Testicular function in adolescent boys with Klinefelter syndrome

Klinefelter syndrome (KS) is the most frequent karyotype disorder of male reproductive function. Since its original clinical description in 1942 and the identification of its chromosomal basis 47,XXY in 1959, the typical KS phenotype has become well recognized, but the mechanisms behind the testicular degeneration process have remained unrevealed. This prospective study was undertaken to increase knowledge about testicular function in adolescent KS boys. It comprised a longitudinal follow-up of growth, pubertal development, and serum reproductive hormone levels in 14 prepubertal and pubertal KS boys. Each boy had a testicular biopsy that was analyzed with histomorphometric and immunohistochemical methods. The KS boys had sufficient testosterone levels to allow normal onset and progression of puberty. Their serum testosterone levels remained within the low-normal range throughout puberty, but from midpuberty onwards, findings like a leveling-off in testosterone and insulin-like factor 3 (INSL3) concentrations, high gonadotropin levels, and exaggerated responses to gonadotropin-releasing hormone stimulation suggest diminished testosterone secretion. We also showed that the Leydig cell differentiation marker INSL3 may serve as a novel marker for onset and normal progression of puberty in boys. In the KS boys the number of germ cells was already markedly lower at the onset of puberty. The pubertal activation of the pituitary-testicular axis accelerated germ cell depletion, and germ cell differentiation was at least partly blocked at the spermatogonium or early primary spermatocyte stages. The presence of germ cells correlated with serum reproductive hormone levels. The immature Sertoli cells were incapable of transforming to the adult type, and during puberty the degeneration of Sertoli cells increased markedly. The older KS boys displayed an evident Leydig cell hyperplasia, as well as fibrosis and hyalinization of the interstitium and peritubular connective tissue. Altered immunoexpression of the androgen receptor (AR) suggested that in KS boys during puberty a relative androgen deficiency develops at testicular level. The impact of genetic features of the supernumerary X chromosome on the KS phenotype was also studied. The present study suggests that parental origin of the supernumerary X chromosome and the length of the CAG repeat of the AR gene influence pubertal development and testicular degeneration. The current study characterized by several means the testicular degeneration process in the testes of adolescent KS boys and confirmed that this process accelerates at the onset of puberty. Although serum reproductive hormone levels indicated no hypogonadism during early puberty, the histological analyses showed an already markedly reduced fertility potential in prepubertal KS boys. Genetic features of the X chromosome affect the KS phenotype.

Testiklarnas funktion hos pubertala pojkar med Klinefelters syndrom Den extra X-kromosom, som förorsakar Klinefelters syndrom (KS eller 47,XXY), är en av de viktigaste genetiska orsakerna till manlig infertilitet. En av 600 pojkar föds med denna kromosomavvikelse. KS-patienternas infertilitet beror på att sädestamcellerna försvinner. Nya behandlingsmetoder för infertilitet har dock gett denna patientgrupp en möjlighet att få egna barn, vilket tidigare ansågs omöjligt. Den degeneration av testiklarna, som sker hos KS-patienterna under puberteten, har ej undersökts systematiskt. Syftet med denna doktorsavhandling var därför att undersöka med moderna metoder för hormonbestämning och vävnadsundersökning mekanismerna bakom denna testikeldestruktion. KS-pojkarnas testosteronnivåer var under puberteten tillräckliga för att trygga en normal virilisering. Trots att stegringen i testosteronnivåerna avtog under puberteten, hölls dessa, liksom även olika markörer för androgenaktivitet på vävnadsnivå, inom normala gränser. Gonadotropinerna, som utsöndras av hypofysen och reglerar testiklarnas funktion, steg vid 13-14 års ålder klart över det normala, vilket tyder på att KS-patienterna vid denna ålder utvecklar en relativ testosteronbrist. Insulinliknande faktor-3 (INSL3) utsöndras av testiklarnas Leydig-celler. I denna undersökning mättes för första gången INSL3-nivåer hos pojkar under puberteten. Till en början steg KS-pojkarna INSL3-nivåer på samma sätt som hos normala pojkar, men senare under puberteten var KS pojkarnas INSL3-nivåer lägre än normala. Hos KS-patienter kan INSL3 därför vara ett bättre mått än testosteron på testiklarnas könshormonproduktion. Destruktionen av spermatogonierna (sädestamcellerna) började i KS-pojkarnas testiklar i början av puberteten vid den tidpunkt, då dessa normalt skall mogna till spermatocyter och då testiklarnas hormonutsöndring aktiveras. Vidare kunde konstateras, att testiklarnas Sertoli-cellers mognadsprocess var kraftig störd och att Leydig-cellernas utseende var avvikande. Avvikelser i androgenreceptorn tydde på en relativ androgenbrist hos KS-pojkarna också på testikelnivå. KS-pojkarna får den extra X-kromosomen lika ofta av mor som av far. Resultaten från denna undersökning visade, att den extra X-kromosomens ursprung samt CAG-sekvensens längd i androgenreceptorgenen på X-kromosomen påverkar KS-pojkarnas pubertetsutveckling och degenerationen av deras testiklar. Denna doktorsavhandling ger viktig ny information om den testikeldestruktion, som sker hos KS-patienterna under puberteten, samt om de förändringar i hormonnivåerna, som denna skada leder till. Vi visade att KS-patienternas fertilitet var kraftigt nedsatt redan i början av puberteten, men att deras testiklars testosteronproduktion hölls inom normala gränser under puberteten. Dessa undersökningsresultat kan användas, då man planerar en optimal uppföljning och vård för dessa patienter.

Kivesten toiminta murrosikäisillä Klinefelterin oireyhtymää sairastavilla pojilla Klinefelterin oireyhtymän (KS) aiheuttama ylimääräinen X-kromosomi (l. kromosomisto 47,XXY) on tavallisin miehen lapsettomuuteen johtava kromosomipoikkeavuus. Noin joka 600. vastasyntyneeltä pojalta löytyy tällainen kromosomisto. Oireyhtymään liittyvä lapsettomuus johtuu sukusolujen häviämisestä kiveksistä, minkä vuoksi omien lasten saamista on aikaisemmin pidetty mahdottomana. Uudet, avusteiset lisääntymishoidot ovat kuitenkin muuttaneet tätä käsitystä. Koska KS-potilaiden kivesten tuhoutuminen murrosiän aikana on huonosti tunnettu, tässä väitöskirjatutkimuksessa selvitettiin modernein hormonimääritys- ja kudostutkimusmenetelmin kivesten tuhoutumiseen johtavia mekanismeja. Totesimme, että miessukupuolihormonin, testosteronin, pitoisuudet riittivät normaaliin miehistymiseen murrosiässä. Testosteronitasojen nousu hidastui murrosiän edetessä, mutta se pysyi normaalin rajoissa koko puberteetin ajan. Samoin testosteronin vaikutusta elimistössä kuvaavat mittarit olivat murrosiän aikana normaaleja. Kivesten toimintaa säätelevät aivolisäkehormonit (gonadotropiinit) kuitenkin nousivat normaalia korkeammiksi n. 13-14 vuoden iässä viitaten osittaiseen testosteronivajeeseen. Tutkimuksessa mitattiin ensimmäistä kertaa kivesperäisen insuliinikaltaisen tekijän-3:n (INSL3) pitoisuuksia murrosiän kehityksen aikana. INSL3-tasojen nousu oli murrosiän käynnistyessä samanlainen KS-pojilla kuin normaaleilla pojilla, mutta keskipuberteetista lähtien KS-poikien INSL3-tasot jäivät normaalia matalammiksi. INSL3 voi soveltua testosteronipitoisuutta herkemmin kuvaamaan sukupuolihormonien eritystä KS-potilailla. Varhaissukusolujen tuhoutuminen käynnistyi KS-poikien kiveksissä silloin, kun näiden solujen pitäisi kypsyä alkusiemensoluista varhaissiemensoluiksi. Tämä sukusolukuolema liittyi kiveksen hormonituotannon käynnistymiseen. Lisäksi KS-poikien kivesten Sertolin solut eivät kypsyneet normaalisti ja heidän Leydigin solujensa rakenne oli poikkeava. Myös androgeenireseptori poikkesi normaalista viitaten osittaiseen miessukupuolihormonin puutokseen kiveksissä. KS-pojat saavat ylimääräisen X-kromosomin yhtä usein äidiltään kuin isältään. Tässä tutkimuksessa havaittiin että ylimääräisen X-kromosomin alkuperä ja X-kromosomilla sijaitsevan androgeenireseptorigeenin CAG-toistojakson pituus vaikuttavat KS-poikien murrosikäkehitykseen ja kivesten tuhoutumiseen. Väitöskirjatutkimus tuo merkittävää uutta tietoa murrosiän aikana tapahtuvasta KS-potilaiden kivesvauriosta ja vaurioon liittyvistä hormonaalisista muutoksista. Osoitimme, että jo murrosiän alussa KS-potilaiden fertiliteetti on selvästi alentunut, mutta että kivesten testosteronieritys säilyy normaalin rajoissa murrosiässä. Tutkimustuloksia voidaan käyttää suunniteltaessa tämän potilasryhmän optimaalista seurantaa ja hoitoa.