PCOS卵巢局部胰岛素信号通路异常对卵巢细胞生殖内分泌功能的影响

李 威 陈 静 匡洪影 艾雯霞

多囊卵巢综合征(PCOS)是育龄期女性常见的生殖机能异常疾病，除临床表现出的月经稀发、无排卵等典型症状外，往往还伴有糖脂代谢异常、胰岛素抵抗及高雄激素血症等代谢及生殖机能异常的表现。相关研究表明，PCOS患者当中代谢异常及肥胖的发生率显著高于正常人群，表现为体重指数(BMI)、腰臀比升高，高胰岛素血症，胰岛素抵抗等临床表征。大量的临床研究结果也表明糖脂代谢异常及胰岛素抵抗与PCOS病因学之间关系密切[1]。通过改善生活方式，部分PCOS患者在控制体重后生殖功能异常的状况得到了改善和恢复[2]。依据这些证据，似乎代谢异常及全身性的胰岛素抵抗导致了PCOS患者的生殖机能异常，但大部分具有全身性糖代谢异常及高胰岛素血症的2型糖尿病的女性并不具有在PCOS患者中所常见的月经稀发、排卵障碍及高雄激素血症等典型的生殖机能异常的特征。这说明全身性的外周胰岛素抵抗及高胰岛素血症可能并不是PCOS发病的必要因素。

PCOS患者除全身胰岛素经典靶器官(肌肉组织、肝脏、脂肪组织)胰岛素敏感度降低外，卵巢局部同样具有胰岛素抵抗的现象[3]。虽然卵巢不是主要的能量代谢器官，但卵巢局部的胰岛素信号通路异常对卵巢的内分泌功能产生重要的影响。PCOS患者中高雄激素血症的发生率约为70%，虽然发病原因尚不清楚，但作为在女性体内雄激素生成雄激素合成的主要场所之一，卵巢器官的功能变化必然与高雄激素血症的发生有着密切的联系[4]。PCOS患者在使用胰岛素增敏药物后，除表现出胰岛素水平下降、血管疾病发生的危险性降低等现象外，月经周期也趋向于正常，同时血清游离睾酮水平也在用药后发生明显降低，这表明胰岛素增敏剂在调控卵巢器官糖代谢的同时也影响了卵巢的内分泌功能[5]。而胰岛素增敏剂对雄激素的调控作用还提示着卵巢局部糖代谢通路与卵巢的内分泌功能之间存在着某些联系，卵巢细胞的胰岛素敏感度的变化可能对卵巢内分泌功能产生直接影响。

一、卵巢局部胰岛素敏感度异常与PCOS卵巢生殖功能异常密切相关

卵巢局部的胰岛素敏感度可能与卵巢的内分泌功能关系密切，研究表明通过影响卵巢器官胰岛素敏感度可能对卵巢的生殖内分泌功能起到明显的调节作用。在使用胰岛素增敏剂二甲双胍3个月后，PCOS患者月经稀发表现恢复的同时血清游离睾酮的平均水平也显著降低[6]。而另一项短期应用胰岛素增敏剂的研究则表明，服用二甲双胍48h后在PCOS患者体内就能够检测到血清游离睾酮指数(free androgen index，FAI)的显著降低，并且这些患者在LH刺激后睾酮分泌水平也显著降低[7]。女性月经周期的变化及LH水平升高所引起的雄激素分泌都与卵巢密切相关，胰岛素增敏剂对PCOS患者内分泌机能的调节作用说明胰岛素增敏剂不仅调节了全身的胰岛素敏感度，同时也影响了PCOS患者的卵巢功能[8]。

通常认为，卵巢的卵泡膜细胞与颗粒细胞分别受到LH/FSH的调节，从而在一系列不同的合成酶的作用下合成睾酮、雄烯二酮及雌二醇，在不同细胞中所表达酶的种类的不同决定了两种细胞分泌甾体激素的差异。卵泡膜细胞主要表达17a-羟化酶(CYP17)，而颗粒细胞则表达较高水平的芳香化酶细胞色素P450及3β-羟基脱氢酶(3β-HSD)，CYP17是卵巢组织合成睾酮的关键酶，通常在颗粒细胞当中几乎检测不到CYP17蛋白的表达[9]。但无论是卵泡膜细胞还是颗粒细胞，在使用信号通路抑制剂抑制磷脂酰肌醇-3-羟激酶(PI3K)途径后，细胞的甾体激素合成能力都有增强的趋势，尤其是雄激素合成能力上升，而在PI3K信号通路受到抑制的颗粒细胞中也能检测到CYP17 基因表达水平的上调[10，11]。说明胰岛素信号通路活性的改变与PCOS卵巢雄性化表型之间存在密切联系。在模型动物的研究中也发现，胰岛素受体下游PI3K信号通路的关键基因AKT敲除小鼠表现出血清雄激素水平上升的特征及卵巢多囊化表现，说明胰岛素信号通路的异常对卵巢功能可能产生直接的影响，甚至可能与卵巢多囊化表现的病因直接相关[12]。

二、卵巢局部AKT/GSK3β通路功能的变化可能导致PCOS卵巢甾体激素合成方式的异化

虽然改变卵巢局部的胰岛素信号通路会影响卵巢的甾体激素合成，但究竟是哪种类型细胞的胰岛素通路变化对PCOS高雄激素血症的临床表征起主要的贡献作用目前尚不清楚。在体外培养的卵巢颗粒细胞及卵泡膜细胞在胰岛素信号通路PI3K阻断后都检测到雄激素合成量及相关甾体激素合成酶的表达上调，提示PCOS患者血液中高水平的雄激素不仅可能来自功能亢进的卵泡膜细胞，还有可能来源于胰岛素信号通路受损而发生内分泌功能转变的卵巢颗粒细胞[13，14]。研究表明，激动蛋白1家族(AP-1 family)分子C-FOS在PCOS患者卵巢颗粒细胞当中的表达量显著降低，C-FOS能够显著抑制CYP17的活性并可能是卵巢颗粒细胞失去雄激素分泌功能的主要原因之一[9]。C-FOS分子在PCOS患者卵巢颗粒细胞当中的表达量显著降低很可能造成卵巢颗粒细胞功能的异化，使颗粒细胞由雌激素分泌细胞转化为雄激素分泌细胞[15]。而在这一过程中卵巢局部的AKT/GSK3β信号通路分子表达及活性的变化可能起到了决定性的作用。

糖原合成酶激酶β(GSK3β)是PI3K信号通路的关键分子，通过抑制下游糖原合成酶的活性调控细胞糖原合成过程。GSK3β本身的活性则受到同属PI3K途径上游分子AKT的磷酸化抑制。GSK3β丝氨酸磷酸化位点(Ser9)被AKT蛋白磷酸化后，活性就会受到抑制，降低对下游糖原合成酶(GS)的抑制作用从而启动糖原合成过程；而酪氨酸磷酸化位点(Tyr216)被磷酸化后GSK3β的活性则被增强，随着GSK3β活性的上调，糖原合成酶的活性受到抑制，细胞糖原合成能力降低[16]。

有研究表明，AKT/GSK3β信号通路的活性变化与PCOS疾病的发生关系密切。早在2002年Gonzales等[17]的研究就表明，在人HaCaT细胞中由紫外线所引起的细胞C-FOS表达水平的升高受到PI3K信号通路分子AKT及GSK3β调节。在胰腺癌细胞中AKT能够通过调节C-JNK的磷酸化水平对C-FOS的表达水平产生调节作用[18]。而在破骨细胞中抑制GSK3β的表达也会对C-FOS基因的表达产生降调节作用[19]。尽管目前尚无明确的研究表明卵巢组织中AKT/GSK3β分子表达水平的变化对C-FOS基因表达水平的直接影响，但综合AKT/GSK3β在其它类型细胞中对C-FOS表达水平的调控作用、PCOS卵巢颗粒细胞中C-FOS基因的异常表达以及PCOS患者表现出的异常的甾体激素合成模式，笔者推测卵巢组织中的PI3K/AKT/GSK3β信号通路功能的变化很可能改变卵巢细胞C-FOS基因的表达模式从而造成PCOS患者卵巢来源的雄激素水平异常。

三、AKT/GSK3β通路因子在PCOS患者及PCOS模型动物中的异常表达

在PCOS患者中发现卵巢中的主要雄激素合成细胞-卵泡膜细胞有增殖的现象，这可能与PCOS患者体内较高的胰岛素水平有关。高浓度的血胰岛素水平可能刺激卵泡膜细胞的增生从而使卵巢雄激素的合成量提高，但不具有高胰岛素血症及代谢综合征的某些PCOS患者也表现出高雄激素血症的特征。这就提示单纯的卵泡膜细胞增生可能不是造成PCOS高雄激素血症的成因，卵巢细胞甾体激素合成能力的变化可能才是导致PCOS卵巢内分泌异常的关键因素。AKT/GSK3β信号通路异常能导致卵巢的雄性化表现，那么PCOS患者所体现出的高雄化特征很可能也与这一信号通路的活性变化相关。

一项关于PCOS患者AKT基因与GSK3β基因多态性的研究发现，在这两种基因发生点突变的人群中PCOS的发生率显著提高,对这些患者脂肪组织GSK3β蛋白活性的研究中也发现，GSK3β蛋白酪氨酸磷酸化水平上升而丝氨酸磷酸化水平下降[20]。PCOS患者体内GSK3β丝氨酸磷酸化水平的下降，说明胰岛素信号通路对糖原合成过程的调控作用受到了抑制，在PCOS患者体内GSK3β可能处于一种过度激活的状态。在PCOS模型动物中同样也发现AKT/GSK3β通路因子的异常表达，在脱氢表雄酮构建的PCOS大鼠模型的卵巢组织中以及出生前高雄化的绵羊PCOS模型的肌肉组织中都发现AKT基因表达量的降低及GSK3β表达水平的上升[21，22]。相似的情况也出现在AKT的亚型基因AKT2基因敲除的小鼠中，AKT2基因敲除的小鼠除表现为糖脂代谢异常、胰岛素抵抗等代谢异常特征外，还具有发情周期延长、血清雄激素水平升高等典型的生殖功能障碍，在这些小鼠的卵巢组织中也发现GSK3β基因丝氨酸磷酸化水平的降低[12]。这些结果都提示GSK3β基因表达水平及活性的提高可能与模型动物雄激素水平的升高密切相关，而PCOS患者中AKT/GSK3β基因点突变的高发也预示着这一信号通路可能与PCOS疾病发生的病理机制有关，卵巢局部胰岛素信号通路功能的异常很可能是导致卵巢组织雄激素异常分泌的主要原因。

四、胰岛素增敏剂对PCOS高雄激素血症的疗效分析

既然卵巢局部的胰岛素信号通路异常与PCOS高雄激素血症之间关系密切，那么应用胰岛素增敏剂则可能对PCOS高雄激素血症的临床表征起到治疗和控制作用。事实上临床应用胰岛素增敏剂治疗PCOS时已经发现其对血清雄激素的调节作用，如本研究之前提到的二甲双胍对PCOS患者血清游离雄激素水平及短期使用二甲双胍对PCOS患者FAI的调节作用[6，7]。除了二甲双胍，其他胰岛素增敏剂也对PCOS患者的雄激素水平起到调节作用。《多囊卵巢综合征中国诊疗指南》中推荐的胰岛素增敏剂吡格列酮及阿卡波糖都能够降低PCOS患者的血清睾酮水平[23，24]。虽然胰岛素增敏药物对PCOS高雄激素血症的疗效作用已经临床验证，但药物的作用机制仍未明确，相关的机制研究仍局限于动物模型当中。

在DHEA及DHT诱导的PCOS大鼠模型中，二甲双胍能通过影响卵巢细胞内AMPK信号通路调节睾酮的合成，而吡格列酮的作用机制则可能与激活卵巢细胞内的PPARγ信号通路有关。而AMPK信号通路及PPARγ信号通路都能对AKT/GSK3β信号通路的活性产生影响，故上述胰岛素增敏剂降低PCOS患者雄激素水平的药理机制与改善胰岛素信号通路关键分子的活性关系密切[25，26]。而阿卡波糖降低PCOS患者血清雄激素的机制目前尚无明确的研究结论。尽管二甲双胍及吡格列酮能降低PCOS的血清雄激素水平，但并不是所有的胰岛素增敏剂都有降低雄激素的作用。临床广泛使用的肌醇(myoinositol)使用3个月后，虽然能够显著提高PCOS患者的葡萄糖耐量、胰岛素敏感度及降低空腹胰岛素水平，但对患者的睾酮及游离睾酮水平没有产生显著的影响[6]。这一结果进一步表明胰岛素水平的升高并不是造成PCOS患者高雄激素血症的直接因素，而卵巢等雄激素合成器官中胰岛素信号通路的异化才可能是造成PCOS高雄激素血症的主要原因。

五、中国PCOS患者流行病学特征及胰岛素增敏剂的临床疗效分析

多个国家和地区的流行病学研究报道表明，不同地域、种族及不同生活习惯人群中的PCOS发病情况和临床表现各不相同，我国PCOS患者的发病特征与欧美人群相比有较大的差异。在我国PCOS的主要临床表征以排卵障碍为主。美国PCOS患者中稀发排卵的发生率为23%，而国内报道在PCOS人群中稀发排卵的发生率可达60%[27]。同时中国PCOS人群中51.8%发生痤疮，其中有38.8%为持续痤疮，且部分患者在生育后或随着年龄增长痤疮逐渐消失[28]。这些流行病学的研究结果提示，与欧美人群比较，中国PCOS患者卵巢功能的异化对卵巢排卵及生殖机能的影响更为明显。而PCOS患者痤疮的发生与患者体内卵巢来源的雄激素水平的异常有关，随着生育对卵巢功能的影响及年龄增长导致患者痤疮症状的减弱或消失恰好与生育或衰老对卵巢功能的影响相呼应，这也从另一方面验证了PCOS患者卵巢功能的异化可能是导致其体内内分泌水平异常的根本原因。

对中国PCOS患者应用胰岛素增敏剂的临床研究表明，胰岛素增敏剂单独使用或与炔雌醇环丙孕酮片(达英-35)联合使用都能够有效改善患者胰岛素抵抗症状及内分泌紊乱状态，尤其对PCOS患者体内异常的睾酮水平有显著的调节作用[29,30]。尽管中国PCOS患者的流行病学特征与欧美人群存在差异，但二者都具有卵巢内分泌功能的异常及胰岛素增敏剂治疗的明确疗效，有理由推测胰岛素增敏剂对PCOS内分泌紊乱的疗效很可能与其对卵巢局部胰岛素敏感度的影响有关。对于卵巢局部胰岛素敏感度与卵巢甾体激素合成能力相互影响的机制研究对开发针对卵巢器官胰岛素增敏的药物、拓展临床PCOS的治疗思路可能具有重要的参考价值。

六、展 望

高雄激素血症是PCOS患者常见的临床表现之一，雄激素水平的升高不仅对患者的生育功能产生不良影响，而且由雄激素过高所导致的多毛、痤疮等并发症也不利于患者生活质量的提高。卵巢是体内主要的雄激素合成器官之一，卵巢局部胰岛素信号通路活性的改变很可能导致卵巢雄激素分泌量升高及卵巢细胞甾体激素分泌模式的变化，是PCOS患者高雄激素血症发生的分子基础。目前胰岛素增敏剂降低PCOS患者高雄激素水平的临床疗效已经得到证实，但其降低雄激素水平的药理机制及胰岛素增敏剂对卵巢生殖内分泌的影响仍处于实验研究阶段。有关卵巢组织中胰岛素信号通路对卵巢甾体激素合成能力影响的研究对阐明PCOS发病机制、制定有针对性的治疗方案有重要的临床指导意义。