Biology of ovarian aging

Przegl¥d menoP auzalny 3/2013 231 Adres do korespondencji: Magdalena Agata Lemm, Klinika Endokrynologii Ginekologicznej SUM, SP CSK SUM w Katowicach, ul. Medyków 14, 40-752 Katowice, e-mail: [email protected] Streszczenie Układ rozrodczy kobiety wykazuje znacznie szybsze tempo starzenia niż inne układy w organizmie. Meno- pauza jest ostatnim krokiem w procesie starzenia się jajników. Badania nad możliwością zatrzymania zegara biologicznego coraz częściej przykuwają uwagę wielu badaczy. Ma to związek ze wzrostem długości życia, ale przede wszystkim coraz późniejszym podejmowaniem decyzji o macierzyństwie oraz coraz większą ilością nie- płodnych par. Czynniki neuroendokrynne oraz maciczne mają swój znaczny udział w zmniejszaniu się płodności wraz z wiekiem, ale to jajnik jest głównym organem odpowiadającym za to zjawisko. Uważa się, że starzenie się jajnika zdominowane jest przez stopniowe zmniejszanie się liczby pęcherzyków, a liczba i jakość pęcherzyków, czyli rezerwa jajnikowa, związana jest z wiekiem kobiety. Badania pomocne w oznaczaniu rezerwy jajnikowej to pomiar liczby pęcherzyków antralnych podczas przezpochwowego badania ultrasonograficznego, a także oznaczenie we krwi stężeń: folikulotropiny między 2. a 4. dniem cyklu, inhibiny B, estradiolu oraz hormonu anty- -Müllerowskiego. Jako terapie przyszłości w leczeniu niepłodności kobiet proponuje się strategie oparte na użyciu komórek macierzystych celem regeneracji jajnika. Mimo ostatnich doniesień wskazujących na możliwość ich użycia bra- kuje nadal dowodów popierających skuteczność ich użycia. W niniejszym artykule przedstawiono czynniki wpływające na starzenie się jajników oraz zmiany, jakie to- warzyszą temu zjawisku. Słowa kluczowe: starzenie się jajników, płodność. Summary The woman’s reproductive system ages much faster than other systems of the body. Menopause is the last step in the process of ovarian aging. Studies on the biological clock stops more and more often attract the atten- tion of many researchers. This is related to the increase in life expectancy, but also increasingly making decisions about motherhood later on and the increasing number of infertile couples. Neuroendocrine and uterine factors are contributing to a reduction in fertility with age, the ovary is the main authority responsible for this phenomenon. Aging of the ovary is dominated by a progressive reduction in the number of follicles. And the number and quality of follicle – ovarian reserve – are linked to the age of the woman. Research helpful in the determination of the ovarian reserve involves the measurement of the number of antral follicles during transvaginal ultrasound and blood levels of follicle-stimulating hormone between the 2 nd and 4th day of the cycle, inhibin B, estradiol and anti-Müllerian hormone. A strategy based on the use of stem cells to regenerate the ovary is proposed as future therapies for the treatment of female infertility. In this article, we report factors affecting aging of the ovaries and changes ac- companying this phenomenon. Key words: ovarian aging, fertility. Biologia starzenia siê jajników Biology of ovarian aging Magdalena Agata Lemm, Piotr Skałba Klinika Endokrynologii Ginekologicznej, Śląski Uniwersytet Medyczny w Katowicach; kierownik Kliniki: prof. dr hab. n. med. Piotr Skałba Przegląd Menopauzalny 2013; 3: 231–234 DOI: 10.5114/pm.2013.36589 Przegl¥d menoP auzalny 3/2013 232 Układ rozrodczy kobiety wykazuje znacznie szybsze tempo starzenia niż inne układy w organizmie [1]. Stop- niowy spadek płodności związany ze stałym zmniejsza- niem się rezerwy jajnikowej przyspiesza nagle w wieku ok. 37 lat. Menopauza jest ostatnim krokiem w proce- sie ustania funkcji rozrodczych jajników. Badania nad możliwością zatrzymania zegara biologicznego przyku- wają uwagę wielu naukowców. Ma to związek z coraz późniejszym podejmowaniem decyzji o macierzyństwie oraz coraz większą liczbą niepłodnych par. Mimo że czynniki neuroendokrynne oraz maciczne mają swój udział w zmniejszaniu się płodności wraz z wiekiem, to jajnik jest głównym organem odpowiada- jącym za to zjawisko [2]. Uważa się, że starzenie się jajnika zdominowane jest przez stopniowe zmniejszanie się liczby pęcherzy- ków. Liczba i jakość pęcherzyków, czyli rezerwa jajniko- wa, związana jest zaś z wiekiem kobiety [1]. Mniejsza ich ilość jest odpowiedzialna za spadek płodności oraz wzrostu liczby poronień. Podczas życia płodowego, komórki rozrodcze po- wstają w szybkim tempie – osiągając maksymalnie 7 mi- lionów oocytów do 16.–20. tygodnia ciąży [1]. Pierwotne pęcherzyki powstają w jajnikach płodu pod koniec dru- giego trymestru. Oocyty zatrzymane w profazie pierw- szego podziału mejotycznego, otoczone przez jedną warstwę komórek ziarnistych stanowią pulę, która służy jako źródło pęcherzyków rozwijających się [3]. W takiej formie pęcherzyki mogą pozostawać w puli nawet przez 40 lat. Przez tak długi okres narażone są na szereg czyn- ników uszkadzających ich zdolność do reprodukcji. Każdego miesiąca kilka pęcherzyków z tej puli jest aktywowanych, przechodzi kolejne etapy folikuloge- nezy. Ostatecznie tylko jeden pęcherzyk (dominujący) osiągnie fazę preowulacyjną, podczas gdy inne ulegną atrezji na różnych etapach swojego rozwoju. Przy porodzie liczba pęcherzyków w jajnikach żeń- skiego noworodka liczy ok. 1 mln [1]. W sposób nieunik- niony liczba oocytów stale się zmniejsza, osiągając na początku pokwitania liczbę 300 000–500 000 pęcherzy- ków [1, 4]. Podczas okresu rozrodczego liczba pęcherzyków pre- mordialnych (zarodkowych) spada w tempie średnio ok. 1000 pęcherzyków na miesiąc. Ponad 99,9% pęcherzy- ków premordialnych ulega atrezji, a tylko 400–500 pę- cherzyków (poniżej 1 %) dochodzi do stadium owulacji. Podstawowym mechanizmem prowadzącym do zmniejszenia puli pęcherzyków, a tym samym rezer - wy jajnikowej, jest apoptoza [5, 6]. Pojawia się szereg zmian morfologicznych w oocytach i komórkach ziar- nistych. Dochodzi do zwiększonej wakuolizacji w oocy- tach, zwiększa się frakcja mitochondrialna, co związane jest z większą gęstością macierzy, zmianami w retiku- lum endoplazmatycznym oraz aparacie Golgiego. W ko- mórkach ziarnistych jajnika dochodzi do zmniejszenia liczby mitochondriów [1]. Wraz z wiekiem jajnika obniża się jakość oocytów i zwiększa się częstość aberracji chromosomalnych i po- ronień [7]. Procesy te nasilają się zazwyczaj po 35. roku życia. Indywidualna szybkość starzenia się jajników jest różna u poszczególnych kobiet – u jednych następuje nagły spadek w wieku ok. 38. roku życia, u innych ma miejsce stały stopniowy spadek w ciągu całego okre- su rozrodczego. Około 31. roku życia płodność zaczyna stopniowo maleć, liczba pęcherzyków może spaść po- niżej 25 000 w wieku 37,5 roku, wskazując na początek starzenia się jajników. Spadek puli pęcherzyków jajnika sygnalizują takie objawy, jak nieregularne miesiączki i obniżenie płodności. Okres reprodukcyjny kończy me- nopauza, która pojawia się średnio w 51. roku życia [8]. W tym czasie tylko ok. 1000 pęcherzyków znajduje się w jajnikach. Jest to liczba niewystarczająca do produk- cji hormonów steroidowych i tym samym podtrzymania miesiączkowania [4]. Badania pomocne w oznaczaniu rezerwy jajnikowej to pomiar liczby pęcherzyków antralnych (AFC) pod- czas przezpochwowego badania ultrasonograficznego (USG), oznaczenie we krwi stężeń: folikulotropiny (fol - licle-stimulating hormone – FSH) między 2. a 4. dniem cyklu, inhibiny B, estradiolu oraz hormonu anty-Mülle- rowskiego (anti-Müllerian hormone – AMH). Ocena AFC i oznaczanie stężenia AMH stanowią obecnie najlepsze markery rezerwy jajnikowej [1, 9]. Stężenie AMH w su- rowicy spada na rok o 4,2–8,6%. Średnia AFC obniża się o 3,2–5,8% na rok [10]. Zwiększenie stężenia FSH spowodowane jest zmniejszeniem stężeń inhibiny B i AMH, które są negatywnymi regulatorami wydzielania FSH. Głównymi źródłami inhibiny B i AMH są komórki ziarniste pęcherzyków preantralnych i małych pęche- rzyków antralnych. Wyczerpywanie puli pęcherzyków prowadzi do zmniejszania się stężeń inhibiny B i AMH, jednocześnie prowadząc do wzrostu wydzielania FSH i estradiolu. W efekcie może dojść do skrócenia fazy folikularnej, a tym samym całego cyklu miesiączkowe- go. Podstawowym objawem starzenia się jest skrócenie cyklu miesiączkowego o 2–3 dni. Oznaczenie wyłącznie stężenia estradiolu nie jest dobrym markerem starzenia się jajników. Według Soto i wsp. [11] poziomy AMH i inhibiny B są niższe u kobiet z cukrzycą typu pierwszego (diabetes mellitus type 1 – DM 1) w odpowiednich grupach wie- kowych po 33. roku życia. W rezultacie u tych kobiet wcześniej dochodzi do obniżenia rezerwy jajnikowej. W grupie kobiet z DM 1 obserwuje się wcześniejsze wy- stępowanie menopauzy. Wczesna menopauza u kobiet z DM 1 ma najprawdopodobniej podstawy autoimmu- nologiczne. Celem zróżnicowania autoimmunologiczne- go przedwczesnego wygasania czynności jajników od fizjologicznej menopauzy wg Tsigkou i wsp. [12] należy oznaczać stężenie inhibiny B w surowicy. Małe stężenie inhibiny B wiąże się ze zmniejszoną rezerwą jajnikową pochodzenia nieimmunologicznego [12]. Przegl¥d menoP auzalny 3/2013 233 Rola czynników genetycznych wpływających na wiek menopauzy przyciąga coraz większą uwagę w ostatnich latach. Ma to znaczenie nie tylko ze względu na wzrost długości życia, lecz także na coraz później rozpoczyna- jące się starania macierzyńskie. Czynniki genetyczne mają znaczny wpływ na wiek pojawienia się ostatniej miesiączki [13]. Dziedziczenie w tym zakresie szacuje się w przedziale 31–87% [14, 15]. Badania genetyczne wykazały, że to odpowiednie rejony chromosomów 8, 9, X, 11, 16 są odpowiedzialne za wiek wystąpienia meno- pauzy. Badania potwierdzają obserwacje wieku meno- pauzy w relacjach matka – córka – rodzeństwo. Przedwczesne wygasanie czynności jajników (pre - mature ovarian failure – POF) polega na wyczerpywaniu się puli pęcherzyków primordialnych przed 40. rokiem życia, co może służyć jako unikatowy model wpływu genetycznych mechanizmów starzenia się jajników. Ba- dania kobiet z POF wytypowały wiele genów kandyda- tów. Mikrodelecje tych genów powodują przedwczesne starzenie się gonad. Zestawienie genów kandydackich przedstawiono w publikacji Ewy Szwejser i Anny Mar - czakiewicz [13]. Niedawno, na podstawie skanowania genomu ro- dzeństw siostrzanych wykazano związek dwóch regio- nów chromosomowych 9q21.3 i Xp21.3 z pojawieniem się POF . Poza tym istotny związek z wiekiem menopau- zy wykazano w przypadku polimorfizmu pojedynczych nukleotydów w regionach chromosomów 5, 6, 13, 19 i 20 [13]. Uważa się, że obniżenie jakości oocytów pojawia się z powodu wzrostu nondysjunkcji chromosomów podczas mejozy I lub II (co prowadzi do częstszego wy- stępowania aneuploidii). Wraz wiekiem u kobiet zaob- serwowano przedwczesne oddzielanie się chromatyd podczas mejozy, co również ostatecznie prowadzi do aneuploidii. Za starzenie się jajników odpowiedzialne są także mutacje mitochondrialnego DNA (mtDNA). Mitochon- dria odgrywają kluczową rolę w produkcji energii, pro- liferacji komórek i apoptozie – tym samym utrzymują prawidłową funkcję jajników, wpływając na płodność. Ich własny materiał genetyczny (mtDNA) jest dziedzi- czony po matce [16]. Zbadano, że nieprawidłowości w zakresie mtDNA mogą być usunięte przez mikroiniek- cje cytoplazmy od młodszych oocytów [17]. Starzenie jajników tłumaczone jest również teorią telomerową. Jest to teoria, która również uwzględnia niszczenie materiału genetycznego poprzez spadek ak- tywności telomerazy. Telomeraza w warunkach fizjolo- gicznych odpowiedzialna jest za replikację telomerów (końcowych fragmentów chromosomów). Funkcją te- lomerazy jest utrzymanie prawidłowej długości telo- merów i tym samym zapewnienie stabilności genomu. Dochodzi do skracania telomerów i destabilizacji chro- mosomu. Wykazano korelację między długością telo- merazy a płodnością. Spadek aktywności telomerazy wraz z wiekiem w połączeniu z wieloletnim narażeniem na reaktywne związki tlenu może prowadzić do szyb- kiego skracania telomerów, co wpływa w efekcie na płodność. Ponieważ aktywność telomerazy ma związek z wyczerpywaniem puli pęcherzyków primordialnych, może ona stanowić marker starzenia się jajników [18]. W warunkach prawidłowych w organizmie zapew- niona jest równowaga między reaktywnymi formami tlenu i antyoksydantami. Reaktywne formy tlenu (reac- tive oxygen species – ROS) i azotu reaktywnego nazywa- ne są wolnymi rodnikami [19]. Zaburzenie równowagi prowadzące do nadmiaru ROS skutkuje stresem oksy- dacyjnym. Przeciwutleniacze konwertują reaktywne formy tlenu do cząsteczek wody [20]. Wśród antyoksy- dantów wyróżnia się przeciwutleniacze enzymatyczne i nieenzymatyczne. Przeciwutleniacze enzymatyczne nazywane są inaczej naturalnymi antyoksydantami. Za- licza się do nich dysmutazę ponadtlenkową, katalazę, peroksydazę glutationową oraz reduktazę glutationową [21]. Do grupy drugiej należą witaminy C i E, selen, cynk, tauryna, hipotauryna, glutation, β-karoten oraz karoten [22]. Reaktywne formy tlenu pełnią funkcję cząsteczek sygnałowych w wielu procesach fizjologicznych w or- ganizmie. Produkowane w nadmiarze mogą prowadzić do wadliwego tworzenia zasad purynowych i pirymidy- nowych, co w efekcie skutkuje przerwaniem nici DNA [20]. Zwiększone ich powstawanie może spowodować rozległe uszkodzenia oksydacyjne, które następnie in- dukują cytochrom C oraz czynniki prozapalne, ostatecz- nie prowadząc do śmierci komórek. Reaktywne formy tlenu mają wpływ na dojrzewanie oocytów, folikuloge- nezę oraz steroidogenezy w jajnikach. Powstające for- my azotu reaktywnego prowadzą do uszkodzeń białek, węglowodanów, nukleotydów i lipidów, co w efekcie powoduje uszkodzenia komórek i tkanek [20]. Starzenie jajników powodowane jest przez produkty glikacji, która stanowi nieodwracalny proces przyspie- szający starzenie komórek. Nagromadzone produkty glikacji przyczyniają się do powstawania miażdżycy i rozwoju cukrzycy [23]. Obniżona zawartość tlenu, czynników odżywczych, hormonalnych cząsteczek sygnałowych i innych, zwią- zana z gorszym unaczynieniem jest przyczyną starzenia się jajników. Z kolei prawidłowemu unaczynieniu i bo- gatej zawartości tlenu towarzyszy większa płodność. Starzenie się jajników jest rezultatem sumy czyn- ników wrodzonych oraz czynników środowiskowych. Badania epidemiologiczne wykazały, że na funkcję jaj- ników mają wpływ czynniki środowiskowe, tj. poziom wykształcenia, zawód i stosowana antykoncepcja [8]. Długotrwałe narażenie na dym tytoniowy ma również niekorzystny związek z płodnością kobiet w później- szych latach życia. Jednak dokładny mechanizm leżący u podstaw tego zjawiska jest jeszcze nieznany. Starze- nie się jajników jest również związane z narażeniem na promieniowanie, metale ciężkie, pestycydy i środki Przegl¥d menoP auzalny 3/2013 234 chemiczne Ponadto niewłaściwa dieta, prowadząca do przewlekłej hiperglikemii, może również powodować przedwczesne starzenie się jajników [24]. Jako terapie przyszłości w leczeniu niepłodności ko- biet proponuje się strategie oparte na użyciu komórek macierzystych celem regeneracji jajnika [25]. Podstawowym dogmatem rozrodu człowieka jest fakt, że oogeneza kończy się po urodzeniu. Tego do- gmatu nie zdołały podważyć wyniki doświadczeń wska- zujące na możliwość neo-oogenezy, które nadal uznaje się za nieprzekonujące. Badania dotyczące tych waż- nych zjawisk nadal trwają [26]. Hosni i wsp. stworzyli hipotetyczny model starzenia się komórek macierzystych jajników. Zakłada on, że po- jawienie się menopauzy i spadek płodności spowodo- wane jest obniżeniem działania jajnikowych komórek macierzystych, a nie wyczerpaniem się nieodnawialnej rezerwy pęcherzyków. Zrozumienie, jak komórki macie- rzyste jajnika oddziałują z otoczeniem, może przenieść nas o krok bliżej do sterowania zegarem biologicznym kobiety [27]. Pomimo ostatnich doniesień wskazujących na moż- liwość użycia komórek macierzystych w celu przywró- cenia pierwotnego pęcherzyka. Brakuje nadal dowo- dów popierających skuteczność ich użycia [28]. Obiecujące wydają się badania doświadczalne nad wpływem melatoniny na starzenie jajników u szczurów. Podawanie melatoniny samicom szczura ma korzystny wpływ w postaci wydłużenia funkcji reprodukcyjnej jaj- ników [29]. Podsumowując – należy podkreślić, że proces sta- rzenia się jajników jest naturalnym zjawiskiem bio- logicznym zaprogramowanym genetycznie. Poznanie mechanizmów kierujących tym procesem jest dużym wyzwaniem dla współczesnej medycyny rozrodu. Nale- ży mieć nadzieję, iż wysiłki naukowców działających na tym polu zaowocują zmniejszeniem tempa starzenia się jajników i przedłużeniem okresu rozrodczości kobiety. Piśmiennictwo 1. Tatone C, Amicarelli F, Carbone MC, et al. Cellular and molecular aspects of ovarian follicle ageing. Hum Reprod 2008; 14: 131-42. 2. te Velde ER, Pearson PL. The variability of female reproductive ageing. Hum Reprod Update 2002; 8: 141-54. 3. Pepling ME. From primordial germ cell to primordial follicle: mammalian female germ cell development. Genesis 2006; 44: 622-32. 4. Faddy MJ, Gosden RG, Gougeon A, et al. Accelerated disappearance of ovarian follicles in mid-life: implications for forecasting menopause. Hum Reprod 1992; 7: 1342-6. 5. Tilly JL. Commuting the death sentence: how oocytes strive to survive. Nat Rev Mol Cell Biol 2001; 2: 838-48. 6. Sugino N, Takiguchi S, Ono M, et al. Nitric oxide concentrations in the follicular fluid and apoptosis of granulosa cells in human follicles. Hum Reprod 1996; 11: 2484-7. 7. Tarín JJ, Pérez-Albalá S, Cano A. Consequences on offspring of abnormal function in ageing gametes. Hum Reprod Update 2000;6: 532-49. 8. Kaczmarek M. The timing of natural menopause in Poland and associa- ted factors. Maturitas 2007; 57: 139-53. 9. Skałba P, Cygal A, Dabkowska-Huć A. VThe influence of anti-Mullerian hormone on folliculogenesis. Ginekol Pol 2008; 79: 137-40. 10. Bentzen JG, Forman JL, Larsen EC. Maternal menopause as a predictor of anti-Mullerian hormone level and antral follicle count in daughters during reproductive age. Hum Reprod 2013; 28: 247-550. 11. Soto N, Ińiguez G, López P, et al. Anti-Mullerian hormone and inhibin B levels as markers of premature ovarian aging and transition to meno- pause in type 1 diabetes mellitus. Hum Reprod 2009; 24: 2838-44. 12. Tsigkou A, Marzotti S, Borges L, et al. High serum inhibin concentration discriminates autoimmune oophoritis from other forms of primary ova- rian insufficiency. J Clin Endocrinol Metab 2008; 93:1263-9. 13. Szwejser E, Marczakiewicz A. Badania genetycznych predyktorów wie- ku menopauzy naturalnej. Przegląd piśmiennictwa. Prz Menopauz 2012; 16: 495-500. 14. Treloar SA, Do KA, Martin NG. Genetic influences on the age at meno- pause. Lancet 1998; 352: 1084-5. 15. de Bruin JP, Bovenhuis H, van Noord PA, et al. The role of genetic factors in age at natural menopause. Hum Reprod 2001; 16: 2014-8. 16. Bonomi M, Somigliana E, Cacciatore C, et al.; Italian Network for the study of Ovarian Dysfunctions. Blood cel mitochondrial DNA content and premature ovarian aging. PLoS One 2012; 7: e42423. 17. Klein J, Sauer MV. Assessing fertility in women of advanced reproductive age. Am J Obstet Gynecol 2001, 185: 758-70. 18. Kinugawa C, Murakami T, Okamura K, Yajima A. Telomerase activity in normal ovaries and premature ovarian failure. Tohoku J Exp Med 2000; 190: 231-8. 19. Harman D. Free radical theory of aging: an update: increasing the func- tional life span. Ann N Y Acad Sci 2006; 1067: 10-21. 20. Agarwal A, Gupta S, Sharma RK. Role of oxidative stress in female repro- duction. Reprod Biol Endocrinol 2005; 3: 28. 21. Szczepańska M, Koźlik J, Skrzypczak J, Mikołajczyk M. Oxidative stress may be a piece in the endometriosis puzzle. Fertil Steril 2003; 79: 1288-93. 22. Van Langendonckt A, Casanas-Roux F, Donnez J. Oxidative stress and peritoneal endometriosis. Fertil Steril 2002; 77: 861-70. 23. Tatone C, Amicarelli F . The aging ovary – the poor granulosa cells. Fertil Steril 2013; 99: 12-7. 24. Goldin A, Beckman JA, Schmidt AM, Creager MA. Advanced glycation end products: sparking the development of diabetic vascular injury. Cir- culation, 2006, 114: 597-605 25. Woods DC, Tilly JL. The next (re)generation of ovarian biology and ferti- lity in women: is current science tomorrow's practice? Fertil Steril 2012; 98: 3-10. 26. Virant-Klun I, Stimpfel M, Skutella T. Stem cells in adult human ovaries: from female fertility to ovarian cancer. Curr Pharm Des 2012; 18: 283-92. 27. Hosni W, Bastu E. Ovarian stem cells and aging. Climacteric 2012; 15: 125-32. 28. Nelson SM, Telfer EE, Anderson RA. The ageing ovary and uterus: new biological insights. Hum Reprod 2013; 19: 67-83. 29. Alvarez BE, Rodríguez ED, Alvarez CF, et al. Ovarian aging: melatonin re- gulation of the cytometric and endocrine evolutive pattern. Curr Aging Sci 2012; [Epub ahead of print].