霍偉 陶樹清

哈爾濱醫(yī)科大學(xué)附屬第二醫(yī)院，黑龍江 哈爾濱 150000

骨質(zhì)疏松是一種以骨量減低、骨組織微結(jié)構(gòu)破壞，導(dǎo)致骨脆性增加、易發(fā)生骨折為特征的一種全身代謝性骨病(世界衛(wèi)生組織，1940)[1]。而在骨質(zhì)疏松患者中老年女性發(fā)病率明顯高于老年男性[2]。骨質(zhì)疏松主要表現(xiàn)為骨量丟失、骨密度下降、骨顯微結(jié)構(gòu)的破壞，大大增加了骨折風(fēng)險(xiǎn)，已成為我國面臨的重要公共衛(wèi)生問題。

褪黑素(Melatonin)于1958年由Aaron在牛的松果體中最先發(fā)現(xiàn)。它是哺乳動物和人類的松果體分泌的一種吲哚類激素(N-乙酰基-5-甲基色胺)[3]。且還有研究報(bào)道褪黑素可能在骨髓及其他很多組織中合成[4]。褪黑素的合成和分泌具有晝夜節(jié)律，受到下丘腦視交叉上核(suprachiasmatic nucleus，SCN)對光線反應(yīng)的調(diào)節(jié)，在黃昏時(shí)上升并在凌晨2:00左右達(dá)到峰值[5]。由于分泌的晝夜節(jié)律性，褪黑激素的功能最初被確定為調(diào)節(jié)睡眠。近年來許多研究指出褪黑素還能參與骨代謝。傳統(tǒng)的抗骨質(zhì)疏松藥物長期服用存在一些副作用，如雷洛昔芬可能增加了深靜脈血栓形成的風(fēng)險(xiǎn)，還可能引起潮熱[6]；狄諾賽麥(denosumab，DMAB)可能會引起濕疹、蜂窩織炎、頜骨壞死以及股骨的不典型骨折[7]；而目前唯一的誘導(dǎo)成骨細(xì)胞促進(jìn)骨合成的藥物特立帕肽需要反復(fù)注射，終身只能使用兩年，并有可能增加骨肉瘤的風(fēng)險(xiǎn)[8]。而褪黑素被證實(shí)幾乎沒有副作用[9]，同時(shí)與其他抗骨質(zhì)疏松藥物相比具有經(jīng)濟(jì)效益，因此褪黑素有可能成為治療骨質(zhì)疏松的新方向。

1 褪黑素影響骨代謝的機(jī)制

褪黑素廣泛存在于動物、植物、真菌中[10]，因此目前的研究涉及多個(gè)方面，包括人類、鼠、雞、羊等。目前認(rèn)為褪黑激素可以通過多個(gè)途徑調(diào)節(jié)骨的代謝。它對成骨細(xì)胞和破骨細(xì)胞都有生物學(xué)作用[11]。它可以通過調(diào)節(jié)成骨細(xì)胞和破骨細(xì)胞來影響骨代謝。通過激活MT2受體、調(diào)節(jié)骨鈣蛋白和骨保護(hù)素、調(diào)節(jié)骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞(bone marrow mesenchymal stem cells，BMMSC)從而促進(jìn)成骨。同時(shí)褪黑素還可以通過下調(diào)NF-κB配體的受體激活劑(receptor activator of nuclear factor-κB Ligand，RANKL)，上調(diào)降鈣素分泌來抑制破骨細(xì)胞分化來抑制骨溶解，從而達(dá)到調(diào)節(jié)骨代謝的作用。

1.1 褪黑素對成骨細(xì)胞的作用

成骨細(xì)胞是源自間充質(zhì)干細(xì)胞的促進(jìn)骨形成的細(xì)胞。在骨形成的過程中，褪黑素主要針對以下途徑來促進(jìn)成骨。

1.1.1褪黑素可以通過介導(dǎo)褪黑素受體和受體獨(dú)立作用的機(jī)制來預(yù)防骨降解并促進(jìn)骨形成：褪黑素介導(dǎo)的大多數(shù)功能是通過褪黑素與褪黑素受體(melatonin receptor，MTR)偶聯(lián)而激活的。MT受體又分為MT1受體和MT2受體，均為G蛋白偶聯(lián)受體(G protein coupled receptor，GPCR)[12]。Sharan等[13]通過去除小鼠的MT2受體導(dǎo)致了骨量的丟失而不是去除了MT1受體的小鼠，證實(shí)了褪黑素主要通過MT2受體調(diào)節(jié)骨質(zhì)積聚。Maria等[11]證實(shí)褪黑素通過激活MT2受體與MEK1/2和MEK5偶聯(lián)來調(diào)節(jié)成骨細(xì)胞生成。Park等[14]證實(shí)褪黑素可以通過BMP/ERK/Wnt通路來增強(qiáng)向成骨細(xì)胞分化的能力。

1.1.2褪黑素可以通過抗氧化作用及其他信號傳導(dǎo)通路調(diào)節(jié)BMMSC：BMMSC具有多潛能，在成年人中，骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞主要在骨骼中分化為成骨細(xì)胞和脂肪細(xì)胞。但是，如果這種分化不平衡，則可能導(dǎo)致骨量減少。因此對BMMSC雙向分化的調(diào)控在控制骨質(zhì)疏松發(fā)生與發(fā)展中起著重要作用[15]。BMMSC參與骨代謝的過程包含多種因素的參與。Jiang等[16]發(fā)現(xiàn)骨形態(tài)發(fā)生蛋白(bone morphogenetic protein，BMP)尤其是BMP9在此起到重要作用，并通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了褪黑素增加了BMP9在小鼠成纖維細(xì)胞中的表達(dá)，并且二者可以協(xié)同促進(jìn)AMPK和β-連環(huán)蛋白磷酸化，進(jìn)而促進(jìn)成骨分化。Chen等[17]發(fā)現(xiàn)褪黑素可以通過沉默信息調(diào)節(jié)因子1(silent information regulator type 1，SIRT1)介導(dǎo)使細(xì)胞內(nèi)的抗氧化酶水平明顯上調(diào)，特別是超氧化物歧化酶2(superoxide dismutase 2，SOD2)和谷胱甘肽過氧化物酶1(glutathione peroxidase，GPX1)。從而通過抗氧化來修復(fù)骨質(zhì)疏松大鼠的BMMSC，進(jìn)一步促進(jìn)成骨細(xì)胞分化，從而促進(jìn)成骨。Dong等[18]的最新研究成果表明褪黑素處理上調(diào)了神經(jīng)肽Y(neuropeptide Y，NPY)和NPY受體Y1(neuropeptide Y receptor Y1，NPY1R)的表達(dá)，并促進(jìn)了BMMSC的增殖和遷移；褪黑素通過NPY/NPY1R信號傳導(dǎo)促進(jìn)BMMSC的成骨細(xì)胞分化能力。

1.2 褪黑素對破骨細(xì)胞的作用

破骨細(xì)胞是造血起源的唯一骨吸收細(xì)胞，在骨骼發(fā)育及受傷后生長中起著至關(guān)重要的作用。而破骨細(xì)胞的過度活化會增加骨吸收和骨質(zhì)的減少，從而導(dǎo)致骨質(zhì)疏松[19]。褪黑素可以通過以下途徑抑制破骨細(xì)胞功能，從而預(yù)防骨質(zhì)疏松。

(1)作用于核因子-κB(receptor activator of nuclear factor-κB，RANK)受體活化因子配體。核因子-κB(RANK)是來自腫瘤壞死因子(tumor necrosis factors，TNF)超家族的跨膜蛋白，在破骨細(xì)胞中起核心作用[20]。RANKL與破骨細(xì)胞前體表面的RANK結(jié)合，觸發(fā)破骨細(xì)胞生成[21]。褪黑素通過下調(diào)核因子-κB受體活化因子配體(RANKL)介導(dǎo)的破骨細(xì)胞活化來抑制骨吸收[22]。Zhou等[23]最新的實(shí)驗(yàn)成果證實(shí)了褪黑素通過MT2受體介導(dǎo)的核因子-κB(RANK)信號傳到途徑影響B(tài)MMSC介導(dǎo)的破骨細(xì)胞形成，并可能需要RANKL-RANK軸的參與。

(2)降鈣素(Calcitonin)是一種破骨細(xì)胞抑制激素，降鈣素通過其受體(calcitonin receptor，CTR)對鈣穩(wěn)態(tài)起作用，因此對骨代謝的調(diào)節(jié)特別重要[24]。Nakano等[25]發(fā)現(xiàn)骨細(xì)胞中褪黑激素受體的表達(dá)和降鈣素的表達(dá)呈正相關(guān)，并提出了通過褪黑素上調(diào)降鈣素分泌來抑制褪黑素對破骨細(xì)胞作用的新機(jī)制。

2 動物實(shí)驗(yàn)和人體試驗(yàn)

2.1 動物實(shí)驗(yàn)

Ostrowska等[26]通過對去勢骨質(zhì)疏松大鼠模型進(jìn)行松果體切除術(shù)和(或)外源性褪黑素給藥進(jìn)行干預(yù)，并監(jiān)測大鼠的骨代謝指標(biāo)，證實(shí)褪黑素是去勢骨質(zhì)疏松大鼠模型骨代謝的重要調(diào)節(jié)劑，可以起到提高骨量的結(jié)果。Uslu等[27]予以去勢大鼠褪黑素治療后，骨皮質(zhì)厚度顯著增加，證實(shí)可以增加去卵巢大鼠的骨密度。Chu等[28]分別對服用褪黑素前后的老年大鼠進(jìn)行了顯微CT檢查，并且通過Elisa法檢測血清中的骨鈣素(osteocalcin，OCN)和堿性磷酸酶(bone alkaline phosphate，BAP)。發(fā)現(xiàn)褪黑素顯著增加了骨密度(bone mineral destiny，BMD)、骨體積/組織體積(bone volume/tissue Volume，BV/TV)、骨小梁數(shù)目(trabecular bone number，Tb.N)和骨小梁厚度(trabecular bone thickness，Tb.Th)，并且降低了結(jié)構(gòu)模型指數(shù)(structure model index，SMI)和骨小梁間隙(trabecular bone sparation，Tb.Sp)；同時(shí)褪黑素還減少了老年大鼠尿液中鈣和磷的流失，增加了血清中BAP和OCN的水平，并增加了老年大鼠的骨形成率(bone formation rate，BFR)和骨礦化率(mineral apposition rate，MAR)。Zhang等[29]使用不同濃度的褪黑素治療糖尿病大鼠，并對其進(jìn)行生物力學(xué)測量、骨組織切片染色和顯微CT觀察大鼠的骨骼結(jié)構(gòu)，并使用免疫組化測定成骨細(xì)胞自噬的標(biāo)志物水平，發(fā)現(xiàn)褪黑素改善了糖尿病大鼠的骨纖維結(jié)構(gòu)，并且降低了成骨細(xì)胞的自噬水平，表明褪黑素可以通過降低骨細(xì)胞自噬水平延緩糖尿病引起的骨質(zhì)疏松。這些結(jié)果表明褪黑素在動物中有著良好的康骨質(zhì)疏松效果。

2.2 人體試驗(yàn)

越來越多的人體試驗(yàn)研究也證明使用褪黑素可以改善骨代謝，防止骨質(zhì)流失。Amstrup等[30]進(jìn)行了一項(xiàng)雙盲隨機(jī)對照試驗(yàn)，對81名絕經(jīng)期骨質(zhì)疏松婦女進(jìn)行褪黑素治療。隨機(jī)分為：1 mg褪黑素組(n=20)、3 mg褪黑素組(n=20)和安慰劑組(n=41)。治療周期為1年，每晚服用一次。在1年治療后通過雙能X線吸收法、定量計(jì)算機(jī)斷層掃描(quantitative computed tomography，QCT)和高分辨率外周QCT(HR-pQCT)測量了BMD，與安慰劑相比，褪黑激素以劑量依賴性方式使股骨頸BMD增加1.4%(P<0.05)，其中1 mg /d組的BMD增加0.5%(P=0.55)，在3 mg/d組中，增加了2.3%(P<0.01)。在褪黑激素組中，在3 mg/d的劑量下，脛骨骨小梁厚度增加了2.2%(P=0.04)，脊柱骨體積礦物質(zhì)密度(volumetric bone mineral destiny，vBMD)增加了3.6%(P=0.04)。證實(shí)了用褪黑素治療1年可增加股骨頸BMD的劑量依賴性，而大劑量褪黑素可增加脊柱vBMD。

而在早期的一項(xiàng)為期較短的隨機(jī)對照試驗(yàn)中，Kotlarczyk等[31]對18名絕經(jīng)期婦女進(jìn)行了為期6個(gè)月的口服褪黑素和安慰劑的雙盲研究。定期測量其骨密度及骨代謝指標(biāo)：骨鈣蛋白、骨形成指標(biāo)骨鈣素(osteocalcin，OC)和骨吸收指標(biāo)I型膠原氨基端末端肽(type-I collagen cross-linked N-telopeptide，NTX)，并且記錄受試者的月經(jīng)周期、健康狀況及睡眠情況。結(jié)果發(fā)現(xiàn)各組之間的骨密度、NTX或OC沒有顯著變化(以6個(gè)月為基準(zhǔn))。然而，由于骨吸收與骨形成之間緊密相關(guān)，作者認(rèn)為需要計(jì)算每個(gè)受試者的NTX∶OC比率，褪黑激素組中NTX∶OC的比例隨時(shí)間逐漸下降至1∶1，安慰劑組則沒有這個(gè)趨勢。表明褪黑激素的補(bǔ)充具有良好的耐受性，并可能恢復(fù)骨骼重塑失衡以防止骨骼丟失，可進(jìn)一步研究。目前臨床進(jìn)行的此類試驗(yàn)相對較少，但得到的結(jié)論普遍認(rèn)為褪黑素可以防止骨量流失，或可成為下一步研究的重點(diǎn)。

3 褪黑素的安全性

褪黑素在被證明其具有越來越多的生理功能的同時(shí)，它的臨床安全性也被大家所重視。在美國，褪黑素是一種非處方藥，而在大多數(shù)歐洲國家，褪黑素仍然是處方藥。目前褪黑素通常被認(rèn)為是安全的[32]。

在動物實(shí)驗(yàn)中，Barchas等[33]給予高劑量外源性的褪黑激素800 mg/kg，并未出現(xiàn)任何急性毒性作用。Jahnke等[34]給予妊娠期(6～19 d)大鼠使用了高達(dá)200 mg/(kg·d)的大劑量褪黑素，結(jié)果沒有增加子代的產(chǎn)前死亡率、胎兒的體重變化或者胚胎畸形的發(fā)生率。在臨床試驗(yàn)中，Andersen等[35]分別對12名健康男性受試者進(jìn)行了安慰劑、10 mg褪黑素、100 mg褪黑素的治療，記錄患者的不良反應(yīng)癥狀，結(jié)果在自我報(bào)告的不良反應(yīng)癥狀中三者無明顯差異。Maria等[36]進(jìn)行了一項(xiàng)隨機(jī)雙盲試驗(yàn)，對絕經(jīng)后骨質(zhì)疏松婦女隨機(jī)分為兩組，分別進(jìn)行褪黑素+鍶(檸檬酸)+維生素D3+維生素K2(melatonin strontium vitamin D3 vitamin K2，MSDK)治療和安慰劑治療，來評估對骨密度和生活質(zhì)量的影響。結(jié)果表明MSDK可增加腰椎骨密度；情緒和睡眠質(zhì)量得到改善，并且兩組都未報(bào)道有不良事件的發(fā)生。在另外一項(xiàng)隨機(jī)研究中[37]，對19名受試者給予5 mg口服褪黑素或安慰劑，對受試者進(jìn)行注意力、反應(yīng)時(shí)間、集中能力、感覺運(yùn)動協(xié)調(diào)性的評估，測試結(jié)果并無顯著差異，但褪黑素增加了主觀嗜睡的可能。

在大量的人體及動物實(shí)驗(yàn)的證實(shí)下，即使在極高劑量下，短期使用褪黑素也是安全的，沒有研究表明外源性褪黑素可以引起嚴(yán)重的不良反應(yīng)?？紤]到骨質(zhì)疏松治療的周期較長，上述結(jié)果表明長期服用褪黑素與安慰劑對比僅產(chǎn)生輕微的不良反應(yīng)，因此，褪黑素在臨床應(yīng)用中相對安全。

綜上，目前大多數(shù)文章主要針對褪黑素調(diào)節(jié)骨代謝的信號通路進(jìn)行了研究，而作為藥物治療骨質(zhì)疏松的案例相對較少。因此在目前著重研究信號通路的同時(shí)，大規(guī)模的臨床對照試驗(yàn)也是接下來需要進(jìn)行的重點(diǎn)。褪黑素目前在骨質(zhì)疏松治療方面逐漸走進(jìn)了人們的視線，也被逐步證實(shí)對骨代謝有直接或間接的影響。除此之外，褪黑素還被研究證實(shí)與青少年特發(fā)性脊柱側(cè)凸[38]、牙周炎等口腔疾病[39]有關(guān)?？傊屎谒卦谥委煿琴|(zhì)疏松方向上有很好的前景，有待于逐步去發(fā)掘。