人生长激素的发展、应用与研究展望

卢 晨, 倪晓燕, 秦建东, 王 兵, 2, 宋礼华, 2

(1. 安徽安科生物工程(集团)股份有限公司， 合肥 230088; 2. 安徽省生物研究所， 合肥 230088)

生长激素的发现、研究与应用已经有100多年的历史。天然的人生长激素含有191个氨基酸，由脑垂体前叶嗜酸性细胞分泌，具有刺激新陈代谢，促进组织、器官、骨骼以及整个人体发育成熟等功能，是个体生长发育过程中最重要的内分泌激素之一。20世纪后半叶，随着基因工程技术的快速发展，大肠杆菌基因重组表达的人生长激素问世，成功解决了垂体源性生长激素来源稀缺的问题，使这种蛋白质药物在临床上大范围的使用成为可能。伴随着生长激素临床应用及其作用机制研究的逐渐深入，我们发现其可作用于人体多种靶器官。生长激素不仅可以应用于多因素导致的儿童矮身材，在烧伤、成人GHD、生殖、抗衰老等领域均有一定临床意义。本文就人生长激素的发展历史、临床应用和研究趋势进行综述如下。

1 人生长激素的发现与发展

最初对于脑垂体和生长激素的研究起源于巨人症和肢端肥大症这两种疾病。1884年—1886年期间，Fritsche、Marie和Minkowski等陆续发现巨人症和肢端肥大症患者往往和垂体肿瘤相关[1]。基于上述研究，Cushing于1912年提出垂体生长激素的概念，假设垂体存在肿瘤可能会引起某种促进生长的激素持续不受控制的释放，从而导致巨人症和肢端肥大症的出现[2]。在之后的近30年间多位学者陆续在各种动物体内发现了生长激素的存在。华裔学者李卓皓于1944年成功解析了人生长激素的氨基酸序列和分子结构并在体外化学合成出人生长激素[3-4]。

1958年Raben首次利用垂体源性生长激素(pit-hGH)治疗侏儒症的患者并取得了良好疗效[5]。此类生长激素提取自人类尸体的脑垂体，由于其来源的稀缺性限制了临床的大规模使用。20世纪70年代分子生物学技术的发展取得了长足的进步。1979年Goeddel等首次从人类基因组中克隆得到生长激素的DNA序列[6]，1985年美国FDA正式批准大肠杆菌包涵体技术表达的重组人生长激素(recombinant human growth hormone，rhGH)用于治疗儿童GHD。与此同时，因病原体污染问题，多例患者用药后出现Creutzfeldt-Jakob Disease(一种退行性神经疾病)，直接导致pit-hGH于同年正式退出市场[7]。

由于包涵体表达技术生产的重组人生长激素蛋白复性和纯化工艺复杂且含有192个氨基酸(相对天然生长激素N端多一位fMet)，使其制剂中生长激素分子的立体结构与天然生长激素不完全相同，临床使用过程中，中和抗体产生率较高且疗效较差，逐渐被市场淘汰。20世纪80年代中期，第3代生长激素利用酶切技术将192肽生长激素的fMet切除，比活性提高到约2.5 IU/mg蛋白，但其活性仍然较低，加之纯化工艺复杂生产成本高，不到10年时间即被淘汰。到20世纪80年代末国内外陆续有生物制药企业利用大肠杆菌分泌表达技术生产的第5代重组人生长激素，它的比活性高达3.0 IU/mg蛋白，抗体产生率≤1%[8]。由于其较高的生物学活性和更低的抗体产生率，逐渐成为市场主流并沿用至今(表1)。

表1 人生长激素发展历程

2 生长激素的作用机制

人体中天然生长激素由脑垂体前叶的嗜酸性细胞分泌，由191个氨基酸残基构成，分子量约为22 ku，含有两对二硫键且无糖基化修饰。hGH的分泌与释放受到GHRH和生长抑素(Somatostatin)的双向调控，其绝大多数的生理学作用都是通过GH-IGF轴来实现的。下丘脑垂体在GHRH的作用下释放hGH，hGH与肝脏或其他组织器官上GHR结合，通过GHR-JAK-STAT信号通路启动细胞核内的应答基因表达IGFs、IGFBP3和ALS，三者结合组成的三元络合物进入到血管，然后被输送到各个靶器官，再由蛋白酶降解去除IGFBP3和ALS，释放出IGFs实现生长激素的生物学作用[9-10](见图1)。

重组表达的rhGH与人体内源性生长激素具有等同作用。在促生长发育方面，生长激素刺激软骨细胞在局部产生IGF-1，促进软骨细胞增殖，引起线形生长加速和骨骼变宽。与此同时，生长激素可诱导维生素D活化，与性激素和促钙化激素产生协同作用，促进骨骼对于钙质的吸收。在调节机体物质代谢方面，生长激素可促进蛋白质合成，促进氨基酸转运入细胞，纠正氮平衡状态。其可以直接作用于脂肪细胞，促进脂肪降解代谢，为人体生理活动提供能量物质。由于IGF-1与胰岛素会竞争结合胰岛素受体，降低细胞对胰岛素的敏感性同时减少外周组织对葡萄糖的利用，长期超剂量使用可能有导致血糖升高的风险。其他方面，生长激素还具有增强心肌功能、提高免疫功能、增加子宫内膜厚度、促进卵母细胞成熟和提高精子质量等方面的作用[11]。

3 生长激素的临床应用

3.1 儿童矮身材

矮身材是指以相似生活环境、同种族、同性别、同年龄段儿童群体作为参照，个体身高低于平均值的中位数2个SD或第3百分位(-1.88SD)以下。矮身材仅为一种表观描述而非疾病诊断[12]。导致儿童身材矮小的原因多且复杂，是否存在病理因素需结合病史、体格检查、实验室指标、影像学检查以及遗传学检测等综合考虑。

图1 人生长激素的作用机制

生长激素缺乏症(Growth hormone deficiency, GHD)是美国FDA批准rhGH可治疗的第一个适应症。GHD的诊断依据为：1)身高符合矮身材标准；2)年生长速率明显落后于同龄儿童；3)身材匀称，面容幼稚；4)智力发育正常；5)骨龄小于实际年龄；6)至少两项GH激发试验峰值小于7～10 μg/L；7)血清中IGF1指标低于正常水平。通常来说，使用rhGH对GHD患者进行替代治疗可显著促进生长追赶，有助于提高成年终身高。从1985年起，美国FDA批准rhGH的治疗儿童矮身材的适应症除了GHD外，还包括慢性肾功能不全、Turner综合征、Prader-Willi综合征、SGA、ISS、SHOX基因缺陷和Noonan综合征。中国NMPA目前通过的rhGH儿科适应症有GHD、SHOX基因缺陷、Noonan综合征和ACH。虽然国内批准的适应症相对较少，但儿科内分泌学组针对GHD、ISS、SGA、Turner综合征、Prader-Willi综合征、Noonan 综合征等均出版了相关的指南或通过专家共识指导临床合理诊疗，规范用药。

3.2 烧伤

烧伤属于常见创伤，严重的烧伤会导致机体出现负氮平衡、创伤面愈合迁延，仅给予单纯的营养支持通常疗效不佳。rhGH不仅具有促进生长的作用，也是一种重要的合成代谢激素，可以显著改善烧伤或创伤后高分解代谢状态，改善负氮平衡，减少骨骼肌分解，促进蛋白质合成和创面愈合。与此同时，生长激素还具有激活人体免疫系统的功能，增强免疫力，防止创面感染，保护肠黏膜屏障，改善患者的精神状态[13]。此药物已被纳入国内外的相关治疗建议中，但由于每个患者的烧伤程度和烧伤面积不同，且个体的应激反应也存在差异，rhGH具体的用法用量有待进一步研究。

梁敏和计鹏用两年多的时间共收集到重症烧伤患者102例，随机分为观察组和对照组，各51例。两组患者入院后均根据需要择期进行手术治疗，手术后第1天起所有患者均给予常规护理和常规用药，在此基础上观察组患者按照每日睡前皮下注射rhGH 0.2 IU/kg，1次/d，共持续10 d，对照组患者在常规治疗基础上给予2 mL生理盐水注射液的安慰剂，共持续10天。用药3 d后，观察组患者血糖和胰岛素水平明显高于对照组(P<0.05)；用药7 d后，观察组患者血浆前白蛋白和总蛋白水平明显高于对照组(P<0.05)；观察组供皮区愈合时间、植皮区愈合时间、深Ⅱ度烧伤区愈合时间以及总住院时间相对对照组分别缩短34.3%、32.4%、27.5%和26.1%(P<0.01)，具有显著差异。其中仅1位患者用药第3天出现血糖升高，在无重度感染的情况下推测可能与注射rhGH有关，减量或停药后可恢复正常[14]。本研究结果显示，重症烧伤患者应用生长激素治疗可改善机体代谢水平、促进蛋白质合成、加速创面愈合、缩短治疗时间，疗效显著且安全性良好。

3.3 成人GHD

成人生长激素缺乏症可能会导致机体一系列异常反应，如机体组分改变，糖、脂代谢异常，骨密度降低，心血管疾病风险增加，运动能力降低，情绪低落等[15]。

临床上诊断AGHD的实验室检测方法同儿科基本一致，其中胰岛素耐量实验为诊断AGHD的金标准。若检测过程中GH的分泌峰值低于5 μg/L，提示可能存在生长激素缺乏症，检测值低于3 μg/L，则认为存在严重的生长激素缺乏症。

对于被诊断为成人生长激素缺乏症的患者国内外多项长达10年以上的临床研究显示，生长激素替代治疗有利于降低机体脂肪量，增加骨密度，调节血脂代谢并改善生活质量[16]。多项研究证实患者在遵循生长激素使用禁忌症并严密监测血清IGF-1、血脂、血压和肿瘤标志物等的情况下，未出现糖尿病、肿瘤复发、新发肿瘤和增加死亡率等风险[17]。这也进一步印证了rhGH在成人GHD中的临床价值和安全性。

3.4 辅助生殖

生长激素通过GH-IGF-1轴参与了机体性分化和性成熟的过程，与性成熟和性腺内分泌功能密切相关，对妊娠和哺乳也有一定影响。临床上，在体外授精-胚胎移植(IVF-ET)治疗过程中联合使用GH和Gn，可促进卵母细胞发育成熟、改善卵巢低反应性和子宫内膜容受性，提高妊娠率。男性生殖方面，GH可改善男性性功能并提高精液质量。

葛小花等将136例的卵巢低反应患者(poor ovarian reponse, POR)分为实验组和对照组，所有患者均采用拮抗剂方案促排卵作为基础治疗。实验组加用了GH进行预处理：Gn启动前约4周使用2 IU的GH皮下注射1次/日，Gn启动日改为4 IU的GH皮下注射1次/日直至HCG日；GH非预处理：Gn启动日开始给予4 IU的GH皮下注射1次/隔日直至HCG日。结果显示预处理的Gn使用总量和天数明显少于非预处理组，预处理组的胚胎数、优质胚胎数、种植率、生化妊娠率和临床妊娠率均显著高于非预处理组[18]。

GH可增强机体全身的代谢活性，刺激靶器官胞内环磷酸鸟苷的水平增加，蛋白磷酸化过程加速可为生殖细胞提供能量，从而增加精子活力；同时GH亦可促进机体对微量元素如锌等的摄入，明显改善精子动力、活动率和密度。临床上，田二坡和李铮研究发现给予睾丸容量小于4 mL的患者使用HMG和HCG联合治疗或GnRH治疗需2年时间才能刺激精子生成，而使用GH治疗仅12周，在睾丸容量小于5 mL的情况下精子生成功能明显提升[19]。目前国内外已将rhGH列为治疗男女不育症的药物之一，但此适应症暂未纳入说明书，具体的用法用量以及安全性有待进一步验证。

3.5 其他

生长激素在上述4大领域有着广泛的应用，但其可以治疗的适应症远不止于此。1993年美国FDA、欧洲EMA和日本PMDA先后批准了慢性肾功能不全(Chronic renal insufficiency)的适应症；1996年美国FDA和欧洲EMA批准了rhGH治疗HIV消耗综合征(HIV wasting syndrome)；1997年日本PMDA通过了软骨发育不全的适应症(ACH，Achondroplasia)；2004年—2005年，美国和欧洲rhGH说明书中陆续纳入了短肠综合征(SBS, Short bowel syndrome)和过渡期GHD(GHD in transition)[20]。另外GH在其他非注册适应症如重症感染、呼吸功能衰竭、神经性脑损伤、肠外瘘以及抗衰老等领域也有一定的临床使用经验。

4 安全性评估

药品的安全性通常与药物成分、剂型、纯度、剂量和代谢等因素相关。对于用药患者来说，种族、年龄、性别和疾病等也在一定程度上影响到用药的安全性。1958年pit-hGH应用于临床，由于朊病毒污染的问题在药物的使用过程中出现了多例克雅氏病的报道。1985年美国FDA批准了基因重组的rhGH上市并将存在安全隐患的pit-hGH强制退市。生长激素历经了多次技术革新，如今第5代大肠杆菌分泌型无防腐剂生长激素水剂于2019年全球上市。由于其药物主要有效成分rhGH与人体天然生长激素完全一致，且通过专利技术的应用，制剂辅料成分无需添加苯酚类防腐剂，更加确保了临床长期使用的疗效和安全性。

排除药物品质引起的不良反应，生长激素本身在临床上常见的副反应有注射部位过敏、液体潴留、甲状腺功能减低、一过性血糖升高及脊柱侧弯等。根据NCGS和KIGS数据库记录显示11万患者在使用生长激素治疗过程中发生不良反应的概率约为6%。其中大部分患者通过对症处理、减量使用或停药处理，相关不良反应均可以得到有效控制。通常认为GH具有促进有丝分裂的作用，临床上不宜用于活动期肿瘤的患者。Shrikant等在欧洲开展的大样本队列研究显示，对于术后肿瘤得到完全控制的患者，在合理范围内使用GH不会提高复发肿瘤和继发肿瘤的风险[21]。可见生长激素在临床应用过程中安全性良好，但在用药过程中应严密监测IGF-1、甲状腺素、血糖、血脂以及选择性地检查相关肿瘤标志物等指标。

身材矮小症是由多种因素导致的疾病，生长激素具有显著地促进儿童生长发育和代谢调节的作用，但其也绝非是治疗所有矮小儿童的“神药”。近年，少数患者前往非专业医疗机构，他们在骨骺闭合情况下贸然使用了生长激素导致孩子出现肢端肥大的案例偶见报端。部分运动员为了在短时间内提高成绩非法注射生长激素进行增肌减脂，由于剂量把握不当导致糖尿病或其他器官功能损伤的情况也屡见不鲜。重组人生长激素是处方药品，有着严格的禁忌症和适应症，用药前患者务必需要前往正规医疗机构请专业医师给予评估，切不可私自用药。

5 未来展望

随着研究的逐步深入，生长激素在各领域的应用将更加广泛。目前在临床上应用最多的是短效生长激素冻干粉针剂，但由于操作复杂和注射疼痛等问题导致部分用药患者依从性不佳，从而影响最终治疗效果。1995年由美国Genentech公司生产的全球第一支生长激素水针剂诞生，2007年韩国LG生命科学公司推出了全球第一支微球缓释长效生长激素，2014年中国CFDA批准了PEG化的长效生长激素，2019年安科生物公司推出了无防腐剂型预充生长激素水剂。截止到目前，全球仅中国和韩国批准了长效生长激素，考虑到远期安全性的问题美国和欧洲暂未给予其上市许可。国际上包括辉瑞、诺和诺德和基因泰克等知名药企陆续开展了多项长效生长激素的临床研究，主要的突破方向集中在微球包裹、PEG化、融合蛋白和前药等制剂技术，部分药品已经进入到Ⅱ、Ⅲ期临床试验阶段[22-23]。关于生物制品非注射给药途径的研究持续了几十年，口服给药、吸入给药以及透皮给药等均为热点研究方向[24]。相信在不久的将来会有更多新技术可以运用到生长激素制剂当中，给患者带来更优的治疗效果和用药体验。