褪黑素在神经系统疾病中的应用研究进展

刘艳琴 刘 晓 杨 谦

1)西安医学院，陕西 西安 710068 2)陕西省人民医院，陕西 西安 710068

褪黑素是一种主要由松果体合成和分泌的内源性神经激素，除作为人体生物钟的主要作用外，褪黑素在人体的众多结构和生理系统中扮演着重要的角色，它可能以两种不同的方式调节神经功能。一方面，褪黑素作用于神经功能的一般方面，如神经传递和突触可塑性、神经营养、神经保护(抗氧化、抗炎、DNA稳定和修复、神经发生)和神经可塑性(神经发育、神经干细胞增殖、神经元成熟、树突发生和轴突发生)；另一方面，褪黑激素通过调节特定功能发挥作用，包括昼夜节律和季节节律、生殖、能量代谢、睡眠、血压等[1]。随着科学的发展，褪黑素在医学上的应用越来越重要，在治疗多种神经系统疾病中的应用得到多种观察结果的支持。众所周知，中枢神经系统很容易成为氧化应激的靶点，因大脑仅占体质量的2%，接受心输出量的15%，消耗体内总氧量的20%，比其他器官和组织产生更多的活性氧。研究表明氧化应激与神经退行性疾病的病因学有关，如阿尔茨海默病、多发性硬化和帕金森病等，褪黑素治疗这些疾病可能基于其抗氧化作用[2]，褪黑素及其代谢产物极大地影响抗氧化酶和促氧化酶，从而减少氧化损伤。另外，褪黑素受体(MT1和MT2)广泛表达于人类大脑的不同区域，包括大脑皮质、海马和下丘脑，它们参与神经递质释放。合成的MT1-MT2配体也可以通过模仿一些褪黑素的作用作为治疗药物[3]。褪黑素在许多神经系统疾病(如阿尔茨海默病、多发性硬化、肌萎缩侧索硬化症、癫痫、头痛等)中的各种病理的实验模型及临床试验中获得令人满意的结果。本文旨在深入回顾褪黑素在神经系统疾病中的临床应用。

1 褪黑素作用机制

褪黑素主要通过四种不同的机制发挥多效作用：与膜受体结合、核受体结合、细胞内蛋白质和受体非依赖作用[4]。目前发现褪黑素膜受体有MT1、MT2、MT3 3种类型，其中MT1和MT2属于G蛋白偶联受体，MT3被发现是一种醌还原酶，在哺乳动物中尚未被发现[5]。褪黑素受体几乎在所有的外周器官都有发现，也存在于中枢神经系统的一些区域。褪黑素通过结合细胞膜受体介导细胞信号传导，并产生大量的二级信使，包括环磷酸腺苷(cAMP)、环磷酸鸟苷(cGMP)、三磷酸肌醇(IP3)、甘油二酯(DAG)、花生四烯酸或细胞内钙离子(Ca2+)浓度。褪黑素受体活化导致调节蛋白激酶活性的cAMP水平降低，调节丝裂原活化蛋白激酶，降低cGMP水平，调节钾、钙离子通道。此外，褪黑素受体激活磷脂酶C(PLC)，是磷脂酰肌醇4，5二磷酸水解产生IP3和DAG。IP3与内质网上的IP3受体结合，导致储存的Ca2+释放，细胞内的Ca2+浓度升高[4]。核受体属于维甲酸相关孤核受体/维甲酸Z受体(ROR/RZR) 家族，主要包括3组：ROR-α、ROR-β、ROR-γ。研究表明ROR/RZRs在中枢神经系统发育、调控昼夜节律、细胞(包括免疫细胞)的分化和增殖中起重要作用。褪黑素与其高亲和力核受体的结合抑制了5-脂氧合酶(LOX)基因的表达[6]。褪黑素还被证明通过细胞内蛋白影响细胞功能。钙调蛋白是内质网的一种重要的钙结合蛋白，它与钙离子结合成活性复合物，激活各种负责蛋白磷酸化的酶，如钙/钙蛋白依赖性蛋白激酶Ⅱ[4]。褪黑素也可以不依赖受体直接清除氧自由基、抑制氧化酶活性、增强抗氧化酶活性、与其他抗氧化酶协同作用[7]。

2 褪黑素在神经系统中的作用

2．1抗氧化作用褪黑素及其代谢产物具有很强的抗氧化性能，能直接清除各种自由基，如羟自由基(-OH)、过氧化硝基(OONO-)、超氧阴离子(O2-)、过氧化氢(H2O2)、单线态氧(-O2)、一氧化氮(NO)[8]。此外褪黑素还通过诱导抗氧化酶，包括锰和铜锌超氧化物歧化酶(SOD)、谷胱甘肽过氧化物酶(GPx)、谷胱甘肽还原酶(GRd)、谷氨酰半胱氨酸连接酶[9]，抑制促氧化酶，如一氧化氮合酶(NOS)、黄嘌呤氧化酶过氧化物酶(XO)和髓过氧化物酶(MPO)间接发挥抗氧化作用[10]。

2．2抗炎作用褪黑素的抗炎作用是抑制核因子κB(NFκB)与DNA的结合，通过抑制环氧合酶(Cox)[11]，主要是Cox-2[12]，以及抑制诱导型一氧化氮合酶(iNOS)的表达来实现的[13]，从而减少促炎信号的合成。其他相关的信号转导途径包括预防炎症介质NLRP3激活、提高核因子E2相关因子2(Nrf2)的表达、抑制Toll样受体-4的激活和高迁移率族蛋白-1的信号转导。褪黑激素的这些作用反映在促炎细胞因子水平的降低和抗炎细胞因子的增加。抗炎作用具有很大的医学价值，因它们存在于脑损伤、缺血/再灌注或败血症等高度炎症中，以及衰老或神经退行性变等低度炎症中[14]。

2．3维持血脑屏障的完整性血脑屏障(BBB)在维持中枢神经系统正常神经功能所必需的微环境动态平衡方面起至关重要的作用，血脑屏障功能失调会导致多种神经系统疾病，保持血脑屏障的完整性可以预防神经系统疾病。褪黑素通过抑制基质金属蛋白酶-9(MMP-9)和烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸(NADPH)氧化酶-2，影响SIRT-1和核苷酸结合的寡聚化结构域样受体家族含吡咯域3(NLRP3)炎症小体等多种途径来维持血脑屏障的完整性和通透性[15]。

3 褪黑素在神经系统疾病中的应用进展

3．1褪黑素与脑缺血再灌注损伤脑缺血再灌注(I/R)损伤的病理主要包括早期兴奋性毒性、钙稳态的破坏、过度的反应性自由基、全身性炎症和细胞凋亡[16-18]。KOH等[19]和LI等[20]的研究表明褪黑激素可以减少大鼠脑I/R损伤造成的神经损伤。ZHAO等[21]的人体研究证实了这点，其对60例行颈动脉内膜剥脱术(CEA)的患者进行了随机、双盲、对照试验(RCT)，RCT的参与者从术前3 d到术后3 d口服6 mg/d的褪黑素，并在以下时间抽取血样：基线、麻醉前、颈动脉重建完成、CEA之后的6、24和72 h，结果表明，与安慰剂组相比，褪黑素组减低了CEA后NF-κB、TNF-α、IL-6、S100钙结合蛋β(S100β)的表达(P<0.05)，显著增加了SOD、过氧化氢酶(CAT)、Nrf2、Gpx的表达(P<0.05)，说明褪黑素可以改善CEA后的脑I/R损伤，这主要是由于褪黑素的抗氧化和抗炎作用。

3．2褪黑素与偏头痛偏头痛是一种常见的原发性头痛，世界上至少有12%～20%的人受到偏头痛的影响[22]。虽然偏头痛的机制尚不清楚，但大多数专家一致认为，三叉神经血管系统的异常激活和敏化在偏头痛病理中起重要作用[23]。降钙素基因相关肽(CGRP)是一种强大的血管舒张因子，偏头痛发作时其从三叉神经血管系统释放的量显著增加，导致脑血管的病理性扩张。褪黑素可以抑制CGRP的释放，从而调节大脑的血流[24]。此外，褪黑激素被认为是一种强镇痛药，可在疼痛综合征中发挥强大的止痛作用。该镇痛机制被认为与β-内啡肽释放增加，褪黑激素受体激活和脑γ-氨基丁酸能(GABA)系统增强有关[25]。GONCALVES等[26]在一项196例患者参与随机、双盲、安慰剂对照研究中比较了褪黑素3 mg、阿米替林25 mg和安慰剂在预防偏头痛中的作用，结果发现，与安慰剂相比，褪黑素显著减少头痛频率，但与阿米替林相比无显著差异，但在偏头痛频率降低50%以上的患者中褪黑素优于阿米替林。褪黑素的耐受性优于阿米替林，且不良反应率更低。EBRAHIMI等[27]在另一项观察褪黑素3 mg和丙戊酸钠200 mg预防偏头痛疗效的随机、双盲、对照研究中也得出同样的结论，褪黑素辅助治疗效果优于安慰剂，临床疗效与丙戊酸钠相当，但耐受性更高。

3．3褪黑素与癫痫癫痫是一种大脑神经元出现短暂异常放电的神经系统疾病，可能与氧化应激、谷氨酸兴奋性毒性和线粒体功能障碍有关[28-30]。研究表明褪黑激素通过影响GABA受体显示抗惊厥作用[31-33]。褪黑激素还提供了电压依赖性Ca2+通道的封闭，这也可以通过抑制神经元活动减少癫痫[34]。在一项大鼠实验中，当褪黑素与丙戊酸联合使用时显示出强大的抗惊厥作用，并降低了癫痫的严重程度[35]。而目前的人体试验研究都涉及相对较少的患者，且大多数患者既无盲目也没有安慰剂对照。一些提示癫痫发作恶化，另一些提示褪黑激素改善癫痫发作控制[36]，所以还需要大型随机、双盲、安慰剂对照试验确定褪黑素在癫痫中的作用。

3．4褪黑素与阿尔茨海默病阿尔茨海默病(Alzheimer’s disease，AD)是一种慢性神经退行性疾病，其特征是认知和记忆力进行性下降。AD的病理标志是主要由淀粉样蛋白β(Aβ)组成的细胞外老年斑和由Tau蛋白组成的细胞内神经原纤维缠结(NFTs)[37-40]，而且AD患者脑中存在抗氧化酶的缺陷，这些抗氧化酶包括超氧化物歧化酶(SOD)和谷胱甘肽过氧化物酶(GSH-Px)，它们是人体抵抗自由基的关键防御机制[41-43]。此外，自由基可促进Aβ生成、神经原纤维缠结和神经细胞凋亡。因此，氧自由基在AD发病中起非常重要的作用[44]。研究发现，与受试者相比，阿尔茨海默病患者的褪黑素水平较低[45-48]。而褪黑素的抗氧化作用和清除氧自由基的特性使其有望成为抑制AD进展的候选药物。在一项AD的转基因(TG)小鼠模型研究中，褪黑素剂量10 mg/kg时可恢复认知功能障碍并减少Aβ的生成[49]。CARDINALI等[50]的一项回顾性研究显示，褪黑素能改善AD患者的认知功能和睡眠质量。然而，WANG等[51]的一项荟萃分析表明褪黑素改善了AD患者睡眠质量，但并未显示出认知功能的明显改善。因此，还需要设计良好的长期RCT进一步确定其在临床实践中的有效性。

3．5褪黑素与多发性硬化多发性硬化症(multiple sclerosis，MS)是一种进行性神经退行性疾病，由针对髓鞘的自身免疫反应引发，是年轻人中最常见的中枢神经系统(CNS)脱髓鞘疾病[52-55]。多发性硬化症的病理生理学特征是慢性炎症、血脑屏障破坏和淋巴细胞浸润到中枢神经系统，导致髓鞘损伤、胶质增生和轴突丢失[56-58]。MS的发病机制是通过CD4+、Th1和Th17细胞驱动的，分别分泌IL-6、IFN-γ、TNF-α和IL-17，出现在中枢神经系统病变形成的早期[59]。CD8+T细胞也存在于MS损伤中，其在轴突损伤中具有核心作用[60]。褪黑素治疗通过抑制细胞因子减少MS疾病，这些细胞因子通过影响各种受体而增加炎症，特别是通过MTNR1A受体减少了TH17分泌的IL-17数量，还增加了TR1细胞分泌IL-10的量[61]。在一项涉及102例患者和20名健康志愿者的病例对照研究中，每天服用5 mg褪黑素的患者生活质量得到改善，多发性硬化影响评分(multiple sclerosis impact scale，MSIS)下降[62]。一项为期6个月的随机、双盲安慰剂对照临床试验比较了褪黑素与安慰剂在复发缓解型MS患者中的疗效，结果发现，与安慰剂相比口服25 mg/d褪黑激素6个月显示出降低血清促炎性细胞因子和氧化应激标志物水平的疗效。上述发现可能支持褪黑激素在MS中作为辅助治疗手段[63]。

4 结语

实验动物模型中褪黑素已被证明在减少神经元丢失和改善认知过程方面非常有效，但需进一步加强临床应用研究探索褪黑素对神经系统疾病的保护和治疗作用。