第九章 内分泌系统毒理学

第一节 内分泌系统简介

一、内分泌系统的基本构成
内分泌系统( endocrine system)是机体的重要调节系统,与神经系统密切协调,分泌激素,经血液运送到全身各处,调节各器官、组织功能。内分泌系统包括体内所有的内分泌细胞(例如下丘脑的内分泌细胞)和内分泌腺体,而神经内分泌系统主要是指下丘脑及其调节的内分泌腺。
内分泌腺( endocrine gland)由一群特殊的细胞组成,这些细胞能合成、储存其分泌物,其分泌的物质称为激素( hormone),微量激素( 10 -7~10 -2mol/L)即引起靶细胞的生理反应。内分泌腺体是无导管腺,内有非常丰富的毛细血管或血窦,细胞分泌的激素直接入血,由血管运送至身体各部位。由于内分泌腺本身没有输送管道来运送激素,所以也称为无管腺,和消化腺、汗腺等具有输送管道的腺体(称有管腺或外分泌腺)不同。
内分泌腺是位于细胞外液的感受和信号装置,能对内外环境的变化产生应答,从而协调各种生理活动,维持内环境的稳定。内分泌系统的主要器官有垂体(包括腺垂体和神经垂体)、甲状腺、甲状旁腺、肾上腺、胰岛、性腺(睾丸和卵巢)和松果体等(图9-1)。许多器官虽非内分泌腺体,但含有具有内分泌功能的组织或细胞,如心脏、肺脏、肝脏、胃肠、肾脏、脑的组织和细胞。在消化道黏膜、呼吸道黏膜和皮肤等处还有散在的神经内分泌细胞,其功能尚不完全了解。
二、神经-内分泌-免疫的关联性
自1928年德国科学家Ernest Scharrer等报道,在硬骨鱼视前区神经元的胞浆中发现含有类似腺细胞的分泌颗粒,指出下丘脑某些神经元可能有分泌功能,同时推测可能是内分泌性的腺体,并首次提出了神经内分泌( neuroendocrine)的概念,启发了相关研究领域的新思路。但直到1949年,Bargmann观察到下丘脑神经元延伸到神经垂体的纤维束才开始逐渐引起人们重视,随后相关的研究深入展开,众多的研究逐渐证实了神经系统与内分泌系统活动联系紧密。近二十年来,分子生物学技术以及免疫学的迅速发展,促使人们发现神经、内分泌和免疫系统能够共享某些信息分子和受体,并通过类似的细胞信号转导途径发挥作用,这使得人们意识到机体还存在一个调节系统——免疫系统。Besedovskyn于1977年最先提出神经-内分泌-免疫网络( neuroendocrine-immune network)的概念。三个系统各具独特功能,相互交联,优势互补,形成调节环路(图9-2)。这个网络通过感受内外环境的各种变化,加工、处理、储存和整合信息,共同维持内环境的稳态,保证机体生命活动正常运转。
图9-1 人体内分泌腺及其分布
神经、内分泌和免疫三大调节系统以共有、共享的一些化学信号分子为通用语言进行经常性的信息交流,相互协调,构成整体性功能活动调制网络。内分泌、神经和免疫系统组织都存在共同的激素、神经递质、神经肽和细胞因子( cytokine),而且细胞表面都分布有相应的受体。大部分在脑内发现的神经肽和激素同时也存在于外周免疫细胞中,而且结构和功能与神经、内分泌细胞的完全相同。再如,淋巴细胞和巨噬细胞等存在生长激素( growth hormone,GH)、促肾上腺皮质激素( adrenocorticotropic hormone,ACTH)受体和内啡肽受体等,胸腺细胞也分布有生长激素释放激素( GHRH)、催乳素( prolactin,PRL)等受体。利用组织化学、放射免疫自显影等技术证实,无论在基础状态下还是诱导后,脑组织中都存在多种细胞因子的受体或相应的mRNA。中枢神经系统也存在白细胞介素和干扰素等细胞因子。在正常情况下,内分泌系统就存在一些细胞因子,而且经诱导后还可以产生许多细胞因子。
三、内分泌系统与神经系统的关系
下丘脑是神经内分泌活动的重要枢纽,与感觉传入和高级中枢下行通路间都有广泛的联系,途经的信息都有可能经下丘脑引起反应,如精神紧张可使皮质醇分泌增加,焦虑引起闭经,对生殖道的机械刺激可引起排卵等。集中分布在下丘脑的神经分泌细胞( neurosecretory cells)更是直接受神经活动影响,将中枢活动的电信号转化为激素分泌的化学信号。下丘脑释放的神经肽可通过垂体门脉系统调节腺垂体的内分泌活动,腺垂体细胞也直接受神经的支配与调节。这些活动有助于在外环境变化时内分泌系统反应的高级整合,如CRHACTH-皮质醇轴在应激反应中的激活。
图9-2 内分泌、神经和免疫系统的调节功能联系
GH:生长激素; PRL:催乳素
几乎所有内分泌腺都受自主神经支配。肾上腺髓质分泌直接受交感神经节前纤维的控制;甲状腺、胰岛以及胃肠内分泌细胞等的功能活动无不受自主神经支配调节。
激素也能影响中枢神经系统的功能,如行为、情绪、欲望等。广泛存在于中枢和周围神经系统中的多种激素参与调制神经信息的传输,使神经调节更加精确和完善。如中枢神经系统内广泛分布的促甲状腺激素释放激素( thyrotropin-releasing hormone,TRH)参与如抗抑郁、促觉醒、促运动和升体温等活动的神经调节;糖皮质激素对交感神经末梢释放去甲肾上腺素引起的缩血管效应具有允许作用。有些激素可调制突触传递,如血管紧张素Ⅱ可促进交感神经末梢释放去甲肾上腺素以加强血管收缩;前列腺素E 2和前列腺素I 2则起抑制作用,并降低血管平滑肌对去甲肾上腺素和血管紧张素Ⅱ的敏感性。
四、内分泌系统与免疫系统的关系
早期试验发现,垂体部分切除可引起胸腺萎缩。大量试验都从不同角度提供了内分泌与免疫系统之间复杂关系的证据。免疫系统是机体应对细菌、病毒、肿瘤及其他抗原刺激发生反应的调节系统。在机体受到相应刺激时,激活细胞或体液中介的免疫反应,使免疫细胞分泌细胞因子和肽类激素等,并作用于下丘脑,影响下丘脑神经激素以及垂体激素的分泌。细胞因子也可直接刺激垂体、甲状腺、胰腺、肾上腺和性腺等,调节这些内分泌腺体的分泌活动。免疫细胞也能释放与下丘脑和垂体相同的肽类如ACTH等,同样能刺激肾上腺糖皮质激素的释放,参与应激发生时的负反馈调节效应,防止免疫反应过强。胸腺素α1也能刺激垂体,提高ACTH和皮质醇的水平;单核-巨噬细胞分泌的白细胞介素-1( IL-1)不仅能活化T淋巴细胞,还能刺激下丘脑促肾上腺皮质激素释放激素( corticotropin-releasing hormone,CRH)释放,进而使血液ACTH水平升高,维持皮质醇的高速分泌;刺激胰岛β细胞分泌胰岛素等。
激素可在不同水平直接或间接调制免疫功能。多数激素具有免疫抑制作用,能使淋巴细胞的增殖力减弱,减少抗体生成和抑制吞噬功能等,如生长抑素、ACTH、糖皮质激素、性激素、前列腺素等,都属于免疫抑制激素。但血液中少量的糖皮质激素却能刺激淋巴细胞增生以及抗体的合成等,而起到免疫增强作用。TRH刺激T细胞释放TSH,进而促使B淋巴细胞产生抗体。少数激素具有免疫增强作用,如生长激素、缩宫素、催乳素、甲状腺激素、β-内啡肽、TRH和TSH等促进淋巴细胞的增殖力,使抗体生成增加,还可使巨噬细胞活化,吞噬能力增强。特别是生长激素具有广泛的免疫增强作用,几乎促进所有免疫细胞的分化,并增强它们的功能。因此,生长激素缺乏会导致机体免疫功能减退。
尽管基因敲除小鼠试验提示,许多激素在免疫调制中并非必需,但对细胞在应激刺激中的反应却有重要意义,其中也包括免疫系统。
五、激素
根据激素的化学结构可分为氨基酸及其衍生物、肽类激素、脂类衍生物(类固醇)三类。激素递送信息的主要作用途径见图9-3。

1.氨基酸衍生物

图9-3 激素递送信息的主要作用途径
a.内分泌(远距分泌) ; b.神经内分泌; c.内在分泌; d.自分泌; e.旁分泌
是类似于氨基酸的小分子物质。包括肾上腺髓质分泌的肾上腺素、去甲肾上,下丘脑分泌的多巴胺以及甲状腺分泌的T 4(酪氨酸的衍生物),松果体分泌的褪黑激素(色氨酸的衍生物)等。

2.肽类激素

是氨基酸链,一般肽类激素产生时是无活性的激素原,它们在分泌前或分泌后转变成有活性的物质。肽类激素包括短肽类如血管升压素和缩宫素( 9肽),小分子的蛋白质如生长激素( 191个氨基酸)和催乳素( 199个氨基酸)等。

3.类固醇激素

类固醇激素是与胆固醇相似的环状脂类结构,由男性和女性生殖器官(睾丸分泌的雄激素,卵巢分泌的雌激素和孕激素),肾上腺(皮质)和肾脏[1,25( OH) 2D 3]产生,它们的区别是附着于中心环上的侧链不同。类固醇激素在血液里与血浆中特殊运载蛋白质结合,因此在血液中存留时间较长。肝脏能吸收类固醇激素,并转变为能够从胆汁或尿排出的可溶性物质。
典型的激素释放是发生在毛细血管丰富的地方,然后迅速进入血流,并分布于全身。在血液中激素可以是游离形式,也可以与特异性运载蛋白结合。游离形式作用时间小于1小时,有的甚至短于2分钟。甲状腺激素和类固醇激素在循环中停留时间较长。当激素从血流和靶组织的受体中弥散出来,或被肝脏或肾脏吸收并破坏,或者被血浆和组织液中的酶破坏,激素即失活。
激素的功能:①激活细胞核内特定的基因表达,合成胞浆内尚未存在的酶和结构蛋白;②通过改变已存在酶的形状或结构,使其激活或失活;③通过改变转录或翻译的速度,来加快或减慢某种特定酶或其他蛋白质的合成。
激素受体的调节包括:①下调或减量调节:是指某种激素浓度增高与受体结合时,使该受体的数量减少,亲和力降低;②上调或增量调节:是指某种激素水平降低时,使该激素的受体敏感性增加。
六、内分泌系统的调节

(一)神经系统与内分泌系统的相互调节

下丘脑是联系神经系统和内分泌系统的中枢,下丘脑含有重要的神经核,同时可以合成一些释放激素和抑制激素。下丘脑一方面通过垂体门脉系统进入腺垂体,调节腺垂体各种促激素的合成与分泌进而对靶腺如肾上腺、甲状腺和性腺进行调控,另一方面分泌的血管升压素和缩宫素经过神经轴突进入神经垂体贮存并释放入血。内分泌的功能活动受中枢神经系统的调控,如神经递质可影响激素的分泌,反之,激素的变化亦可影响神经系统的功能。

(二)内分泌系统的反馈调节

下丘脑、垂体与靶腺(甲状腺、肾上腺皮质和性腺)之间存在着反馈调节,下丘脑分泌的释放激素可刺激腺垂体分泌相应促激素,升高的促激素又可兴奋相应靶腺分泌靶腺激素,而升高的靶腺激素反过来抑制下丘脑释放激素和垂体促激素的分泌,从而减少靶腺激素的分泌,维持三者的动态平衡。这种先兴奋后抑制进而达到相互制约、保持平衡的机制,称为负反馈。其中简单内分泌反馈调节,只涉及内分泌细胞的一种激素,改变细胞外液的组成,如心脏、甲状腺、甲状旁腺和消化道;而复杂的反馈调节则涉及一个或更多的中间步骤,两种或更多种激素。除负反馈调节外,还有正反馈机制,如卵泡刺激素刺激卵巢使卵泡生长,通过分泌雌二醇,它不仅使卵泡刺激素分泌增加,而且使黄体生成素分泌增加,共同兴奋,促进排卵和黄体形成,这是一种相互促进,是完成一定生理功能所必需的作用。反馈控制是内分泌系统的主要调节机制,使相处较远的腺体之间相互联系,彼此配合,保持机体内环境的稳定性。
此外,随着年龄增长,机体内分泌功能发生变化,各种激素水平明显的改变,与之相适应的各种受体的数量也有所改变,而导致反应性的差异。如糖皮质激素受体随细胞老化而减少,因此老年人糖皮质激素对葡萄糖代谢的抑制作用可能仅为成年人的1/5~1/3。老年人耐受胰岛素及葡萄糖的能力均下降,大脑耐受低血糖的能力也较差,易发生低血糖昏迷。老年机体对外界刺激的反应能力降低,还表现在对激素作用的调节能力下降。机体长期处于交感神经冲动输入减少时,如长期应用利血平,因交感神经递质耗竭,可出现肾上腺素受体的向上调节,但老年机体的这种调节能力下降。