Klinische Wochenschrift

Klin Wochenschr (1990) 68:985-1002

9 Springer-Verlag 1990

)bersicht Grundlagen und klinische Bedeutung der Insulin-like Growth Factors/Somatomedine E. Weimann und W. Kiess Universitfits-Kinderklinik Mfinchen im Dr. yon Haunerschen Kinderspital, Mfinchen

Insulin-like Growth Factors/Somatomedins: Basic and Clinical Aspects Summary. The Insulin-like Growth Factors (1GFs) or Somatomedins are polypeptide growth factors which are similar to insulin in respect to their aminoacid sequence, structure and biologic activities. The IGFs bind to high affinity receptors which are present on many cells and in many tissues. In the circulation the IGFs are bound to transport (binding) proteins (IGF-BPs). In this review the physiologic role, the basic chemistry and the gene expression of this family of growth factors is summarized systematically. The pathophysiology of growth disorders, diabetes mellitus, malnutrition, liver and kidney disease in relation to the IGFs as well as the therapeutic and diagnostic potentials of these peptides are discussed in detail. Key words: Insulin-like growth factors (IGFs) Somatomedins - IGF-binding proteins - Growth - Growth hormone - Receptors - Genes

like Growth Factors (IGFs) die ffir die Medizin wohl interessanteste Gruppe von Wachstumsfaktoren, nicht zuletzt wegen der grol3en Bedeutung, die insbesondere IGF-I fiir das Wachstum und die Entwicklung des kindlichen Organismus hat. Biochemische und molekulargenetische Charakteristika, biologische Funktion und physiologische Bedeutung der IGF-Familie werden in zwei neuen, exzellenten Reviews in der englischsprachigen Literatur umfassend beschrieben (Rechler und Nissley 1990; Daughaday und Rotwein 1989)und sollen in der vorliegenden Arbeit zusammengefal3t werden. Pathophysiologie, klinische Bedeutung und die m6gliche Anwendung in Diagnostik und Therapie dieser Peptidhormone mfissen in zunehmendem Mage auch vom klinisch t/itigen Arzt berticksichtigt werden und sollen deshalb ausffihrlich dargelegt werden.

Grundlagen Geschichte

Die biochemische und molekulargenetische Charakterisierung von neuen Wachstumsfaktoren und ,,regulierenden Peptiden" gelingt heute mit immer gr613erer Geschwindigkeit und Pr/izision. Die biologische und klinische Bedeutung bleibt dabei hfiufig noch ungeniigend erforscht. Neben den Colony Stimulating Factors (CSFs) und den Interleukinen ist die Familie der InsulinAbkiirzungsverzeichnis:

ACTH = Adrenocorticotropes Hormon; CSF = Colony Stimulating Factors; E G F = Epidermal Growth factor; GH = Wachstumshormon (WH); IGF = Insulin like growth factor; I G F - B P = I n s u l i n like growth factor-Bindungsprotein; Man-6-P = Mannose-6-Phosphat; N G F = Nerve Growth Factor; R I A = R a d i o i m m u n o a s s a y ; R R A = R a d i o r e zeptorassay; TSH = Thyreoidea stimulierendes Hormon

Salmon und Daughady waren die ersten, die postulierten, dab es einen Vermittler (,,Somatomedin") zwischen dem hypophys~ren Wachstumshormon und seiner wachstumsstimulierenden Wirkung geben miisse (Somatomedin-Hypothese). Noch vor einigen Jahren wurden die ,,Insulinlike Growth Factors" (Somatomedine) in der internationalen Literatur mit einer ganzen Reihe von Synonymen benannt. Die verschiedenen Bezeichnungen entsprangen hfiufig der zellbiologischen Methode, mit der ihre biologische Wirkung nachgewiesen wurde: ,,Multiplication stimulating activity, sulfation factor, non-suppressible insulin-like activity". Durch intensive Forschungsarbeiten gelang es Humbel und Rinderknecht 1978, die synonyme Struktur von Somatomedin A und C mit

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E. Weimann und W. Kiess: Insulin-like Growth Factors

Abb. 1. Prim~irstruktur von IGF-I. Die schwarzen Symbole markieren Aminos/iuren, die sich im Insulinmolekiil an gleicher Stelle befinden. Drei Disulfidbriicken bestimmen die Sekund/irstruktur dieser Peptide. IGF-I und IGF-II sind hinsichtlich ihrer Primfirstruktur zu ca. 60% identisch (nach Rinderknecht und Humbel 1978)

dem Insulin-like Growth Factor I zu erkennen (Rinderknecht 1978). Klapper und andere best/itigten diese Daten 1983 durch eigene Untersuchungen (Klapper 1983). Man ist international bemfiht, die Nomenklatur der Somatomedine zu vereinheitlichen. Die beiden Hauptvertreter werden heute als IGF-I und -II bezeichnet (Daughaday 1987). Es ist wahrscheinlich, dab es einige chemisch gering variierte Vertreter der IGF-Familie gibt (Blum 1989). Chemie und Genetik

IGF-I ist ein basisches Polypetid, das aus 70 Aminos/iuren besteht, die dutch drei Disulfidbrfikken miteinander verbunden sind (Abb. 1). Das Molekulargewicht betr/igt 7649 Dalton (Rinderknecht 1978). Die Struktur des Peptids hat )khnlichkeit mit dem des Nerve Growth Factors (NGF), Epidermal Growth Factor (EGF) und insbesondere mit Proinsulin und der fibrigen Insulinfamilie (einschlieBlich dem Relaxin). Das Gen ffir menschliches IGF-I befindet sich auf dem Chromosom Nr. 12 (Tabelle 1). IGF-II ist ein sautes Polypeptid. Es besteht aus 67 Aminos/iuren, die zu fiber 60% mit denen des IGF-I fibereinstimmen. Das Molekulargewicht betr/igt 7471 Dalton. IGF-II ist das menschliche Homolog von Ratten MSA (Multiplication Stimulating Activity) (Rinderknecht 1978 a). IGF-II ist auf dem Chromosom Nr. 11 kodiert (Tabelle 1). Zapf et al. definierten 1986 die IGFs als Strukturhomologe des Insulins mit insulin/ihnlicher Wirkung, die dutch Insulinantik6rper nicht antagonisierbar sind. In der Tat besitzen beide Peptide eine enge Strukturhomologie zu menschlichem Proinsu-

Tabelle 1. IGF-I und IGF-II - Chemie, Grundlagen und Vorkommen IGF-I Somatomedin A und C

IGF-II MSA (Ratte)

Molekulargewicht

7649

7471

Aminos/iuren

70

67

ph

basisch

leicht sauer

Wh-abhfingig

ja

weniger

Interaktion vor allem mit

Typ I IGF Rezeptor

Typ II Rezeptor, schwficher Typ I Rezeptor

Strukturfihnlichkeit

Proinsulin

Proinsulin

Konzentration im 200-300 menschlichen Serum ng/ml

570-650

Alter

Abnahme

Abnahme

Maximum

Pubertfit M > W

Fetalzeit (Ratte)

Minimum

bis 4. Lj

konstant ab 1. Lj

Vorkommen

Urin Lymphfliissigkeit, Milch (Liquor) Follikel (Ovar) Speichel, Serum

Liquor, Gehirn Follikel (Ovar) Speichel, Serum Spermien Embryonaler Tumor

Bildungsort

Leber, Bindegewebe andere Organe

Leber, Bindegewebe andere Organe

Bindungsproteine

Fetal: 40000 Dalton Postnatal: 150000 Dalton

Fetal: 40000 Dalton Postnatal: 150000 Dalton Liquor: ca. 30000 Dalton

Nachweismethoden

RRA/RIA Bioassay

RRA/RIA Bioassay

E. Weimann und W. Kiess: Insulin-like Growth Factors

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ng/ml 600

. III. . . . . . .

IGF2

5OO 40O 300

~'O IGF-I

200

1 O0

Alter in Jahrer~ 2

4

6

8

10

12

14

16

Abb. 2. IGF-Verlauf (modifiziert nach Ranke 1989, Acta Paediatr Scand, 347:117). Konzentration von I G F - I und IGF-II im menschlichen Serum in Abh~ingigkeit vom Lebensalter. Die Serumkonzentration von IGF-1 ist in den ersten Lebensjahren niedrig und steigt in der Pubert~it mit dem Pubert/itswachstumsschub an. W~ihrend des Erwachsenenalters bleiben die 1GF-Spiegel relativ stabil, fallen im Alter aber ab

> 1 8

lin: 40% der Aminos/iuren des IGFs stimmen mit der A- und B-Kette des Proinsulins/iberein. Auch bei der Kettenstruktur sind )khnlichkeiten erkennbar. Die Proinsulin C-Peptid Region wird von einer k/irzeren Sequenz beim IGF-I und -II repr/isentiert (Tabelle 1). Die cDNA der IGFs liegt kloniert und sequenziert vor. Da dadurch gr6Bere Mengen von IGF gentechnologisch herstellbar sind, k 6 n n e n n u n Studien durchgef/ihrt werden, um die biologische Bedeutung dieser Wachstumsfaktor-Familie besser zu definieren. Nachweismethoden

Biologische Assays, die auf dem Nachweis von insulin/ihnlichen (zellul/irer Glukoseeinstrom, Aminosfiureeinstrom) oder wachstumsunterstiitzenden Aktivitfiten (Stimulation yon DNA-Synthese, Sulfateinbau in Knorpelmatrix, Zellverdoppelung in vitro) in verschiedenen Zielzellen in vitro basieren, k 6 n n e n nicht zwischen den Aktivit/iten der beiden IGFs differenzieren (Daughaday 1989; Rechler 1990). AuBerdem ist es nicht m6glich, die Effekte anderer wachstumsunterst/itzender oder insulin/ihnlicher Substanzen von denen der IGFs zu unterscheiden. Die Entwicklung von Radio-Rezeptor-Assays (RRA) verbesserte die Sensitivit/it und Spezifit/it der Nachweismethoden f/ir IGFs, und die Anwendung von Radio-Immuno-Assays (RIA) hat dies weiter gef6rdert. Zur Zeit existiert allerdings noch keine Methode, die alle IGF-Spezies in biologischen Flfissigkeiten verl/iBlich miBt. V o r k o m m e n in vivo

Vorkommen beim Menschen

Die normalen Serumkonzentrationen (RIA) beim Menschen betragen f/Jr IGF-I 170-350ng/ml

(I-2 U/ml) und f/ir IGF-II 570-650 ng/ml (3-4 U/ml). Dabei besteht vor allem f/ir IGF-I eine starke Altersabh/ingigkeit (Abb. 2). Die IGF-I Spiegel (RIA) nehmen bis zur Pubert/it stetig zu und danach mit steigendem Alter ab (Bennett 1984; Clemmons 1984; Daughaday 1981; Hintz 1982). Da beim menschlichen Neugeborenen niedrige IGF-I Spiegel nahe der Nachweisgrenze der Assays gemessen werden (Bala 1981; Kaplowitz 1982), ist die Anwendung des IGF-I RIAs zur Diagnosestellung eines Hypopitiutarismus bis zum vierten Lebensjahr (Luna 1983) mit den heutigen MeBmethoden nut sehr eingeschr/inkt m6glich. Die Werte sind bei Mfidchen ein wenig h6her als bei Jungen und spiegeln die schnellere Reifung von Mfidchen wider (Daughaday 1989). Daughaday wies nach, dab der zwei- bis dreifache Anstieg der IGF-I Konzentration im Serum wfihrend der Pubert/it besser mit den Pubert/itsstadien nach Tanner und den Sexualhormonkonzentrationen als mit dem Alter korreliert. Bei M/idchen mit ovarieller Dysgenesie, bei denen der IGF-I Anstieg w/ihrend der Pubert/it unterbleibt, ist nachweisbar, dab der Anstieg des Serum IGF-I in der Pubert/it von dem Anstieg der Sexualhormone in dieser Zeit abh/ingt. Wenn man diese M/idchen mit niedrigen Dosen von Ostrogenen behandelt, steigt der IGF-I Spiegel signifikant an (Daughaday 1989). Im Gegensatz zum IGF-I unterscheiden sich die IGF-II Spiegel nach dem ersten Lebensjahr kaum von denen des Erwachsenen (Luna 1983). Auch steigt der IGF-II Spiegel w/ihrend der Pubert/it nicht an. Beim Menschen werden die IGFs vor allem in der Leber gebildet und stehen unter dem Einflul3 des Wachstumshormons. IGF-II ist dabei weniger wachstumshormonabh/ingig als IGF-I. Andere Organe und insbesondere die Fibroblasten des Binde-

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gewebes sind ebenso in der Lage, IGF-I zu synthetisieren (Han 1987). Die Konzentration von IGF in den Organen entspricht ihrer Konzentration im Blut. Unter normalen Bedingungen zirkuliert IGF an spezifische Tr/igerproteine gebunden im Blut (Hintz 1989). Bis jetzt sind mindestens drei Transportproteine (IGFBPs) bekannt. Freie IGFs sind im Kreislauf nicht nachweisbar. Es kann aber m6glich sein, dab sehr niedrige Konzentrationen an ungebundenen Peptiden, die mit den heutigen Nachweismethoden noch nicht erkennbar sind, ffir die biologische Wirkung verantwortlich sind (Blum 1989). Erhebliche technische Probleme bei der Messung der Serum-IGF Spiegel im RIA k6nnen auBerdem durch Interferenzen mit freien Bindungsproteinen in der Serumprobe entstehen (Daughaday 1989). Gr6Bere Mengen an IGF-II messenger-Ribonukleins/iure (mRNS) kommen in der fetalen Leber von Menschen und Ratten sowie in der Skelettmuskulatur und in der Haut vor. Hypothalamus, Gehirncortex, Hirnstamm (Haselbacher 1985) und Thymus enthalten relativ wenig IGF-II (Han 1988; Rotwein 1988). Die Existenz von fetalen und embryonalen Erscheinungsformen von IGF-I und -II ist nachgewiesen worden. Dies deutet auf eine Rolle von IGF w/ihrend der Entwicklung hin. Ebenso sind die IGFs in den verschiedenen K6rperfliissigkeiten nachweisbar. Hizuka et al. berichteten, dab im menschlichen Urin IGF-! nachweisbar ist (Hizuka 1987). Auch Urin IGF-I befindet sich unter der Kontrolle des Wachstumshormons. AuBerdem sind IGFs in der Lymphflfissigkeit (Cohen 1972), im cerebralen Liquor (Haselbacher 1982), in der ovariellen Follikelflfissigkeit (Adashi 1985), in der Samenflfissigkeit (Baxter 1984) und in geringer Konzentration im Speichel (Costigan 1988) und in der menschlichen Milch (Baxter 1984) vorhanden (Tabelle 1). Beachtenswert ist, dab IGF auch yon einigen menschlichen Tumorzellen produziert wird. Die hSchste Konzentration an IGF, die von menschlichen Tumoren erzeugt wird, setzt das MammaKarzinosarkom frei. Zu den Tumoren, die IGF-II synthetisieren, geh6ren embryonale Tumoren wie der Wilms-Tumor (Haselbacher 1987), auBerdem das Neuroblastom, das Hepatoblastom, das Rhabdomyosarkom, das Phfiochromozytom, das Leiomyom, das Leiomyosarkom, das Kolonkarzinom und das Liposarkom (Hoppener 1988). Einige dieser menschlichen Tumoren (Leiomyom, Leiomyosarkom, Colonkarzinom, Liposarkom) synthetisieren sowohl IGF-I als auch -II. Die Rolle von IGF w/ihrend des Tumorwachstums ist noch nicht eindeutig gekl/irt.

E. Weimann und W. Kiess: Insulin-like Growth Factors

Vorkommen bei Tieren

Bei allen bisher untersuchten Wirbeltieren wurden IGFs oder IGF-Strukturhomologe nachgewiesen. Dies weist auf eine ubiquit/ire Rolle der IGFs ffir die Entwicklung und das Wachstum des Organismus im Tierreich hin. D'Ercole beschrieb bereits 1980, dab fetale M/iuseleber und viele andere Gewebe bei der Maus somatomedin/ihnliche Peptide freisetzen. Fetales Lungengewebe produziert die h6chste Menge gefolgt von Niere, Leber, Gehirn, Herz und Intestinum. Bei der Ratte ist die tuRNS ffir IGF-I und IGF-II in nahezu allen Geweben exprimiert (Han 1987; Brown 1986; Shimatsu 1987). Der altersabh/ingige Verlauf der IGF-Spiegel ist besonders bei der Ratte zu beobachten: Bei fetalen Ratten ist der IGF-II Blutspiegel sehr hoch und f/illt postnatal in dem MaBe ab, wie der IGF-I Spiegel steigt. IGF-II kSnnte hier noch mehr als beim Menschen als fetaler Wachstumsfaktor interpretiert werden. Die Expression der IGF-I und -II mRNA wird unterschiedlich reguliert: Das Wachstumshormon beeinfluBt die IGF-! mRNS Expression und f6rdert die IGF-I Transkription (Mathews 1986; Roberts 1987) in vielen Nagetiergeweben. Nach der Gabe von Wachstumshormon steigt der IGF-I mRNS Spiegel innerhalb von drei bis neun Stunden rapide an. Aber nicht nur das Wachstumshormon stimuliert IGF-I, sondern auch Hormone wie das Ostrogen und Ern/ihrungsfaktoren. Emler und Schalch (Emler 1987) wiesen nach, dab w/ihrend des Fastens der IGF mRNS Gehalt in der Rattenleber auf 40% von Vergleichstieren abffillt und innerhalb von 6 Stunden nach der Nahrungsaufnahme den Ausgangswert wieder erreicht. Wie bereits erw/ihnt stimulieren auch Entwicklungsfaktoren die IGF-I Genausprfigung. Bei Ratten stieg die IGF-I mRNS Expression zwischen dem 11. und 13. Tag der Gestation an (Lund 1986). Im Gegensatz zu IGF-I sind die Faktoren, die die IGF-II Genausprfigung regulieren, wenig erforscht.

Molekulare Wirkmechanismen (autokrin, endokrin, parakrin, intrakrin) Bezfiglich der Wirkungsweise der IGFs haben Salmon und Daughaday das folgende endokrinologische Modell vorgeschlagen: Beim klassischen endokrinologischen Modell werden Hormone von sekretorischen Granula ins Blut freigesetzt, wo sie zu entfernten Zielzellen transportiert werden. Beim parakrinen Modell werden Wachstumsfaktoren lo-

E. Weimann und W. Kiess: Insulin-like Growth Factors AUTOKRIN

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PARAKRIN

INTRAKRIN

Cp Abb. 3. Wirkmechanismen (endokrin, autokrin, parakrin, intrakrin). M6gliche Wirkmechanismen von Wachstumsfaktoren (WF). Eine endokrine Wirkung setzt die Sezernierung eines Hormons (bier der IGFs) von einer Drtise in die Blutbahn voraus, lm autokrinen Wirkmodell synthetisiert eine Zelle einen Faktor, der in der Lage ist, direkt auf diese Zelle zu wirken. Beim parakrinen Vorgang wirkt das Syntheseproduct einer Zelle auf eine benachbarte Zelle. Beim intrakrinen Modell verbleibt der wachstumsstimulierende Faktor intrazellulfir und wirkt am intrakrinen Syntheseort

kal sezerniert und agieren auf Nachbarzellen, wogegen im autokrinen Modell ein einziger Zelltyp Wachstumsfaktoren fiir sein eigenes Wachstum produziert. Schliel31ich wird ein intrakrines Modell er6rtert, bei dem die von der Zelle synthetisierten Faktoren intrazellul/ir verbleiben und direkt in ihrem intrazellul/iren Syntheseort wirken (O'Malley 1989) (Abb. 3). Zur Zeit nimmt man aufgrund verschiedener Untersuchungen an, dab IGE beim Feten durch auto- und parakrine Mechanismen wirkt. I G F wird von vielen fetalen Geweben gebildet, kommt aber in der Fetalzeit beim Menschen nur in sehr niedrigen Serumkonzentrationen vor. Abh/ingig yon dem Entwicklungsstand und der Gewebeart werden verschiedene Mechanismen diskutiert: Auto- und parakrine Wirkungen kommen in Geweben mit hoher IGF-I Genauspr/igung und IGF-I Gewebekonzentrationen wie in der Lunge, in der Niere, in ovariellen Granulosazellen, in den Testes, im Skelett und im Zentralnervensystem (ZNS) vor. Diese Mechanismen k6nnen fiir eine lokale Gewebshypertrophie und ffir die Wundheilung verantwortlich sein. Dagegen vermutet man eine endokrine Wirkungsweise, wenn hohe Serumspiegel von IGF-I, zum Beispiel w/ihrend der Pubert/it nachweisbar sind.

IGF-Bindungsproteine

Eine Besonderheit der IGFs besteht darin, dab sie wie bereits kurz erw/ihnt - im Blut nicht frei, sondern an Tr/igerproteine gebunden zirkulieren. Nach einer Konvention, die w/ihrend eines internationalen Symposiums, das 1989 in Vancouver (Kanada) stattfand, erstellt wurde, unterscheidet man mindestens drei Klassen von IGF-Bindungsproteinen: IGF-BP 1, IGF-BP 2 und I G F - B P 3 (Tabelle 2). Diese sind bezfiglich ihrer Struktur und Aminos/iuresequenz charakterisiert. Eine ganze Reihe von Homologen und verwandten Proteinen, die bei verschiedenen Spezies nachgewiesen sind, 1/il3t sich diesen drei Proteinklassen zuordnen (Hinz 1989; Ballard 1989). Die Expression des IGF-BP 1 ist unabh/ingig yon der Sekretion des hypophys/iren Wachstumshormons. IGF-BP 1 hat ein Molekulargewicht von 28 000 Dalton und konnte in hoher Konzentration in der menschlichen Plazenta (sogenanntes ,,protein PP 12") und in der Amnionflfissigkeit nachgewiesen werden. IGF-BP 2 wurde insbesondere im konditionierten Medium yon Ratten B R L 3A Leberzellen und von MBK-Zellen vom Rind gefunden. Auch die Struktur dieses Bindungsproteins ist bekannt. Sein

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E. Weimannund W. Kiess: Insulin-likeGrowth Factors

IGF-Bindungsproteine(IGF-BPs). Mindestens drei Klassen von IGF-BPs sind heute bekannt und chemisch und molekulargenetisch charakterisiert. Bindungsproteine verl/ingern die Plasmahalbwertszeit der IGFs und modulieren ihre biologische Wirkung. IGF-Bindungsproteine(IGF-BP) Tabelle 2.

MG

Quelle

WH- Funktion abh/ingig

IGF-BP-1 28000Dalton Plazenta nein Amnionflfissigkeit IGF-BP-2 27000 Dalton Gehirn ja Liquor IGF-BP-3 53000Dalton Blut(s/iurestabil) serum 29000 Dalton (sfiurelabil)

ja

ZNSEntwicklung 1GF-Reservoir ZNSEntwicklung IGF-Reservoir Screening Minderwuchs IGF-Reservoir

IGF-Rezeptoren. Mindestenszwei Klassenvon IGFRezeptoren werden in nahezu allen Zellen des Organismus exprimiert Tabelle 3.

IGF-Rezeptoren Einteilung: Typ I Rezeptor interagiert mit IGF-I 9 bindet Insulin schwach 9 MG: 450000 Dalton 9 TyrosinkinaseAktivitfit 9 /ihneltdem Insulinrezeptor 9 vermitteltmitogeneAntwort von IGF-I Typ II Rezeptor interagiert mit IGF-II 9 bindet Insulinnicht 9 MG: 260000 Dalton 9 keineTyrosinkinaseaktivitfit 9 homologmit dem Mannose-6-P-Rezeptor(ci) 9 besitztzwei Bindungsstellen: 9 eine ffir IGF-II 9 zweifiir Man-6-P enthaltendelysosomaleEnzyme Vorkommen: 9 ubiquitfir, 9 Regulationdurch hormonelleFaktoren

Vorkommen im Gehirn und Liquor 1/il3t Spekulationen fiber eine m6gliche Bedeutung bei der Entwicklung des ZNS zu (Brown 1989). IGF-BP 3 ist ein komplexes Protein, das aus mindestens zwei Untereinheiten, einer s/iurestabilen und einer s/iurelabilen Einheit (Molekulargewicht 53000 Dalton bzw. 29000 Dalton) besteht (Martin 1987; Baxter 1986 a). Dieses Protein dominiert im Serum von Erwachsenen und wird direkt v o n d e r Sekretion des hypophys/iren Wachstumshormons gesteuert: Hohe Serumkonzentrationen werden bei Akromegalie-Patienten mit hoher Wachstumshormonsekretion; sehr niedrige Serumwerte werden bei minderwfichsigen Patienten, denen Wachstumshormon fehlt, gemessen. Die Bestimmung der 53 000 Dalton Untereinheit bei minderwfichsigen Kindern scheint die ScreeningUntersuchung der Wahl zu sein, um einen Wachstumshormonmangel zu entdecken oder auszuschliegen (Blum 1988; Ranke 1985).

Dieser Rezeptor besitzt keine Tyrosinkinaseaktivit/it. Der Typ-II IGF-Rezeptor ist identisch mit dem Kationen-unabh/ingigen Mannose-6-Phosphat Rezeptor (Morgan 1987; Mac Donald 1988) (Tabelle 3). Eine modifizierte Form des Typ I IGF-Rezeptors scheint die beiden klassischen IGF-Rezeptortypen zu erg/inzen. Von diesem Rezeptortyp nimmt man an, dab er zwar IGF-II mit hoher Affinit/it bindet, ansonsten aber dem IGF-I Rezeptor sehr /ihnelt (Casella 1986; Shier 1989). Ein solcher Rezeptor k6nnte die mitogene Aktivit/it w/ihrend der Fetalzeit vermitteln. Die meisten Zellen, die bis jetzt untersucht wurden, besitzen sowohl den Typ I als auch den Typ II Rezeptor. Die genaue Funktion der beiden Rezeptortypen ist noch nicht bekannt. Es ist jedoch belegt, dal3 der Typ I Rezeptor ffir die mitogene Antwort der IGFs in einigen Zellen verantwortlich ist (Kiess 1987a; Rechler 1990).

IGF-Rezeptoren

Vorkommen der Rezeptoren im Serum

Zwei zellul/ire Oberfl/ichenrezeptoren ffir die IGFs sind bis jetzt beschrieben worden. Der Typ-I Rezeptor interagiert mit h6chster Affinit/it mit IGF-I. Er bindet Insulin schwach und /ihnelt strukturell zu 85% dem Insulinrezeptor. Einige monoklonale Antik6rper, die gegen Insulin-Rezeptoren gerichtet sind, erkennen auch den Typ I IGF-Rezeptor (Ullrich 1985). Der Typ II Rezeptor bindet I G F II mit h6chster Affinit/it und erkennt Insulin nicht.

Kiess et al. hatten in frfiheren Untersuchungen ein Protein im fetalen Rattenserum gefunden, das die F/ihigkeit besal3, spezifisches, radiomarkiertes IGF-II zu binden. Dieses Protein war gr613er als alle bekannten IGF-Bindungsproteine (siehe IGFBindungsproteine) und hatte die Charakteristika des Typ II IGF-Rezeptors (Kiess 1987). Im fetalen Rattenserum mit 19 Gestationstagen und in Seren von 3-, 10- und 20 Tage alten Ratten betrug die

E. Weirnann und W. Kiess: Insulin-like Growth Factors

Rezeptor Konzentration 1-5 gg/ml. Der Spiegel des Typ-II IGF Rezeptors fiel dramatisch postnatal zwischen dem 20. und 40. Tag ab. Im Alter von 12 Monaten war der Rezeptor noch megbar. Die Forschungsgruppe schlol3 daraus, dab der Typ II IGF Rezeptor im Serum vorkommt und bei der Ratte entwicklungsm/iBig reguliert wird. Der Typ I IGF Rezeptor ist dagegen im Serum nicht vorhanden.

Strukturhomologien Die Klonierung und Sequenzierung des IGF-II Rezeptors (MacDonald 1988; Morgan 1987) sowie seine biochemischen Charakteristika (Kiess 1988) zeigen, dab es sich bei dem Typ II IGF Rezeptor und dem Kationen-unabh/ingigen Mannose-6Phosphat (Man-6-P)-Rezeptor um das gleiche Protein handelt. Der IGF II/Mannose-6-PhosphatRezeptor hat drei Bindungsstellen (Kiess 1989): Zwei ffir den Mannose-6-Phosphat Marker ffir lysosomale Enzyme und eine ffir IGF-II. U m die Frage zu kl/iren, ob IGF-II die zellul/ire Aufnahme des lysosomalen Enzyms/~-Galaktosidase regulieren kann, indem es die Bindung von//-Galaktosidase an den IGF-II/Man-6-P Rezeptor moduliert, wurden verschiedene Untersuchungen durchgefiihrt (Kiess 1989 a). Man schlol3 aus den Ergebnissen, dab IGF-II die zellul/ire Aufnahme von ~-Galaktosidase hemmt. Diese Hemmung ist teilweise dutch die F/ihigkeit von IGF-II erkl/irbar, die Bindung von//-Galaktosidase an den IGF-II/Man-6-P Rezeptor zu inhibieren. IGF-II ist damit vielleicht in der Lage, den Transport von lysosomalen Enzymen in die Zelle und innerhalb der Zelle zu regulieren.

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Enzymen wurde von verschiedenen Autorengruppen erarbeitet (von Figura 1986; Kornfeld 1987; Dahms 1989; Pfeffer 1988). Nach heutigem Wissensstand vermittelt der IGF-II/M-6-P-Rezeptor den Transport neusynthetisierter lysosomaler Enzyme, die den Mannose-6-Phosphat Erkennungsmarker tragen, vom Golgi-Apparat fiber ein pr/ilysosomales Kompartiment zu den funktionsf/ihigen, reifen Lysosomen. 90% aller zellul/iren IGF-II/ Man-6-P-Rezeptoren scheinen intrazellul/ir zu liegen. Dagegen sind nur 10% des zellul/iren Rezeptorpools an der Zelloberfl/iche anzutreffen. Diese Oberfl/ichenrezeptoren sind ihrerseits in der Lage, extrazellulfire lysosomale Enzyme wieder in die Zelle zu internalisieren. Die Oberflfichenrezeptoren und der intrazellul/ire Rezeptorpool stehen in stfindigem Austausch. Die Rolle der IGF-II Bindung an dieses multifunktionale Transportprotein ist noch unklar. Als Hypothese wird diskutiert, dab IGF-II den Transport lysosomaler Enzyme innerhalb der Zelle sowie die Aufnahme von lysosomalen Enzymen aus dem Extrazellul/irraum in die Zelle modulieren kann (Braulke 1989; Kiess 1989). Biologische Wirkung der IGFs in vitro

Zellproliferation Die Replikation vieler Zellen in vitro ist nicht nur von IGF abh/ingig, sondern ben6tigt das zeitliche und r/iumliche Zusammenwirken einer Reihe verschiedener Wachstumsfaktoren, sogenannter Kompetenz- und Progressionsfaktoren (Pledger 1977). Die IGFs werden dabei zu den Progressionsfaktoren gerechnet.

Wirkung auf Fettzellen Biologische Bedeutung der IGF-Rezeptoren U m die biologische Wirkung des Typ II IGF-Rezeptors zu definieren, stellten Kiess et al. (Kiess 1987a) ein blockierendes Antiserum dutch Immunisierung von Kaninchen mit gereinigtem Ratten Typ II IGF-Rezeptor her. Die Gruppe beobachtete, dab der Typ II IGF-Rezeptor nicht die IGF Stimulation von N-Methyl-alpha-Aminobutters/iure- und die 2-Desoxylglukose-Aufnahme und Proteinsynthese in L6 Myoblasten vermittelt. Vermutlich erfolgt diese biologische Antwort dutch den Typ I Rezeptor. Der anti-Typ II Rezeptor AntikSrper hemmte die IGF-II Degradation im Medium. Dies 1/iBt vermuten, dab der Haupt-Degradationsweg ffir IGF-II den Typ II IGF Rezeptor ben6tigt. Die Rolle des IGF-II/Mannose-6-Phosphat-Rezeptors beim Transport von lysosomalen

IGF kann im Fettgewebe die gleichen Aufgaben wie Insulin iibernehmen (z.B. Stimulierung der Glukoseoxidierung, Lipid- und Glykogensynthese und Hemmung der epinephrinstimulierten Lipolyse). Diese Wirkungen werden wahrscheinlich durch die Interaktion yon IGF mit dem Insulinrezeptor vermittelt. Zapf fand heraus (Zapf 1981), dab IGF-II in isolierten Fettzellen wirksamer als IGF-I ist, obgleich keines der Peptide eine hShere biologische Wirkung als 5% des Insulins besitzt.

Wirkung auf Muskelzellen In der Muskulatur nimmt IGF Insulin-/ihnliche Aufgaben wie die Stimulierung des Glukose-Transports, der Glykolyse und die Glykogen-Synthese

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wahr. Meuli und Froesch wiesen 1976 in in-vitro Studien nach, dab IGF im Muskel in geringerer Konzentration als im Fettgewebe wirksam ist. Zapf schloB aus diesen Studien (Zapf 1981), dab IGF sowohl via seinen eigenen Rezeptor als auch via Insulinrezeptor im Herzmuskel reagiert. Dagegen ist die Wirkung im Fettgewebe wahrscheinlich auf den Insulinrezeptor zurfickzuffihren.

Wirkung auf Neurogliazellen Zur Erforschung der Rolle von IGF bei Neurogliazellen des Zentralnervensystems wurden in einer Studie Ratten-C6-Gliazellen als Modellsystem genutzt (Kiess 1989). IGF-I und IGF-Bindungsprotein(e), abet nicht IGF-II wurden in C6-Gliazell konditioniertem Medium gemessen. Der Spiegel yon IGF-I, der auf menschlichem IGF-Standard basierte, betrug 1-4 ng/ml Kulturmedium. Das immunoreaktive IGF-I hemmte die IGF-I Bindung am IGF-I Rezeptor auf H/ihnerembryofibroblasten und stimulierte die Thymidin-Inkorporation in die Hfihnerembryofibroblasten-DNA. Die Anwesenheit yon IGF-I Rezeptoren (Typ I) und IGFII/Mannose-6-Phosphat Rezeptoren (Typ If) wurde auf C6-Gliazell-Membranen nachgewiesen. Ein anti-IGF-II Rezeptor-Antik6rper verhinderte vermutlich durch die Blockierung der rezeptorvermittelten Internalisierung - die Degradation von IGF-II. Eine autokrine Rolle ffir IGF bei den C6-Gliazellen konnte nicht eindeutig nachgewiesen werden. Es wird vermutet, dab das aus Neurogliazellen stammende IGF-I als parakriner Wachstumsstimulus im zentralen Nervensystem wirkt (Gammeltoft 1985; Haselbacher 1982). Biologische Wirkung der IGFs in vivo

Wachstum Nach der Somatomedin-Hypothese vermitteln die Somatomedine zwischen dem hypophysfiren Wachstumshormon und seiner wachstumsstimulierenden Wirkung. Rothstein und seine Kollegen demonstrierten 1980, dab die IGFs die DNA-Synthese und Mitose des Linsenepithels bei Fr6schen stimulieren. AuBerdem zeigte diese Gruppe, dab die Gabe von Wachstumshormon oder Thyroxin bei hypophysektomierten Ochsenfr6schen eine Erh6hung von IGF-fihnlichen Substanzen im Blut bewirken kann. Wenn IGF-I hypophysektomierten Fr6schen gegeben wurde, konnte nach zwei Wochen eine erh6hte Mitoseaktivitfit und vermehrte DNA-Synthese im Linsenepithel beobachtet wer-

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den (Rothstein 1980). Schoenle wies 1982 nach, dab insulin/ihnliche Wachstumsfaktoren das Wachstum bei hypophysektomierten Ratten stimulieren k6nnen. Spfitere Studien dieser Gruppe unterstfitzten die Theorie, dab IGF-I das in vivo Wachstum f6rdert (Schoenle 1982). Wenn IGF-I Ratten verabreicht wird, die unter einem Wachstumshormonmangel leiden, verdoppelt sich der Effekt einer ,,low-dose" Wachstumshormongabe. Gem/iB der These von Daughaday vermittelt IGF-I die Wirkung des Hypophysenwachstumshormons (Daughaday 1989).

Wirkung auf Knorpel und Knochen Zusfitzlich zur Stimulation der Proteoglykan- und DNA-Synthese stimulieren die IGFs die Synthese yon RNA, Kollagen und Nichtkollagenproteinen im Knorpel (Schwein-, Ratten-, Hfihner-, Kaninchen-, Kuh- und Menschenknorpel). Der Knorpel junger Tiere ist empfindlicher als der/ilterer Tiere (Vetter 1986). Canalis und Raisz zeigten 1983, dab die IGFs zusfitzlich zu ihrer Wirkung auf den Knorpel auch auf das Knochenwachstum wirken (Canalis 1983). Sie wiesen nach, daB IGF-II die DNA-, Kollagen- und nichtkollagene Proteinsynthese bei fetalen Ratten stimuliert, wobei Insulin keine Wirkung auf diese Gewebe hat. Die Wirkung yon IGF auf die Knochen DNA-Synthese wurde im periostalen und nichtperiostalen Knochen nachgewiesen. Dies lfiBt einen EinfluB auf Fibroblasten, Vorstufenzellen und Osteoblasten vermuten. Es scheint, dab IGF eine stimulierende Wirkung sowohl auf Osteoblasten, als auch auf die Kollagensynthese und auf die Knochenzellproliferation hat. Aufgrund der derzeitigen Ergebnisse kann man sagen, dab Insulin den Effekt von IGF auf die Kollagensynthese simuliert, aber selbst keine Wirkung auf die Knochen DNA-Synthese hat.

Feedback Regulation IGFs nehmen wichtige Aufgaben beim Feedback Mechanismus des Wachstumshormons (WH/GH) wahr. Brazeau demonstrierte 1982, dab IGFs auf dem Hypophysenniveau die Wachstumshormonfreisetzung beeinflussen, indem sie die Freisetzung von Wachstumshormon in Prim/irkulturen von Hypophysenzellen inhibieren (Brazeau 1982). Die Beziehung zwischen Wachstumshormon und IGFs ist vergleichbar mit dem Wirkmechanismus zwischen ACTH und Cortisol oder TSH und Thyroxin.

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Wirkung der IGFs in der Fetalzeit Die Beobachtungen, dab fetale Gewebe in der Kultur IGFs produzieren, und dab IGF-Rezeptoren (besonders ffir IGF-II) in den Membranen von fetalem Gewebe vorkommen, 1/il3t darauf schlieBen, dab die IGFs bei der fetalen Entwicklung eine Rolle spielen. Im menschlichen Umbilikalvenenblut wurden 50% des Erwachsenenwertes von IGF gemessen. Die IGF-Spiegel korrelierten mit dem Geburtsgewicht und Gestationsalter (Bennett 1983; Gluckmann 1983). Obwohl die pr/i- und perinatalen Anderungen von IGF-I und IGF-II auf eine Beziehung mit fetalem und neonatalem Wachstum hindeuten, kann zur Zeit noch keine endgfiltige Aussage fiber die Funktionen vom IGF wfihrend der fetalen Entwicklung getroffen werden (Hill 1987). Interaktion mit Insulin Bei Ratten mit experimentell induziertem Diabetes mellitus sind die zirkulierenden IGF-Spiegel gegenfiber denen von Kontrolltieren (Franklin 1979; Phillips 1977) sehr niedrig. Dies korreliert mit dem erniedrigten Wachstumshormonspiegel (Tannenbaum 1981) und der geringen Konzentration von Wachstumshormonrezeptoren auf den Lebermembranen (Baxter 1980a) bei diesen Tieren. Insulin moduliert andererseits aber direkt die Konzentration der IGF-Bindungsproteine (B6ni-Schnetzler 1989) und die Expression der mRNS ffir IGF-Bindungsproteine. Klinische Bedeutung der IGFs beim Menschen

Wirkung der IGFs auf das Nervensystem Trotz einer Reihe detailierter in vitro Untersuchungen ist die Rolle der IGFs im ZNS immer noch spekulativ. Bei einer Fallbeobachtung wurden bei einem Feten mit Makrozephalus exzessive Konzentrationen von IGF-II im Liquor- und Hirngewebe gemessen (Schoenle 1986). Dies deutet auf ein m6gliches klinisches Korrelat der IGF Wirkung im ZNS. Verschiedene Untersuchungen zur Wirkung der IGFs bei der Nervenregeneration nach einer Verletzung peripherer Nerven werden zur Zeit durchgeffihrt (Skottner 1988) (Tabelle 4). Akromegalie Clemmons wies 1979 nach, dab der IGF-I Spiegel bei 55 Patienten mit aktiver Akromegalie erh6ht war. Die Untersuchung wurde bei 200 Patienten

993 Tabelle 4. M6gliche klinische Anwendung der IGFs zu diagnostischen oder therapeutischen Zwecken Klinische Anwendung von IGF : 9 Akromegalie 9 Hypopituitarismus 9 Wachstum 9 Zwergwuchs 9 Wundheilung 9 Tumoren 9 Nervenregeneration 9 Diabetes mellitus 9 Hyperlipoproteinfimie

Tabelle 5, IGF-Spiegel bei verschiedenen Erkrankungen beim Menschen

Akromegalie Hypopituitarismus Pygm/inen Laronscher Zwergwuchs Diabetes mellitus Leberzirrhose Nierenversagen

IGF I

IGF II

erh6ht subnormal subnormal erniedrigt erniedrigt erniedrigt erniedrigt

normal (erniedrigt) normal erniedrigt erniedrigt

mit aktiver Akromegalie wiederholt, und es wurden /ihnliche Ergebnisse erzielt (Clemmons 1981; Furlanetto 1977; Zapf 1981) (Tabelle 5). In Clemmons Studie (Clemmons 1981) gab es mehrere Patienten mit aktiver Akromegalie und Hypophysentumoren, die erh6hte IGF-I Spiegel, aber einen normalen Wachstumshormonspiegel aufwiesen. Die IGF-I Spiegel korrelierten besser mit dem klinischen Auspr/igungsgrad als der Wachstumshormonspiegel, der in Glukosetoleranz-Tests oder Suppressionstests gemessen wurde. In einer Studie, die die Wirkung von Bromocriptin bei Akromegalie untersuchte (Wass 1982), stellte man fest, dab eine bessere Beziehung zwischen Klinik und den IGF-Spiegeln als zu den Wachstumshormonspiegeln besteht. Auch andere Studien wiesen nach, dab die IGF-I Spiegel bei Patienten mit Akromegalie signifikant h6her als bei gesunden Erwachsenen sind (Baxter 1982; Furlanetto 1977; Zapf 1978). Eine Ausnahme stellen jugendliche Patienten in der Pubert/it dar, bei denen diese Beziehung nicht zutrifft. Im Gegensatz zu den IGF-I Spiegeln sind immunoreaktive IGF-II Spiegel bei Patienten mit Akromegalie nicht signifikant gegenfiber denen von Gesunden erh6ht (Hintz 1982; Zapf 1981; Daughaday 1981). Eventuell kann die Messung der IGF-I Spiegel bei Patienten, die an einer Akromegalie erkrankt sind, andere teure und zeitaufwendige Nachweistests ersetzen.

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Der IGF-I Spiegel bei Patienten mit Akromegalie korrelierte in Untersuchungen mit der klinischen Aktivitilt: Wenn Akromegalie-Patienten mit Ostradiol behandelt wurden, fiel der vorher erh6hte IGF-I Spiegel ab. Bei Patienten, die Bromocriptin erhielten, beobachtete Wass (Wass 1982), dab bei einer klinischen Besserung der IGFI Weft um 30% abnahm. Ein Wachstumshormonabfall kam dagegen nur selten vor. Im Gegensatz zu diesen Ergebnissen stellte Carlson (Carlson 1984) fest, dab weder der Wachstumshormonnoch der IGF-Spiegel mit der Klinik korrelierten. Stonesifer (Stonesifer 1981) fand kaum eine Relation zwischen symptomatischer Besserung und den IGF-I und Wachstumshormonspiegeln und war deshalb der Meinung, dab die Messung yon IGF-I keinen Vorteil gegeniiber der Messung des Wachstumshormons bringt. Diese kontroversen Untersuchungsergebnisse sollten den Blick auf die m6gliche klinische Bedeutung der IGF-I Messung bei Akromegaliepatienten aber nicht verstellen. Der IGF-I Spiegel k6nnte als zusiltzlicher Laborparameter bei der Diagnostik der Akromegalie genutzt werden (Tabelle 4). Der Therapieerfolg (operativ oder Radiotherapie) kann damit frfihestens sechs bis acht Wochen nach einer Operation beurteilt werden, da der IGF Spiegel in dieser Zeit noch sinkt. Ein normaler IGF-Spiegel bei normaler Leberfunktion und normalem Ernilhrungszustand schliel3t eine Akromegalie aus oder weist auf eine erfolgreiche Therapie hin. Bei der Beurteilung ist zu beachten, dal3 illtere Patienten niedrigere IGFSpiegel aufweisen. Zapf (Zapf 1986) schlilgt vor, bei einem Verdacht auf Akromegalie wie folgt vorzugehen: Als erste MaBnahme sollte die Beurteilung der klinischen Beschwerden, die Bestimmung des Wachstumshormonspiegels unter Glukosebelastung, eine R6ntgenaufnahme oder ein Computertomogramm der Sella erfolgen. Falls ein oder mehrere Faktoren nicht eindeutig interpretierbar sind, wilre zusiltzlich eine IGF-Bestimmung im Serum sinnvoll. Die Blutabnahme kann zu jeder Tageszeit erfolgen, da der IGF Spiegel keinen Tagesschwankungen unterworfen ist. Ein Hindernis ftir die IGF-Bestimmung kSnnte darin bestehen, dab diese Untersuchung zur Zeit nut von einigen Speziallabors durchgeffihrt wird.

Hypophysdrer Minderwuchs Die Synthese und Serumkonzentration von IGF-I werden direkt vom hypophysilren Wachstumshormon (WH/GH) reguliert. Hohe Konzentrationen von WH bewirken hohe IGF-I Serumkonzentrationen (klinisches Beispiel: Akromegalie), niedrige

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Konzentrationen von GH ffihren zu einer niedrigen IGF-I Serumkonzentration (klinisches Beispiel: Hypophysilrer Minderwuchs). Diese Tatsache wird zur Diagnostik des hypophysilren Minderwuchses genutzt (Furlanetto 1977; Zapf 1981). Schwierig ist dabei die Erfassung des Wachstumshormonmangels beim Silugling und Kleinkind, da im frfihen Kindesalter die IGF-I Serumkonzentration niedrig und nahe der Nachweisgrenze immunologischer Mel3methoden (Radioimmunoassays) liegen. Hier scheint die Messung des WH-abhilngigen Trilgerproteins (IGF-BP 3) deutlich bessere diagnostische Sicherheit (Spezifitilt und Sensitivitilt) zu bieten (Baxter 1986a; Blum 1989). Die Beziehung zwischen dem hypophysilren Wachstumshormon und IGF-II ist nicht eindeutig. Bei Erwachsenen mit isoliertem Wachstumshormondefizit war der IGF-II Spiegel im Vergleich zu gesunden Erwachsenen (647 ng/ml) signifikant erniedrigt (252 ng/ml) (Blum 1989) (Tabelle 5). Beim schweren Hypopituitarismus ist der RIA IGF-I Spiegel subnormal (unter 0,25 U/ml (=43,5 ng/ml), normaler Wert bei Erwachsenen: 1 U/ml (174ng/ml)). Nach Rudman (Rudman 1981) k6nnte der Anstieg der IGF-I Werte nach einer 10-tilgigen Gabe einer Wachstumshormoninjektion bei Kindern mit Minderwuchs dazu beitragen, zwischen einem Hormondefizit bzw. der Sekretion einer biologisch inaktiven Form von Wachstumshormon zu unterscheiden oder ein Wachstumsdefizit aufgrund anderer Ursachen auszuschliel3en. Da der IGF-Spiegel vom zirkulierenden Wachstumshormonspiegel abhilngig ist, wurden neue Nachweismethoden entwickelt, um zwischen IGF-Spiegeln von Gesunden und Patienten mit einer Wachstumshormonerkrankung zu unterscheiden, Der IGF-I Serumspiegel beim Hyposomatotropismus betrilgt 15-25% von dem Gesunder (Baxter 1982; Dean 1982; Zapf 1978). Bei Kindern, bei denen ein Wachstumshormondefizit nachgewiesen wurde, korreliert der Grad der Wachstumsretardierung, der durch die Relation Knochenalter zu chronologischem Alter ausgedriickt wird, mit dem Serum IGF-I Spiegel (Schiffrin 1978). Zapf mal3 Werte von 39% (Zapf 1981) und Hintz von 34% (Hintz 1982) der normalen Erwachsenenwerte (siehe auch Tabelle 5). Wenn eine Wachstumshormonbehandlung bei Kindern mit nachgewiesenem Wachstumshormondefizit durchgeffihrt wird, steigt der immunoreaktive IGF-I Spiegel innerhalb weniger Stunden an. Der Maximalwert wird innerhalb von 24 Stunden nach der Gabe des Wachstumshormons erreicht (Copeland 1980).

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Daughaday etal. (Daughaday 1981) wiesen nach, dab bei Kindern mit einem Wachstumshormondefizit der IGF-II RRA Spiegel nut 68% yon dem Gesunder betr/igt. Rosenfeld (Rosenfeld 1981) beobachtete, dab ein Anstieg des Serum IGF-I bei Kindern mit einem Wachstumshormondefizit, der w/ihrend der ersten fiinf Tage der Behandlung von Wachstumshormon gemessen wird, einen Vorhersagewert ftir den Wachstumsfaktorspiegel liefert, der sechs Monate nach der regul/iren Wachstumshormongabe besteht. Zu bedenken ist, dab auf Grund des geschilderten altersabh/ingigen Verlaufs der IGFs ein frfihzeitiger Nachweis eines Hypopituitarismus mit Hilfe der IGFs bei sehr kleinen Kindern nicht m6glich ist. Hier wird in der Zukunft m6glicherweise die radioimmunologische Bestimmung des Wachstumshormon-abh/ingigen IGF-Bindungsproteins-3 bessere diagnostische Sensitivit/it und Spezifitfit bringen (Ranke 1988; Blum 1989) (Tabelle 5).

Laronscher Zwergwuchs Dieser sehr selten auftretende Zwergwuchs kommt bei Ashkenazy-Juden vor und wird autosomal-rezessiv vererbt. Diese Symptome sind vergleichbar mit Kindern, die unter einem schwerem Wachstumshormondefizit leiden. Beim Laronschen Zwergwuchs besteht ein prim/irer Rezeptordefekt, auf Wachstumshormon zu reagieren. Der Wachstumshormonspiegel ist erh6ht, die IGFI und -II Spiegel sind stark erniedrigt. Sie steigen nicht an, wenn Wachstumshormon gegeben wird (Laron 1971) (Tabellen 4, 5). Die erythropoetischen Stammzellen reagieren nicht auf die normale Wirkung von Wachstumshormon (Zapf 1978). Dies deutet auf eine weitverbreitete Wachstumshormonresistenz auch bei anderen Geweben hin (Golde 1980). Eine Erklfirung hierffir lieferte die Beobachtung von Eshet (Eshet 1984), der Lebermembranen von Laron-Zwergwiichsigen pr/ipariert hat und feststellte, dab sie im Gegensatz zum Insulin Wachstumshormon nicht binden k6nnen. Er schloB daraus, dab das Fehlen von Wachstumshormonrezeptoren niedrige Spiegel von IGF-I verursachen kann. In der Zwischenzeit wurden niedrige Spiegel von zirkulierenden Wachstumshormonrezeptoren bei solchen Patienten nachgewiesen (Baumann 1988; Daughaday 1987).

Pygmiinen Bei der Blutuntersuchung yon Pygm/inen stellte man fest, dab der IGF-I Spiegel subnormal ist, wohingegen die IGF-II Spiegel normal sind (Meri-

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mee 1987) (Tabellen 4, 5). Dabei scheint vor allem der Anstieg von IGF-I mit der Pubertfit bei Pygm/inen zu fehlen. Dieses Ergebnis wurde dahingehend gedeutet, dab die Pygm/inen einen spezifischen Defekt beztiglich der F/ihigkeit aufweisen, auf Wachstumshormon mit der Bildung von IGF-I zu reagieren (Baumann 1988).

Leberversagen und Leberzirrhose Leberversagen ist mit niedrigen IGF-I Spiegeln assoziiert, aber es ist unklar, ob diese aufgrund der Gewebszerst6rung (der gr6Bte Anteil des IGFs wird ja in der Leber synthetisiert) oder der generalisierten Malnutrition zustande kommen. Im allgemeinen ftihrt jede Erkrankung mit einer erniedrigten Proteinsynthese zu einer erniedrigten IGF-I Konzentration. Daher hat die IGF-I Untersuchung keinen spezifischen Aussagewert bei Erkrankungen, die mit einer erniedrigten Proteinsynthese einhergehen. Allerdings scheinen die IGF-I Serumspiegel gut mit der Ern/ihrungslage des Organismus zu korrelieren (katabol/anabol). Zapf (Zapf 1978) hat bei Patienten mit Leberzirrhose einen 89%igen Abfall des immunoreaktivem IGF-I und einen 74%igen Abfall des Gesamt-IGFs durch einen Protein-Bindungsassay, der bevorzugt IGF-II miBt, festgestellt (Tabelle 5).

Nierenerkrankungen Beim Nierenversagen stellte Goldberg 1982 fest, dab bei 22 Patienten die IGF-I Konzentration reduziert war, wohingegen die Bindungskapazit/it bei sieben ur/imischen Seren ffir IGF-I angestiegen war (Goldberg 1982). Man vermutet, dab beim Nierenversagen eine ver/inderte Relation vom Bindungsprotein zum IGF-I existiert (Tabelle 5). Von Patienten mit chronischem Nierenversagen wird berichtet, dab die Serum-IGF-Bioaktivit/it niedrig ist und nach der Transplantation ansteigt (Saenger 1974; Takano 1979). Dies widerspricht den Nachweismethoden mittels RRA oder RIA, bei denen erh6hte Werte nachgewiesen wurden (Schiffrin 1978, Takano 1976). Die Unstimmigkeit in den Nachweismethoden kann auf die als Inhibitoren bezeichneten Tr/igerproteine (IGFBPs) zurtickgeffihrt werden, die sowohl im urfimischen Serum als auch beim Diabetes mellitus und w/ihrend des Fastens vermehrt vorhanden sind (Powell 1986). Eine Erkl/irung ffir die unterschiedlichen Ergebnisse zwischen RIA und RRA Messungen ftihrte Goldberg (Goldberg 1982) aufgrund seiner Untersuchungen yon Urinproben an: Er fand niedrige immunoreaktive IGF-I Spiegel in

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sauren, Ethanol extrahierten Urinproben und erh6hte Werte ffir IGF-II. Die IGF-Bindungskapazit/it war im ur/imischen Serum h6her als normal. Hohe IGF-II Werte wurden durch den RRA nachgewiesen. Unterschiede zwischen gesundem und urfimischem Serum hinsichtlich vorhandener Antik6rper oder zirkulierender Rezeptoren k6nnten darfiber hinaus zu erh6hten Werten in den Urinproben ffihren.

Diabetes rnellitus Als bekannt wurde, dab beim Diabetes mellitus hohe IGF-Spiegel vorkommen kannen, wurde angezweifelt, ob IGF zur Glukose-Hom6ostase beitr/igt (Van Wyk 1984; Salardi 1987). In zwei Studien waren die IGF-I Spiegel aber bei insulinabhfingigem Diabetes mit schwerer proliferativer Retinopathie doppelt so hoch wie in der Kontrollgruppe mit leichter oder ohne Retinopathie (Ashton 1983; Merimee 1983). Beim insulinunabh/ingigen Diabetes wurde fiber eine erh6hte Antwort yon IGF-I auf eine Wachstumshormon-Infusion (Grecu 1984) berichtet. Im Gegensatz dazu stellte Grecu erniedrigte Spiegel yon immunoreaktivem IGF-I bei Erwachsenen im Alter von 20 bis 70 Jahren mit insulinabh/ingigem oder insulinunabh/ingigem Typ-II Diabetes fest. Erniedrigte IGF-I Werte wurden auch beim neonatalen Diabetes gemessen (Blethen 1981). Da man weil3, dab der Wachstumshormonspiegel des Menschen beim Diabetes erh6ht ist (Hansen 1970) - im Gegensatz zu einem erniedrigten Wert bei diabetischen Ratten 1/iBt der niedrige IGF-I Spiegel auf die M6glichkeit schliel3en, dab die Leber bei diesen Patienten resistent auf das Wachstumshormon reagiert (Tabelle 5). Dies k6nnte mit dem Verlust an Wachstumshormon-Rezeptoren in der Leber verbunden sein (Guler 1987; Scheiwiller 1986). -

Hyperinsuliniimie Da bei einem Insulindefizit erniedrigte IGF-Spiegel vorkommen, kam die Frage auf, ob eine Hyperinsulin/imie mit erh6hten IGF-Spiegeln assoziiert ist. Kinder mit einer Hyperinsulin/imie und einem Wachstumshormondefizit hatten nach der Entfernung eines Kraniopharyngeoms normale IGFSpiegel (Bucher 1983). Diese Beobachtung ffihrte zu der SchluBfolgerung, dab hohe Insulinspiegel die IGF Bildung in der Abwesenheit von Wachstumshormon stimulieren k6nnen. In einer anderen Studie fiber Kinder mit erh6hten Insulinspiegeln und normaler Wachstumshormonstimulation war weder der IGF-I noch der IGF-II Spiegel erh6ht (Blethen 1981).

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Das Ergebnis entspricht einer Untersuchung an Ratten, wo ein erniedrigter Seruminsulinspiegel signifikant mit einem niedrigen Rezeptor-reaktiven IGF-Spiegel korrelierte. Hohe Insulinspiegel waren aber nicht mit einem Anstieg yon IGF fiber den Normalwert assoziiert (Baxter 1980). Insulin scheint aul3erdem die Synthese und Serumkonzentration von IGF-Tr/igerproteinen direkt zu regulieren (Binz 1989; B6ni-Schnetzler 1989). Wahrscheinlich beeinfluBt Insulin die IGFSynthese und IGF-BP-Synthese reziprok: Im Tierversuch ffihrt Insulin teilweise zu einer erh6hten IGF-BP-Synthese und zu einer erniedrigten IGF-ISynthese. Die biologische Bedeutung dieses Phfinomens ist unklar (Guler 1989). Ein Nettoeffekt auf die Glukose-Hom6ostase sowie auf Wachstumsprozesse wird diskutiert.

Hypoglykiimie verursacht durch nicht-pankreatische Tumoren Zu der These, dab Hypoglyk/imien bei nicht-pankreatischen Tumoren mit erh6hten Wachstumsfaktorspiegeln einhergehen, existieren verschiedene Studien: Wenn RRA Nachweismethoden angewendet werden, findet man erh6hte IGF-II Spiegel bei Tumorpatienten (Daughaday 1981; Megyesi 1974). lm Gegensatz dazu ist bei RIA Nachweismethoden kein Anstieg von IGF-II Spiegeln erkennbar. Die IGF-I Spiegel sind leicht erh6ht (Widmer 1982; Zapf 1980, 1981). Es ist noch nicht gekl/irt, warum verschiedene Laboratorien zu widersprfichlichen SchluBfolgerungen kommen. Die fiberwiegende Meinung ist, dab IGF-I und -II bei einer durch einen Tumor induzierten Hypoglyk/imie nicht erh6ht sind. Es kann abet nicht ausgeschlossen werden, dab Peptide von einigen Tumoren sezerniert werden, die mit dem IGF-II RRA, nicht aber durch den RIA nachgewiesen werden k6nnen. Neue Untersuchungen best/itigen eine Beteiligung von IGF-II an manchen Tumorhypoglyk/imien (Daughaday 1989a; Ron 1989).

Hypothyroidismus Der prim/ire Hypothyroidismus bei Kindern ist mit einer signifikanten Wachstumsretardierung vergesellschaftet, obwohl die Wachstumshormonsekretion nicht immer herabgesetzt ist (Chernausek 1983). In Bioassays (Marek 1981) und kompetitiven Proteinbindungsassays (Draznin 1980) sind die Serum IGF-I Werte erniedrigt. Beim RRA existiert kein Unterschied zwischen gesunden und hypothyreoten Personen (D'Ercole 1977; Takano 1976). Eine einzige Wachstumshormoninjektion verursacht einen rapiden Anstieg des IGF-I. Dies zeigt,

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dab kein Defekt bezfiglich der F/ihigkeit besteht, auf Wachstumshormon zu reagieren. AuBerdem kann man daraus schlieBen, dab der Hypothyroidismus die IGF-I Synthese selbst nicht inhibiert (Chernausek 1983). Die genauen Mechanismen, durch die das Thyroidhormondefizit den IGF-I Spiegel erniedrigt, sind nicht bekannt.

Hyperprolaktin?imie Bei der Hyperprolaktinfimie scheinen die erhShten Prolaktinspiegel die IGF-Bildung zu stimulieren. Clemmons (Clemmons 1981) hat 20 Patienten mit Prolaktin-sezernierenden Tumoren und erhShten IGF-I Spiegeln untersucht, bei denen keine mel3bare Wachstumshormonantwort auf f6rdernde Stimuli nachgewiesen werden konnte. Im ersten postoperativem Jahr wurde bei Kindern, die an einem Kraniopharyngeom erkrankt waren, die normale Wachstumsrate und der IGF-I Spiegel auf die Prolaktinhypersekretion zurfickgef/.ihrt. Bei diesen Kindern bestand ein Wachstumshormondefizit und eine Hyperprolaktinfimie, aber keine Hyperinsulinfimie. Die Wirkung beim Menschen ist mit den Ergebnissen bei hypophysektomierten Ratten, bei denen eine Erh6hung der IGFs auf Prolaktingaben erfolgte, vergleichbar (Bala 1978). Es wird vermutet, dab Prolaktin als Agonist mit niedriger Potenz am Wachstumshormon-Rezeptor agiert und die IGF-Produktion in der Abwesenheit von Wachstumshormon stimuliert.

Mangelern?ihrung, chronische Erkrankungen Die Synthese und der Serumspiegel yon IGF-I korrelieren bei Mensch und Tier direkt mit dem Ernfihrungsstatus und der anabolen Stoffwechsellage (Phillips 1989). Beim Fasten, im Hungerversuch oder bei Unterernfihrung fallen IGF-I Spiegel akut stark ab (Clemmons 1985), wfihrend sich die Serumkonzentration von IGF-II wenig findert (Davenport 1988). Bei einer Reihe von chronischen Erkrankungen, die mit einer Mangelernfihrung einhergehen k6nnen, wurden dementsprechend niedrigere IGF-I Spiegel gefunden: Beispiele sind hierf/Jr der psychosoziale Minderwuchs (Saenger 1977), die zystische Fibrose (Rosenfeld 1981a), chronische Nierenerkrankungen, Leberversagen (siehe oben), postoperative und posttraumatische Zustfinde (Blum 1988, pers6nliche Mitteilung). Es ist noch unklar, ob ein Kalorienmangel, ein Proteinmangel oder eine Kombination dieser oder anderer Faktoren bei einer Mangel- oder Unterern/ihrung die Hauptdeterminanten ffir niedrige IGF-I Spiegel sind. IGF-I scheint aber einer der

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sensitivsten Laborparameter ffir eine anabole/katabole Stoffwechselsituation zu sein, die derzeit zur Verffigung stehen (Tabelle 5). Zukunftsausblick

Antilipidgimisch Guler et al. fanden in klinischen Untersuchungen, bei denen gesunden, erwachsenen Versuchspersonen IGF-I infundiert wurde, Auswirkungen auf die Serumkonzentration von Cholesterin und freien Fettsfiuren. IGF-I Gaben, die noch keine Hypoglykfimie bewirkten, senkten den Cholesterin- und freien Fettsfiurespiegel signifikant (Guler 1987). Es ist m6glich, dab dieser lipidsenkende Effekt von IGF-I in der Zukunft bei Hyperlipoproteinfimien therapeutisch genutzt werden kann.

Diabetes mellitus Etwas lfinger bekannt ist der hypoglyk~imische Effekt von IGF-I sowie ein ,,Insulin-sparender" Effekt bei niedrigen IGF-I Gaben (Guler 1989). IGFI kSnnte gemeinsam mit Insulin bei Diabetikern, bei denen eine gravierende Insulinresistenz aufgrund genetischer (Insulinrezeptordefekt) oder erworbener (Insulin-Antik6rper) Ursachen vorliegt, zur Stoffwechselkorrektur eingesetzt werden.

Wachstum Bei Patienten mit einem Wachstumshormon-Rezeptor-Defekt (Laron-Zwergwuchs) oder bei Patienten mit einer Wachstumshormon-Gendeletion, die auf eine Wachstumshormontherapie mit der Bildung von Anti-Wachstumshormonantik6rpern reagieren, werden Infusionen oder wiederholte Injektionen von IGF-I bereits durchgeffihrt (Laron 1988). Die Behandlung des klassischen Wachstumshormonmangels wird aber weiterhin die Domfine des Wachstumshormons selbst bleiben, da hier sichere Applikationsformen und eine nebenwirkungsfreie Therapie (Cave: Hypoglykfimien bei hohen IGF-I Dosen) seit langem etabliert sind (Tabelle 4).

Tumormarker Wie oben beschrieben sezernieren viele Tumorzellen und Tumorzellinien IGF-I und -II sowie verschiedene IGF-Bindungsproteine. Die Rolle dieser Proteine ffir das Tumorwachstum und die Tumorentstehung sowie die biologische Wirkung der IGFs auf das Tumorstroma und TumorgeffiBbett

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sind nicht geklfirt. Auto- und parakrine Mechanismen werden hypothetisch ffir viele Wachstumsfaktoren einschliel31ich der IGFs diskutiert. Interessant ist, dab bis heute keine Verwandtschaft der IGFs und ihrer Rezeptoren mit einem Onkogen gefunden wurde (Tabelle 4). Dies steht im Kontrast zu vielen anderen Wachstumsfaktoren und deren Signalfibertragungswegen, die h/iufig Onkogenhomologien aufweisen (PDGF, EGF-Rezeptor, CSF-1 Rezeptor) (Josephs 1984).

Wundheilung Gemeinsam mit anderen Wachstumsfaktoren wie EGF (Brown 1989 a) und P D G F (Matsuoka 1989) spielt die Freisetzung von IGFs bei der Wundheilung eine wichtige Rolle (Jennische 1987). Der Einsatz von IGFs bei der Erneuerung yon ,,Ersatzhaut" in vitro, die dann zur Deckung grogfl/ichiger Wunden etwa bei Brandverletzten benutzt werden kann, wird diskutiert. Auch ein direkter Einsatz von Wachstumshormon und/oder IGF-I bei der Frakturbehandlung oder Wundbehandlung - etwa nach Operationen - ist auf zwei Arten denkbar: Einmal k6nnten IGFs und Wachstumshormon systemisch gegeben werden und dabei anabole Wirkung im Gesamtorganismus ausfiben. Zum anderen ist die lokale Applikation von IGF-I mit nachfolgender mitogener Wirkung am Wundort m6glich (Tabelle 4). Die IGFs besitzen dabei den Vorteil, dab sic nach dem derzeitigen Forschungsstand keine Verwandtschaft zu Onkogenen aufweisen (siehe ,,Tumormarker").

Nervenregeneration Eine Besonderheit der Wundheilungssituation stellt die Regeneration eines verletzten oder durchtrennten peripheren Nervens dar. Anna Skottners Arbeitsgruppe in Stockholm leistet auf diesem Gebiet Pionierarbeit: Die lokale Applikation yon IGF-I am durchtrennten Nervus ischiadicus der Ratte ffihrte zu einem beschleunigten, qualitativ und quantitativ verbesserten Nervenwachstum und zur Regeneration der Nervenfunktion (Skottner 1988). Die klinische Anwendung beim Menschen insbesondere bei der Behandlung Unfallverletzter ist von mehreren Gruppen geplant.

Nierenfunktion 1988 berichteten Guler et al. fiber einen Anstieg der glomerul/iren Filtrationsleistung der Niere bei IGF-I Gabe an gesunden, erwachsenen Probanden

E. Weimann und W. Kiess: Insulin-like Growth Factors

(Guler 1988). Ob und in welchem Umfang dieser in vivo Effekt von IGF-I therapeutisch genutzt werden kann - etwa bei der Ur/imie oder beim akuten oder chronischen Nierenversagen - ist noch nicht gekl/irt.

SchluBbemerkung Die biochemische und molekulargenetische Charakterisierung der IGFs, ihrer Rezeptoren und Bindungsproteine ist heute weit fortgeschritten. Unbeantwortete Fragen betreffen vor allem die Signalfibertragung via der IGF-Rezeptoren und die diversen Funktionen der Bindungsproteine. Klinische und pathophysiologische Zusammenh/inge auf dem Gebiet der IGFs sind offenkundig gekl/irt. Diagnostische und therapeutische Hilfen durch IGFs sind auf dem Gebiet des Wachstums, der Wundheilung, der Nervenregeneration und des Insulin-resistenten Diabetes mellitus sowie bei Stoffwechselst6rungen (Hyperlipoprotein/imie) in naher Zukunft zu erwarten. Danksagung: Die Autoren danken Dr. S.P. Nissley, NIH, Bethesda, ftir viele hilfreiche Kommentare in der Entstehungsphase des Manuskripts. Herrn Professor O. Butenandt, Miinchen, Herrn Dr. H.P. Guler, New Jersey und Frau Dr. A. Skottnet, Stockholm wird fiir Kritik und Diskussion noch nicht ver6ffentlichter Daten herzlich gedankt. Der Stiftung Volkswagenwerk, Hannover, der Deutschen Forschungsgemeinschaft, Bonn-Bad Godesberg (Sachmittelbeihilfe Ki 365.1) sowie der Europ/iischen Gesellschaft ffir Pgdiatrische Endokrinologie (Nordisk Grants for the Study of Growth, 1989 und 1990) wird ffir die Unterstiitzung und F6rderung gedankt.

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Dr. Wieland Kiess Universit/its-Kinderklinik Miinchen im Dr. von Haunerschen Kinderspital Lindwurmstr. 4 D-8000 Mfinchen 2