内分泌系
Endocrine system/ja
内分泌系（ないぶんぴつけい、endocrine system）は、腺から直接循環系に放出されるホルモンのフィードバックループからなる生物のメッセンジャーシステムであり、遠くの臓器を標的として調節する。脊椎動物では、視床下部がすべての内分泌系の神経制御中枢である。
| 内分泌系 | |
|---|---|
 ヒト内分泌系の主な腺である | |
| Details | |
| Identifiers | |
| Latin | systema endocrinum |
| Anatomical terminology | |
ヒトでは、主要な内分泌腺は甲状腺、副甲状腺、下垂体、松果体、副腎、および（男性の）睾丸と（女性の）卵巣である。 視床下部、膵臓、胸腺も内分泌腺として機能する(視床下部と下垂体は神経内分泌系の器官である。 視床下部—の最も重要な機能の1つは—下垂体に隣接して脳に位置し、下垂体を介して内分泌系を神経系に連結することである。) また、腎臓などの他の臓器も、特定のホルモンを分泌することによって内分泌系の中で役割を担っている。 内分泌系とその障害の研究は内分泌学として知られている。
視床下部-下垂体-副腎軸のように、互いに順番にシグナルを送り合う臓器はしばしば軸と呼ばれる。上記の特殊な内分泌器官に加えて、骨、腎臓、肝臓、心臓、性腺など、他の身体システムの一部である多くの器官が二次的な内分泌機能を持つ。例えば、腎臓は内分泌ホルモンエリスロポエチンを分泌する。ホルモンは、アミノ酸複合体、ステロイド、エイコサノイド、ロイコトリエン、またはプロスタグランジンである。
内分泌系は、体外にホルモンを分泌する外分泌腺と、比較的短い距離の細胞間のパラクリンシグナルとして知られるシステムの両方と対比される。内分泌腺は管を持たず、脈管性であり、一般的にホルモンを貯蔵する細胞内液胞または顆粒を持つ。対照的に、唾液腺、汗腺、および消化管内の腺などの外分泌腺は、脈管がはるかに少なく、管または中空の管腔を持つ傾向がある。 内分泌学はinternal medicine/ja内科学の一分野である。
構造=
主な内分泌系
ヒトの内分泌系は、フィードバックループを介して作動するいくつかのシステムから構成されている。いくつかの重要なフィードバック系は、視床下部と下垂体を介して媒介される。
腺
内分泌腺は内分泌系の腺であり、その産物であるホルモンを管を通してではなく、血液に吸収される間質に直接分泌する。内分泌系の主な腺には、松果体、下垂体、膵臓、卵巣、精巣、甲状腺、副甲状腺、視床下部、副腎がある。 視床下部と下垂体は神経内分泌臓器である。
視床下部と下垂体前葉は、細胞シグナル伝達に重要な3つの内分泌腺のうちの2つである。これらはともに、神経系の細胞シグナル伝達に役割を果たすことが知られているHPA軸の一部である。
視床下部： 視床下部は自律神経系の重要な調節因子である。内分泌系には、大細胞系、副細胞系、自律神経介入を含む3つの内分泌出力セットがある。大細胞系はオキシトシンやバソプレシンの発現に関与している。傍細胞系は下垂体前葉からのホルモン分泌の制御に関与している。
下垂体前葉： 下垂体前葉の主な役割は、対流性ホルモンを産生および分泌することである。下垂体前葉によって分泌される向性ホルモンの例としては、TSH、ACTH、GH、LH、およびFSHが挙げられる。
細胞
内分泌系を構成する細胞には多くの種類があり、これらの細胞は通常、内分泌系の内外で機能する大きな組織や器官を構成している。
- 視床下部
- 下垂体前葉
- 松果体
- 下垂体後葉がある。
- 下垂体後葉は下垂体の一部である。この器官はホルモンを産生しないが、視床下部の視索上核で合成される抗利尿ホルモン（ADH）や視床下部の室傍核で合成されるオキシトシンなどのホルモンを貯蔵・分泌する。ADHは体内の水分保持を助ける機能があり、これは血液溶液と水分の恒常性バランスを維持する上で重要である。オキシトシンは、子宮収縮を誘発し、授乳を刺激し、射精を可能にする。
- 甲状腺
- 副甲状腺
- 胸腺腺
- 副腎
- 膵臓がある。
- 膵臓には100万から200万近くのランゲルハンス島（ホルモンを分泌する細胞からなる組織）と膵尖がある。膵尖は消化酵素を分泌する。
- 卵巣
- 精巣
発達
胎児内分泌系は、出生前の発達において最初に発達するシステムの一つである。
副腎
胎児の副腎皮質は妊娠4週以内に確認できる。副腎皮質は中間中胚葉の肥厚から発生する。妊娠5～6週で、中胚葉は生殖器隆起として知られる組織に分化する。生殖器隆起は生殖腺と副腎皮質の両方のステロイド生成細胞を産生する。 副腎髄質は外胚葉細胞に由来する。 副腎組織になる細胞は、後腹膜から中殿の上部に移動する。妊娠7週目になると、副腎細胞は神経堤に由来する交感神経細胞によって結合され、副腎髄質を形成する。 第8週の終わりには、副腎は被包され、発達中の腎臓の上にはっきりとした器官を形成している。 出生時、副腎の重さは約8～9グラム（成人の副腎の2倍）で、全体重の0.5％である。 25週目に成体副腎皮質が形成され、生後数週間の間、ステロイドの一次合成を担う。
甲状腺
甲状腺は2つの異なる胚細胞の集まりから発生する。一つは咽頭底の肥厚からで、これはサイロキシン（T4）産生濾胞細胞の前駆体として機能する。もうひとつは、第4咽頭鰓孔の尾側延長部からで、これは傍濾胞カルシトニン分泌細胞となる。これら2つの構造は、妊娠16～17日目までに明らかになる。妊娠24日目頃には、盲腸孔という中央組織の薄いフラスコ状の憩室が発達する。妊娠24～32日頃になると、中央組織は二葉構造に発達する。妊娠50日目には、内側組織と外側組織が融合する。妊娠12週には、胎児の甲状腺はTRH、TSH、および遊離甲状腺ホルモンを産生するためにヨウ素を貯蔵できるようになる。20週目になると、胎児は甲状腺ホルモン産生のためのフィードバック機構を実行できるようになる。胎児の発育中、T4が主要な甲状腺ホルモンとして産生され、トリヨードサイロニン（T3）とその不活性誘導体である逆T3は第3期まで検出されない。
副甲状腺
胎生6週目の第3副甲状腺（下）と第4副甲状腺（上）を示す胚の側面図と腹面図。
胚が妊娠4週に達すると、副甲状腺が発達し始める。ヒト胚は5組の内胚葉に囲まれた咽頭袋を形成する。3番目と4番目の袋は、それぞれ下副甲状腺と上副甲状腺に発達する役割を担っている。第3咽頭袋は発達中の甲状腺に出会い、甲状腺葉の下極に移動する。その後、第4咽頭袋が発育中の甲状腺に出会い、甲状腺葉の上極に移動する。妊娠14週目に、副甲状腺は直径0.1～2mmから、出生時には約1～2mmに肥大し始める。発育中の副甲状腺は、妊娠第2期から生理的に機能するようになる。
マウスを用いた研究では、HOX15遺伝子を阻害すると副甲状腺の無形成を引き起こすことが示されており、この遺伝子が副甲状腺の発生に重要な役割を果たしていることが示唆されている。TBX1、CRKL、GATA3、GCM2、SOX3という遺伝子も副甲状腺の形成に重要な役割を果たすことが示されている。TBX1とCRKL遺伝子の変異はディジョージ症候群と関連しており、GATA3の変異もディジョージ様症候群を引き起こしている。GCM2遺伝子の奇形は副甲状腺機能低下症を引き起こしている。SOX3遺伝子の突然変異に関する研究では、SOX3遺伝子が副甲状腺の発達に関与していることが示されている。これらの変異はまた、程度の差はあるが、下垂体機能低下症を引き起こす。
膵臓
ヒト胎児の膵臓は妊娠4週目までに発達し始める。その5週間後には、膵臓のα細胞とβ細胞が出現し始める。発育8～10週目に達すると、膵臓はインスリン、グルカゴン、ソマトスタチン、膵ポリペプチドの産生を開始する。胎児の発育初期には、膵α細胞の数が膵β細胞の数を上回る。アルファ細胞は妊娠中期にピークに達する。中期から成熟期まで、β細胞はα細胞とほぼ1：1の比率になるまで増え続ける。胎児膵臓内のインスリン濃度は、妊娠7～10週で3.6pmol/gであり、妊娠16～25週で30pmol/gに上昇する。出産間近になると、インスリン濃度は93pmol/gまで上昇する。内分泌細胞は10週以内に全身に分散する。発育31週には、ランゲルハンス島が分化する。
胎児の膵臓は妊娠14週から24週までに機能的なβ細胞を持つが、血液中に放出されるインスリンの量は比較的少ない。妊娠中期および臨月の胎児を身ごもった妊婦を対象とした研究では、胎児は高濃度のグルコースを注射しても血漿中のインスリン濃度は上昇しなかった。インスリンとは対照的に、胎児の血漿グルカゴン濃度は比較的高く、発育中も上昇し続ける。妊娠中期では、グルカゴン濃度は6μg/gであり、成人ヒトでは2μg/gである。インスリンと同様に、胎児のグルカゴン血漿レベルはグルコースの注入に反応して変化することはない。しかし、妊婦にアラニンを注入した研究では、臍帯血と母体のグルカゴン濃度が上昇し、アミノ酸曝露に対する胎児の反応が示された。
このように、胎児の膵α島細胞と膵β島細胞は完全に発達しており、残りの胎児成熟期にホルモン合成が可能であるが、膵島細胞はグルカゴンやインスリンを産生する能力は比較的未熟である。これは、胎盤を介した母体からのグルコース移行により、胎児の血清グルコース濃度が比較的安定したレベルに達した結果であると考えられている。一方、胎児の血清グルコース濃度が安定しているのは、摂食中にインクレチンによって開始される膵臓のシグナル伝達がないためと考えられる。さらに、胎児の膵島細胞はcAMPを十分に産生することができず、グルカゴンやインスリンを分泌するのに必要なホスホジエステラーゼによってcAMPを急速に分解する。
胎児の発育中、グリコーゲンの貯蔵は胎児のグルココルチコイドと胎盤ラクトゲンによって制御される。胎児インスリンは、出生に至るまでの段階において、グルコースの取り込みと脂肪生成を増加させる役割を担っている。胎児細胞は成人細胞と比較してより多くのインスリンレセプターを含んでおり、胎児インスリンレセプターは高インスリン血症の場合にはダウンレギュレーションされない。対照的に、胎児の触覚グルカゴン受容体は成体細胞と比較して低下しており、グルカゴンの血糖上昇作用は鈍化している。この一時的な生理学的変化は、妊娠後期の胎児の発育速度の増加を助ける。母親の糖尿病の管理が不十分であると、胎児巨大症、流産リスクの増加、および胎児発育の欠陥に関連する。母体の高血糖はまた、インスリンレベルの上昇および妊娠後期の乳児のβ細胞過形成と関連している。糖尿病の母親の子どもは、以下のような疾患のリスクが高い： 多血症、腎静脈血栓症、低カルシウム血症、呼吸窮迫症候群、黄疸、心筋症、先天性心疾患、および不適切な臓器の発達。
Gonads
The reproductive system begins development at four to five weeks of gestation with germ cell migration. The bipotential gonad results from the collection of the medioventral region of the urogenital ridge. At the five-week point, the developing gonads break away from the adrenal primordium. Gonadal differentiation begins 42 days following conception.
Male gonadal development
For males, the testes form at six fetal weeks and the sertoli cells begin developing by the eight week of gestation. SRY, the sex-determining locus, serves to differentiate the Sertoli cells. The Sertoli cells are the point of origin for anti-Müllerian hormone. Once synthesized, the anti-Müllerian hormone initiates the ipsilateral regression of the Müllerian tract and inhibits the development of female internal features. At 10 weeks of gestation, the Leydig cells begin to produce androgen hormones. The androgen hormone dihydrotestosterone is responsible for the development of the male external genitalia.
The testicles descend during prenatal development in a two-stage process that begins at eight weeks of gestation and continues through the middle of the third trimester. During the transabdominal stage (8 to 15 weeks of gestation), the gubernacular ligament contracts and begins to thicken. The craniosuspensory ligament begins to break down. This stage is regulated by the secretion of insulin-like 3 (INSL3), a relaxin-like factor produced by the testicles, and the INSL3 G-coupled receptor, LGR8. During the transinguinal phase (25 to 35 weeks of gestation), the testicles descend into the scrotum. This stage is regulated by androgens, the genitofemoral nerve, and calcitonin gene-related peptide. During the second and third trimester, testicular development concludes with the diminution of the fetal Leydig cells and the lengthening and coiling of the seminiferous cords.
Female gonadal development
For females, the ovaries become morphologically visible by the 8th week of gestation. The absence of testosterone results in the diminution of the Wolffian structures. The Müllerian structures remain and develop into the fallopian tubes, uterus, and the upper region of the vagina. The urogenital sinus develops into the urethra and lower region of the vagina, the genital tubercle develops into the clitoris, the urogenital folds develop into the labia minora, and the urogenital swellings develop into the labia majora. At 16 weeks of gestation, the ovaries produce FSH and LH/hCG receptors. At 20 weeks of gestation, the theca cell precursors are present and oogonia mitosis is occurring. At 25 weeks of gestation, the ovary is morphologically defined and folliculogenesis can begin.
Studies of gene expression show that a specific complement of genes, such as follistatin and multiple cyclin kinase inhibitors are involved in ovarian development. An assortment of genes and proteins - such as WNT4, RSPO1, FOXL2, and various estrogen receptors - have been shown to prevent the development of testicles or the lineage of male-type cells.
Pituitary gland
The pituitary gland is formed within the rostral neural plate. The Rathke's pouch, a cavity of ectodermal cells of the oropharynx, forms between the fourth and fifth week of gestation and upon full development, it gives rise to the anterior pituitary gland. By seven weeks of gestation, the anterior pituitary vascular system begins to develop. During the first 12 weeks of gestation, the anterior pituitary undergoes cellular differentiation. At 20 weeks of gestation, the hypophyseal portal system has developed. The Rathke's pouch grows towards the third ventricle and fuses with the diverticulum. This eliminates the lumen and the structure becomes Rathke's cleft. The posterior pituitary lobe is formed from the diverticulum. Portions of the pituitary tissue may remain in the nasopharyngeal midline. In rare cases this results in functioning ectopic hormone-secreting tumors in the nasopharynx.
The functional development of the anterior pituitary involves spatiotemporal regulation of transcription factors expressed in pituitary stem cells and dynamic gradients of local soluble factors. The coordination of the dorsal gradient of pituitary morphogenesis is dependent on neuroectodermal signals from the infundibular bone morphogenetic protein 4 (BMP4). This protein is responsible for the development of the initial invagination of the Rathke's pouch. Other essential proteins necessary for pituitary cell proliferation are Fibroblast growth factor 8 (FGF8), Wnt4, and Wnt5. Ventral developmental patterning and the expression of transcription factors is influenced by the gradients of BMP2 and sonic hedgehog protein (SHH). These factors are essential for coordinating early patterns of cell proliferation.
Six weeks into gestation, the corticotroph cells can be identified. By seven weeks of gestation, the anterior pituitary is capable of secreting ACTH. Within eight weeks of gestation, somatotroph cells begin to develop with cytoplasmic expression of human growth hormone. Once a fetus reaches 12 weeks of development, the thyrotrophs begin expression of Beta subunits for TSH, while gonadotrophs being to express beta-subunits for LH and FSH. Male fetuses predominately produced LH-expressing gonadotrophs, while female fetuses produce an equal expression of LH and FSH expressing gonadotrophs. At 24 weeks of gestation, prolactin-expressing lactotrophs begin to emerge.
Function
Hormones
A hormone is any of a class of signaling molecules produced by cells in glands in multicellular organisms that are transported by the circulatory system to target distant organs to regulate physiology and behaviour. Hormones have diverse chemical structures, mainly of 3 classes: eicosanoids, steroids, and amino acid/protein derivatives (amines, peptides, and proteins). The glands that secrete hormones comprise the endocrine system. The term hormone is sometimes extended to include chemicals produced by cells that affect the same cell (autocrine or intracrine signalling) or nearby cells (paracrine signalling).
Hormones are used to communicate between organs and tissues for physiological regulation and behavioral activities, such as digestion, metabolism, respiration, tissue function, sensory perception, sleep, excretion, lactation, stress, growth and development, movement, reproduction, and mood.
Hormones affect distant cells by binding to specific receptor proteins in the target cell resulting in a change in cell function. This may lead to cell type-specific responses that include rapid changes to the activity of existing proteins, or slower changes in the expression of target genes. Amino acid–based hormones (amines and peptide or protein hormones) are water-soluble and act on the surface of target cells via signal transduction pathways; steroid hormones, being lipid-soluble, move through the plasma membranes of target cells to act within their nuclei.
Cell signalling
The typical mode of cell signalling in the endocrine system is endocrine signaling, that is, using the circulatory system to reach distant target organs. However, there are also other modes, i.e., paracrine, autocrine, and neuroendocrine signaling. Purely neurocrine signaling between neurons, on the other hand, belongs completely to the nervous system.
Autocrine
Autocrine signaling is a form of signaling in which a cell secretes a hormone or chemical messenger (called the autocrine agent) that binds to autocrine receptors on the same cell, leading to changes in the cells.
Paracrine
Some endocrinologists and clinicians include the paracrine system as part of the endocrine system, but there is not consensus. Paracrines are slower acting, targeting cells in the same tissue or organ. An example of this is somatostatin which is released by some pancreatic cells and targets other pancreatic cells.
Juxtacrine
Juxtacrine signaling is a type of intercellular communication that is transmitted via oligosaccharide, lipid, or protein components of a cell membrane, and may affect either the emitting cell or the immediately adjacent cells.
It occurs between adjacent cells that possess broad patches of closely opposed plasma membrane linked by transmembrane channels known as connexons. The gap between the cells can usually be between only 2 and 4 nm.
Clinical significance
Disease
Diseases of the endocrine system are common, including conditions such as diabetes mellitus, thyroid disease, and obesity. Endocrine disease is characterized by misregulated hormone release (a productive pituitary adenoma), inappropriate response to signaling (hypothyroidism), lack of a gland (diabetes mellitus type 1, diminished erythropoiesis in chronic kidney failure), or structural enlargement in a critical site such as the thyroid (toxic multinodular goitre). Hypofunction of endocrine glands can occur as a result of loss of reserve, hyposecretion, agenesis, atrophy, or active destruction. Hyperfunction can occur as a result of hypersecretion, loss of suppression, hyperplastic or neoplastic change, or hyperstimulation.
Endocrinopathies are classified as primary, secondary, or tertiary. Primary endocrine disease inhibits the action of downstream glands. Secondary endocrine disease is indicative of a problem with the pituitary gland. Tertiary endocrine disease is associated with dysfunction of the hypothalamus and its releasing hormones.
As the thyroid, and hormones have been implicated in signaling distant tissues to proliferate, for example, the estrogen receptor has been shown to be involved in certain breast cancers. Endocrine, paracrine, and autocrine signaling have all been implicated in proliferation, one of the required steps of oncogenesis.
Other common diseases that result from endocrine dysfunction include Addison's disease, Cushing's disease and Graves' disease. Cushing's disease and Addison's disease are pathologies involving the dysfunction of the adrenal gland. Dysfunction in the adrenal gland could be due to primary or secondary factors and can result in hypercortisolism or hypocortisolism. Cushing's disease is characterized by the hypersecretion of the adrenocorticotropic hormone (ACTH) due to a pituitary adenoma that ultimately causes endogenous hypercortisolism by stimulating the adrenal glands. Some clinical signs of Cushing's disease include obesity, moon face, and hirsutism. Addison's disease is an endocrine disease that results from hypocortisolism caused by adrenal gland insufficiency. Adrenal insufficiency is significant because it is correlated with decreased ability to maintain blood pressure and blood sugar, a defect that can prove to be fatal.
Graves' disease involves the hyperactivity of the thyroid gland which produces the T3 and T4 hormones. Graves' disease effects range from excess sweating, fatigue, heat intolerance and high blood pressure to swelling of the eyes that causes redness, puffiness and in rare cases reduced or double vision.
Other animals
A neuroendocrine system has been observed in all animals with a nervous system and all vertebrates have a hypothalamus–pituitary axis. All vertebrates have a thyroid, which in amphibians is also crucial for transformation of larvae into adult form. All vertebrates have adrenal gland tissue, with mammals unique in having it organized into layers. All vertebrates have some form of a renin–angiotensin axis, and all tetrapods have aldosterone as a primary mineralocorticoid.
Additional images
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Female endocrine system -
Male endocrine system
外部リンク
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