На биодоступность ИФР-1 влияют белки, связывающие инсулиноподобный фактор роста (insulin-like growth factor binding proteins, IGFBP). Уровни экспрессии ИФР-1 варьируются в зависимости от ряда клинических состояний, что позволяет предположить, что он может предоставить важную информацию о состоянии здоровья человека.
ИФР-1 также является популярным допинговым агентом в спорте, и в последние годы фигурировал во нескольких громких делах о допинге.
Однако существование белков, связывающих инсулиноподобный фактор роста, значительно снижает уровни иммунореактивного ИФР-1 в образцах и требуют нескольких этапов предварительной обработки, которые усложняют интерпретацию результатов лабораторного анализа.
Общие сведения
Инсулиноподобный фактор роста-1 (ИФР-1) представляет собой одноцепочечный пептид из 70 аминокислот с молекулярной массой 7,6 кДа. Как следует из названия, ИФР-1 структурно подобен инсулину и способен связываться с рецептором инсулина, хотя и с более низким сродством, чем к рецептору инсулиноподобного фактор роста (IGF-1R).
Стимуляция выработки и высвобождения ИФР-1 происходит в ответ на высвобождение в кровоток соматотропного гормона, который синтезируется передней долей гипофиза. В последствии ИФР-1 связывается с рецептором IGF-1R, присутствующим на поверхности почти каждой клетки в организме.
IGF-1R состоит из двух альфа- и двух бета-субъединиц, связанных дисульфидными связями. Каждая из трансмембранных бета-субъединиц имеет внутриклеточные тирозинкиназные домены, которые активируются при связывании ИФР-1 с внеклеточными альфа-субъединицами.
Активация этих киназных доменов приводит к активации нескольких сигнальных путей, которые в конечном итоге предотвращают апоптоз, способствуют росту и выживанию клеток. [1]
ИФР-1 действует, главным образом, как эндокринный гормон, секретируется преимущественно печенью и доставляется к тканям-мишеням. Он также продуцируется другими тканями, где действует локально паракринным образом и, как полагают, играет важную аутокринную роль при онкологии. [2]
ИФР-1 является препаратом, повышающим работоспособность, благодаря чему получил широкое применение в спорте.
История
Инсулиноподобный фактор роста-1 (ИФР-1) известен с 1950-х годов. Именно тогда появились первые сообщения о существовании факторов роста. Однако он был описан как молекула ИФР-1 только в 1978 г., когда Риндеркнехт и Хамбель выделили из плазмы крови человека два активных соматомедина, структура которых оказалась очень похожей на структуру проинсулина. [7] [8]
Из-за их структурного сходства и сродства к рецептору инсулина эти пептиды были названы инсулиноподобными факторами роста - ИФР-1 и ИФР-2, а их широкие метаболические и митогенные эффекты остаются предметом многих интенсивных исследований и по сей день.
Структура
ИФР-1, первоначально описанный в научной литературе как фактор сульфатирования, затем как соматомедин C, представляет собой основной пептид, состоящий из 70 аминокислот, тогда как ИФР-2 представляет собой слабокислый пептид, состоящий из 67 аминокислот.
Оба структурно сходны с инсулином, что объясняет способность этих соединений связываться с рецепторами инсулина и их инсулиноподобную активность [7] [8] [9].
ИФР-1 и 2, как и инсулин, состоят из двух цепей, А и В, связанных между собой дисульфидными мостиками. ИФР-1 показывает 48% структурного сходства с проинсулином и 70% с ИФР-2.
Структурные различия между ИФР-1 и инсулином касаются их гидрофильных частей. Сродство инсулина и соматомединов как к рецептору инсулина, так и к рецептору ИФР типа 1 объясняется высокой гомологией строения их гидрофобных участков [8] [9] [10].
Ген, кодирующий ИФР-1, в геноме человека расположен на 12 хромосоме. Он состоит из 6 экзонов, разделенных 5 интронами. Его транскрипция происходит с двух промоторных сайтов (Р1 и Р2), расположенных на 5'-конце двух лидерных экзонов.
Функции и биологическое значение
ИФР-1 обладает плейотропным действием. Этот пептид проявляет черты не только классического гормона. Известно также, что в качестве локально продуцируемого фактора роста он действует как пара- так и аутокринно во многих тканях. [9] [11]
Развитие и рост
ИФР-1 присутствует в клетке на ранней стадии эмбрионального развития. По-видимому, это ключевой фактор, влияющий на дифференцировку и созревание тканей, в то время как другие факторы роста часто влияют на клетки, регулируя экспрессию ИФР-1. [9] [11]
ИФР-1 стимулирует ферментативные системы клеток, способствуя росту мягких тканей и костей. Является основным фактором, опосредующим действие гормона роста на клетки-мишени, особенно на хондроциты, остеобласты и клетки эндокринных желез.
Играет важную роль в увеличении костной массы. ИФР-1, синтезируемый в остеобластах, важен для поддержания надлежащей плотности костной ткани.
Доказано, что IGFBP3 (белок, связывающий инсулиноподобный фактор роста 3, БСИФР-3) повышает активность ИФР-1 в его митогенном действии на остеобласты и в продукции коллагена 1 типа этими клетками. [9] [11]
В свете клинических данных, полученных к настоящему времени, рост эпифизарных пластинок в костях непосредственно стимулируется как гормоном роста, так и ИФР-1.
ИФР-1 и ИФР-2 необходимы для внутриутробного развития. Во внутриутробной жизни комплекс белков, связывающих инсулиноподобный фактор роста, фетального и материнского происхождения контролирует рост плода.
Выявлена положительная корреляция между ИФР-1, массой тела новорожденных и массой их плаценты [9] [10] [12]. После рождения ИФР-1 берет на себя доминирующую роль в регуляции роста организма за счет увеличения числа клеток и расширения внеклеточного матрикса.
После завершения роста инсулиноподобный фактор роста-1 отвечает за замену мертвых клеток и старого матрикса на новые. Таким образом, он играет ключевую роль в регенерации соединительной ткани.
Центральная нервная система
Многими авторами показано разнонаправленное и благотворное влияние ИФР-1 на центральную нервную систему, включающее нейротрофический, нейропротекторный и метаболический эффекты.
Это происходит за счет ряда механизмов, например, за счет поддержания кровеносных сосудов и стимуляции миелинизации нервных волокон. Доказана значительная роль ИФР-1 как нейрорегулятора и фактора, влияющего на рост и развитие головного мозга (нейрогенез) [10] [11] [13].
Метаболизм
ИФР-1 влияет на метаболизм углеводов, жирных кислот и аминокислот. Благодаря своему структурному сходству с инсулином ИФР-1 оказывает гипогликемическое действие, хотя и слабее инсулина.
ИФР-1 ингибирует «производство» глюкозы в печени, усиливает гликолиз, снижает липолиз и оказывает стимулирующее действие на иммунную систему [20]. В сочетании с инсулином он вызывает пульсирующую секрецию гонадотропин-рилизинг-гормона за счет изменений концентрации лептина и нейропептида Y.
Репродуктивная система
Факторы роста играют важную роль в нормальном функционировании овариального цикла [9]. Доказано, что в яичниках ИФР-1 действует как паракринный модулятор влияния гонадотропных гормонов. Усиливает ароматизацию андростендиона и тестостерона в эстрадиол.
Опосредованно через вазоактивный интестинальный пептид (ВИП) может влиять на выработку пролактина [9].
Стимулирует пролиферацию зернистых клеток в ранней фазе роста синергически с фолликулостимулирующим гормоном и в преовуляторных фолликулах с лютеинизирующим гормоном.
Совместно слютеинизирующим гормоном увеличивает продукцию прогестерона в клетках зернистого слоя и является регулятором синтеза эстрадиола в лютеиновых клетках.
ИФР-2, который также продуцируется клетками толстого кишечника и лютеинизированными зернистыми клетками, также усиливает действие гонадотропинов и стимулирует рост зернистых клеток, активность ароматазы и синтез прогестерона [9] [15].
Дефицит ИФР-1
Причины дефицита ИФР-1 могут быть как генетическими, так и из-за процессов, не связанных с наследственностью. Они могут быть как первичными, так и вторичными. Единой классификации не разработано, и в литературе приводятся разные определения этих расстройств [10].
Первичный дефицит ИФР-1 (PIGFD) диагностируется значительно реже, чем вторичный. Однако его точная частота не установлена, поскольку уровень секреции ИФР-1 это индивидуальный параметр.
Различные патогенетические механизмы этого нарушения могут быть обусловлены несколькими факторами.
- Мутация гена рецептора гормона роста
- Наличие антител к рецептору гормона роста
- Нарушение, инициируемого соматотропином, внерецепторного пути (трансдукции) во внутриклеточном звене сигнального каскада, например дефект гена (STAT5B, JAK, I-kB)
- Мутация гена, кодирующего ИФР-1, а также промотора этого гена, вызывающая дефект синтеза самого ИФР-1 [10, 16, 17].
Вторичный дефицит является следствием системных заболеваний, таких как, анемия, заболевания, нарушающие функцию печени, кишечная мальабсорбция, недостаточность щитовидной железы, хроническое недоедание [10] [16]. В результате чего снижается продукция этого фактора или снижается его биодоступность [10].
Дефицит ИФР-1 также может быть вторичным по отношению к дефициту эндогенного гормона роста, который недостаточно стимулирует синтез и секрецию ИФР-1 [10].
Снижение уровня соматотропина, в свою очередь, является следствием снижения его продукции в гипофизе при многих врожденных и приобретенных патологиях, развивающихся в гипоталамо-гипофизарной области.
Снижение продукции ИФР-1 наблюдалось также при снижении биологической активности или нарушении секреции СТГ-РГ (гормон роста - рилизинг-гормон).
Независимо от причины, дефицит ИФР-1, а также резистентность к этому фактору последовательно приводят к синдрому врожденной или приобретенной нечувствительности (резистентности) к соматотропину.
Карликовость Ларона
Синдром нечувствительности к гормону роста (GHIS) сопровождается типичными дисморфическими признаками, описанными Лароном и др. В 1966 году Цви Ларон представил первый клинический фенотип GHIS, отсюда и название синдрома Ларона (карликовость Ларона). [16]
Карликовость Ларона возникает в результате дефекта гена, кодирующего внеклеточный домен рецептора соматотропина. Характеризуется высокой концентрацией гормона роста, низкой концентрацией ИФР-1 и IGFBP-3 (белка, связывающего ИФР).
Помимо низкого роста, типичный фенотип синдрома Ларона также включает характерный вид лица, маленький половой член и ожирение, сопровождающееся гиперлипидемией и резистентностью к инсулину, возникающее в результате выраженной резистентности периферических рецепторов к соматотропному гормону, что приводит к недостатку продукции ИФР-1 и IGFBP-3. [18] [19].
Наряду с развитием молекулярных методов были обнаружены и другие генетические причины, обуславливающие синдром резистентности к гормону роста [10]. Необходимы дальнейшие исследования причин первичного дефицита ИФР-1.
Достижения в области знаний за последние несколько десятилетий сделали возможным лечение рекомбинантным ИФР-1 детей с низким ростом, вызванным его дефицитом.
Применение рчИФР-1 при лечении низкорослости, вызванной первичным дефицитом ИФР-1, существенно влияет на скорость роста. Это очень важно для правильного соматического и психического развития ребенка, а также положительно влияет на качество его жизни [16] [17].
Применение в спорте
ИФР-1 приобрел репутацию популярного допингового агента в спорте, замешанного в громких допинговых делах в последние годы.
Стимулирующее действие пептида на рост мышц и восстановление тканей привлекло внимание спортсменов. Изначально синтетический ИФР-1 был предназначен для терапевтического лечения задержки роста у детей.
Мекасермин — это общее название рекомбинантного ИФР-1 человека. Был разработан японской компанией Fujisawa и доступен с 1986 года. С 1995 года выпускался под названием Somazon.
Одобрение FDA для рынка США инсулиноподобный фактор роста-1 получил только в 2005 году и начал поставляться на рынок компаниями Tercica и Insmed под названиями Increlex и Iplex соответственно.
На самом деле Increlex это был Somazon, для которого Tercica приобрела лицензионные права за пределами Японии по всему миру.
Iplex от Insmed представлял собой комплекс IGF-1/IGFBP-3, называемый мекасермин ринфабат (iPlex TM), предназначенный для лучшей имитации естественного ИФР-1 и, таким образом, уменьшения побочных эффектов, а также увеличения его периода полувыведения из организма.
Несмотря на это, позже Insmed согласилась отозвать свой продукт с рынка США в 2007 году после того, как было обнаружено, что он нарушает патенты, лицензированные Tercica.
Европейское агентство лекарственных средств (EMA) в 2007 году также одобрило мекасермин для использования в Европе исключительно для лечения детей и подростков, страдающих тяжелым первичным дефицитом ИФР-1 (SPIGFD).
Было показано, что модифицированные формы белка ИФР-1 меньше взаимодействуют с белками, связывающими ИФР-1 (IGFBP) и, как следствие, обладают более высокой активностью.
IGF-1 DES представляет собой рекомбинантную и укороченную форму ИФР-1, лишенную первых трех аминокислот. Эта небольшая модификация приводит к примерно 10-кратному увеличению активности гормона.
Существует как минимум еще одна модификация 3-ИФР-1 (3-IGF-1), которая представляет собой аналог ИФР1.
Эта модификация затрагивает третью аминокислоту и еще 30 аминокислот на своем N-конце, что приводит к значительно более длительному периоду полувыведения, гораздо более низкому сродству к IGFBP и, следовательно, примерно к 3-кратному увеличению активности.
Вскоре после того, как препараты, содержащие ИФР-1, стали более доступными, среднее время бега на 100 и 200 метров начало значительно снижаться среди профессиональных спортсменов.
Авторы научных статей Саймон Эрнст и Перикл Симон отметили, что некоторые факторы, такие как изменения в тренировках, действительно могли способствовать повышению уровня физической подготовки и результативности атлетов.
Однако в то же время, проводят параллели с тем, как время бега на 5000 метров начало резко сокращаться через несколько лет после того, как на рынке был представлен эритропоэтин.
Тенденция к увеличению дальности толкания ядра у женщин, которая наблюдалась с начала эры использования анаболических стероидов в легкой атлетике, замедлилась с появлением тестирования во время соревнований, а затем снизилась после последующего введения тестирования во внесоревновательный период. [3]
Появление препаратов с ИФР-1 фармацевтического класса в форме Increlex и Iplex, вероятно, привело к увеличению применения рекомбинантного человеческого ИФР-1 среди спортсменов [4]. В последующие годы ряд новых модификаций этого препарата также стали доступны и для широкой публики. [5] [6]
Активное использование средств, улучшающих работоспособность, привело к тому, что экзогенный ИФР-1 был внесен в список запрещенных веществ и официально объявлен вне закона Всемирным антидопинговым агентством (WADA).
Однако на сегодняшний день не существует международно признанного теста, который позволил бы достоверно установить факт применения использования экзогенного инсулиноподобного фактора роста-1.
Соматотропин стимулирует выработку ИФР-1. Первый пользуется большей популярностью среди атлетов, возможно, по причине того, что является более доступным на рынке, а эффект от применения ИФР-1 в качестве допингового агента, в конечном итоге, сопоставим с эффектом соматотропного гормона
В настоящее время WADA использует два типа анализа при тестировании атлетов на предмет применения гормона роста
- Иммуноанализ изоформ. так называемый дифференциальный иммуноанализ изоформ основан на определении соотношения антител к изоформе 22 кДа рекомбинантого гормона роста и антител к эндогенным изоформам соматотропина
- Тест биомаркеров hGH основан на измерении IGF-1 и N-концевого пропептида коллагена 3 типа (P-III-P), которые выступают в качестве двух маркеров и, как было показано, увеличиваются дозозависимым образом после введения гормона роста
Синтетический гормон роста производится путем бактериального синтеза и представлен в виде только одной изоформы с молекулярной массой 22 кДа. К разным изоформам гормона роста организм вырабатывает разные антитела. Увеличение в крови антител к изоформе 22 кДа может свидетельствовать о использовании синтетического гормона роста.
