生长发育中的胰岛素生长因子-I
前言
关于胰岛素生长因子-I（IGF-I）作用的了解有了很大的进展。IGF-I是一种小多肽激素，因其调节DNA和蛋白质合成、细胞大小和数量，而为正常生长发育所必需。IGF-I通过内分泌、自分泌-旁分泌机制发挥其生物学作用。因为IGF-I的一个主要功能是调节生长激素（GH）对外周组织的促生长作用，所以，IGF-I缺乏（IGFD）将导致生长障碍。有生长障碍的和低血清IGF-I浓度的儿童称为IGF-I缺乏。40年前，Laron报告了由于GH受体异常引起不敏感性而严重原发性IGF-I缺乏（PIGFD）的综合症。目前，IGFD病因谱包括了垂体分泌GH不足，GH信号转导缺陷，IGF-结合蛋白（IGFBP）复合物形成缺陷，以及IGF-I的基因缺陷。因营养剥夺、急性疾病或慢性疾病，例如库欣氏综合症、青少年关节炎和囊肿纤维化，IGFD也可能是获得性的，如果治疗适当，在一定程度上是可逆的。
在1990s初期重组IGF-I（rhIGF-I）的数量很少，只能够治疗少数Laron综合症病人，这种治疗改善了生长速度和身体组成。随rhIGF-I产量的增加，进行了一些临床试验，证明对不同GHR缺陷疾病儿童，rhIGF-I治疗有一致的促进生长速度的效果。批准商业生产可注射的rhIGF-I产品有助于获得治疗有效性和安全性的大量数据。在最近几年，循环IGF-I的胰岛素样作用促进了以rhIGF-I治疗严重胰岛素抵抗和I型或II型糖尿病的研究。本文综述了IGF-I浓度的正常变异，IGFD的病因和rhIGF-I对PIGFD病人的作用。
血清IGF-I及其测量
IGF-I测量是GH-IGF轴疾病诊断的重要组分：疑似肢端肥大症的标准诊断试验，监测治疗反应，矮身高儿童GH缺乏（GHD）和GH不敏感性（GHI）的筛查和治疗。IGF-I缺乏状态的的诊断不仅需要IGF-I测量的准确性、可靠性和适当的标准数据，而且也需要适当解释血清IGF-I的生理学知识。尽管IGF-I是GH依赖性的，但也受到营养状态、年龄、遗传因素、IGF-I结合蛋白（IGFBPs）、胰岛素、雌激素、雄激素、甲状腺激素和皮质醇激素的调节。营养是IGF-I合成的主要调节因素，GH刺激IGF-I合成的能力依赖于适当的营养素摄入，在分解状态下通常干扰IGF-I的调节，例如严重烧伤或大手术后的病人和长期分解状态疾病的病人，如囊肿纤维化或严重肝病。
IGF-I的测定
在过去的30年中，许多研究使用血清或血浆IGF-I的总免疫反应性来估价内源性IGF-I的生物活性。在所提出的不同测定方法中，大部分使用了高亲和力和高特异性的抗IGF-I抗体，并都需要纯IGF-I标准作为参照。这就提出了当前IGF-I免疫测定的标准问题。
某些研究者使用了血清非结合的IGF-I（自由的）。在技术上，难以测量自由IGF-I，测定的重复性是有问题的。而且，作为GH状态的标志物，血清自由IGF-I并不比总IGF-I好。在大部分病人，总血清IGF-I很好地反映了IGF-I生物活性。I型糖尿病是一个重要的例外，受累病人表现出低浓度的循环总IGF-I水平，但纵向生长接近正常，推测外周IGF-I生物活性可能正常。值得注意的，在肝IGF-I和酸性不稳定亚单位（ALS）缺乏小鼠模型，自由IGF-I浓度可能令人误解；双重基因断裂动物表现出非常显著的生长延迟，GH和自由IGF-I浓度升高。
在测定总IGF-I浓度之前，必须去除所有IGFBPs的干扰。虽然麻烦和费时，但使用酸性排除色谱法可将IGFs与IGFBPs分离开。酸/乙醇沉淀使用的更加普遍。添加过量IGF-II，使残余的结合蛋白饱和可进一步改进测定的特异性。对于所有IGF-I测定方法，重要的是了解其回收一定量IGF-I标准品的测定有效性、宽大IGF-I浓度范围内的线性能力，以及可重复性，并应当对生物学样本、取样条件和测定程序进行确认研究。在一段时间内应当监测IGF-I标准品的稳定性以检查测定偏移，在IGF-I标准品和抗IGF-I抗体更换后应当重新确认，因为二者对测定能力有重大影响。
正常血清IGF-I浓度
IGF-I、IGFBP3和ALS三重复合物的稳定性能够缓冲许多影响GH浓度的变量的影响，这样就提供了稳定的血浆IGF-I储备。与GH不同，血清IGF-I浓度的日间变化很小，一次IGF-I测定即可反映GH状态，使用男、女青春期前和青春期儿童人群血清IGF-I浓度与自发24小时GH分泌之间的关系而进行诊断。但频繁出现与营养摄入不良有关的急性病毒感染，以及IGF-I浓度的季节性变化说明，在矮身高儿童临床检查中应当重复测定IGF-I。
在健康儿童发育全过程中，循环IGF-I和IGFBPs浓度是变化的。出生时血清IGF-I浓度较低，在儿童期初期逐渐升高。在青春期开始时，血清IGF-I浓度增长，至青春期后期达到高峰，女孩（Tanner等级III~IV，平均年龄14.5岁）一般早于男孩（Tanner等级IV，平均年龄15.5岁）。然后，随年龄增长血清IGF-I浓度逐渐下降。重要的是，性别，年龄和青春期对IGF-I的影响不是简单累积的，在青春期Tanner等级内随年龄增长血清IGF-I存在显著的变化。因此在评价生长障碍儿童血清IGF-I时，要了解性别、年龄和青春期发育分期。在一定24小时GH分泌情况下，血清IGF-I浓度却存在显著的不同，即使以年龄、性别和青春期分期修正后正常值范围仍很宽大，可能反应了IGF-I敏感性和IGFBP-3/ALS的多态性、表达和浓度的宽大变异。对同一个体测量的血清IGF-I值也表现出日常的变化。这些都强调了确定正常值范围应包括足够数量正常受试者的重要性。
血清IGF-I、IGFBP-3和ALS水平密切相关。由儿童期初期开始，随年龄的增长这些肽的水平增加。虽然在青春期出现最大值，但血清IGFBP-3和ALS平均水平峰值不如IGF-I那样显著。在大部分情况下，IGFBP-3的克分子浓度（约100nmol/L）约等于IGF-I和IGF-II浓度之和，而ALS浓度（250nmol/L）是过剩的。
PIGFD的病因与诊断
自最初报告Laron综合症以来，这种罕见生长疾病的深入研究对了解GH-IGF轴及其在线性生长和代谢中的作用做出了很大的贡献。严重PIGHD由肝脏、肌肉、脂肪和外周生长板等生成IGF-I的组织缺陷所引起。在Laron综合症中，GH抵抗由GH受体基因（GHR）的纯合子或混合的杂合子突变所致，虽然曾鉴别出了罕见的显性失活杂合子病例。严重PIGFD也可能是由于转录的信号转导程序和激活体（STAT）5b突变，或导致IGF-I蛋白缺乏或非功能性IGF-I蛋白表达的IGF-I基因缺陷所致。PIGFD也可能反映了循环系中IGF-I与IGFBP-3和ALS复合物形成的缺陷，如ALS基因突变病人所见。
PIGFD病人的IGF-I下降或无生物活性，或GH浓度增加（图1）。继发性IGFD可因各种下丘脑或垂体缺陷而GH不足或缺乏，引起IGF-I生成缺乏。在禁食和营养不良情况下，例如吸收障碍或炎症，IGFD以GH浓度正常或升高，在GHR或其下游出现显著的解偶联或抵抗为特征，因此是一种获得性的IPGFD，而不是继发性的IGFD。在类固醇过多的情况下，抑制自发的和刺激的GH，而不一定是低水平的IGF-I，并引起靶组织抵抗GH和IGF-I，是出现获得性PIGFD的基础。
虽然随新的GH-IGF轴缺陷的鉴别，原发性和继发性IGFD分类显然具有局限性，但这种分类为评价IGFD病因提供了基本方法。ALS缺乏病人血清IGF-I和IGFBP-3浓度显著减少，反映出由于不能形成三元复合物而IGF-I的清除率增加，而IGF-I的生成未受到损害；这种病人的GH浓度正常或增加，刺激局部正常生成IGF-I，循环中的自由IGF-I也接近正常，因而仅有轻微的生长障碍。尽管生长延迟不明显，但这样的病人可能符合严重PIGFD的标准。此外，发现少数出生前后生长延迟的病人有IGF-I受体基因（IGF1R）杂合突变，导致IGF-I受体功能和数量异常，因而出现IGF-I抵抗。受累病人出生后的不同生长表现被归因于残留的IGF-I信号转导的差异或正常IGF1R等位基因表达的上调。IGF1R单倍体不足似乎对GH或IGF-I分泌无显著影响，最好分类为IGF-I抵抗。
在IGFD的分类中，对原发性和继发性术语的使用具有争论。某些作者提出，仅有IGF-I基因缺陷应当为原发性IGFD，由于GHR缺乏或功能障碍为继发性。其它作者认为，GH-IGF轴异常应根据GH和IGF合成和作用的生物学通路定位分类。虽然将来的临床手段和数据将精确矮身高儿童的诊断与分类，但目前的诊断试验还不能对这组异类病人作出全面的分子学分类。在美国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。在这些病人中，临床表型可能反映了遗传多态性的联合体，而不是非连续的突变。此外，遗传缺陷和环境影响可能共同引起原发性和继发性IGFD。在对生长障碍病人诊断评价中广泛使用IGF-I测定的情况下，IGFD的概念是合理的，可适当评价继发性病因（例如，GH生成缺陷）和原发性病因（例如，尽管血清GH正常或增长，但有低血清IGF-I）。表1为已经鉴别出的引起IGFD的缺陷。
小于孕龄儿（SGA）矮身高的分类未包括有特定病因，已经多次证实与神经学缺陷和GH-IGF-I轴下游的缺陷有关。对于IGF1和IGF1R基因缺失的SGA儿童，严重PIGFD似乎是更合适的诊断。以前将某些不太严重的PIGFD矮身高儿童分类为特发性矮身高（ISS）。对于以rhGH治疗的而无反应的ISS儿童，应当接受进一步的诊断和分子学评价，考虑以rhIGF-I替代治疗。
由于GHR缺失而严重PIGFD（Laron综合症）表现出中等程度的低出生体重，出生后生长严重延迟（身高为－4~－10 SDS）和异常的颅面发育，普遍出现禁食胰岛素水平升高的低血糖事件。根据生物化学，这种综合症有很低的循环IGF-I水平（在小年龄病人通常不可检测）、有低水平的IGFBP-3和ALS、基线和刺激的GH峰升高、对IGF-I生成试验无反应或反应有限。
对怀疑有GH不敏感性的矮身高儿童，使用生长学和生物化学参数来鉴别PIGFD病人，也使用IGF-I生成试验来诊断严重PIGFD。但是，青春期前的正常数据有限，并提出了不同IGF-I反应的鉴别诊断阈值，而且，对于低剂量（0.011mg/kg/d）或标准剂量（0.033mg/kg/d）GH是增加了生成试验的敏感性还是生成试验的特异性问题尚无共识。测量IGFBP-3也是有价值的，慢性疾病引起IGFD病人循环浓度的下降通常较PIGFD病人显著较少。
总之，在身高低于－3SDS的矮身高儿童中，目前PIGFD的临床和内分泌标准包括有低IGF-I浓度、GH水平正常或增加、IGF-I生成试验中IGF-I生成不足。此外，在接受rhGH治疗的严重PIGFD儿童，由于抗-GH抗体形成，生长反应不佳。在欧洲，欧洲医药管理机构（EMEA）对PIGFD的定义为：身高SDS≤－3，基础IGF-I浓度低于2.5th百分位数，GH分泌充足，无继发性IGFD病因。该PIGFD定义与美国（FDA）有些不同，美国对这样的儿童定义为：身高和IGF-I SDS≤－3，血清GH浓度正常或升高，或对GH出现中和抗体的GH基因缺失。
rhIGF-I治疗严重PIGFD
对小样本GH不敏感性的早期研究证实，rhIGF-I治疗增加了生长速度，改善了身体组成，治疗效果已由几项长期研究所证实。最近，在一项最大样本的研究中，证明了rhIGF-I治疗（到12岁）PIGFD（n=76）儿童生长的长期效果，治疗第一年平均身高速度由基线时的2.8cm/yr增加到8.0cm/yr（P<0.0001），第一年身高速度依赖于rhIGF-I的处理剂量。虽然有少数例外，但是根据EMEA和FDA批准的rhIGF-I适用症标准，该研究中的病人有严重的PIGFD。
除了汇总临床实验中因GH不敏感而严重PIGFD的病人数据外，现在也可通过上市后病人登记注册来获取有关rhIGF-I治疗的资料。在美国IGFD注册中，IGF-I治疗约1年后的青春期前的病人身高速度数据提示，使用较高IGF-I剂量（每日两次100ug/kg以上）与更高的身高速度相关，这一结果表明，基于体重的IGF-I剂量处理改善生长反应的重要性。根据237名儿童安全性评估和对156名病人的数年追踪，在这些轻微IGFD病人中，怀疑或证实的低血糖发生率较低（约5%），并与剂量无关。
IGF-I，胰岛素和糖代谢
在胰岛素和IGF-I之间以及各自受体之间，序列与结构非常相似。IGF-I有48%的氨基酸序列与胰岛素原相一致。两种激素有不同的作用，而奇怪的是受体后信号转导通路有高度相似性。象胰岛素一样，IGF-I也对脂、蛋白和糖代谢有不同的作用（图2）。IGF-I对缺乏IGF-I受体的成熟脂肪细胞的作用很小，但是却引起表达高水平IGF-I受体的前脂肪细胞的分化。在骨骼肌中，IGF-I刺激蛋白的合成，并通过IGF-I受体激活葡萄糖运载体4而刺激葡萄糖的摄取。即使胰岛素循环水平下降，也同样出现IGF-I的低血糖作用。虽然在成熟肝脏中不存在IGF-I受体，但IGF-I却降低肝脏的葡萄糖生成，推测可能是通过与胰岛素受体的相互作用。
rhIGF-I与低血糖
在早期研究中，静脉内rhIGF-I处理引起Laron综合症病人的低血糖。在健康志愿者，皮下rhIGF-I处理刺激外周肌肉的葡萄糖摄取，抑制肝葡萄糖生成，同时改善全身胰岛素敏感性，引起低血糖。
在rhIGF-I的临床实验中，餐前处理降低了rhIGF-I的胰岛素样作用。最初的双盲对照实验研究，在以rhIGF-I治疗的对GH不敏感的青春期前病人和接受安慰剂的受试者中发现了类似的低血糖发生率。最近，Chernausek et al.报告，因对GH不敏感而严重PIGFD病人，以rhIGF-I治疗，儿童的低血糖发生率为49%（76名中有37名），但是其中32%的病人在治疗前有低血糖病史。低血糖事件发生于早餐前和晚餐前，年龄较小者、以前有自发低血糖史的矮身高病人更多见。在注射时进餐一般可防止低血糖事件。与此相反，一项对青春期前PIGFD儿童的1年随机、非盲、每天两次IGF-I处理的平行剂量比较临床实验研究发现，在111名治疗病人中有15名出现低血糖或报告血糖下降（14%），25名未治疗病人中有2名（8%，P=0.74），并与剂量无关。
严重胰岛素抵抗的rhIGF-I治疗
胰岛素受体缺陷、胰岛素作用的受体后缺陷、或抗-胰岛素受体抗体可引起严重的胰岛素抵抗。在与骨发育不良或肌强直性营养不良有关的更复杂疾病情况下，也可能发生严重的胰岛素抵抗。Donohue综合症是一种最为严重的胰岛素抵抗疾病，胰岛素受体基因细胞外区域的纯合子或混合杂合子突变引起功能性受体的全部或几乎全部的缺失。这些婴儿在出生时就有严重的子宫内生长延迟，出生后生长停滞。受累病人的其它临床特征-多毛、黑棘皮病、多囊卵巢和organomegally，可能经由IGF-I受体的高浓度胰岛素信号转导（>10000pM）而产生。对垂体和下丘脑的影响导致低浓度的GH、IGF-I和IGFBP-3，ALS几乎不可检测。Donohue综合症婴儿不出现酮酸中毒，但却出现禁食低血糖和餐后的高血糖。Rabson-Mendenhall综合症有比Donohue综合症较轻的表型，较长的存活和较少畸形，虽然也同样由胰岛素受体基因错义突变引起，但保留了一定程度的胰岛素受体活性。
A型胰岛素抵抗以黑棘皮病、雄性激素过多、少或无月经、多囊卵巢、男性化、多毛症、痤疮和禁食胰岛素>150pM为特征。但许多病人却表现出低血糖。尽管以胰岛素治疗，β细胞的功能下降，因糖尿病或其并发症而死亡。仅在约10%的这类病人可鉴别出胰岛素受体基因突变，提示其它病人存在胰岛素信号转导通路的缺陷。
IGF-I的作用及其与胰岛素的相似性提示，rhIGF-I具有治疗SIR的潜力。在1型糖尿病人，IGF-I对肝脏葡萄糖摄取有直接的胰岛素样作用，相对低剂量的IGF-I可改善胰岛素的敏感性
同样以rhIGF-I治疗，能够改善2型糖尿病人的胰岛素敏感性，降低HbA1c。应用rhIGF-I，以及最近应用rhIGF-I+rhIGFBP-3的研究证明了对Donohue综合症病人的有效性。对Rabson-Mendenhall病人也至少有短期的有益效果。
几项临床实验曾经研究了应用rhIGF-I治疗A型胰岛素抵抗。这些研究中，最多的使用每天两次100-400uk/kg的rhIGF-I，对A型胰岛素抵抗病人治疗到16个月，减少了胰岛素的需求，降低了葡萄糖和HbA1c浓度，对某些病人的扩展追踪研究表明，7-8年连续有效。
在一项正在进行的对A型胰岛素抵抗病人的临床研究中，以rhIGF-I和rhIGFBP-3联合治疗，血糖控制和胰岛素敏感性的改善伴随以平均HbA1c的下降，尽管两名很矮病人的反应较差，4个月期间具有统计学显著性。在1名女性病人也说明了治疗的有益效果，改善了血糖控制（图3），增加了胰岛素敏感性，降低了肌细胞内和肝脏的脂肪，改善了身体组成。
结论
除了Laron综合症外，已经鉴别出PIGFD是许多生长疾病的病因。随研究方法和诊断标准的改进，特别是关于ISS儿童的评价和分类，将来PIGFD特定病因的病人数量无疑将增加。血清IGF-I是矮身高研究中的重要方面，但仍然存在获得和解释可靠的血清IGF-I定量测定的挑战，IGF-I异常的估价需要与大样本标准化数据进行比较。
目前，符合严重PIGFD标准的病人已获益于rhIGF-I治疗。已经证明rhIGF-I治疗改善严重胰岛素抵抗各种疾病的血糖控制和胰岛素敏感性。rhIGF-I临床应用仍有待于在临床实验的评估，注册观察研究也将提供新的临床资料，增强我们对IGF-I生物学的了解。
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