢(TSH<0.1mU/L),而老年人的甲状腺功能倾向于TSH降低,因TRH分泌减少,TSH分泌振幅降低,TRH兴奋后的TSH分泌反应迟钝。显然,此两类亚临床甲亢的处理是截然不同的。

影像检查在提高灵敏度和特异性的同时融进定量检测

传统的影像检查(X线、B型超声甚至CT、MRI)只能为临床提供检查部位的大致形态改变,有些核素显像技术(如甲状腺131I摄取率)可用于评判腺体功能,但因影响因素多或不良反应大而被淘汰。晚近的内分泌影像检查不再满足单纯的形态学观察,已在定量测量方面有了质的飞跃。如定量CT(QCT)可用于骨微结构分析,微CT(μCT,micro-CT)可用于骨小梁的定量测定和立体观察,而激光共聚焦显微镜技术之所以有“细胞CT”或“光学切片”之称,是因为它能对组织微结构甚至一个细胞进行不同层面的静态与动态观察,这不仅可揭示激素信号的传递途径、神经递质和受体的代谢状况、细胞内Ca2+信号的传递与分布及其他信使物质与效应体(effectors)的相互作用环节,而且可准确反映细胞的某个生物学行为(如增殖、分化、凋亡的细微变化等)。

许多激素相关性肿瘤(如乳腺癌、前列腺癌、PRL瘤和GH瘤等)和增生性病变(如甲状腺相关性眼病、特发性醛固酮增多症、家族性婴幼儿低血糖症等)亦可用核素标记的激素受体配体(如111铟-奥曲肽,111In-octreotide)来计量激素受体的数目和结合力,在药物种类选择和疗效评价中起到了预知和可知的独到作用。正电子断层扫描(positron emission tomography,PET)、PET-CT和动态MRI或动态CT用于肾上腺、甲状腺等的功能变化和代谢过程观察,具有定量和定时的突出优点。影像检查与形态学观察已不再是同义词,影像检查已形成了影像医学(imaging medicine)和功能影像学等独立的学科。例如,多数副神经节瘤不分泌儿茶酚胺,而仅仅分泌多巴胺,但是这些肿瘤细胞的细胞膜或细胞内存在去甲肾上腺素转运囊泡。肾上腺外的神经节神经瘤首选18FFDOPAPET,但SDHB突变者的显像效果较差,此时应选用18F-FDG-PET,而转移性神经节神经瘤宜首选68Ga-DOTATOC/ DOTANOC-PET(新一代生长抑素类似物标记PET),其次可选择111In-pentetreotide扫描。另外,定量影像检查也为肿瘤细胞凋亡、缺氧、酸中毒、无氧酵解和血管生成等的判断提供了方便。

尽管影像检查的定量和功能检测水平在不断提高,但内分泌代谢疾病的定位诊断不能仅仅依赖于影像检查,这是由内分泌代谢疾病的固有特点决定的。例如,临床上的神经内分泌肿瘤(垂体瘤、胃肠胰激素分泌肿瘤、肾上腺皮质瘤等)的术前诊断需要尽量定位,以制定最优手术方案,但临床决策(clinical decision)不能过分强调并依赖于影像检查,这是因为:

  1. 神经内分泌肿瘤可以凭生化检查和激素测定明确诊断,而异位神经内分泌肿瘤罕见(如胰岛素瘤),因而一旦确立了诊断,其定位问题就已经基本解决;
  2. 垂体和肾上腺皮质的“意外瘤”很常见,而且肿瘤的体积很小,难以被现有的影像检查发现,即使发现了“结节”,也难以判断这种结节就是致病的原因;
  3. 影像检查不能鉴别意外“结节”的生物学性能和内分泌功能;
  4. 术中可用高分辨B超、分子探针定位,并可用实时激素监测来判断肿瘤是否被切除。

高选择性和高特异性受体/受体后靶点药物迅速发展

由于激素受体分布广泛和受体亚型等缘故,内分泌疾病治疗药物的特点是作用广泛,在获得某一治疗效果的同时也往往出现明显的不良反应,而且有些不良反应是必须避免的(如GH/IGF-1、TH、雌激素等可促进某些肿瘤细胞增殖)。人们根据激素受体亚型和激素作用机制的不同,正在开发和发掘具有高度特异性的激素类似物、激素/激素受体激动剂和拮抗剂。内分泌药物(也包括其他药物)的研制已很少采用筛选办法,而是有目的、有分子模型的定向合成设计。例如,人们用更新一代的选择性雌激素受体调节剂(selective estrogen receptor modulator,SERM)或激素受体双向调节剂来治疗绝经后骨质疏松症,避免了乳腺癌和子宫内膜增生等不良反应的发生,近年来将选择性雄激素受体调节剂(selective androgen receptor modulator,SARM)应用于临床也取得了一定效果。针对激素受体功能调节的药物又称为纳米药物(nanomedicines),其发展速度最快。例如,定向突变或化学修饰的GH受体拮抗剂B2036容易透过血脑屏障,其分布容量变小而半衰期明显延长,可显著提高疗效。

激素受体拮抗剂和激动剂的研制发展迅速,疗效不断提高(如生长抑素类似物兰乐肽),而且出现了一些调节激素受体和亚型受体功能的药物(如他莫昔芬、AVP V1α/V2受体拮抗剂conivaptan和生长激素受体拮抗剂pegvisomant)。γ刀、X刀和用核素标记受体配体或激素合成底物的核素治疗已使内分泌肿瘤患者免受手术创伤。胰腺、肾上腺肿瘤的腹腔镜下摘除联合激素受体拮抗剂的靶向治疗也得到了广泛应用。

内分泌代谢疾病的诊断具有定量涵义

激素检测技术的不断进步使人们对临床内分泌疾病的认识不断深化。近十余年来,认识到了许多亚临床型内分泌功能亢进或功能减退的存在。亚临床功能亢进症和功能减退症事实上是疾病的早期表现,以前人们对此有过“猜想”,但因技术障碍而无法确诊;现在猜想变成了事实,而且一旦诊断即可获得早期治疗。由于超敏TSH(ultrasensitive TSH)测定方法的建立与应用,亚临床甲亢和亚临床甲减的诊断日益增多,早期治疗亚临床Graves病与Graves眼病的预后良好,可防止慢性并发症的发生,类似的情况也见于亚临床Cushing综合征、亚临床多发性内分泌肿瘤综合征(突变基因携带者)等。如果将肿瘤(包括内分泌肿瘤)的诊断深入到个别恶变细胞的识别,那就等于找到了早期根治肿瘤的有效途径。

亚临床内分泌功能减退症的诊断可以较早地提醒医师采取干预措施,以阻止病情的发展(如自身免疫性胰岛炎、亚临床型甲减等);但是否需要早期药物治疗仍有不同意见,如果早期治疗能延缓或防止严重并发症的发生(如亚临床甲减者伴血脂谱异常可导致动脉硬化,亚临床胰岛炎引起1型糖尿病,等等),应该主张及早治疗;而糖耐量低减应予积极治疗已经得到公认。

与其他系统疾病显著不同的是,内分泌代谢疾病的诊断往往具有定量含义。即是说,一个内分泌腺体或一种物质代谢的功能从严重减退到明显亢进是一个连续的病态谱,如果把严重功能减退定为0%,而把明显功能亢进定为200%,那么,临床上所见到的具体病例可能分布在这个连续病态谱中的任何一个百分位数上,而所谓的功能正常就应该在100%左右。临床医师具备这一概念是十分重要的,很多病例仅仅在遇到急性应激(acute stress)时才表现出功能异常。因此,内分泌代谢疾病的诊断要尽量“定量”(如亚临床功能亢进症或亚临床功能减退症)。例如,任何人的生长、发育、体重、毛发、性格、行为和应激能力都与皮质醇有密切关系,而基础的和应激反应时的皮质醇水平在很大程度上决定了个体的临床表现。

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