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第四节 女性青春期:性腺功能初现和肾上腺皮质功能初现
一、女性青春期概述
(一)青春期的定义与起止时间
青春期(adolescence,puberty)是从儿童期至成年期的过渡时期。即从第二性征出现、生殖功能逐渐达到成熟的时期。伴随其过程,下丘脑、性器官和性激素分泌等一系列的生理特征日趋成熟。
日本妇产科学会认为,青春期开始于8~9岁,终结年龄是17~18岁。但另有学者报告部分18~19岁的少女月经周期仍不规律,或即使有正常周期,也可无排卵或黄体功能不足,故认为应将青春期的终结年龄定为20岁,甚至更晚些。美国妇女青春期开始的平均年龄为10岁,终止于20岁左右。我国资料表明女孩青春期开始的年龄一般为10~12岁,至17~23岁时,第二性征及生殖功能完全发育成熟,体格生长停止。综上所述,青春期的起止时间大约为从9~12岁到18~20岁。
女性的青春发育期一般需要超过4.5年,分为3个时期:①青春早期(TannerⅡ~Ⅲ期):从第二性征初现至月经初潮时止,年龄为9~12岁,以体格生长突增为主;②青春中期(Tanner Ⅲ~Ⅳ期):以性器官及第二性征发育为主,月经初潮来临,年龄为13~16岁;③青春晚期(TannerⅤ期):自出现周期性月经至生殖功能完全成熟、身高增长停止,年龄约为17~20岁。也有报道将青春期分为早、晚两个时期,青春期早期为性征开始发育至月经初潮出现,青春期晚期则自月经初潮开始至生殖功能完全或近成熟,身体发育停止。
(二)青春期发育的顺序与类型
青春期各种性征开始发育的年龄虽不同,但多按一定的顺序进行(表3-1),反映了下丘脑肽类激素、垂体蛋白激素、肾上腺及性腺甾体激素分泌及活性有序的改变。
表3-1 青春期发育的顺序、平均年龄及相关激素分泌
根据国内外统计资料,正常青春期各种性征开始出现的年龄有很大的个体差异,如乳房开始发育可早自8岁,晚至13岁;阴毛出现的年龄为8~14岁;月经初潮可自9岁至17岁不等;身高突增可开始于9~14.5岁。此外,不同个体间发育顺序也存在差异,例如:一般乳房发育是青春发育的首现体征,但约20%的女孩阴毛可出现在乳房发育前;单侧乳房可比对侧乳房提早发育数月;通常月经初潮出现在乳房发育后2~3年,但少数女孩月经初潮可发生在乳房开始发育后数月内。这些均属正常发育的变异。
由于每个女孩青春发育开始的年龄、发育速度及成熟年龄的不同,青春期发育可分三种类型:早发育、一般及晚发育。早发育型青春期开始年龄及身高突增高峰出现早,但突增过程较短,第二性征出现及月经初潮年龄均较早,她们具有身材较矮、肩窄、骨盆宽的矮胖体型。晚发育型女孩的各项发育指标均较晚,具有身材较高、肩宽、骨盆窄的细长体型。一般型则介于早发育型与晚发育型之间。青春期是一系列生理过程的联合,在生理征象出现前的几年内由不同的神经内分泌变化而启动。至少存在三个独立的神经内分泌轴在青春期生理变化中发挥作用:包括下丘脑-垂体-卵巢轴激活的性腺功能初现;肾上腺雄激素激活的肾上腺功能初现;以及生长激素-胰岛素样生长因子轴激活的身高突增。性腺功能初现(gonadarche)和肾上腺功能初现(adrenarche)是青春发育启动期的两个重要现象,虽然两者可以同时发生,但生物学基础不同。乳房发育被认为是性腺功能初现的表现;阴毛出现被认为是肾上腺功能初现的表现。有研究显示,22.7%的女孩阴毛初现早于乳房发育,22.7%的女孩乳房发育早于阴毛初现,54.7%的女孩两者一致;乳房发育早于阴毛初现的女孩在儿童期有更高的BMI、腰围与身高比以及更高的青春期BMI,脂肪积聚可能与性腺功能初现的激活有关。
二、性腺功能初现
性腺功能初现以乳房发育为表现,由下丘脑-垂体-卵巢轴激活,最终导致性成熟和生殖成熟,是目前了解最多的青春期生理过程。
(一)青春期性腺功能初现时下丘脑-垂体-卵巢轴(H-P-O轴)的变化
1.促性腺激素释放激素(GnRH)
通常女童真正意义上的青春期发动是指中枢性发动,其机制与下丘脑成熟和GnRH的脉冲释放有关,可能涉及三种机制:①青春期发动时,中枢神经系统对下丘脑存在对GnRH释放的抑制信号解除;②青春期发动时,存在促进GnRH脉冲分泌的信号;③有单向及双向效应的信号存在,该信号在青春期发动前抑制下丘脑,在特定时间转为兴奋下丘脑,发动青春期。但目前对该抑制信号的研究尚不清楚。
随着下丘脑分泌GnRH神经元的激活,产生内源性GnRH的幅度和频率逐步增加,首先出现睡眠时夜间GnRH脉冲分泌幅度增加,但频率无改变;继而日间GnRH脉冲释放也逐渐增加,形成成人型的脉冲分泌相。由于GnRH的分泌量很少,半衰期仅4~8分钟,外周血液循环中浓度很低,不易测出,仅能在垂体门脉血流中测出。受到GnRH的调控,垂体细胞膜GnRH受体增加,促性腺激素、尤其是LH脉冲性释放的频率和数量增加,对性腺的刺激作用增强,诱导性征发育,激活停滞在减数分裂前期的卵母细胞。
2.促性腺激素(Gn)
在胎儿和新生儿期,促性腺激素的分泌水平同早青春期相似,但继而下降至极低的阈值浓度,整个儿童期血LH及FSH水平均较低;随年龄增长小幅增加,FSH/LH比值>1,无昼夜差别。青春发育启动后,随着下丘脑GnRH脉冲分泌的激活,24小时血LH、FSH平均水平、LH脉冲峰值进行性升高。首先夜间睡眠期升高,LH脉冲频率增多;随后日间LH及FSH的脉冲分泌频率及幅度增高;至晚青春期,24小时均呈现有规律的脉冲释放,血LH和FSH浓度逐渐达成人水平。根据放免测定结果,整个青春期日间LH水平增加4.5倍以上,FSH增加2.5倍以上。青春期早期出现特征性LH及FSH脉冲释放的醒睡差异可作为预示青春期来临的指标。但也见于真性性早熟患儿。
Gn的脉冲分泌依赖于GnRH的脉冲释放。正常女孩青春发育的不同阶段,FSH及LH对GnRH刺激的反应性不同。青春发育早期FSH反应比LH反应强,为FSH优势反应型;青春发育后期LH的反应逐渐增强,而FSH的反应相应减弱,为LH优势反应型。故根据GnRH兴奋试验结果可以大致估计下丘脑-垂体-卵巢轴发育的程度。一般认为GnRH刺激后,LH峰值与基础值之比大于3~3.5倍时,其H-P-O轴功能已达成年水平。
另外,GnRH脉冲的反复刺激,升调了垂体Gn细胞膜GnRH受体,使Gn反应性逐渐增强,合成和分泌更多的FSH和LH,称为GnRH的自身引发作用(self priming effect)。FSH刺激卵巢中卵泡合成、分泌更多的甾体激素,E 2能够抑制FSH的作用、增强LH对GnRH的分泌反应。
3.雌二醇(E 2)
整个儿童期血E 2水平很低,常<36.7pmol/L(10pg/ml)。青春期早期随着GnRHLH脉冲分泌的激活,卵巢内卵泡逐渐发育,卵泡颗粒细胞分泌E 2水平逐渐增高达成人水平。E 2水平升高首先出现在夜间,逐渐在白天和夜间都升高。雌酮(E 1)的产生分别来自卵巢和外周组织雌二醇和雄烯二酮的转换,在青春早期有所升高,从中期开始则持平。因此,E 1/E 2在整个青春期持续降低,提示在青春期成熟的过程中,雌二醇的作用日益重要。正是E 2的生理作用,引发了第二性征及生殖器官的生长发育及青春期的一系列事件。白天任何时间测定E 2水平均可作为青春发育的可靠指标。
4.孕酮
在青春期晚期排卵功能建立后,血孕酮开始出现黄体期的周期性升高。
5.雄激素
进入青春期后卵巢内发育的卵泡产生一定量的雄烯二酮(A)及睾酮(T),血A及T浓度较成人略高。雄激素具有促进蛋白合成和生长发育的作用,也可刺激皮肤毛囊发生结节性炎(青春痘)以及出现轻度多毛现象。
(二)青春期发育机制与动因
青春期发育机制与动因是一个尚未完全阐明的复杂问题。从青春发育过程的规律性和程序性上反映了中枢神经系统、下丘脑肽类激素、垂体蛋白激素、肾上腺和性腺激素及外周内分泌代谢信号等的共同参与和调控。其中下丘脑神经内分泌调控腺垂体机制的成熟在青春发育中起主要作用。
1.下丘脑弓状神经元对GnRH的调节和启动
(1)kisspeptins/GPR54:
近年来由宾夕法尼亚州立大学Hershey医学中心Lee等人研究发现的一个新的cDNA,命名为KISS-1。后续研究将其定位于1号染色体长臂1q32~q41区,其基因结构包含4个外显子,797个核苷酸,C末端RF—amide(Arg—Phe—NH 2),是与G蛋白偶联受体GPR54结合和激活的保守位点。在胎盘和大脑中KISS-1表达最高。GPR54是一个新发现的孤儿G蛋白偶联受体(oGPCRs),有几个不同长度的剪切片段。人 GPR54基因定位于染色体19p13.3。GPR54在大鼠和人类的中枢神经系统和周围组织中高表达。其mRNA在大鼠下丘脑表达最高。
KISS- 1基因及GPR54蛋白(kisspeptins/GPR54)信号通路对青春期GnRH神经元的复苏起关键作用,是青春期发育启动的分子阀门(gatekeeper)。KISS-1和GPR54在下丘脑弓形核、下丘脑后叶以及垂体、胎盘和胰腺中均有高表达。青春期发育期前后恒河猴GPR54和KISS-1在下丘脑的表达有显著差异,青春期后KISS-1基因表达显著增加,提示KISS-1基因在青春期启动的激活可能是人类青春期发育启动的关键环节。随着性发育逐步成熟,下丘脑KISS-1和GPP54 mRNA表达增强、kisspepfin释放增加到一定程度即可激活GPR54,进而启动青春期GnRH的脉冲性释放。
(2)内源性阿片肽(endogenous opioid peptides,EOPS):
内源性阿片肽参与机体多种功能活动。下丘脑有阿片肽能神经元。实验研究表明EOPS可抑制下丘脑GnRH释放,其作用依赖于甾体激素,将阿片受体拮抗剂——纳洛酮给去势大鼠或绝经后妇女应用,血LH水平并不上升,但给予晚卵泡期和黄体中期的育龄妇女,则LH脉冲频率及幅度均升高,推测在低雌激素和低孕激素环境下EOPS对GnRH脉冲发生器无抑制作用,而在高雌激素和高孕激素环境下,EOPS对GnRH和LH释放有抑制作用。
(3)单胺类递质:
下丘脑促垂体区还有多巴胺(DA)、去甲肾上腺素(NE)、5-羟色胺(5-HT)能神经末梢分布,它们为单胺类递质,可能调控下丘脑神经内分泌活动,并参与青春期发动。已有证据表明雌激素和雄激素对中枢的反馈抑制作用部分是通过激活外栅区的DA末梢而实现的。体外实验表明DA有刺激和抑制GnRH释放的双重作用。
(4)去甲肾上腺素(NE):
灵长类和大鼠的研究证明NE系统通过α-受体促进垂体Gn的分泌。
2.胎儿生长受限与青春发动时相提前
人类宫内生长的特点是存在一个敏感的窗口期,在此期间,各个系统器官和组织发育的可塑性较强。胎儿生长受限可能引起永久的内分泌轴的重新调整并影响青春期发育。小于胎龄儿(small for gestational age,SGA)在宫内表现为生长受限,其原因很多,如母亲异常内分泌和代谢背景(如高雄激素血症和高胰岛素血症)、营养不良、贫血、宫内感染、某些药物、胎儿基因缺陷等均可导致胎儿生长受限。发生在此发育关键时期的损伤将导致宫内编程(programming)。宫内生理系统编程可发生在基因、细胞、组织、器官、系统的各个水平,将导致未来永久性的结构与功能异常,并影响青春期发育,也称“胎源性成人疾病”。
3.早期生长模式与青春期发动时相
胎儿生长受限的婴儿出生后通常生长较快,当阻碍生长的因素被克服后表现出的加速生长并恢复到正常轨迹的现象称之为赶上生长(catch-up growth)。追踪研究显示,青春发动时相的提前与婴儿期体重增长过快有紧密联系。对于小于胎龄儿,快速生长期通常是0~2岁。儿童期体重快速增加与5~8岁时的肥胖关联,而肥胖又与胰岛素抵抗、肾上腺皮质功能初现以及性结合球蛋白水平(sex hormone binding globulin,SHBG)降低相关联。胰岛素样生长因子-1(IGF-Ⅰ)以及肾上腺雄激素水平升高,低水平的SHBG增加了芳香酶活性和游离的性类固醇水平,促进GnRH脉冲释放器活性。同时,肥胖儿童的瘦素(leptin)水平较高,而leptin是LH脉冲释放的促进剂。因此,低出生体重、体重赶上生长早和快、月经初潮提前、成年后身材较矮形成循环事件。多数SGA儿童在婴儿期有明显的赶上生长现象,但仍有不到10%的儿童在2岁时,身高低于同龄儿童平均身高的2个标准差。身材矮小的SGA出生儿童,在青春期前和青春期身高增长都受到影响。SGA出生儿童经过长期生长激素(growth hormone,GH)治疗后,可使其达到正常身高和体重,并会出现GH诱导的高胰岛素血症,但可在GH停药后逆转恢复。
4.脂肪重积聚与青春发动时相提前
20世纪70年代Frisch就提出“临界体重”假说,认为青春发育的启动需要达到一定的体重标准,一些研究也显示儿童期肥胖和青春期发育密切相关。儿童出生后9~12个月以内人体质量指数(BMI)迅速增加,然后逐渐降低,在3~8岁期间出现最低值;继而在青春期BMI发生第二次增加,这种BMI二次增长的现象称为脂肪重积聚(adiposity rebound,AR)。在脂肪重积聚期,体重的增长速度高于身高的增长速度,而且体重的增加主要是脂肪而不是瘦组织(lean tissue)。
近年来,我国女性AR发生的平均年龄提前。很多研究观察到AR出现的时间与肥胖以及青春期发育之间的关系,并发现AR较早(5岁之前)对成人期慢性代谢性疾病的发生有一定的影响,随着BMI和体脂含量的增加,这种关系更趋明显。国内外研究提示,AR发生年龄与初潮年龄之间存在相关性,并提出较早发生初潮的女孩在成人期更容易发生肥胖,AR较早发生使超重风险增加近1倍,儿童期体重过度增加可能会使易感个体发生较早的性成熟。但是,关于AR、肥胖与性成熟相互影响的机制目前尚不明确。
瘦素是肥胖基因编码的蛋白质激素,由脂肪细胞分泌,参与体脂的调节。有研究显示青春发育早期血瘦素水平上升,瘦素水平<12.2ng/ml时,初潮年龄与瘦素水平呈负相关,瘦素每升高1ng/ ml,初潮年龄提前1个月;当瘦素高于12.2ng/ml,与初潮年龄无相关性。瘦素水平12.2ng/ml相当于BMI 22.3、体脂比29.7%。
三、肾上腺功能初现
肾上腺功能初现是肾上腺分泌雄激素的功能激活的生理过程,其特征是肾上腺皮质网状带组织变厚并分泌雄烯二酮、脱氢表雄酮(DHEA)和硫酸脱氢表雄酮(DHEA-S),血液循环中雄激素浓度相应升高。肾上腺功能初现伴随的身体特征变化包括:阴毛生长(阴毛初现,pubarche)、腋毛生长、初现成人体味、身体生长加快。青春期发动之前2年左右的时间,肾上腺皮质雄激素,主要是脱氢表雄酮和硫酸脱氢表雄酮的产生逐渐增加,7~8岁时生成加速,一直持续到13~15岁。随后雄烯二酮水平也明显上升。肾上腺功能初现是高级灵长类发育的一个特征,除了人类、黑猩猩和大猩猩,其他哺乳动物无此现象,有研究者描述为“肾上腺青春期”,可能在青春期前人类的个体发育和大脑皮质发育中发挥作用。
目前,对肾上腺皮质功能初现的激活机制和调控机制的认识尚不清楚,涉及肾上腺组织学(网状带)、免疫细胞(T细胞)、肾上腺皮质激素合成酶活性的改变以及肾上腺皮质对促肾上腺皮质激素(adrenocorticotropic hormone,ACTH)应答的改变。肾上腺发育涉及P450C17活性的改变,虽然17β-羟化酶和17,20-裂解酶均由 P450C17基因编码,但两者活性的成熟是不一致的。肾上腺发育与17,20-裂解酶/17β-羟化酶比例增加有关,即源于17,20-裂解酶活性增加。酶活性的改变决定了肾上腺发育的年龄,两酶活性比例的改变源于 P450C17基因转录后调节的改变,以及 P450C17的丝氨酸磷酸化使17,20-裂解酶活性升高。目前认为肾上腺功能初现和性腺功能初现是两个几乎完全无关的事件;许多研究表明肾上腺功能初现不受ACTH、Gn或PRL的直接控制;垂体是否存在一种肾上腺雄激素刺激激素(adrenal androgen stimulating hormone,AASH)促进肾上腺功能初现,尚无证据支持。
肾上腺雄激素对青春期少女的阴毛和腋毛生长、皮肤痤疮的发生、生长突增及骨成熟发挥重要作用;同时在促进前额叶皮层发育中发挥作用;是合成睾酮和雌激素的前体物质,参与性激素的合成和作用;另外,肾上腺源雄激素在生殖成熟前,可通过影响大脑功能直接影响行为方式。如果肾上腺功能早现(premature adrenarche),可致女孩在8岁前出现阴毛及腋毛。
研究表明肾上腺功能初现的发生与否及时间早晚,并不影响性腺功能初现(gonadarche),即性腺青春发育的年龄。典型的情况如:原发性性腺发育不良(Turner综合征、睾丸发育不良、Kallmann综合征等)的患者无性腺发育,但有肾上腺发育,阴毛的发育可正常;原发性肾上腺皮质功能低下的患者无肾上腺发育但却有正常的性腺发育过程;特发性中枢性性早熟在6岁前发病者无肾上腺发育改变,而6岁后发病者则会发生肾上腺功能初现;使用促性腺激素释放激素激动剂治疗中枢性性早熟的女童,性腺暂停发育,治疗期间性腺功能回至发育前状态,治疗前无阴毛者,随着治疗的持续,性腺虽处于持续抑制状态,但DHEAS水平随年龄而升高,阴毛可在持续治疗中出现;先天性肾上腺皮质增生症女童有高的DHEA、DHEAS和睾酮水平,常伴中枢性性早熟,但此早熟年龄不会发生在6岁前。总而言之,肾上腺和性腺的发育是两个互不依赖的过程,分别由不同的机制调控。
(李 予 杨冬梓)