徐杰 周永富 鄧小敏 黃小雁 劉紅梅

骨質(zhì)疏松癥(osteoporosis, OP)是一種由于骨代謝動態(tài)失衡導(dǎo)致的全身性骼疾病, 在如年齡、性別、疾病等多種因素作用下使骨量減少, 導(dǎo)致骨微觀結(jié)構(gòu)失穩(wěn),使骨骼脆性增大, 導(dǎo)致骨折分險大大增高［1］。作為一種中老年多性疾病, OP 主要分為兩大類:包括絕經(jīng)后和老年性的原發(fā)性O(shè)P；包括內(nèi)分泌、代謝性和藥物性的繼發(fā)性O(shè)P［2］。伴隨著我國正式步入深度老齡化社會, 其老年人口的不斷增大導(dǎo)致各種類型的OP 患者數(shù)目逐年暴增, 預(yù)計到2050 年, 我國老齡婦女骨質(zhì)疏松發(fā)病率高達50%～70%［3］, 患病人數(shù)每年新增達599 萬,其治療、護理及康復(fù)等需求將給個人和社會帶來沉重的經(jīng)濟負擔(dān)［4］。故對于防治OP 需求迫切, 亟待解決。

褪黑素, 即N-乙酰基-5-甲氧基色胺, 是色氨酸經(jīng)過羥化和脫羧反應(yīng)轉(zhuǎn)化為血清素, 血清素在芳烷基胺-N-乙?；D(zhuǎn)移酶(AANAT)和羥吲哚-O-甲基轉(zhuǎn)移酶(HIOMT)共同催化下, 以N-乙酰基-5-羥色胺為中間產(chǎn)物, 最終轉(zhuǎn)化產(chǎn)生的一類吲哚類激素［5］。其具有親水及親脂性, 可越過血腦屏障, 廣泛存在于各類生物體中。人類褪黑素主要由松果體產(chǎn)生, 也可在胃腸道、骨髓、卵巢、視網(wǎng)膜、皮膚、淋巴細胞、巨噬細胞等其他組織中代謝合成［6］。褪黑素的合成和分泌由于受到下丘腦視交叉上核(suprachiasmatic nucleus,SCN)對光線的反應(yīng)影響具有晝夜節(jié)律性, 黑暗可促進褪黑素的合成與分泌, 而光照對其具有抑制作用［7］。但其既往研究發(fā)現(xiàn)褪黑素除具有調(diào)節(jié)睡眠外, 還具有抗炎、抗氧化、抗骨質(zhì)疏松、抑制腫瘤等作用［8］。尤其是通過調(diào)節(jié)骨代謝平衡來防治OP 方面, 相比于降鈣素、維生素、鈣劑、磷酸鹽抑制骨流失等傳統(tǒng)治療OP 藥物［9］, 褪黑素具有生成迅速、促進成骨快、安全性高、副作用少等特點, 作為一種潛在治療OP 的藥物［10］, 成為研究熱點。鑒于此, 本文就近年來褪黑素在防治OP 的機制與應(yīng)用研究方面進行綜述, 以期對褪黑素防治OP 的基礎(chǔ)與臨床應(yīng)用研究上予以借鑒與提供理論支持。

1 褪黑素對于骨代謝平衡的影響

OP 的發(fā)病機制目前爭論較大, 但目前主流研究認為其發(fā)病機制為骨代謝失衡。人的骨骼代謝是一個動態(tài)變化的過程, 即成骨細胞形成新骨, 經(jīng)代謝老化后的變性骨細胞又被破骨細胞吞噬, 而后成骨細胞補充新骨。生理狀態(tài)下, 成骨能力與破骨能力均衡, 維持著正常骨代謝與更新, 但病理狀態(tài)下, 破骨能力增強, 成骨能力下降, 骨代謝失衡, 導(dǎo)致了OP 發(fā)生［11］。研究表明褪黑素可通過褪黑素受體依賴和受體非依賴性的途徑來影響骨代謝［12］。其對骨代謝影響的主要機制有兩個：①抑制破骨細胞活化生成減少骨流失；②促進成骨細胞的增殖分化增加骨生成量。

1.1 褪黑素抑制破骨細胞活化生成 OP 的發(fā)生與破骨細胞過度骨吸收導(dǎo)致骨代謝失衡關(guān)系密切, 如褪黑素能通過抑制破骨細胞過度活化從而降低吞噬骨細胞數(shù)量, 減少骨溶解量則能達到防治OP 的目的。根據(jù)現(xiàn)有相關(guān)研究, 部分學(xué)者認為褪黑素能通過相關(guān)通路直接干預(yù)調(diào)控破骨細胞的活化生成, Zhou 等［13］研究發(fā)現(xiàn)給予不同梯度藥物濃度的褪黑激素能抑制破骨細胞的生成, 且給藥濃度與抑制效果成正比, 表明褪黑激素介導(dǎo)的抗破骨細胞生成是由活性氧(ROS)介導(dǎo)的, 而非通過沉默信息調(diào)節(jié)因子1(silent information regulator type 1, SIRT1)獨立依耐性的途徑, 可直接作用于破骨細胞。此外, 在褪黑激素處理的目標培養(yǎng)細胞中, 他們發(fā)現(xiàn)抗酒石酸酸性磷酸酶(TRAP)陽性細胞的數(shù)量和破骨細胞特異性標志物的基因表達均下調(diào)明顯, 以此推測褪黑激素可通過調(diào)控核因子κ-光鏈-活化B 細胞增強劑(NF-κB)信號通路來抑制破骨細胞分化生成。Koyama 等［14］研究發(fā)現(xiàn), 給予不同濃度劑量的褪黑素后, 發(fā)現(xiàn)破骨細胞的活性及數(shù)量與褪黑素濃度呈反比,證明了褪黑素可直接抑制破骨細胞的吞噬活性, 進而抑制骨吸收, 減少骨溶量。此外, 另一部分學(xué)者則認為褪黑素對于破骨細胞的抑制作用主要是通過褪黑素干預(yù)破骨細胞生成的相關(guān)通路或上游路徑來間接實現(xiàn)。如針對破骨細胞抑制激素-降鈣素(Calcitonin), Nakano等［15］創(chuàng)造性提出了褪黑素通過促進降鈣素分泌來抑制破骨細胞活性來用以治療OP 的新機制, 并在后續(xù)的試驗中證明了他的猜想。Maria 等［16］使用人類間充質(zhì)干細胞(mesenchymal stem cells, MSCs)和人類外周血單核細胞(PBMCs)的共培養(yǎng)模型發(fā)現(xiàn)褪黑素能抑制成骨細胞NF-κB 受體活化因子配體(receptor activator of nuclear factor-κB ligand, RANKL)的分泌, 通過增大RANKL/骨保護素(OPG)比值誘導(dǎo)成骨細胞分化, 從而間接抑制破骨細胞的活化生成, 進而促進骨量沉積。

1.2 促進成骨細胞的增殖分化 成骨細胞作為一種來源于BMMSC 分化而成的促骨細胞, 現(xiàn)有研究表明褪黑素可通過直接或間接途徑作用于成骨細胞的增殖分化, 進而延緩OP 的病理進程。劉合棟［17］通過使用過氧化氫(H2O2)構(gòu)建的MC3T3-E1 細胞氧化應(yīng)激損傷模型, 予以褪黑素及EX527(SIRT1 抑制劑)干預(yù)后證明褪黑素通過激活SIRT1 調(diào)節(jié)P66Shc 和SIRT3 的表達, 降低MC3T3-E1 細胞的氧化應(yīng)激反應(yīng)間接促進成骨進程。而Xu 等［18］的最新研究表明褪黑素抑制NOD 樣受體熱蛋白結(jié)構(gòu)域相關(guān)蛋白3(NLRP3)炎性體的活性, 進而調(diào)控雌激素含量來加速成骨細胞的增殖。而針對于抑制骨損傷的促骨鈣素(osteocalcin, OCN), 相關(guān)研究［19］證實了褪黑素可通過促OCN 的表達量來抑制骨損傷, 進而促進骨生成。作為成骨細胞分化源頭的骨髓間充質(zhì)干細胞(BMSCs)是一種多能干細胞, 其可以向成骨細胞、軟骨細胞、造血細胞等多種細胞分化, 可通過多種通路及信號調(diào)節(jié)促進成骨增殖進程,在防治OP 上具有巨大的應(yīng)用潛力。王旭東等［2］研究發(fā)現(xiàn)通過增強Runx2 表達與抑制過氧化物酶體增殖物激活受體γ(peroxisome proliferator-activated receptor gamma, PPARγ)從而抑制MSCs 的成脂分化, 間接增強MSCs 成骨化進程, 加速成骨細胞生成。Dong 等［20］通過大鼠模型發(fā)現(xiàn)經(jīng)褪黑素處理后的股骨骨折的骨折愈合程度與神經(jīng)肽Y (neuropeptide Y, NPY)和NPY 受體Y1(neuropeptide Y receptor Y1, NPY1R)的表達量成正比, 與BMSCs 的增殖表達呈正比, 證明褪黑素通過增強NPY/NPY1R 信號傳導(dǎo)促進BMMSC 的成骨分化能力, 促進成骨細胞的增殖。Chen 等［21］發(fā)現(xiàn)褪黑素可以通過SIRT1 介導(dǎo)抑制氧化來修復(fù)骨質(zhì)疏松大鼠的BMMSC, 間接促進成骨細胞分化, 從而增加骨量。Jiang等［22］通過小鼠成纖維細胞發(fā)現(xiàn)褪黑素能顯著促進骨形態(tài)發(fā)生蛋白(bone morphogenetic protein, BMP)尤其是BMP9 表達, 加速β-連環(huán)蛋白磷酸化進程, 進而促進MSCs 的增殖和遷移, 提升成骨細胞的增殖分化能力,促進骨量提升。

2 褪黑素在防治OP 的相關(guān)應(yīng)用研究

OP 的主要發(fā)病機制為骨代謝失衡導(dǎo)致的骨量丟失。而上述研究表明褪黑素能通過多種途徑抑制破骨細胞吞噬活性來減少骨流失量, 促進成骨細胞增殖分化增加骨含量從根本上緩解骨質(zhì)疏松癥狀。以往大量研究表明, 褪黑素在細胞試驗、動物試驗以及臨床運用中均表現(xiàn)出具備抑制骨質(zhì)疏松的巨大潛力, 值得挖掘研究。

2.1 細胞試驗 大量細胞試驗研究表明褪黑素可通過途徑、多通路調(diào)控骨代謝在多種細胞模型中發(fā)揮作用來防治OP。劉合棟等［23］通過運用H2O2誘導(dǎo)的成骨細胞建立氧化應(yīng)激損傷模型, 并用褪黑素及對照試劑予以干預(yù)后檢測成骨相關(guān)蛋白SIRT1 和p66SHC 的表達量, 結(jié)果表明褪黑素降低H2O2所導(dǎo)致氧化應(yīng)激損傷對于成骨細胞的影響, SIRT1 和p66SHC 的表達量顯著增高。證實了褪黑素通過調(diào)節(jié)SIRT1/p66SHC 通路來緩解H2O2誘導(dǎo)的成骨細胞的氧化應(yīng)激損傷, 促進成骨增殖［24］。此外, 相關(guān)研究研究表明鐵過載會抑制成骨化進程導(dǎo)致OP 發(fā)生, 故劉俊華等［25］研究用高鐵干預(yù)成骨細胞后發(fā)現(xiàn)細胞內(nèi)氧化應(yīng)激水平顯著增高, 成骨細胞凋亡顯著, 抗氧化應(yīng)激, 核因子NF-E2 相關(guān)因子(Nrf-2)途徑相關(guān)蛋白Nrf-2 及血紅素氧合酶1(HO-1)表達增加, 而褪黑素組成骨細胞凋亡結(jié)果與之相反, 證實褪黑素可通過Nrf-2 途徑減緩成骨細胞的氧化應(yīng)激水平, 抑制高鐵過載引起的成骨細胞凋亡, 間接提高成骨細胞骨化水平。此外, 褪黑素還能通過下調(diào)腫瘤壞死因子-α(tumor necrosis factor alpha, TNF-α)誘導(dǎo)的SMAD 泛素化調(diào)節(jié)因子1(SMAD ubiquitination regulatory factor 1, SMURF1)的表達量, 進而抑制了TNF-α 表達水平, 間接促進BMSCs 成骨分化［26］。而在通過調(diào)節(jié)腸道菌群分泌及代謝產(chǎn)物影響成骨化進程上, 溫凱程［27］發(fā)現(xiàn)褪黑素具有通過恢復(fù)腸道菌群平衡, 促進膽汁酸表達, 抑制骨生物節(jié)律基因 Bmal-1 轉(zhuǎn)錄異常, 從而促進成骨細胞的增殖分化的作用。

2.2 動物試驗 基于上述細胞研究基礎(chǔ), 目前關(guān)于褪黑素對于防治OP 的動物試驗研究除直接予以褪黑素干預(yù)的骨疏松動物模型外, 還包括研究褪黑素治療絕經(jīng)后OP 的去卵巢動物模型, 直接研究褪黑素防治骨量丟失的去松果體動物模型［28-33］?，F(xiàn)列舉如下：①直接予以褪黑素干預(yù)骨質(zhì)疏松動物模型研究。Chu 等［28］服通過直接予以褪黑素對構(gòu)建的老年性骨質(zhì)疏松大鼠進行了干預(yù)后發(fā)現(xiàn)其試驗組大鼠血清中的OCN 和堿性磷酸酶(bone alkaline phosphate, BAP)表達量得到顯著提升, 證明了褪黑素能顯著提升模型大鼠的骨小梁的數(shù)量及質(zhì)量, 增加骨密度, 提升骨礦鹽沉積。針對糖尿病所致的骨質(zhì)疏松大鼠模型, Chu 等［28］采用不同濃度的褪黑素對大鼠模型進行直接干預(yù)后用顯微CT 檢查, 發(fā)現(xiàn)褪黑素能降低破骨細胞的自噬率, 抑制成骨細胞脂化, 改善模型大鼠的骨纖維結(jié)構(gòu), 維持骨力學(xué)形態(tài)穩(wěn)定。而Maria 等［16］在小鼠模型飲用水中添加褪黑素(15 mg/L)喂養(yǎng), 經(jīng)過1 年干預(yù)后發(fā)現(xiàn)實驗組小鼠血清中OPG 以及RANKL 表達量水平及RANKL/OPG比值均有顯著提升, 證實了褪黑素的抗骨質(zhì)疏松能力。②構(gòu)建褪黑素干預(yù)絕經(jīng)后OP 的去卵巢動物模型。Xu等［18］通過建立去卵巢小鼠模型, 并以不同劑量的褪黑素予以干預(yù), 結(jié)果顯示褪黑素以劑量與BAP 和OCN 表達量呈正比, 證明了褪黑素能增強成骨細胞分化, 調(diào)劑骨代謝平衡。Xiao 等［30］在研究OP 時通過構(gòu)建去卵巢動物模型發(fā)現(xiàn)褪黑素能通過復(fù)合水凝膠體系 GelMADOPA-MT 抑制氧化應(yīng)激所誘導(dǎo)的成骨細胞凋亡, 間接性的保護成骨細胞的增殖分化, 從而促進骨形成, 加速骨量沉積。在Choi 等［31］的研究中發(fā)現(xiàn)褪黑素有效阻斷去卵巢小鼠體內(nèi) RANKL 誘導(dǎo)的破骨細胞活化進程,其主要機制為抑制不對稱二甲基精氨酸(Asymmetric dimethylarginine, ADMA) 以及RANKL 下游的腫瘤壞死因子受體6(TNF receptor associated factor 6, TRAF6)的表達, 進而抑制其誘導(dǎo)產(chǎn)物破骨細胞的產(chǎn)生。③研究褪黑素防治骨量丟失的去松果體動物模型。褪黑素主要是由松果體產(chǎn)生。Aota 等［32］的通過建立去松果體雞模型后發(fā)現(xiàn)被切除松果體切后的肉雞模型其褪黑素含量極具下降, 而后大量的破骨細胞活化生成, 使松質(zhì)骨結(jié)構(gòu)遭到嚴重破壞, 尤其在軟骨-骨交界處骨化嚴重受損, 證明了褪黑素是防治骨質(zhì)疏松的一個重要途徑。在另一項松果體的研究中, Egermann 等［33］分別采用卵巢切除、松果體切除、卵巢與松果體聯(lián)合切除建立雌性綿羊模型后, 經(jīng)一段時間后測量模型骨量發(fā)現(xiàn)3 組均出現(xiàn)骨微結(jié)構(gòu)受損, 松質(zhì)骨體積下降, 且以聯(lián)合組的骨量丟失最為明顯；經(jīng)過各組對比后發(fā)現(xiàn), 相比與單純卵巢切除后模型羊骨量會急劇丟失, 但最后骨密度會保持在一個最低水平上, 去松果體組與聯(lián)合組的褪黑素及其骨量則呈現(xiàn)出持續(xù)性的丟失狀態(tài), 表明松果體在無法產(chǎn)生褪黑素后會持續(xù)性誘導(dǎo)骨丟失,證明了褪黑素對骨形成具有重要的調(diào)控作用, 值得繼續(xù)深挖其抗骨質(zhì)疏松的潛力。

2.3 臨床試驗 褪黑素除具有調(diào)節(jié)睡眠外, 還具有抗炎、抑制氧化、抗骨質(zhì)疏松、抑制腫瘤等作用, 特別是抗骨質(zhì)疏松, 是近年來的一個臨床研究熱點。

首先在褪黑素的安全性研究上, 動物試驗上,Yousaf 等［34］通過建立大鼠模型并予以大劑量外源性的褪黑激素進行干預(yù)后, 并未出現(xiàn)任何毒副作用反應(yīng),證明了其安全性。Jahnke 等［35］給予妊娠期大鼠予以大劑量褪黑素直接干預(yù)后, 結(jié)果表明褪黑素沒有對母代及其子代胎兒產(chǎn)生任何毒副作用, 證明了褪黑素的安全性。在臨床人體安全性試驗上, Hansen 等［36］采用隨機雙盲試驗對19 例受試者給予低劑量口服褪黑素或安慰劑一段時間后, 對兩組受試者分別進行注意力、反應(yīng)力、感覺能力、運動協(xié)調(diào)性等綜合評估后, 發(fā)現(xiàn)褪黑素除會增加嗜睡外, 并無其他明顯的神經(jīng)副作用。黨衛(wèi)民等［37］對7 名健康志愿者進行光照治療用以探究褪黑素的分泌節(jié)律及其安全性, 結(jié)果發(fā)現(xiàn)試驗前后的生理、生化、心電圖、腦電圖、心理測評等均無明顯異常, 且睡眠程度均有明顯改善, 證明了褪黑素的臨床安全性。

基于上述相關(guān)動物及臨床安全性研究的基礎(chǔ)上,為探究褪黑素對于絕經(jīng)后骨質(zhì)疏松女性的治療效果,Amstrup 等［38］采取雙盲隨機對照試驗, 對81 例絕經(jīng)后骨質(zhì)疏松女性予以不同劑量的褪黑素或安慰劑治療1 年后, 結(jié)果顯示不同劑量的褪黑素組均能提升患者的成骨進度, 提升骨密度水平, 且不同劑量組間呈現(xiàn)出劑量越高, 成骨效果越好的趨勢。證實了褪黑素對于絕經(jīng)后骨質(zhì)疏松女性患者有明確的治療效果。Maria等［39］對絕經(jīng)后骨質(zhì)疏松女性患者進行為期1 年的隨機雙盲試驗, 各組分別予以褪黑素+鍶(檸檬酸)+維生素D3+維生素K2干預(yù)治療和安慰劑治療后, 評估兩組的骨密度變化和生活質(zhì)量的改變。結(jié)果表明聯(lián)合治療組相比安慰劑組在減輕圍絕經(jīng)期各種癥狀、提高睡眠質(zhì)量、改善情緒、緩解骨質(zhì)疏松癥狀等具有明顯優(yōu)勢,說明了褪黑素聯(lián)合療法對于防治老年性骨質(zhì)疏松上具有明確的積極意義, 值得繼續(xù)深入研究與探索。

3 展望

隨著我國逐漸步入深度老齡化國家, 作為中老年常發(fā)疾病的OP 正逐漸成為一個現(xiàn)實問題擺在眼前。盡管目前已有多種治療方法與藥物來防治OP, 但其或多或少都存在各種如副作用大、安全性低、治療時間長等問題, 因此, 探究新的治療途徑就十分有必要。

如上所言, 本綜述說明了褪黑素在防治OP 的詳細作用機制, 明確了褪黑素在防治OP 的具有十分積極意義。多項證據(jù)表明褪黑素可通過多途徑、多通路來抑制骨質(zhì)疏松的病理進程, 但其治療作用機制存在爭論,未深入探究其具體作用機制。同時, 雖然目前相關(guān)細胞、動物試驗研究眾多, 但相關(guān)研究臨床轉(zhuǎn)化與運用較少, 目前尚未開發(fā)出褪黑素在防治OP 的具體特效藥物。在人體試驗方面, 多以聯(lián)合治療為主, 缺乏大樣本量的單獨對褪黑素治療OP 的臨床研究。這些都是以后的研究重點, 值得繼續(xù)深入研究探討。