Abstract Polycystic ovary syndrome (PCOS) is a common endocrine disorder affecting 5–15% of women of reproductive age. The syndrome is characterized by menstrual irregularities, hyperandrogenism and polycystic ovaries. Infertility is a major problem in PCOS and it can be explained partially by chronic anovulatory cycles. Excess body weight and insulin resistance are common among women with PCOS, exposing them to the most common pregnancy complication, gestational diabetes mellitus (GDM) and, later in life, to a higher risk of developing glucose metabolism disorders eventually leading to outbreak of type 2 diabetes mellitus (T2DM). However, the respective roles of the syndrome per se, excess body weight and hyperandrogenism regarding the aforementioned complications are still to be clarified. The objectives were first to determine the risks of PCOS, infertility problems and decreased fertility at age 26 in women with a history of menstrual irregularity or elevated androgen levels in adolescence (at age 16). We also aimed to clarify whether PCOS per se is associated with decreased fertility and increased incidence of miscarriage, GDM, prediabetes and T2DM. Lastly, we focused on the respective roles of excess body weight and hyperandrogenism as regards the development of GDM and impaired glucose metabolism. The study populations were derived from the prospective Northern Finland Birth Cohorts 1966 and 1986, comprising all expected births in 1966 (n = 5889 females) and 1986 (n = 4567) in the two northernmost provinces of Finland. The data was complemented with fertility rates and diagnoses of GDM and T2DM from registers held by the National Institute for Health and Welfare and The Social Insurance Institution of Finland. Menstrual irregularity or elevated androgen levels in adolescence were associated at age 26 with increased risks of PCOS and infertility problems, but not with decreased fertility rates. At the end of their reproductive life women with symptoms of PCOS were not more often childless, had had a similar incidence of miscarriages but had a smaller family size compared with healthy women, and obesity further decreased family size in this group. Excess body weight and elevated androgen levels, but not PCOS per se, were independent risk factors of GDM. The increased risk of T2DM in PCOS was mainly due to excess body weight, although both factors had a synergistic effect on the development of T2DM. / Tiivistelmä Monirakkulainen munasarjaoireyhtymä (PCOS) on yleinen naisilla esiintyvä hormonaalinen häiriö, josta kärsii 5-15% lisääntymisikäisistä naisista. Kuukautiskierron häiriöt, mieshormoniylimäärä ja monirakkulaiset munasarjat ovat ominaisia oireyhtymälle. Lapsettomuus on keskeinen ongelma oireyhtymässä, mikä johtuu osittain kroonisesta ovulaatioiden epäsäännöllisyydestä tai niiden puuttumisesta. Ylipainoa ja insuliiniresistenssiä esiintyy usein oireyhtymää sairastavilla naisilla ja ne altistavat raskausajan diabeteksen puhkeamiselle. Myöhemmällä iällä PCOS-naisilla on suurentunut riski sairastua sokeriaineenvaihdunnan häiriöihin, jotka lisäävät riskiä tyypin 2 diabeteksen (T2DM) puhkeamiselle. PCOS:n, ylipainon ja mieshormoniylimäärän itsenäiset roolit edellä mainittujen häiriöiden kehittymisessä ovat kuitenkin edelleen epäselviä. Ensimmäisenä tavoitteena oli selvittää PCOS:n, lapsettomuusongelmien ja alentuneen hedelmällisyyden riskiä 26-vuotiaana naisilla, joilla todettiin kuukautiskierron häiriö tai kohonneet mieshormonipitoisuudet nuoruusiällä (16-vuotiaana). Toiseksi selvitimme, liittyykö PCOS itsessään alentuneeseen hedelmällisyyteen sekä kohonneeseen keskenmenojen, raskausdiabeteksen, diabeteksen esiasteiden ja T2DM esiintyvyyteen. Lisäksi selvitimme ylipainon ja mieshormoniylimäärän itsenäisiä rooleja raskausdiabeteksen ja muiden sokeriaineenvaihdunnan häiriöiden kehittymisessä. Tutkimusaineistoina olivat Pohjois-Suomen syntymäkohortit 1966 (n = 5889 naista) ja 1986 (n = 4567 naista), joihin sisältyivät kaikki elävänä syntyneet lapset vuosina 1966 ja 1986 kahdesta Suomen pohjoisimmasta läänistä. Tutkimusaineistoja täydennettiin hedelmällisyyslukujen ja GDM- sekä T2DM-diagnoosien osalta Terveyden ja hyvinvoinnin laitoksen ja Kansaneläkelaitoksen ylläpitämistä rekistereistä. Nuoruusiän kuukautiskierron häiriöt ja mieshormoniylimäärä olivat yhteydessä suurentuneeseen riskiin kehittää PCOS ja kärsiä lapsettomuusongelmista, mutta näiden yhteyttä alentuneisiin hedelmällisyyslukuihin 26-vuotiaana ei todettu. PCOS-oireiset naiset eivät kärsineet lapsettomuudesta lisääntymisiän aikana verrokkinaisia enemmän ja keskenmenojen esiintyvyys ei eronnut oireisten ja terveiden naisten välillä. Oireisilla naisilla oli kuitenkin pienempi perhekoko kuin verrokeilla, ja lihavuus entisestään pienensi perhekokoa oireisilla naisilla. Ylipaino ja mieshormoniylimäärä olivat itsenäisiä riskitekijöitä raskausdiabeteksen kehittymiselle. PCOS ei ollut riskitekijä raskausdiabeteksen kehittymiselle. Kohonnut T2DM-riski PCOS:ssa johtui lähinnä ylipainosta, vaikkakin molemmat tekijät olivat itsenäisiä riskitekijöitä T2DM:n kehittymiselle.

Abstract Polycystic ovary syndrome (PCOS) is the most common endocrine disorder of women of reproductive age, affecting 5–18% of them. Menstrual irregularities, hyperandrogenemia and obesity are key features in PCOS and they are suggested to be the most important metabolic risks linked to PCOS, but their respective roles are still under debate. Anti-Müllerian hormone (AMH) is involved in sexual differentiation and follicle growth and its level is increased in women with PCOS. The aims of this project were to clarify the significance of menstrual irregularities, hyperandrogenemia and serum levels of AMH in adolescence as predictive factors of the syndrome and to investigate the respective roles of obesity and hyperandrogenism as metabolic risk factors in women with PCOS from adolescence to late adulthood. The study populations were the Northern Finland Birth Cohort 1986 (N=3373 women) and a Nordic population including 1553 women with PCOS and 448 controls. At the age of 16 years, women with menstrual irregularities were more hyperandrogenic compared with women with normal menstrual cycles. Serum AMH levels correlated positively with those of testosterone at this age. They were higher in adolescents with menstrual irregularities compared with those with regular cycles and in women with hirsutism or PCOS at the age of 26 years. However, AMH was not a good marker of metabolic abnormalities in adolescence or a reliable tool to predict PCOS in later life. Androgen levels were higher in women with PCOS throughout life compared with controls. The parameters that best predicted PCOS at all ages were the free androgen index, and androstenedione. Women with PCOS exhibited increased abdominal obesity, altered insulin metabolism, worse lipid profiles and higher blood pressure from early adulthood until menopause compared with controls. The highest prevalence of metabolic syndrome was detected in obese and hyperandrogenic women with PCOS. In conclusion, irregular menstrual cycles, identified by a simple question at adolescence, represent a good marker of hyperandrogenemia, later metabolic risks and development of PCOS. Due to the persistence of hyperandrogenism and metabolic alterations, the treatment of PCOS should be focused on prevention and treatment of these problems as early as in adolescence in order to decrease future morbidity. / Tiivistelmä Monirakkulainen munasarjaoireyhtymä (polycystic ovary syndrome, PCOS) on lisääntymisikäisten naisten tavallisin (5-18%) hormonaalinen häiriö. Kuukautishäiriöt, mieshormoniylimäärä eli hyperandrogenismi ja lihavuus kuuluvat oireyhtymään oleellisesti ja niiden ajatellaan olevan tärkeimmät PCOS:aan liittyvät metaboliset riskitekijät, vaikkakin niiden tarkat roolit ovat epäselvät. Anti-Müllerian hormoni (AMH) vaikuttaa sukupuolen kehitykseen sikiöaikana sekä munarakkuloiden kypsymiseen hedelmällisessä iässä ja sen pitoisuus on suurentunut PCOS-naisilla. Tämän väitöskirjan tavoitteena oli selvittää kuukautishäiriöiden, hyperandrogenismin ja AMH-pitoisuuden ennustearvoa PCOS-oireyhtymälle, sekä arvioida lihavuuden ja hyperandrogenismin vaikutusta metabolisiin riskitekijöihin PCOS-naisilla läpi elämän. Tutkimusaineistoina olivat Pohjois-Suomen syntymäkohortti 1986 (N=3373 naista) sekä pohjoismaalainen yhteistyöaineisto, jossa oli 1553 PCOS-naista ja 448 kontrollia. 16-vuotiaiden kuukautishäiriöistä kärsivien naisten mieshormonipitoisuuksien todettiin olevan korkeammat kuin naisilla, joilla kuukautiskierto oli säännöllinen. AMH-tasot korreloituivat positiivisesti testosteronin kanssa 16-vuotiaana, ja pitoisuus oli koholla naisilla, joilla todettiin kuukautishäiriö. AMH-tasot 16-vuotiaana olivat myös korkeampia naisilla, joilla oli 26-vuotiaana PCOS tai hirsutismi. Kuitenkaan AMH-pitoisuus 16-vuotiaana ei korreloinut metabolisten riskitekijöiden kanssa eikä se ollut luotettava parametri ennustamaan PCOS:n kehittymistä. Mieshormonitasot olivat korkeammat PCOS-naisilla läpi elämän verrattuna kontrolleihin. Vapaan mieshormonin indeksit ja androstendioni olivat parhaat parametrit erottamaan PCOS-naiset kontrolleista. PCOS-naisilla todettiin olevan enemmän vyötärölihavuutta, huonompi veren rasvaprofiili ja korkeampi verenpaine varhaisaikuisuudesta menopaussiin saakka. Lihavilla hyperandrogeenisilla naisilla todettiin suurin metabolisen oireyhtymän esiintyvyys. Yksinkertaisella kysymyksellä selvitetyt kuukautishäiriöt nuoruusiässä todettiin olevan yhteydessä hyperandrogenismiin sekä myöhempiin metabolisiin riskeihin ja PCOS:n kehittymiseen. Jotta pystyttäisiin vähentämään myöhempää sairastavuutta ja kuolleisuutta PCOS-naisilla, oireyhtymän hoidon tulisi keskittyä ennaltaehkäisemään ja hoitamaan lihavuutta, hyperandrogenismia ja metabolisia riskejä jo varhaisaikuisuudessa.

Abstract Polycystic ovary syndrome (PCOS) is the most common endocrine disorder in women of reproductive age. The main features of the syndrome include menstrual irregularities and hyperandrogenism. In addition to symptoms related to fertility, some women also suffer from an unfavourable metabolic profile including impaired glucose tolerance, dyslipidaemia and low-grade chronic inflammation. In the present studies we aimed to investigate the role of age on adrenal and ovarian androgen secretion in 79 women with PCOS and 98 healthy women, with special focus on the menopause. Furthermore, we studied the effects of combined hormonal contraceptives (CHCs) administered orally, transdermally and vaginally (n=42, healthy women, 9 weeks) and atorvastatin treatment (n=28, women with PCOS, 6 months) on androgen levels and metabolic factors. Androgen secretion capacity was analysed by using adrenal and ovarian stimulation tests and glucose tolerance by using oral and intravenous glucose tolerance tests. Furthermore, chronic inflammation was assessed via assay of C-reactive protein and pentraxin-3. Basal and stimulated adrenal and ovarian androgen production was elevated and levels remained higher in women with PCOS compared with healthy women even after the menopause. Furthermore, women with PCOS presented with enhanced insulin resistance and chronic inflammation, which persisted beyond menopausal transition. During CHC treatment, the route of administration was insignificant, and all treatments impaired insulin sensitivity and increased chronic inflammation. In women with PCOS, treatment with atorvastatin improved chronic inflammation and the lipid profile as expected, but worsened glucose tolerance and did not affect testosterone levels. Regardless of strict exclusion criteria, where only relatively healthy women with PCOS were recruited, the results showed that enhanced androgen secretion and unfavourable metabolic alterations associated with PCOS persist through menopausal transition. The findings emphasize the importance of monitoring glucose metabolism during the use of CHCs, especially in women with known risks of type 2 diabetes. Atorvastatin treatment exacerbates insulin resistance in women with PCOS and therefore the treatment should only be considered after individual risk assessment of cardiovascular disease and not just because of PCOS. / Tiivistelmä Monirakkulainen munasarjaoireyhtymä (PCOS) on hedelmällisessä iässä olevien naisten yleisin hormonaalinen ongelma. Tyypillisiä PCOS:n oireita ovat munarakkuloiden epäsäännöllisestä kypsymisestä johtuvat kuukautiskierron häiriöt ja miessukuhormonien eli androgeenien liikatuotanto. Hedelmällisyyttä heikentävien oireiden lisäksi PCOS:än liittyy aineenvaihdunnan ongelmia, kuten heikentynyttä sokerinsietoa sekä taipumus rasva-aineenvaihdunnan häiriöihin ja krooniseen tulehdukseen. Tutkimuksessa selvitettiin ikääntymisen ja vaihdevuosien vaikutuksia lisämunuais- ja munasarjaperäiseen androgeenieritykseen 79 PCOS-naisella ja 98 terveellä naisella. Lisäksi tutkittiin eri yhdistelmäehkäisyvalmisteiden antoreittien (suu, iho, emätin) (n=42, terveet naiset, 9 viikkoa) ja atorvastatiinihoidon (n=28, PCOS-naiset, 6 kuukautta) vaikutuksia androgeenitasoihin ja aineenvaihdunnallisiin muuttujiin. Androgeenieritystä tutkittiin lisämunuaisten ja munasarjojen stimulaatiotesteillä ja sokeriaineenvaihdunnan muutoksia suun kautta ja suonensisäisesti tehtävillä sokerirasituskokeilla. Tulehduksellista tilaa mitattiin määrittämällä C-reaktiivisen proteiinin ja pentraksiini-3:n pitoisuuksia. Lisämunuaisten ja munasarjojen androgeenieritys oli PCOS-naisilla lisääntynyt terveisiin naisiin verrattuna, ja ero säilyi vaihdevuosi-iän jälkeen. PCOS-naisilla esiintyi myös enemmän heikentynyttä sokerinsietoa ja kroonista tulehdusta vielä vaihdevuosi-iän jälkeenkin. Hormonaalinen yhdistelmäehkäisy heikensi insuliiniherkkyyttä sekä pahensi pitkäaikaista tulehdusta annostelureitistä riippumatta. Atorvastatiinihoito puolestaan paransi pitkäaikaista tulehdusta sekä rasva-aineenvaihduntaa PCOS-naisilla, mutta huononsi sokerinsietoa ja insuliiniherkkyyttä eikä sillä ollut vaikutusta testosteronitasoihin. Koska poissulkukriteerit olivat tiukat, tutkimuksiin valikoitui varsin terveitä PCOS-naisia. Siitä huolimatta osoittautui, että PCOS:än liittyvä lisääntynyt androgeenituotanto sekä epäedulliset aineenvaihdunnan muutokset jatkuvat vielä vaihdevuosi-iän jälkeen. Hormonaalisen yhdistelmäehkäisyn käytön aikana olisi hyvä seurata sokeriaineenvaihdunnan muutoksia erityisesti niillä naisilla, joilla on kohonnut riski sairastua aikuistyypin diabetekseen. Atorvastatiinihoito huonontaa PCOS-naisilla insuliiniherkkyyttä, minkä vuoksi hoito tulisi aloittaa vain yksilöllisen riskiarvion perusteella.