褪黑素與脊髓損傷

丁紅霞,楊拯,田蕓,張曉

脊髓損傷(spinal cord injury,SCI)是由于各種不同致病因素引起的脊髓結(jié)構(gòu)、功能損害,造成損傷平面以下運(yùn)動(dòng)、感覺和自主神經(jīng)功能障礙,給個(gè)人、家庭及社會(huì)帶來極大痛苦與負(fù)擔(dān),因此,一直是創(chuàng)傷外科等研究領(lǐng)域的重點(diǎn)和難點(diǎn)。目前,隨著社會(huì)生活水平的提高和飛速發(fā)展,交通事故、高空墜落和跳水等活動(dòng)引起的外傷性脊髓損傷的病例呈幾何增長。目前只有甲基強(qiáng)的松龍(MP)被FDA批準(zhǔn)治療SCI,但MP的大量使用可引起肺與消化道的損傷[1],為此新藥物的研究及相關(guān)進(jìn)展就有十分重要的臨床意義。本文就褪黑素與脊髓損傷的相關(guān)研究做一綜述。

1 褪黑素的生物化學(xué)特性

褪黑素(melatonin,MT)又稱松果體素,其化學(xué)結(jié)構(gòu)為5-甲氧基-N-乙酰色胺,是色氨酸的衍生物。由松果腺細(xì)胞攝入色氨酸后,經(jīng)過色氨酸羥化酶(TPH)的作用生成5-羥色氨酸(5-HTP),5-HTP在芳香L-氨基酸脫羧酶作用下脫羧形成5-羥色胺(5-HT)。5-HT再經(jīng)N-乙酰轉(zhuǎn)移酶(NAT)和羥吲哚-氧甲基轉(zhuǎn)移酶(HIOM T)的催化生成 5-甲氧基-N-乙酰色胺。

褪黑素主要由松果腺產(chǎn)生和分泌,其他組織如視網(wǎng)膜、淚囊腺和胃腸道也能產(chǎn)生少量褪黑素[2]。它是存在于人體內(nèi)的重要神經(jīng)內(nèi)分泌活性物質(zhì),具有高度的脂溶性和水溶性,能透過核膜進(jìn)入核內(nèi)發(fā)揮作用,因此不僅能保護(hù)膜脂質(zhì),而且能保護(hù)蛋白質(zhì)核酸及其他成分[3]。應(yīng)激時(shí)體內(nèi)褪黑素濃度升高,直接或間接影響下丘腦-垂體-腎上腺軸的功能,穩(wěn)定和維持內(nèi)環(huán)境,減輕應(yīng)激對機(jī)體造成的損害[4-5]。這就為臨床上治療急性脊髓損傷提供了一種思路。

2 褪黑素治療脊髓損傷機(jī)制

雖然脊髓損傷的治療水平在不斷提高,但是患者神經(jīng)功能恢復(fù)情況仍不盡人意。治療脊髓損傷的關(guān)鍵在于保護(hù)受損神經(jīng)。目前學(xué)者普遍認(rèn)為褪黑素保護(hù)神經(jīng)是通過抗氧化和抗細(xì)胞凋亡實(shí)現(xiàn)的。

2.1 睡眠與功能保護(hù) 以大量SCI為基礎(chǔ)的研究[6]推斷,干擾褪黑素的節(jié)律性將會(huì)導(dǎo)致神經(jīng)性睡眠衰弱并伴隨劇痛、焦慮和抑郁。隨后Norrbrink的實(shí)驗(yàn)確定改變褪黑素的循環(huán)與睡眠質(zhì)量成正相關(guān),也證實(shí)褪黑素替代療法可以促使SCI患者睡眠正?；痆7]。褪黑素對創(chuàng)傷性SCI的神經(jīng)保護(hù)作用來自一個(gè)家兔的實(shí)驗(yàn):切除松果體后會(huì)延緩SCI動(dòng)物的恢復(fù)速度,在切除松果體后注射外源性褪黑素可以使其恢復(fù)速度增加[8]。

2.2 特定損傷節(jié)段與褪黑素的關(guān)系 內(nèi)源性褪黑素的水平受頸髓的影響,不受胸髓或腰髓損害的影響[9],這可以用中樞神經(jīng)傳導(dǎo)與松果體之間的聯(lián)系來解釋。不同的SCI患者其體內(nèi)褪黑素水平也是不同的。臨床實(shí)驗(yàn)顯示,頸髓損傷引起松果體的功能紊亂[10],因?yàn)轭i髓損傷擾亂了正常的交感神經(jīng)纖維的下行,從而導(dǎo)致夜間褪黑素的顯著減少。之后,從神經(jīng)學(xué)角度證實(shí)頸髓損傷導(dǎo)致褪黑素節(jié)律紊亂,不同損傷區(qū)域?qū)е碌难逋屎谒氐墓?jié)律研究顯示,頸部損傷區(qū)域影響人類松果體分泌的晝夜節(jié)律。

2.3 抗氧化及抗氧化作用的優(yōu)勢 褪黑素的抗氧化作用是通過其吲哚環(huán)5位碳上的甲氧基及其側(cè)鏈上的N-乙?；苤苯优c自由基結(jié)合,迅速清除羥自由基、過氧化氫、單線態(tài)氧、NO、超氧化氮陰離子和過氧亞硝酸等自由基,阻止自由基連鎖反應(yīng)對生物大分子的損傷實(shí)現(xiàn)的[11]。很多藥物都有抗氧化作用,褪黑素的主要優(yōu)勢在以下幾個(gè)方面:①通過抑制中性粒細(xì)胞的介導(dǎo)減少SCI繼發(fā)性損傷和促使其早期恢復(fù);②應(yīng)用褪黑素藥理學(xué)劑量可以提高全身抗氧化系統(tǒng)的保護(hù)作用,而且與甲基強(qiáng)的松龍比較,褪黑素在保留神經(jīng)元、軸突和細(xì)胞器等的完整性上更有效[12];③從病理學(xué)上比較,褪黑素在SCI患者的脂質(zhì)過氧化作用降低之后仍具有保護(hù)脊髓超微結(jié)構(gòu)完整性的作用[13];④Genovese的研究表示,和其他抗氧化劑如氧化四環(huán)素或前列腺素E1相比,褪黑素對急性SCI的繼發(fā)性損傷有更顯著的效果[14]。同時(shí),也比奧曲肽(一種在藥效上模擬自然界的生長抑制素)有效,而且還能緩解水腫和局部缺血。以上原理和實(shí)驗(yàn)充分說明褪黑素在SCI的治療和恢復(fù)優(yōu)越性。

2.4 抗細(xì)胞凋亡 細(xì)胞凋亡為程序性細(xì)胞死亡,參與很多疾病的發(fā)展。關(guān)于褪黑素抗細(xì)胞凋亡的相關(guān)機(jī)制尚未完全清楚,Bcl-2家族是目前較為公認(rèn)的與凋亡密切相關(guān)的基因。Bcl-2家族包括抗凋亡成員,如Bcl-2與 Bcl-XL;促凋亡成員,如Bax以及BH-3蛋白。當(dāng)抗凋亡基因高表達(dá)時(shí),可通過形成Bcl-2/Bcl-2同源二聚體,或Bc1-2/Bcl-XL、Bel-2/Bax異源二聚體抑制凋亡;而當(dāng)促凋亡基因Bax高表達(dá)時(shí),則可通過形成Bax/Bax同源二聚體促進(jìn)凋亡,抗凋亡成員與促凋亡成員的比例關(guān)系可影響細(xì)胞凋亡狀態(tài),即當(dāng)Bcl-2或 Bcl-XL與 Bax比值增高時(shí),促進(jìn)細(xì)胞存活,否則促進(jìn)細(xì)胞凋亡。姜春玲等的研究說明外源性褪黑素可以提高Bcl-2或Bcl-XL與Bax比值[15-16]。還有其他機(jī)制比如,褪黑素可通過直接清除自由基,抑制線粒體PTP,減少從受損線粒體釋放的細(xì)胞色素C,以及抑制Caspase-3的激活抑制細(xì)胞凋亡。

2.5 鈣離子拮抗作用 鈣蛋白酶和鈣離子依賴性蛋白酶在SCI的發(fā)病機(jī)制中起著重要的作用。Samantaray等研究褪黑素在介導(dǎo)鈣離子的作用,包括在實(shí)驗(yàn)性SCI中適當(dāng)?shù)丶せ钼}蛋白酶[17]。褪黑素治療SCI動(dòng)物減弱鈣蛋白酶表達(dá)、炎癥、軸突損傷和神經(jīng)壞死,表明褪黑素具有高度神經(jīng)保護(hù)作用。而且褪黑素治療SCI后鈣蛋白酶水平的測定和CPP3的表達(dá)和活性在蛋白水解能力上顯著降低[18]。

2.6 其他 褪黑素對SCI的作用是復(fù)雜的,其他還有以下幾個(gè)方面:①通過阻斷氧化和硝磂氫酯的應(yīng)激來減輕SCI的炎癥和組織損傷;②限制了基質(zhì)金屬蛋白酶的表達(dá)和活性,促炎癥反應(yīng)TNF-a的表達(dá)[19];③Esposito等的實(shí)驗(yàn)顯示褪黑素在SCI的保護(hù)作用歸因于對MAPK信號傳導(dǎo)和HMGB1的調(diào)節(jié)[20],通過降低 p38、MAPK、JNK、ERK1/2和 HMGB1的表達(dá)增強(qiáng)SCI患者的恢復(fù)力;④給予外源性褪黑素可以通過改變水通道蛋白的表達(dá)緩解機(jī)械性疼痛;⑤激活脊髓損傷的內(nèi)源性褪黑素系統(tǒng)可以維持中樞致敏,并且可以阻礙繼發(fā)性機(jī)械性異常疼痛和痛覺增敏;⑥給予褪黑素可以誘導(dǎo)產(chǎn)生抗氧化物酶和清除自由基以緩解內(nèi)源性抗氧化酶的活性,減輕了暫時(shí)性主動(dòng)脈缺血造成的損傷[18-22]。

3 褪黑素治療脊髓損傷

雖然原發(fā)性脊髓損傷屬于不可逆的過程,但繼發(fā)性損傷卻可以推遲和進(jìn)行治療。而且很多研究已經(jīng)證實(shí)不同機(jī)制的聯(lián)合療法對脊髓損傷的繼發(fā)性損傷的組織有一定作用,起到一定的治療效果[23-25]。而且有實(shí)驗(yàn)還證明褪黑素及其代謝產(chǎn)物在不同的脊髓損傷動(dòng)物模型上發(fā)揮著不同的效用[26-27]。

3.1 單獨(dú)用藥 現(xiàn)已認(rèn)為褪黑素是一種高效多能的抗氧化劑。對脊髓損傷而言,褪黑素與甲基強(qiáng)的松龍具有相同的抗氧化能力。目前實(shí)驗(yàn)研究公認(rèn)褪黑素用于大鼠SCI的有效劑量是腹腔注射100 mg/kg,只是利用其抗氧化和清除自由基的能力來治療急性期SCI,其治療機(jī)制比較單一,也沒用作為一線藥被廣泛應(yīng)用。而且段大志等的研究表明甲強(qiáng)龍、褪黑素及兩藥聯(lián)合對急性脊髓損傷的治療效果在同一水平[28],故理論上可以單獨(dú)用藥。

3.2 聯(lián)合用藥 損傷的亞急性狀態(tài)下,褪黑素與甲基強(qiáng)的松龍聯(lián)合治療可以對抗脂質(zhì)過氧化物的累積,但是并沒有闡述這種機(jī)制是屬于神經(jīng)性的、超微結(jié)構(gòu)性的,還是電生理性的修復(fù)[29]。然而更多最新大鼠SCI實(shí)驗(yàn)中,褪黑素與地塞米松聯(lián)合治療在阻斷脊髓繼發(fā)性的損傷上有明顯的消炎作用。這個(gè)實(shí)驗(yàn)表明與褪黑素聯(lián)合用藥時(shí),地塞米松的有效治療劑量可以顯著降低[30]。目前國內(nèi)外關(guān)于褪黑素和其他治療SCI藥物聯(lián)合用藥(除甲強(qiáng)龍外)尚未見報(bào)道,聯(lián)合其他藥物治療脊髓損傷理論上具有一定的可行性,段大志等的實(shí)驗(yàn)還有待于進(jìn)一步從改變劑量上研究聯(lián)合用藥的療效。

3.3 其他 治療脊髓損傷預(yù)后最有效的莫過于神經(jīng)干細(xì)胞的移植了,但神經(jīng)干細(xì)胞的移植后的安全性、有效性及功能恢復(fù)等重要問題還沒得到完全的解決[31]。而褪黑素具有免疫方面的作用,同時(shí)也可以修復(fù)損傷的神經(jīng)元,理論上可以在神經(jīng)干細(xì)胞移植后進(jìn)行鞏固療效,但這也需要大量實(shí)驗(yàn)證明。

4 展望

與前面提到的有效的實(shí)驗(yàn)性SCI相反,褪黑素對醫(yī)源性SCI不能起到神經(jīng)保護(hù)的作用,選擇性脊柱手術(shù)在手術(shù)前(20 min)、手術(shù)中或手術(shù)后的10 mg/kg的劑量適用于不完全性SCI。已被檢測的其他三種神經(jīng)保護(hù)藥物很重要,包括甲基強(qiáng)的松龍也沒有改善運(yùn)動(dòng)源或脊髓形態(tài)。因此原發(fā)性SCI仍將是今后SCI研究的重點(diǎn)。

盡管目前褪黑素在脊髓損傷治療方面研究不是很多,但上述一些實(shí)驗(yàn)證實(shí)褪黑素在治療脊髓損傷方面有較明顯的效果?？梢灶A(yù)見,隨著褪黑素在脊髓損傷應(yīng)用的基礎(chǔ)及臨床研究的不斷深入,褪黑素將成為治療脊髓損傷的有效手段之一,這為臨床脊髓損傷的治療又開辟出一條新的治療方法與途徑。

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