促性腺激素釋放激素(GnRH)類似物在輔助生殖治療領域中的研究進展

周郁恬,孟 艷,刁飛揚,劉金勇

(南京醫科大學第一附屬醫院生殖醫學中心,江蘇 南京 210036)

促性腺激素釋放激素(gonadotropin-releasing hormone,GnRH)是下丘腦分泌的神經激素,刺激垂體前葉細胞周期性分泌產生糖蛋白激素:黃體生成激素(luteinizing hormone,LH)和促卵泡激素(follicle-stimulating hormone,FSH),進而刺激卵巢分泌甾體激素. GnRH 類似物是一種人工合成的促性腺激素釋放激素,分為GnRH 激動劑(gonadotropin-releasing hormone agonist,GnRH-a)和 GnRH 拮抗劑(gonadotropin-releasing hormone antagonist,GnRH-A). 從20世紀80年代到90年代,GnRH-a和GnRH-A 先后登上輔助生殖技術的舞臺,并在今天被廣泛應用[1-2].

1 GnRH及其受體的作用機制

完整的下丘腦-垂體-性腺軸對人類生殖的調控起著重要作用. 受不同神經遞質和神經肽輸入的調節作用,GnRH在下丘腦神經元中合成并以脈沖式釋放進入垂體門靜脈系統,通過該系統被運送至垂體前葉,與具有高親和力的促性腺釋放激素受體(gonadotrophin-releasing hormone receptors,GnRHRs)結合并刺激促卵泡激素和黃體生成素的分泌. 這些促性腺激素(gonadotropin,Gn)依次作用于性腺下游,協調兩性性腺的發育、類固醇激素的產生和女性的排卵過程. 作為下丘腦-垂體-性腺軸的關鍵一環,GnRH是一種十肽激素,其經典結構為焦谷酰胺-組-色-絲-酪-甘-亮-精-脯-甘氨基(pGlu-His-Trp-Ser-Tyr-Gly-Leu-Arg-Pro-Gly-NH2). 自1971年由諾貝爾獎獲得者Andrew V. Schally發現其經典結構后[3],后續學者陸續發現了多種GnRH亞型. 值得一提的是,除了經典形式GnRH(GnRH-I),第二種形式的GnRH簡稱GnRH-II,已在包括人類在內的大多數脊椎動物中發現,其在氨基酸水平上與經典GnRH有70%的相似性,結構差異僅存在于His5,Trp7,Tyr8[4]. GnRH-II在女性生殖系統如子宮內膜、卵巢和胎盤以及來自這些組織的腫瘤中亦有表達,并參與人類生殖的調控過程. 目前研究認為,人類存在兩種GnRH受體,即I型GnRHR和II型GnRHR. I型GnRHR屬于視紫紅質樣G蛋白偶聯受體家族,包含7個跨膜結構域和1個胞外氨基末端結構域(35個氨基酸),作為目前已知唯一缺乏胞內C末端結構域的G蛋白偶聯受體(G protein-coupled receptor,GPCR),已證明其羧基末端細胞質尾部在影響受體內化和脫敏中發揮重要作用,導致垂體GnRHR內化相對較慢,不會經歷快速脫敏[5]. 而關于II型GnRHR,目前普遍認為功能性II型GnRHR在人類中不表達.

2 促性腺激素釋放激素類似物的作用機制

受第6位和第7位氨基酸之間的甘氨酸-亮氨酸鍵降解的影響,天然的GnRH半衰期僅為2～4 min. 人工合成的GnRH類似物可根據功能不同分為GnRH激動劑和GnRH拮抗劑兩類. GnRH及其類似物氨基酸序列見表1.

表1 天然促性腺激素釋放激素及其常見類似物的氨基酸序列

GnRH-a由GnRH改變第6、10位氨基酸而來. D-氨基酸取代天然GnRH的Gly6改變了原有的甘氨酸-亮氨酸鍵結構,使其在體內不易被肽鏈內切酶裂解,穩定性增強,半衰期延長. 此外,部分合成激動劑在Pro9后添加了乙胺殘基,增強其與GnRH受體親和力,使GnRH-a的生物學效應增加50～200 倍[6]. 外源性GnRH-a與體內的GnRH競爭性結合垂體的GnRH 受體,導致受體數量減少,垂體對內源性 GnRH反應減弱,下丘腦-垂體-性腺軸被阻斷. 在用藥初期,會出現所謂的“點火效應(flare up)”,又稱為“升調節”,對垂體產生了一定的刺激效果,引起LH、FSH一過性分泌增加,隨著持續給藥,大部分GnRH受體被占據并移至細胞內,有效的受體數量下降或完全失活,降低或阻斷受體對GnRH刺激的反應,這個過程常常被稱為“脫敏”,Gn釋放減少,產生對FSH、LH、E2的“降調節”效應,持續28～30 d,最長可達42 d. GnRH-a對LH的抑制作用強于FSH. 常用藥物包括亮丙瑞林,戈舍瑞林等,短效制劑規格為0.1 mg/支針劑,長效則為3.75 mg/支針劑.

GnRH-A由GnRH改變第1、2、3、5、6、8、10位點的多個氨基酸而來,與內源性GnRH競爭性結合受體,直接抑制垂體分泌FSH及LH,而沒有激活GnRH受體的升調節過程. GnRH-A在給藥后4～8 h內發揮作用,降低垂體分泌Gn的水平,可以在月經周期的任何階段使用,抑制效果呈劑量依賴性,在停藥后 2～4 d 垂體功能即可恢復[7]. 常用藥物包括西曲瑞克和加尼瑞克,制劑規格分為3 mg/支和0.25 mg/支針劑.

3 促性腺激素釋放激素類似物在輔助生殖技術中的具體應用及原理

3.1 體外受精/卵胞漿內精子注射及胚胎移植(in vitro fertilization/intracytoplasmic sperm injection and embryo transfer,IVF/ICSI-ET)中控制性卵巢刺激(controlled ovarian stimulation,COS)

3.1.1 基于GnRH-a的控制性超促排卵方案

在GnRH-a被應用于COS之前,臨床上主要使用枸櫞酸氯米芬(clomiphene citrate,CC)和尿促性腺激素(human menopausal gonadotrophin,hMG)誘導多卵泡發育,由于卵泡發育中期高雌激素的正反饋效應,20%～25%的周期提前出現LH峰,導致未成熟卵泡黃素化,發育的卵泡閉鎖,影響卵子質量和妊娠結局[8-9]. 19世紀80年代,Poter等[1]第一次提出利用GnRH-a進行垂體抑制達到降調節作用,再使用外源性Gn誘導多卵泡同步化生長獲得較好的臨床結局,標志著COS進入一個新時代. 降調節的主要目的是抑制LH的合成和分泌,防止LH峰過早出現,避免卵泡的黃素化和自發排卵,以獲得更多的成熟卵母細胞. 降調節后FSH被抑制40%～60%,LH被抑制90%以上,早發LH峰出現率從14%～20%降至1%～2%,適宜的降調節可以促進同一卵泡周期中的更多卵泡直徑趨向一致,即“同步化”[10].

常見的GnRH-a制劑分為短效(0.1 mg)和長效(3.75 mg)兩種. 短效制劑用藥靈活,能夠根據降調節程度調整用量,垂體功能恢復快,但是作用時間短,需每日注射維持有效濃度,給藥后生物有效性可持續24 h. 短效制劑對于垂體的抑制程度較淺,促排卵中LH的水平不會過低,注射后仍會發生“點火效應”,但引起的內源性Gn短暫性的升高低于卵泡生長的閾值,僅促進小卵泡的發育,有助于卵泡發育的同步性.

根據GnRH-a的不同給藥時間和劑量,臨床上現存多種卵巢刺激方案. 黃體中期短效長方案目前被認為是最經典的激動劑長方案. 在排卵后一周開始每日注射短效(0.05～0.1 mg)GnRH-a,14～21 d達到降調節標準后Gn啟動. 憑借較理想的獲卵數、良好的妊娠結果,多年來被視為標準方案. 部分研究結果認為,黃體中期給藥垂體抑制的速度更快,程度更深[11-12]. Urbancsek研究認為與早卵泡期給藥相比,在黃體期給藥的患者在Gn使用量上無差異的同時,可以獲得更高的妊娠率和活產率[13].

1991年Edwards等[14]發現閉經女性在接受第三方供卵的胚胎后表現出比常人更優秀的生育能力,提出了子宮內環境可能在規律月經周期中疲勞或受損的假說,短暫的閉經或垂體抑制可能會達到喚醒的效果,繼而改善子宮內膜容受性. 早卵泡期長效長方案通過月經1～3 d注射長效(3.75 mg)GnRH-a,31～38 d達到降調標準后Gn啟動,逐漸開始受到臨床醫生的關注. 近年來,國內外學者對比經典黃體期短效長方案,認為在正常卵巢反應人群中,早卵泡期長效長方案延長降調時間并不增加Gn消耗的同時,可帶來更高的活產率和臨床妊娠率[15-16],這種臨床妊娠結局的改善被認為與GnRH-a通過影響基因表達、蛋白組學,改善子宮內膜胞飲突的發育和內膜下血液循環等方式,提高子宮內膜容受性有關. 因此,早卵泡期長效長方案逐步在臨床得以廣泛應用[17].

3.1.2 基于GnRH-A的控制性超促排卵方案

GnRH-A競爭性結合垂體前葉的GnRH受體,給藥后4～8 h內發揮作用,阻止內源性LH峰的出現,無“flare up”效應,且不影響垂體自身的分泌功能,停藥后48 h其功能完全恢復,患者無低雌激素癥狀[18]. 同激動劑方案相比,拮抗劑方案刺激周期短,Gn的使用劑量和時間少、卵巢過度刺激綜合征(ovarian hyperstimulation syndrome,OHSS)發生率低,但卵泡發育的均一性低于激動劑方案[19-20]. 有學者認為這與用GnRH-A治療的女性顆粒黃體細胞的芳香化酶活性顯著降低,芳香化酶表達降低,FSH受體表達升高有關[21]. Winkler等[22]學者觀察到GnRH-A導致顆粒細胞培養模型中顆粒細胞芳香化酶呈劑量依賴性降低;相反,GnRH激動劑以劑量依賴性方式刺激芳香化酶. 這些作用可能與GnRH拮抗劑減少獲卵數的能力相結合,可能解釋拮抗劑方案減少OHSS發生率的原因. 目前拮抗劑方案已經成為國際主流的卵巢刺激方案,但鮮胚周期胚胎植入率和臨床妊娠率較低. 子宮內膜容受性降低可能是主要原因,其中機制尚無定論,有學者認為或與GnRH-A影響子宮內膜細胞中的GnRH信號轉導、誘導上皮細胞凋亡力等有關[23-24]. 值得一提的是,由于相對較低的卵巢刺激風險,拮抗劑方案常聯合GnRH-a扳機,作為一種成熟的保存生育能力的手段用于成年女性癌癥患者[25].

3.2 GnRH-a在卵巢刺激周期扳機方案中的應用及原理

傳統的扳機藥物為人絨毛促性腺激素(human chorionic gonadotropin,hCG),即應用其模擬生理性LH峰的形成,促進卵母細胞最終成熟及黃體形成. GnRH-a誘導排卵的原理為GnRH-A同受體的結合是可逆的,垂體的反應性得以保持,GnRH-a扳機時,GnRH-A同受體分離,GnRH-a 激發垂體釋放內源性LH峰,從而誘導卵母細胞恢復減數分裂,同時也誘導出相似的FSH峰,促進顆粒細胞中LH受體形成和卵子細胞核成熟、卵丘細胞松散,有效促進排卵和卵子最后成熟. 雖然這種方法并不適用于GnRH-a降調節的患者,但在GnRH-A卵巢刺激方案中,使用GnRH-a代替hCG作為扳機藥物可憑借更加生理性的LH峰和FSH峰改善卵母細胞質量,通過快速誘導黃體溶解避免或顯著降低卵巢過度刺激綜合征發生的風險,且不影響IVF結局[26-28].

Thorne等[29]在使用GnRH-a扳機和使用hCG扳機人群中觀察到了相似的胚胎整倍體率,同時指出其黃體支持效果較差,需要外源性補充以維持持續妊娠觀點. 與自然周期的LH峰相比,GnRH-a誘發的LH峰的上升支從14 h縮短為4 h,而且無14 h的平臺期,下降支均為20 h,GnRH-a誘導的LH峰比自然峰持續時間短,GnRH-a會引起不可逆的黃體溶解及顆粒細胞黃素化不全,導致黃體功能不足,GnRH-a扳機后LH升高時間短,作用內膜時間不足影響子宮內膜容受性,鑒于以上原因,對新鮮周期而言,GnRH-a扳機比hCG扳機更需要個體化、加強的黃體支持方案,部分專家建議全部胚胎冷凍策略[30]. 2008年Shapiro等[31]提出GnRH-a和hCG聯合作為扳機藥物的新嘗試. 近年來研究表明,在正常卵巢反應患者中GnRH-a+hCG聯合與單獨hCG扳機相比,聯合扳機可以提高成熟卵母細胞數、囊胚形成率、優質囊胚率、著床率、持續妊娠率和活產率,這可能與GnRH-a扳機誘導的內源性FSH增加及LH和hCG對LH受體的協同作用有關[32-35].

3.3 GnRH-a在卵巢刺激周期中黃體支持方案的應用及原理

控制性卵巢刺激易導致黃體期功能不全,在黃體期添加黃體支持(luteal phase support,LPS)是必要的. 臨床上常用的黃體期支持藥物包括孕激素(Progestin)、雌激素(Estrogen)、Gn等. 研究顯示GnRH-a應用在黃體支持上可以更好地改善妊娠結局[36]. 2004年Tesarik等[37]在其首篇胚胎移植后黃體期使用GnRH-a對輔助生殖結果影響的前瞻性對照研究發現,與安慰組相比,GnRH-a可以提高患者的胚胎著床率、妊娠率、活產率等. Tesarik等認為這種改善主要與對胚胎的直接作用有關,GnRH-a刺激早期著床胚胎分泌hCG,從而增強胚胎著床潛力. GnRH-a可直接刺激垂體分泌LH改善黃體功能和子宮內膜容受性,包括刺激與著床有關的子宮內膜基質細胞血管生長因子及與胚胎種植相關的細胞因子的表達,進而促進胚胎的著床及發育. GnRH-a作為黃體支持的機制還可能與子宮內膜細胞表面以及胎盤滋養細胞外胚層存在GnRH-a受體相關,GnRH-a結合后可通過抗炎、改善免疫微環境等提高子宮內膜容受性,促進胚胎與子宮內膜的同步發育以利于胚胎種植,同時促進胎盤分泌hCG以維持早期妊娠. 2019年的一項前瞻性研究,通過比較黃體期支持在常規使用黃體酮的基礎上,輔以多次隔日注射0.1 mg或單次注射0.2 mg GnRH-a,發現兩者都能提升臨床妊娠率、分娩率,且兩者之間并無差異[38]. 但亦有學者提出黃體中期添加GnRH-a作為額外黃體支持并不能使所有人群獲益,在FSH基礎水平較高或成熟卵母細胞數較少的人群中有著更突出的效果,但不建議將GnRH-a作為LPS常規使用[39]. 黃體支持添加GnRH-a的指征、用量及添加時機,由于缺乏高質量的臨床證據[40],目前尚無統一標準.

總之,促性腺激素釋放激素類似物在人類輔助生殖技術中的使用已歷經40余年的不斷創新和完善,激動劑和拮抗劑在控制性超促排卵方案中的使用時機和劑量目前已被人們熟悉掌握,并逐步衍生出不同適用人群的多種方案,大幅度提升了輔助生殖治療的成功率. 激動劑在扳機方案和黃體支持方案中的使用近年來也有深入的研究,未來在臨床治療中使用的規范、拓展和創新仍有待進一步探索.