褪黑素對血腦屏障的保護

鄭軍

（山西職工醫(yī)學(xué)院護理系，山西太原 030001）

褪黑素對血腦屏障的保護

鄭軍

（山西職工醫(yī)學(xué)院護理系，山西太原 030001）

褪黑素是色氨酸在松果體內(nèi)經(jīng)一系列酶催化合成的強抗氧化劑，主要功能是調(diào)節(jié)晝夜節(jié)律、控制血管舒縮等。血腦屏障保證機體大腦選擇性的進行血液與神經(jīng)系統(tǒng)之間的物質(zhì)交換，褪黑素可以保護血腦屏障。本文綜述了在不同病理條件下褪黑素能通過抗炎、抗氧化應(yīng)激途徑對血腦屏障發(fā)揮保護作用的具體分子機理，將為深入研究血腦屏障保護提供重要理論基礎(chǔ)，為患者治療提供可靠依據(jù)。

褪黑素；血腦屏障；腦保護

1 褪黑素的生理功能及調(diào)控

1.1 褪黑素的作用

褪黑素化學(xué)名稱為N-乙?；?5-甲氧基色胺，是一種吲哚類神經(jīng)內(nèi)分泌激素。1958年，Lerner首次在松果體中發(fā)現(xiàn)了褪黑素，并且由于該種物質(zhì)能使兩棲類動物的皮膚褪色，將這種松果體激素稱為褪黑素。

褪黑素的主要功能是調(diào)節(jié)晝夜節(jié)律、控制血管舒縮等，能夠清除自由基并且上調(diào)抗氧化信號通路而發(fā)揮直接和間接抗氧化作用，褪黑素及其代謝物也具有重要的免疫調(diào)節(jié)，抗氧化性能[1]。目前，褪黑素在神經(jīng)退行性疾病領(lǐng)域也被廣泛研究。

1.2 褪黑素的分泌與合成

在哺乳動物中，內(nèi)源性的褪黑素主要是由松果體分泌，其他組織也可以合成褪黑素，如視網(wǎng)膜、哈德氏腺、腸等。內(nèi)源性褪黑素的合成主要受晝夜節(jié)律有規(guī)律的調(diào)節(jié)，其合成時間主要是在夜間，合成的持續(xù)時間與暗周期的長度有關(guān)。在哺乳動物中，松果體褪黑素合成由位于下丘腦的視交叉上核（SCN）中的主晝夜節(jié)律起搏器控制。SCN通過經(jīng)由cAMP-CREB途徑的涉及芳基烷基胺N-乙酰轉(zhuǎn)移酶（AANAT，褪黑激素合成的關(guān)鍵調(diào)節(jié)酶）的活化的交感途徑控制松果體褪黑素合成的時間。

內(nèi)源性的褪黑素是色氨酸在一系列酶的催化下合成的。在色氨酸羥化酶（TPH）作用下色氨酸轉(zhuǎn)變?yōu)?-羥色氨酸，然后在芳香氨基脫羧酶（5-羥色胺脫羧酶，5-HTPDC）作用下催化為5-羥色氨（5-HT），接著5-HT經(jīng)過褪黑素合成的限速步驟，在N-乙?；D(zhuǎn)移酶（NAT，又稱AANAT）作用下轉(zhuǎn)變成N-乙酰-5-羥色胺，該限速步驟主要發(fā)生在松果體中。最終在羥基吲哚-氧-甲基轉(zhuǎn)移酶（HIOMT，也稱為ASMT)的作用下轉(zhuǎn)變?yōu)橥屎谒?，褪黑素合成過程中的限速酶是AANAT，關(guān)鍵酶是HIMOT。

1.3 褪黑素的代謝途徑

褪黑素有兩條主要的代謝途徑，分別為羥化通路、吡咯環(huán)斷裂通路。在人體中，1/3的褪黑素是通過吡咯環(huán)斷裂通路代謝的，即褪黑素在髓過氧化物酶（MPO）以及吲哚胺-2,3-雙加氧酶（IDo）等酶的作用下催化代謝；或在氯高鐵血紅素或自由基的作用下發(fā)生吡咯環(huán)斷裂，代謝成具有抗氧化作用的犬尿胺類化合物以及經(jīng)芳胺甲?；福╝rylamine formamidase）去甲酰化，進而生成更穩(wěn)定的N-乙?；?5-甲氧基-犬尿氨[2]。

在經(jīng)典的羥化代謝途徑中，60%的褪黑素被肝細胞色素酶水解成6-羥褪黑素，再經(jīng)過轉(zhuǎn)磺酸基酶或者葡萄糖醛酸轉(zhuǎn)移酶的進一步催化作用，最終經(jīng)尿液排出。當然也有極少量的褪黑素形成其他羥化物或者直接以褪黑素形式排出。

1.4 褪黑素的受體

1961年，Kopin等人首先合成了氚標記Mel（3H-Mel）研究了褪黑素受體在體內(nèi)的分布，褪黑素的受體有兩大亞型，褪黑素受體1（Melatonin receptor 1，MR1）和褪黑素受體2（Melatonin receptor 2，MR2），兩大亞基具有60%的同源性。MR1、MR2在許多器官和組織中都有表達，因此褪黑素能調(diào)節(jié)許多生理以及病理方面。褪黑素受體在視網(wǎng)膜、交叉上核（SCN）、室旁核（PVNT）、四疊體（sc）、結(jié)節(jié)部（PT）、腎臟、睪丸以及腦內(nèi)分布較廣。已有文獻報道褪黑素受體（MR）也存在于外周血白細胞中也存在。

1.5 褪黑素與年齡

褪黑素具有年齡相關(guān)性，會隨著年齡的增加合成與表達都逐漸降低。幼兒期間褪黑素在體內(nèi)水平達到最高，在老年期間褪黑素的水平降到最低。在許多高齡老年人中，褪黑素在夜間的分泌幾乎不存在。

2 血腦屏障（BBB）的結(jié)構(gòu)與功能

2.1 血腦屏障的結(jié)構(gòu)

血腦屏障（Blood Brain Barrier，BBB）主要由緊密連接蛋白相連的內(nèi)皮細胞、星形膠質(zhì)細胞終足、基底膜以及周細胞組成。

2.1.1 內(nèi)皮細胞

內(nèi)皮細胞在BBB中發(fā)揮非常重要的作用，內(nèi)皮細胞構(gòu)成的屏障線是阻礙有害物質(zhì)從血液進入大腦的關(guān)鍵因素。血腦屏障內(nèi)皮細胞與其他組織的內(nèi)皮細胞有明顯的不同，其無窗口結(jié)構(gòu)、少有吞飲小泡，同時收縮蛋白也很少，主動轉(zhuǎn)運的能力也降低。已有文獻報道，在周圍沒有星形膠質(zhì)細胞存在的情況下，來自兩棲類的腦毛細血管仍然具有高電阻。內(nèi)皮細胞與周圍其他細胞的交流，增強了血腦屏障功能，從而維持適當?shù)拇竽X內(nèi)穩(wěn)態(tài)。相鄰的內(nèi)皮細胞之間主要靠緊密連接蛋白緊密相連，包括跨膜蛋白（Claudins,Occludin）、骨架蛋白（Actin filament）、錨定蛋白（ZO-1）[3]。其中跨膜蛋白Claudins家族和Occludin家族是兩個最重要的成員。該結(jié)構(gòu)構(gòu)成了血腦屏障的第一層結(jié)構(gòu)。

2.1.2 基底膜

基底膜也是BBB組成的必需部分，其圍繞腦內(nèi)皮細胞并且包圍周細胞，固定細胞并且與周圍的細胞建立聯(lián)系，構(gòu)成血腦屏障的第二層結(jié)構(gòu)。基底膜是由不同的胞外基質(zhì)分子類型構(gòu)成，靠內(nèi)皮細胞、周細胞和星形膠質(zhì)細胞合作產(chǎn)生和維持基底膜結(jié)構(gòu)?；啄ど嫌薪Y(jié)構(gòu)蛋白（膠原和彈性蛋白），特化蛋白（纖連蛋白和層粘連蛋白）和蛋白聚糖?；啄み€包括細胞的基質(zhì)粘附受體，當基底膜被破壞時能夠改變內(nèi)皮細胞的細胞骨架，從而影響緊密連接蛋白和血腦屏障的完整性。已有文獻報道，基質(zhì)金屬蛋白酶（MMP）能夠破壞基底膜，這導(dǎo)致緊密連接蛋白的破壞進而影響血腦屏障完整性[4]。

2.1.3 星形膠質(zhì)細胞終足

星形膠質(zhì)細胞的末端是構(gòu)成血腦屏障的第三層結(jié)構(gòu)，星形膠質(zhì)細胞的粗大末端凸起形成緊密附著于血腦屏障內(nèi)皮細胞和基底膜的終足，相鄰的星形膠質(zhì)細胞終足之間有裂縫并且間斷，只包繞85%左右的血管表面，通過與內(nèi)皮細胞以及基底膜的相互作用起到對血腦屏障的保護作用[5]。即星形膠質(zhì)細胞不直接參與BBB的保護。

2.1.4 周細胞

周細胞屬于血管的平滑肌系，是構(gòu)成血腦屏障的重要部分，在維持BBB的完整性中發(fā)揮至關(guān)重要的作用，幫助維持腦內(nèi)環(huán)境穩(wěn)態(tài)。周細胞能夠參與新生毛細血管的形成，并且分泌合成基底膜的主要成分，包括蛋白聚糖。已有文獻報道，將周細胞與內(nèi)皮細胞共培養(yǎng)能夠形成毛細血管樣結(jié)構(gòu)（CLS）。并且當BBB發(fā)生泄漏時，為了加強BBB的穩(wěn)定性周細胞覆蓋的面積會增加[6]。

2.2 血腦屏障的功能

血液與腦實質(zhì)之間的物質(zhì)交換有難有易，血腦屏障就是有選擇性的進行血液與神經(jīng)系統(tǒng)之間的物質(zhì)交換，使葡萄糖、氨基酸等有利物質(zhì)通過血腦屏障。而阻止毒素、部分藥物等有害物質(zhì)進入中樞神經(jīng)系統(tǒng)。血腦屏障在機體中維持一個動態(tài)穩(wěn)定。

2.3 決定物質(zhì)進入血腦屏障的因素

（1）脂溶性。血液中的物質(zhì)要透過血腦屏障進入腦實質(zhì)必須經(jīng)過內(nèi)皮細胞，而內(nèi)皮細胞膜是由磷脂雙分子層構(gòu)成，具有親脂性，因此脂溶性物質(zhì)更易透過血腦屏障。（2）物質(zhì)的親水性。（3）與血漿蛋白的結(jié)合程度等。

2.4 血腦屏障損傷相關(guān)疾病

血腦屏障損傷與許多退行性疾病有關(guān)，包括腦缺血、血管性認知損傷、腦損傷、多發(fā)性硬化、腦腫瘤、腦部感染、阿爾茲海默癥、帕金森等。

3 褪黑素對血腦屏障的保護機制

3.1 通過基質(zhì)金屬蛋白酶MMP途徑

基質(zhì)金屬蛋白酶（Matrix metalloproteinases，MMPs）需要依賴Zn2+發(fā)揮作用，MMPs的主要作用是降解細胞外基質(zhì)以及組織重塑造。MMPs在降解細胞外基質(zhì)（ECM）發(fā)揮重要的作用，由于MMPs能夠直接通過酶原的形式釋放到細胞外基質(zhì)發(fā)揮作用，并且能夠在正常的生理條件下發(fā)揮作用。MMPs也是目前發(fā)現(xiàn)可以分解膠原纖維的唯一酶。

目前已經(jīng)發(fā)現(xiàn)的MMPs共有五大類，至少26種，分別是以下幾類：第一類為膠原酶，其主要作用是水解纖維類膠原（I、Ⅱ、Ⅲ型膠原等）；第二類是基質(zhì)酶，該類的作用底物非常廣泛，例如：明膠、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ型膠原、蛋白聚糖等；第三類是明膠酶，降解底物為Ⅳ型膠原和Ⅴ型膠原；第四類是間質(zhì)酶以及膜類基質(zhì)金屬蛋白酶，見表1。

表1 MMP的分類

在這之中，MMP-2、MMP-9、MMP-3研究最多。MMP-2/9是造成血腦屏障破壞的主要原因之一，已有研究表明腦缺血后MMP-2/9在腦中高度表達。也有實驗證明，褪黑素能夠通過抑制MMP的活性減輕外源性注射IL-1β引起的血腦屏障損傷以及阻止IL-1β引起的緊密連接蛋白ZO-1降解，達到與MMP抑制劑GM6001等價的效果。2012年有文獻表明在缺血模型中MMP的表達和活性都顯著提高，并且持續(xù)到72h。褪黑素處理后能夠顯著減少MMP的表達以及抑制MMP的活性，進而減少缺血誘導(dǎo)的BBB損傷，相比于對照組，褪黑素處理組腦水腫水平也有減少，但沒有顯著性差異[7]。

3.2 通過抗炎癥反應(yīng)途徑

炎癥是興奮性級聯(lián)反應(yīng)的一個重要組成部分，缺血缺氧性腦損傷后會激活炎癥細胞，增加ROS的產(chǎn)生和炎癥介質(zhì)的表達，如白細胞介素IL1β和IL18，在卒中過程中發(fā)揮作用。

在炎癥反應(yīng)中，活化的星形、小膠質(zhì)細胞開始產(chǎn)生炎性因子，內(nèi)皮細胞開始產(chǎn)生黏附分子，從而激活血液和脾臟中的白細胞，進而黏附于血管的內(nèi)皮，侵入受損部位。浸潤的白細胞產(chǎn)生大量細胞毒性物質(zhì)，包括MMP、炎癥因子、ROS等，引起細胞外基質(zhì)，神經(jīng)元及內(nèi)皮細胞的后續(xù)損傷，導(dǎo)致BBB破壞、腦水腫、神經(jīng)細胞死亡和出血性轉(zhuǎn)化。

褪黑素被公認具有抗炎能力，早在其他的病理研究中，如阿爾茲海默病和帕金森病中，褪黑素就能通過調(diào)控早期和晚期的NF-kB的激活進而調(diào)節(jié)炎癥反應(yīng)起到保護作用。Fu等人通過melatonin（50、100、200μM）處理PC12細胞1h，發(fā)現(xiàn)褪黑素能夠明顯改善TCBQ引起的細胞死亡，提高存活率，并且證明褪黑素能夠降低TCBQ引起的CD14和TLR4的升高，并且破壞TLR4/MyD88/MD2/CD14復(fù)合體的形成，進而減少TGF-α、IL-1β、IL-6等炎癥因子的產(chǎn)生。

Jumnongprakhon等人也通過大鼠腦微血管內(nèi)皮細胞（BMVECs）證明，褪黑素能夠通過褪黑素受體（MT1/2 receptors）抑制NF-kB信號通路從而抑制METH誘導(dǎo)的炎癥反應(yīng)，保護內(nèi)皮細胞。Chen等人證明在早期蛛網(wǎng)膜下腔出血的腦損傷中褪黑素能夠減少炎癥反應(yīng)誘導(dǎo)的腦水腫：可能是通過調(diào)節(jié)促炎因子實現(xiàn)的。該實驗通過在蛛網(wǎng)膜下腔出血（SAH）手術(shù)2h后注射5mL/kg褪黑素，發(fā)現(xiàn)褪黑素組能夠減少SAH引起的腦水腫以及伊萬斯藍的泄露以及IgG染色結(jié)果證明褪黑素能夠減少自身IgG的泄露，同時通過檢測Occludin、ZO-1、Claudin-5的表達，發(fā)現(xiàn)褪黑素能夠阻止SAH引起的上述緊密連接蛋白的降解，并且該作用是通過調(diào)節(jié)炎癥因子f IL-1b、IL-6及TNF-α而實現(xiàn)對血腦屏障的保護[8]。

褪黑素作為一種抗炎劑，已經(jīng)被很好的研究。體內(nèi)、體外實驗都充分說明作為抗炎劑褪黑素能夠通過調(diào)控炎癥因子達到保護血腦屏障的作用。

3.3 通過抗氧化應(yīng)激途徑

褪黑素及其代謝物能清除各種氧自由基和活性氧中間體，實驗已經(jīng)證明褪黑素能夠通過阻止LPS引起的gp91phox表達上升，保護LPS引起的血腦屏障損傷，Song在2014年用小鼠腦內(nèi)皮細胞（bEND3）實驗證明褪黑素能夠?qū)ρ跆莿儕Z引起的BBB損傷起保護作用。在細胞OGD前24h給予1～100 nM的褪黑素，發(fā)現(xiàn)10nM和100nM的褪黑素都能夠顯著減少OGD引起的氧自由基的產(chǎn)生，并且阻止OGD引起的緊密連接蛋白Claudin-5的降解。褪黑素通過激活A(yù)kt和抑制JNK保護bEND3細胞[9]。Chen等人證明在膽汁結(jié)扎處理的青年鼠中，褪黑素能夠改變NADPH氧化酶和血腦屏障。膽汁結(jié)扎（BDL）能夠引起膽汁積郁以及全身和腦的氧化應(yīng)激反應(yīng)，并伴隨著血腦屏障的損傷，而褪黑素能夠通過減少NADPH氧化酶和調(diào)節(jié)tPA改變BBB的損傷。Dehghan也證明褪黑素能夠通過抗氧化應(yīng)激減少創(chuàng)傷性腦損傷引起的腦水腫[10]。

4 展望

研究證明，褪黑素對血腦屏障具有保護作用，在不同病理條件下褪黑素都能通過抗氧化、抗炎等作用對血腦屏障發(fā)揮保護作用。

褪黑素不僅對血腦屏障的保護發(fā)揮作用，在阿爾茲海默癥、帕金森、缺血后腦保護等方面都有非常明顯的療效。并且具有優(yōu)于其他藥物的幾大優(yōu)點，褪黑素本身極易透過血腦屏障發(fā)揮作用，并且相對毒性較低，正常人每天攝取低于30mg/kg的褪黑素時是沒有毒性傷害的。因此今后進一步深入研究褪黑素對血腦屏障保護的作用機理，將為患者治療提供理論依據(jù)。

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Protective Effect of Melatonin on Blood Brain Barrier

Zheng Jun
(Department of Nursing,Shanxi Medical College of Continuing Education,Shanxi Taiyuan 030001)

Melatonin is a powerful antioxidant,whose main function is to regulate circadian rhythm,control vasomotor.Melatonin is synthesized by tryptophan in the pineal gland through a series of enzyme and secreted from the pineal gland.The blood-brain barrier ensures that the body's brain selectively exchanges material between the blood and the nervous system,and melatonin protects the blood-brain barrier.This review summarizes the specific molecular mechanism of melatonin's protective effect on the blood-brain barrier through anti-inflammatory and anti-oxidative stress pathways under different pathological conditions and will provide an important theoretical basis for further study on the protection of the blood-brain barrier and provide the basis for the treatment of patients reliable basis.

Melatonin;Blood brain barrier;Brain protection

R742 文獻標志碼：A

2096-0387（2017）06-00105-05

鄭軍（1977—），女，山西太原人，碩士，講師，副主任，研究方向：內(nèi)科學(xué)。