蜕膜化缺陷在子宫内膜异位症相关性不孕发病机制中的研究进展

王鑫,秦丹,邹胜男,孙可丰

作者单位:150040 黑龙江 哈尔滨,1.黑龙江中医药大学;2.黑龙江中医药大学附属第一医院妇科二科

子宫内膜异位症(endometriosis,EMs)是一种激素依赖性疾病,育龄期女性为该病的高发人群,其中76%的患者在25～45岁,且近年来EMs发病率呈逐年上升趋势,而该病的相关病因及发病机制至今尚未明确,一直是妇产科学界关注的重点。EMs会导致慢性盆腔疼痛、痛经、不孕等各种妇科问题,严重影响女性的身心健康,特别是高达30%～50%的患者伴发不孕问题[1],给女性生殖健康带来巨大挑战。目前EMs相关性不孕的病因复杂,涉及到盆腔微环境、免疫系统、炎症反应、卵巢功能、遗传改变等多方面。近年来越来越多研究关注在蜕膜化缺陷上。蜕膜化是子宫内膜在排卵后为更好地适应胚胎着床及后续发育,为其提供所必需的营养支持和免疫保护,建立有利的子宫环境而发生的一系列形态学、生物分子和功能改变[2]。蜕膜细胞的功能障碍,例如细胞激素环境紊乱、异常血管形成、免疫系统失调等,皆可造成子宫内膜蜕膜化不足,影响滋养层细胞的侵袭及免疫反应,不利于胚胎着床和胚胎发育,导致EMs相关性不孕的发生。本文基于目前已有研究,就蜕膜化缺陷在EMs相关性不孕发病机制中的作用进行综述,探讨蜕膜化异常的分子机制。

1 子宫内膜蜕膜化的生理机制

活化的受精卵、容受态的子宫内膜及二者之间的相互作用在妊娠过程中至关重要。精卵在输卵管处结合形成活化的受精卵并蠕动至宫腔内,与子宫内膜接触发生初始粘附、稳定粘附与侵入而产生的一系列复杂反应,称为胚胎植入[3]。子宫内膜蜕膜化是指内膜在月经周期的分泌中后期为更好地适应胚胎植入,建立有利的子宫环境,使受孕体得到最佳调节而发生的一系列形态学、分子生物和功能改变[2]。蜕膜化过程独立于胚胎的存在而发生,一般在排卵后开始进行,在以雌二醇(estradiol,E2)为代表的雌激素和以孕酮(progesterone,P)为代表的孕激素作用下,螺旋动脉周围的子宫内膜基质细胞实现“蜕膜前化”,如果随后怀孕,这将持续存在并扩散到整个子宫内膜基质,蜕膜化本质上是暂时的,它会在妊娠结束和每个未妊娠的月经周期结束时退化。蜕膜化包括子宫内膜腺体分泌增加、脉管系统重塑与免疫细胞的募集分化,其中一个主要特征是梭状的成纤维细胞样子宫内膜基质细胞 (endometrial stromal cells,ESCs) 增殖分化成依赖于P和环磷酸腺苷(cyclic adenosine monophosphate,cAMP)信号传导的圆形上皮样蜕膜基质细胞 (decidualized stromal cells,DSCs),同时分泌更高水平的胰岛素样生长因子结合蛋白-1(insulin-like growth factor binding protein-1,IGFBP-1)和催乳素 (prolactin,PRL)[4-5]。IGFBP-1和PRL作为蜕膜化的特有生物指标,IGFBP-1能调节胰岛素样生长因子的作用,调动滋养层细胞的生长侵袭和子宫内膜的分化;PRL也可调控滋养层的生长侵袭,同时还能促进新生血管的形成,调节免疫,控制母胎间的液体交换与抑制P分解代谢[6-7]。整体子宫内膜进行了广泛的细胞重编程以达到形态与功能的分化重塑,建立了容受性更强的子宫内膜环境。蜕膜化过程,是使胚胎植入成为可能的准备性子宫内膜事件之一,不仅能阻止上皮增殖为胚胎植入做准备、保护植入的胚胎免受母体免疫攻击、减少胚胎的组织损伤和抵抗氧化应激的影响、允许血管生成以建构母体脉管系统支持孕期的胚胎发育,而且能调节局部免疫反应以控制滋养细胞的生长与侵袭,允许具有侵入性的胚胎存活与发育的同时保护母体不受到侵蚀性滋养层的过度侵袭,是妊娠成功十分重要的一环[8-9]。EMs引发各种原因导致的蜕膜化缺陷,将会严重影响胚胎的着床,难以维持正常的妊娠过程,常常导致不孕、生育能力低下、复发性流产等相关生殖问题的发生。

2 子宫内膜异位症相关性不孕

EMs是育龄期妇女常见的一种良性的激素依赖性妇科疾病,表现为具有生长功能的子宫内膜组织(腺体和间质)出现在子宫体以外的部位,导致慢性盆腔疼痛、痛经、不孕、性交不适、月经异常等各种妇科问题。估计全球女性EMs的患病率为5%左右,25～35岁为该病的高发期[10],同时,由于诊断该病的金标准为通过手术可视化进行明确的诊断,EMs的患病率其实已被低估。在这其中有30%～50%的EMs患者被诊断出伴有不孕[1],一项大型回顾性研究证明,不孕症风险增加与EMs有关[11]。EMs相关的不孕症病因复杂,盆腔微环境改变、免疫功能失调、炎症反应、卵巢功能异常、遗传改变等皆可引起相关不孕。越来越多的实验也证明,蜕膜化缺陷作为新的研究热点与EMs相关的不孕症关系密切,EMs不仅会引起异位内膜的病变,同时也会引起在位内膜功能受损,是导致不孕发生的可能机制。

3 蜕膜化缺陷与EMs相关性不孕

在性类固醇激素的影响下,子宫内膜分泌多种生物因子负责启动和维持蜕膜化过程,为囊胚植入准备可容受性的宫内环境。在患有EMs的女性中,在位子宫内膜蜕膜细胞功能受损,伴随着P表达的下降、过量的E2作用、异常血管的生成,免疫失调进而炎症反应增加,从增殖期过渡到分泌期的内膜蜕膜化能力降低,扰乱了胚胎和子宫内膜之间的微妙联系,影响胚胎的着床与后续的生长发育,导致不孕的发生。以下将对EMs导致蜕膜化缺陷引起相关性不孕的可能机制进行阐述。

3.1 孕激素抵抗

研究表明,P是一种与子宫内膜基质细胞密切相关的类固醇激素,蜕膜化过程由P驱动并由多种分子介导,在成功植入人类胚胎过程中起关键作用,P已被证明可调节与着床相关事件,包括子宫内膜基质细胞蜕膜化和子宫容受性的发展,并且对维持妊娠过程至关重要。而P抵抗所导致的蜕膜能力降低已被假设为EMs相关性不孕发展的关键因素。患有EMs的女性在位子宫内膜P表达减少,相关代谢途径改变,ESCs对蜕膜化的反应降低,极易造成蜕膜转化不良、蜕膜化缺陷进而导致不孕发生。

Su等[12]研究发现,EMs患者在位子宫内膜中Notch信号通路的受体NOTCH1和NOTCH4、配体JAGGED2和DLL4以及直接靶基因HES5和HEY1 的mRNA水平均相应降低,导致Notch信号通路表达减少,引起蜕膜标记基因IGFBP-1和PRL的表达显著降低,从而发生子宫内膜蜕膜化受损。同时,Notch信号传导的下游靶点FOXO1的表达也会相应降低,而FOXO1作为诱导蜕膜化过程最早的基因之一,可以诱发ESCs转录表达IGFBP-1和PRL。在正常蜕膜过程中,NOTCH1和孕酮受体(progesterone receptor,PR)会一起调节FOXO1的表达,EMs的P抵抗导致Notch通路活性降低,其信号的衰减抑制蜕膜化过程所需的关键起始途径,导致随后的蜕膜反应受损。P-PR信号传导对于蜕膜化、腺体发育和胚胎植入至关重要。有研究发现,与增殖期相比,人子宫内膜上皮和基质中的cAMP反应元件结合3样蛋白1(cAMP-response element-binding 3-like protein 1,CREB3L1)在分泌期明显增加[13-14]。该蛋白是P-PR信号通路的调节基因,与蜕膜化关系密切。与非EMs组相比,EMs组的在位子宫内膜中,CREB3L1信号的表达显著降低,而实验通过小干扰RNA(small interfering RNA,siRNA)介导抑制CREB3L1可以损害ESCs的蜕膜化能力,表现为蜕膜标记基因PRL和IGFBP-1的表达均下降。并且CREB3L1可以调节蜕膜化的关键因素ER激酶1/2(ER kinase1/2,ERK1/2)的磷酸化激活,可以推测EMs中CREB3L1相关基因表达的降低通过P依赖性方式影响蜕膜化进程诱导着不孕等生殖方面疾病的发生。P抵抗会导致内膜细胞信号传导和分子表达失调,Yao等[15]检查EMs不孕妇女在位内膜的整体蛋白组学变化,与非EMs组对比,试验组显示了一些差异表达的蛋白质:16个上调蛋白质和23个下调蛋白质,特别是α-1-酸性糖蛋白2、补体因子B和锌转运蛋白Zip14,这些差异表达的蛋白参与了体液免疫反应途径、抗菌体液反应和一氧化氮生物合成过程的调控,影响了蜕膜化过程,降低了内膜的容受性。P诱导的孕酮诱导阻断因子1(progesterone-induced blocking factor 1,PIBF1)高表达于分泌中期的子宫内膜,可与白细胞介素-6(interleukin-6,IL-6)的启动子结合,通过刺激转录激活因子3(signal transducer and activator of transcription 3,STAT3)磷酸化诱导EMs患者的ESCs增殖分化。Zhou等[16]通过体外实验发现体外蜕膜化过程中敲掉PIBF1,IL-6和活化的磷酸化STAT3(phospho-STAT3,p-STAT3)也会随之下降,PRL、IGFBP-1的表达将会被显著下调,抑制了ESCs的增殖和蜕膜,而PIBF1的过表达可以显著恢复ESCs的增殖与蜕膜化进程。

3.2 雌激素优势

E2在月经周期的增殖期诱导上皮增生以增加子宫内膜的厚度,后诱导P表达,抑制E2诱导的内膜生长并允许ESCs在分泌期开始腺体变化和蜕膜化,为植入做准备[17]。几乎所有胚胎植入过程的哺乳动物在胚胎着床时雌激素受体1(estrogen receptor 1,ESR1)都被下调[18],而EMs在胚胎植入时会显现出分泌期ESR1不适当的过度表达,有相关文献显示,未能下调的ESR1可能不利于子宫内膜容受性的发展,进而导致EMs的植入失败[19-20]。EMs患者的在位子宫内膜常表现为E2过多表达,呈现促增殖表型,内膜生物标志物差异表达,蜕膜化进程受阻,干扰正常胚胎着床。早期就有研究报道在EMs中参与胚胎附着与侵袭的子宫内膜关键蛋白的表达减少[21],1992年首次描述的细胞外基质蛋白表面受体子宫内膜整合素,包括在植入中起作用的ανβ3整合素,被发现在EMs相关性不孕症中的表达降低[22],而E2被证明可以抑制包括ανβ3整合素在内的胚胎附着中的关键因子。同时L-选择素配体作为子宫内膜上胚胎衍生选择素的附着受体,也被发现在EMs和不明原因不孕症的子宫内膜上表达减少[23]。并且有研究指出,无P对抗的E2过度反应,将会降低植入窗口的内膜容受性,在施用雌激素受体拮抗剂来挽救时,试验组小鼠依然没有显示任何植入部位[24]。对功能卵巢衍生的类固醇激素做出程序性细胞反应是正常子宫内膜功能的核心。Houshdaran等[25]以E2、P、子宫内膜间质成纤维细胞(endometrial stromal fibroblast,eSF)三者为研究对象,研究EMs患者的eSF对E2、P的反应程度。eSF是子宫内膜中最丰富的类固醇激素反应细胞,是组织功能和妊娠成功的主要调节剂,研究发现EMs组的eSF中P调节的蜕膜标记表达异常,呈现P抵抗,同时,E2产生所必需的芳香化酶以及E2水平在EMs的在位和异位内膜中正反馈高度表达。由于eSF通常在完全蜕膜化P响应之前需要E2启动,而异常表达的E2信号必定会阻拦这种正常的信号传导,导致P的表达降低;同时,P抵抗又会导致对E2作用的拮抗不足[26],E2优势表达,打破了两者之间的微调反馈系统,下游效应平衡失调,蜕膜化缺陷发生[19]。EMs患者内膜中与增殖和细胞存活相关的信号通路被激活,而抗增殖孕酮通路被关闭,基质分化不足,蜕膜转化异常,内膜对胚胎植入的容受性下降,诱发相关性不孕的发生。

3.3 血管生成异常

在月经周期的黄体中期,子宫内膜开始强烈重塑以响应P水平和细胞内cAMP水平的升高,预示着胚胎可以植入的短窗口的开始[27]。为这一时期做准备,子宫内膜的血管通过修复血管床,增厚内膜层,生长卷曲螺旋动脉,使内膜对受精卵表现出容受性,此时的内膜血管化良好,表现为血管通透性增加、水肿和血管生成。

血管内皮生长因子(vascular endothelial growth factor,VEGF)作为一种强促血管因子,已成为正常血管和病理性新生血管形成的关键调节因子,在促进血管内皮细胞生长和迁移、抗细胞凋亡、促进新生血管形成、调节微血管渗透性活性方面都有重要作用。EMs女性的在位子宫内膜显示出较高的VEGF表达和上调的雌激素受体,可能是由于对E2刺激反应过度,从而增强VEGF的表达[28]。VEGF在胚胎植入时会发挥相应作用,早在1998年Donnez等[29]等在腹腔镜操作下,对10例非EMs女性的在位内膜和43例EMs女性的在位内膜和腹膜子宫内膜异位病灶进行免疫组织化学评估VEGF蛋白,发现在晚期分泌期EMs女性的在位腺上皮中VEGF含量较非EMs女性更高,这表明EMs内膜更有可能植入。VEGF可以通过增加内膜血管生成和血管通透性来促进胚胎发育,促进内膜蜕膜化来改善容受性,同时加强发育中的胚胎与子宫内膜之间的相互作用来诱导胚胎植入过程。并且VEGF还可能作为免疫调节剂在胚胎植入期间介导母体免疫系统的免疫耐受性。

肝细胞生长因子(hepatocyte growth factor,HGF)作为一种多效性细胞因子,具有促血管生成、促有丝分裂的作用,脂多糖、炎性因子和前列腺素会刺激EMs患者盆腔中HGF的产生。有研究显示,EMs较非EMs组在位内膜中的HGF蛋白表达增加[30-31]。HGF及其受体c-met被证明可以增强细胞外基质的降解,并通过自分泌和旁分泌途径刺激脱落的在位和异位内膜的侵袭,同时可诱导VEGF驱动的异常血管生成。

子宫上皮细胞可以调节肝素结合表皮生长因子(lysophosphatidic acid,LPA)和表皮生长因子受体(heparin-binding epidermal growth factor,HB-EGF)信号传导以及产生溶血磷脂酸等脂质介质、环氧合酶2、前列腺素E2与干扰素-γ一起控制ESCs的空间蜕膜化[4],在调节血管生成和支持胚胎着床方面起到重要作用。

3.4 免疫系统紊乱

胚胎是母体免疫系统的同种异体移植物,免疫耐受性对于胚胎植入的成功建立至关重要。依赖于P作用的蜕膜细胞会在着床窗口期在植入的胚胎周围形成准自主的抗炎基质,使侵入的绒毛外滋养层形成血绒质胎盘[32]。植入时子宫内膜中的免疫细胞组成被认为是成功受孕的关键。在妊娠早期,大量免疫细胞聚集于母胎界面,促进蜕膜新生血管的形成与重建,调节母胎之间的免疫平衡,促进间充质干细胞的增殖分化并激发子宫内膜蜕膜化的进程[33]。母体蜕膜创建了一个免疫耐受性微环境,其中包含大量浸润性免疫细胞,主要是子宫自然杀伤(uterine natural killer,uNK)细胞,还有巨噬细胞、树突状细胞和调节性T细胞。uNK细胞作为分泌期子宫内膜中的主要白细胞亚群,它们在炎症调节、血管生成、细胞凋亡和细胞外基质重塑方面发挥作用,这些活动可能会持续到妊娠早期的蜕膜组织中。EMs患者的在位子宫内膜较正常在位子宫内膜中存在更高数量的活化细胞,表明这些细胞在晚期分泌性子宫内膜中可能存在功能异常[34]。

与EMs密切相关的炎症会改变内膜的容受性,诱导蜕膜化缺陷,引起胚胎着床不佳。炎症会影响芳香化酶和类固醇受体的表达,在EMs女性的在位子宫内膜中观察到的标志性变化之一就是P50芳香化酶表达增强。而芳香化酶的表达升高也与体外受精(in vitro fertilization,IVF)结果不佳、影响胚胎着床有关。有研究表明,通过在刺激周期中给予芳香化酶抑制剂,可以改善IVF结局,同时与IVF结果相关联的整联蛋白表达的降低,也会得到缓解[35-36]。在月经周期的后期,P水平下降,炎症反应随之而来,这是月经发生所需的协调反应。由于在EMs的情况下P作用受损,这可能会模拟P的戒断,从而刺激过早的炎症反应,引发经前反应。Rel-A作为炎性信号通路NF-kB的一个亚基,是炎症反应的中心,通过作用于PR启动子抑制NF-kB通路反应,诱发P抵抗,激发经前反应,导致蜕膜化不足,影响胚胎的着床发育。而抗炎蛋白ARID1A作为EMs炎症反应中的关键调节因子,可以通过阻断Rel-A对细胞因子的表达,减轻炎症反应,实现内膜蜕膜化的转化,然而在EMs女性的子宫内膜中发现这种蛋白的含量已降低。IL-17作为炎症反应里经典的细胞因子,在EMs患者的血液和子宫内膜中也被发现显著升高,同时IL-17还能刺激IL-6、环氧合酶-2和芳香化酶的活性表达,加剧内膜炎症反应、血管生成和细胞增殖。EMs患者子宫内膜中这些紊乱的免疫系统、异常的炎症反应具有影响生育能力的重要下游效应。

4 结语

充分有效的内膜蜕膜化反应是建立和维持正常妊娠的基本条件,充分蜕膜化的子宫内膜可以为胚胎植入及后续发育提供有利的环境支持。蜕膜化作为一个复杂、受多因素精确调控的生理步骤,其具体过程涉及到细胞的激素环境、螺旋血管重构、免疫炎症反应等,许多疾病例如EMs导致的在位子宫内膜关于蜕膜化的功能失常(孕激素抵抗、雌激素优势、血管生成异常、免疫系统紊乱等),都可能导致蜕膜化缺陷的发生,影响受精卵的着床与生长发育程序,诱发相关性不孕。未来可从表观遗传学等多方面深入探索EMs相关性不孕与蜕膜化缺陷的相互作用,进一步阐释两者之间的调控机制,为了解EMs相关性不孕的发病机制,预估该病的病情进展,预防与制定有效的治疗策略提供新的思路。