Przedmowa. 17-β-estradiol (E2) jest powszechnie występującą formą estrogenu w surowicy i tkankach u mężczyzn i kobiet. Gen CYP19A1 koduje enzym aromatazę, który przekształca testosteron do E2 u obu płci (4). Aromataza ulega ekspresji w wielu narządach i komórkach, dlatego też lokalne wytwarzanie i działanie E2 u mężczyzn jest prawdopodobnie istotne z fizjologicznego punktu widzenia (5). Silne wsparcie dla ważnej roli E2 pochodzi z badań u mężczyzn z mutacjami inaktywującymi ERα lub aromatazę (6, 7). Niewrażliwość na E2 stwierdzono u 28-letniego mężczyzny, u którego zdiagnozowano homozygotyczną mutację ERα, powodującą powstanie okrojonego, niefunkcjonalnego białka (6). U tego osobnika obserwowano stały liniowy wzrost i wysoki wzrost, częściowo z powodu niezespolonych nasad, pomimo prawidłowego stężenia testosteronu w surowicy. Stwierdzono znaczną osteoporozę, co wskazuje, że endogenne estrogeny i ERα są ważne u mężczyzn dla prawidłowego wzrostu i rozwoju kości. Ten osobnik miał również nadwagę w stosunku do swojego wzrostu i wykazywał nadmiar tłuszczu brzusznego. Podwyższony poziom endogennych estrogenów u tego osobnika nie hamował wydzielania gonadotropin przysadkowych, hormonów luteinizujących i folikulotropowych (odpowiednio LH i FSH) przy braku funkcjonalnego receptora ERα. Tak więc, podczas gdy bezpośrednie działanie męskich steroidów płciowych w ARs w mózgu może odgrywać pewną rolę w ujemnym sprzężeniu zwrotnym, które reguluje LH i FSH, sygnalizacja estrogenowa poprzez ERα jest również wymagana.
Podobnie, mężczyźni, którzy są funkcjonalnie pozbawieni aktywności aromatazy, a zatem nie mogą wytwarzać estrogenów, mają nieprawidłowości w tworzeniu kości, metabolizmie glukozy i lipidów (tendencja w kierunku zespołu metabolicznego) oraz rozwoju i funkcji dróg rodnych (ostatecznie upośledzających płodność) (8, 9), z których wiele poprawia się pod wpływem estradiolu. Te przykłady u mężczyzn potwierdzają znaczenie estrogenów w normalnej męskiej fizjologii i są wspierane przez badania na myszach z niedoborem ERα, gdzie obserwuje się podobne fenotypy (6, 7, 10).
Rozwój i funkcja kości. Wiele badań wykazało istotny wpływ estrogenów na zdrowie kości u starszych mężczyzn oraz na rozwój kości u młodych mężczyzn. W tym ostatnim przypadku istnieją dowody, że estrogeny silnie przyczyniają się do zamykania nasad kości, ograniczając w ten sposób wzrost liniowy (11). Ta rola E2 jest zgodna z okostnową ekspansją kostną w okresie dojrzewania, którą obserwuje się również przy substytucji E2 u mężczyzn z mutacjami genu aromatazy (8, 9, 11).
W starszych hipogonadalnych mężczyznach z podwyższonymi markerami resorpcji kości charakterystycznymi dla zwiększonej aktywności osteoklastów, substytucja testosteronem jest minimalnie skuteczna w tłumieniu tych markerów (12). Z kolei substytucja estrogenowa silnie hamuje wzrost markerów resorpcji kości. Autorzy niniejszej pracy stwierdzili, że u mężczyzn estrogeny odpowiadają za około 70% działania antyresorpcyjnego na kość, a testosteron za około 30%. Wyniki te są zgodne z osteopenią/osteoporozą obserwowaną u mężczyzn ze zmutowanymi genami aromatazy lub ERα (6, 7). Badania na starszych mężczyznach leczonych inhibitorem aromatazy dostarczają dodatkowego wsparcia dla roli estrogenów w zachowaniu kości (13).
Mechanistycznie, w modelach mysich, estrogeny tłumią zależne od IL-6 różnicowanie osteoklastów, co następnie może osłabić utratę kości. Jednak TNF-α prawdopodobnie jest ważniejszy w pośredniczeniu w utracie kości związanej z niedoborem estrogenów, ponieważ ovariektomia zwiększa produkcję TNF-α w szpiku kostnym, czemu towarzyszy utrata kości, podczas gdy ovariektomia u myszy pozbawionych TNF-α nie prowadzi do utraty kości (14). Rola supresji TNF-α i prawdopodobnie IL-1β w pośredniczeniu w antyresorpcyjnym działaniu estrogenów została potwierdzona w badaniach u kobiet (15). Nie przeprowadzono jednak porównywalnych badań u mężczyzn. Inne rzekome mediatory rozwoju osteoklastów i/lub resorpcji u kobiet, które są hamowane przez estrogeny, obejmują aktywację NF-κΒ i sklerostyny (16). Jednakże, ponownie, niewiele zostało potwierdzonych u mężczyzn.
Podczas gdy aromataza w komórkach kostnych ułatwia lokalną syntezę estrogenów potrzebną do tworzenia kości u normalnych mężczyzn, wyciągnięto inne wnioski z genetycznych modeli mysich delecji ERα w komórkach prekursorowych osteoblastów (kościotwórczych), sugerując niewielki udział E2 i ERα u samców myszy. Potencjalnym wyjaśnieniem jest to, że działanie estrogenów u ludzi dotyczy głównie kości korowej, która stanowi około 80% ludzkiego szkieletu, podczas gdy kość korowa u myszy jest zupełnie inna i może być regulowana przez estrogeny w inny sposób (17). Może to mieć znaczenie kliniczne w zapobieganiu złamaniom związanym z osteoporozą w kościach długich u obu płci ludzkiej.
Ważna rola ERβ w metabolizmie kości u ludzi nie jest dobrze wspierana. Stworzono dwa modele mysich samic, K/G-ERβ-KO (18) i C-ERβ-KO (19). Pierwszy model (K/G) wykazał zwiększoną gęstość mineralną kości korowej we wczesnym okresie rozwoju (20) oraz zwiększoną gęstość korową i trabekularną w wieku 12 miesięcy (21). Natomiast model żeński myszy C-ERβ-KO nie wykazał różnicy w grubości kości korowej i gęstości mineralnej w porównaniu z myszami WT, podczas gdy kość trabekularna wykazywała zwiększoną powierzchnię mineralizującą, prawdopodobnie z powodu zmniejszonej resorpcji kości (22). Rozbieżność w kości korowej może wynikać z kompletności delecji ERβ. Co ciekawe, samce myszy K/G nie wykazywały żadnych nieprawidłowości kostnych (20). Delecja ERβ w komórkach osteoprogenitorowych również wykazała zwiększoną masę kości trabekularnej, ale nie korowej u samic myszy (23). Ogólnie rzecz biorąc, wyniki te wskazują, że ERβ nie ma znaczącego wpływu u samców myszy, ale może ograniczać mineralizację kości beleczkowej, która jest zależna od ERα u samic myszy.
Podsumowując, konwersja testosteronu do estrogenu u ludzkich samców jest ważna zarówno dla normalnego rozwoju kości korowej, jak i zachowania zdrowego metabolizmu kostnego podczas starzenia się, co prawdopodobnie zmniejsza liczbę złamań.
Reprodukcja. Chociaż tylko kilku mężczyzn z mutacją genu aromatazy zostało przebadanych, osoby te konsekwentnie wykazują oligospermię i co najmniej jedna z nich prezentowała niepłodność (24). Te nieprawidłowości reprodukcyjne mogą odzwierciedlać utratę produkcji estrogenów w jądrowych komórkach Leydiga. U mężczyzny ze zmutowanym ERα oraz u genetycznie pozbawionych ERα samców myszy (6, 8) zaobserwowano również znaczne zmniejszenie ruchliwości plemników, co sugeruje, że sygnalizacja poprzez ERα reguluje spermatogenezę. Wyniki te są poparte nowszymi badaniami na myszach, gdzie utrata błonowego lub jądrowego ERα w jądrach skutkuje nieprawidłową produkcją i funkcją plemników, prowadząc do niepłodności w miarę postępu wieku samców myszy (25). Mechanistycznie, utrata ERα powoduje nadmierne gromadzenie się płynu w najądrzu, co może przyczyniać się do nieprawidłowej morfologii i funkcji plemników (26).
W przeciwieństwie do samców myszy z KO ERα, samce myszy z KO ERβ zachowują stosunkowo normalną płodność w dwóch różnych modelach (18, 19). Zaskakująco jednak, niewielka liczba samców ludzi z mutacjami w ERβ jest związana z zaburzeniami rozwoju płci 46, XY, wykazując wyraźnie nieprawidłowe lub nieobecne gonady (27). Te różnice między myszami i mężczyznami z mutacją lub brakiem ERβ podkreślają znaczenie badania sygnalizacji estrogenowej zarówno w modelach mysich, jak i u pacjentów.
Interesująco, mutacja gain-of-function genu aromatazy CYP19A1, która powoduje zwiększony poziom estrogenu estronu, jest związana z rodzinną ginekomastią u młodych mężczyzn (28). To perturbacje normalnego stosunku testosteronu do estrogenu u mężczyzn leży u podstaw większości form ginekomastii.
Dodatkowe badania sugerują, że estrogen przyczynia się do libido i sprawności seksualnej u mężczyzn. Na przykład 202 zdrowych mężczyzn, którym podano analog hormonu uwalniającego gonadotropinę (GnRH) w celu zahamowania produkcji endogennych androgenów, straciło popęd seksualny i funkcje erekcyjne. Mężczyźni ci otrzymywali następnie substytucję testosteronem bez lub z inhibitorem aromatazy (anastrozolem) przez 16 tygodni. Chociaż podawanie testosteronu znacznie poprawiło te funkcje, dodanie inhibitora aromatazy osłabiło poprawę zarówno libido, jak i erekcji prącia (29).
Dobrze wiadomo, że tworzenie tlenku azotu (NO) w naczyniach krwionośnych prącia jest niezbędne do rozszerzenia naczyń i erekcji (30). Estrogen działając zarówno na ERα jak i ERβ silnie stymuluje kilka izoform enzymu syntazy NO do produkcji NO w komórkach śródbłonka i innych komórkach naczyniowych (31-33), co może tłumaczyć zaburzenia erekcji związane z utratą produkcji estradiolu z testosteronu. Gdy produkcja NO jest upośledzona w wyniku choroby tętnic prącia, np. w cukrzycy, być może estrogen nie może już promować wazodylatacji, ponieważ ten steroid płciowy wydaje się zapobiegać wczesnej chorobie tętnic w modelach mysich. Tak więc, estradiol u mężczyzn funkcje zarówno w mózgu (libido) i gonad (erekcja) do modulacji męskiej reprodukcji.
CNS. Badania na zwierzętach i u ludzi wykazały, że działania estrogenów w OUN odgrywają kluczową rolę w agresji i zachowaniach seksualnych u mężczyzn, najprawdopodobniej ze względu na lokalne wytwarzanie estradiolu przez aromatazę. Na przykład, leczenie makaków inhibitorami aromatazy prowadzi do zmniejszenia motywacji seksualnej i czynności ejakulacyjnych (34). Mężczyźni z mutacjami aromatazy mają obniżone libido i zmniejszone zachowania seksualne, pomimo wysokiego poziomu testosteronu, a leczenie estrogenami zwiększa libido i aktywność seksualną (35). Podobnie, jak wspomniano, substytucja testosteronu w obecności inhibitora aromatazy u hipogonadalnych mężczyzn prowadzi do jedynie częściowego obniżenia funkcji seksualnych w porównaniu z samą substytucją testosteronu (29). Co ciekawe, ekspresja aromatazy jest obfita w licznych jądrach mózgu zarówno samic, jak i samców (36, 37), a lokalna produkcja estradiolu w tych regionach wydaje się być krytyczna w mediowaniu zachowań agresywnych i seksualnych. Na przykład, mysie modele niedoboru aromatazy wykazały, że jej działanie w podwzgórzu i amygdali jest ważne dla męskiej agresji (38, 39). Ponadto, samce myszy pozbawione ekspresji AR w OUN nadal wykazują męskie działania seksualne i terytorialne (40), wskazując, że aromatyzacja androgenów do estrogenów, a następnie działania estrogenów na ERs, odgrywa istotną rolę w tym, co powszechnie uważa się za „męskie” zachowania.
Wreszcie, estrogen może odgrywać krytyczną rolę w męskich mózgach poza jego działaniami w zachowaniach seksualnych i agresywnych. Lokalna produkcja estradiolu w męskim móżdżku wydaje się być ważna dla adaptacji odruchu przedsionkowo-ocznego (41), który koordynuje ruchy oczu i głowy, aby pomóc ustabilizować wizję. Estrogeny poprawiają również pamięć przestrzenną u samic poprzez ERα w hipokampie, ale poprzez ERβ w hipokampie samców myszy (42). Badania te wskazują, że produkcja estrogenów i działania w OUN są zróżnicowane i że więcej procesów mediowanych przez estrogeny zostanie prawdopodobnie odkrytych.
Tłuszcz i zespół metaboliczny. Mężczyźni z mutacjami aromatazy często wykazują niski poziom cholesterolu HDL, wysoki poziom cholesterolu LDL, podwyższony poziom trójglicerydów i trzewnej tkanki tłuszczowej oraz zaburzoną homeostazę glukozy (8, 24). Te nieprawidłowości lipidowe są odwracane przez leczenie estrogenami (8). U mężczyzn z niedoborem aromatazy i u omawianego wcześniej osobnika z mutacją ERα stwierdza się obniżoną funkcję śródbłonka i przedwczesną miażdżycę, w tym tworzenie blaszek miażdżycowych. Zastąpienie estrogenów rozwiązało te problemy u jednego osobnika (24). Stłuszczenie wątroby zgłaszane w kilku z tych mężczyzn może być wynikiem podwyższonego poziomu trójglicerydów (24).
Zwiększona ilość trzewnej tkanki tłuszczowej została odnotowana u wielu mężczyzn z mutacjami aromatazy lub ERα, jak również u młodych mężczyzn, którzy otrzymali agonistów GnRH, aby zapobiec syntezie testosteronu. W tej ostatniej grupie, suplementacja testosteronem promowała zwiększenie masy mięśniowej i zmniejszenie rozwoju tkanki tłuszczowej, ale zahamowanie powstawania trzewnej tkanki tłuszczowej nie było widoczne, gdy podawano testosteron i inhibitor aromatazy anastrazol razem, co sugeruje, że estrogen pośredniczy w tym wyniku (29). Estrogen hamuje powstawanie trzewnej tkanki tłuszczowej u ssaków na kilka sposobów. Przede wszystkim, u myszy estrogen poprzez ERα hamuje zaangażowanie pluripotencjalnych komórek macierzystych w linię adipocytów (43). Ponieważ działania aromatazy w tkance tłuszczowej są głównym źródłem krążących estrogenów u mężczyzn, wydaje się, że lokalna sygnalizacja estrogenowa w adipocytach może odgrywać istotną rolę w modulowaniu ich własnej produkcji (44). Estrogeny mogą również bezpośrednio wpływać na masę ciała i tworzenie tłuszczu poprzez regulację poboru i wydatkowania energii. W genetycznych modelach mysich, utrata ERα z określonych regionów podwzgórza skutkuje nadmiernym przyjmowaniem pokarmu i zmniejszonym wydatkowaniem energii (45). Ponadto badania na myszach pozbawionych ERα wykazują, że estrogeny nasilają działanie insuliny w wątrobie, mięśniach i tkance tłuszczowej zarówno samców, jak i samic (46).
Oprócz regulacji sygnalizacji insulinowej, estrogeny modulują również funkcję komórek β w trzustce. ERα w wysepkach trzustkowych hamuje syntezę kwasów tłuszczowych poprzez mediowaną przez STAT3 supresję genu syntazy kwasów tłuszczowych u samców szczurów, przyczyniając się do zapobiegania niewydolności komórek β (47). U myszy obu płci z niedoborem genu aromatazy, którym podano streptozocynę (powodującą apoptozę komórek β), estrogen/ERα podtrzymuje wydzielanie insuliny poprzez łagodzenie śmierci komórek β (48). Jądrowy ERα w OUN pomaga utrzymać wrażliwość na insulinę u samic myszy, podczas gdy utrata jądrowego ERα upośledza zdolność glukozy wstrzykniętej do tętnicy szyjnej do stymulowania mózgowej regulacji wydzielania insuliny tylko u samców myszy (49). Wyniki te wskazują na rolę ERα w pozytywnej regulacji normalnej homeostazy glukozy zarówno u samców, jak i samic myszy. Jest to zgodne z upośledzoną homeostazą glukozy u mężczyzn z mutacjami genu aromatazy (9, 11). Jednak zarówno w mysich modelach delecji ERα, jak i u wspomnianych mężczyzn nie ma dowodów na występowanie cukrzycy, co wskazuje na umiarkowaną rolę regulacyjną receptora steroidów płciowych.
Mężczyźni z niedoborem aromatazy i mężczyźni z mutacją ERα również wykazywali oznaki zespołu metabolicznego, w tym nadciśnienia. Podawanie estrogenów odwróciło wiele z tych zaburzeń, w tym poprawiło insulinooporność i nietolerancję glukozy (24). Co ciekawe, samce i samice myszy ERβ-KO (szczególnie C-ERβ-KO) stają się nadciśnieniowcami wraz z wiekiem (32), co sugeruje, że ta izoforma ER może również przyczyniać się do normalizacji ciśnienia krwi. U myszy, usunięcie ERα ograniczonego do adipocytów spowodowało wzrost markerów zwłóknienia i zapalenia w niszy tłuszczowej, jak również upośledzenie ogólnej homeostazy glukozy, efekty, które były bardziej wyraźne u samców (50).
Podsumowując, różne aspekty zespołu metabolicznego są wyraźnie poprawione w mysich modelach choroby u samców, ale, chociaż sugestywne, czy to rozciąga się na mężczyzn wymaga dodatkowego określenia.
Rak prostaty. W prawidłowej ludzkiej prostacie, zarówno ERα jak i ERβ ulegają ekspresji głównie odpowiednio w zrębie i nabłonku (51). ERα jest ogólnie uważany za proproliferacyjny w prawidłowej i złośliwej prostacie, przyczyniając się do rozwoju zmian przednowotworowych i raka w modelach gryzoni. W przeciwieństwie do tego, ERβ utrzymuje różnicowanie nabłonka, jednocześnie hamując proliferację powodowaną przez ERα, promując w ten sposób prawidłowy rozwój i przynajmniej początkowo działając jako supresor rozwoju raka prostaty. Syntetyczny estrogen, dietylostilbestrol (DES), był z powodzeniem stosowany w leczeniu raka prostaty w latach 60. i 70. ubiegłego wieku, hamując produkcję androgenów poprzez sprzężenie zwrotne z osią podwzgórze-przysadka (52). Jednak ze względu na jego działanie prozakrzepowe, u pacjentów leczonych DES występowała duża liczba zawałów serca. Niemniej jednak badania te sugerują, że celowanie w ER w raku gruczołu krokowego może być terapeutycznie korzystne.
Badania kliniczne z zastosowaniem agonisty ERα (53) lub selektywnego modulatora ER (54) nie przyniosły wystarczająco mocnych dowodów w leczeniu raka gruczołu krokowego, aby uzasadnić przeprowadzenie kompleksowych badań w tym nowotworze. Może to odzwierciedlać złożoność jądrowego ER współdziałającego z jądrowym AR na niezliczone sposoby, w zależności od stopnia zaawansowania nowotworu. Ponadto, istnieją różne izoformy ERβ, które pełnią funkcje albo supresyjne albo promujące nowotworzenie (55). Zamiana izoform ERβ została zaobserwowana w opornym na kastrację i przerzutowym raku prostaty u mężczyzn, co być może wyjaśnia dychotomię działania ERβ w różnych typach tego nowotworu. Co ciekawe, ostatnie badania u ludzi pokazują, że wysoka ekspresja ERβ występuje w wielu rakach prostaty i koreluje z korzystnym rokowaniem (56), podczas gdy wysoki poziom estradiolu lub estronu istotnie wiąże się z krótszym czasem do rozwoju opornego na kastrację raka prostaty, przypuszczalnie poprzez działanie na ERα (57). U myszy aromataza-KO, agonista ERβ indukuje apoptozę komórek zrębu, luminalnych i nabłonkowych w obrębie prostaty. Agoniści dla tego receptora indukują również apoptozę w komórkach zrębu i progenitorowych komórek nabłonka przy użyciu pochodzących od pacjenta tkanek ksenograftów Gleason-7 u myszy. W procesie tym pośredniczy indukowana przez TNF-α regulacja kaspazy-8 (58). Zdając sobie sprawę ze znaczenia ER w prostacie, nadal rozwijane są paradygmaty interwencyjne.