褪黑素防治骨質(zhì)疏松癥的研究現(xiàn)狀

王旭東 黃東生

中山大學(xué)孫逸仙紀(jì)念醫(yī)院骨科，廣東 廣州 510120

骨質(zhì)疏松癥(osteoporosis，OP)是一種骨代謝(bone metabolism)失衡導(dǎo)致的以骨密度(bone mineral density，BMD)降低和骨組織顯微結(jié)構(gòu)(bone microarchitecture)異常為特征，導(dǎo)致骨骼脆性增加和易發(fā)生骨折(fracture)的一種全身性代謝性骨病，是中老年的常見(jiàn)病、多發(fā)病。OP分為兩大類：原發(fā)性(主要包括絕經(jīng)后和老年性O(shè)P)和繼發(fā)性(主要包括內(nèi)分泌和代謝性O(shè)P，廢用骨質(zhì)疏松癥和藥物誘導(dǎo)性O(shè)P)。它的治療和護(hù)理需要巨大的人力和物力資源，給家庭和整個(gè)社會(huì)帶來(lái)沉重的負(fù)擔(dān)。據(jù)統(tǒng)計(jì)，2010年美國(guó)50歲以上的成年人中有10.3%患有骨質(zhì)疏松癥[1]。如果沒(méi)有干預(yù)策略，在全球范圍內(nèi)骨質(zhì)疏松癥患者在未來(lái)25年內(nèi)的估計(jì)數(shù)量將增加兩倍[2]。骨質(zhì)疏松癥通常被描述為“無(wú)癥狀疾病”，因?yàn)樗狈γ黠@的癥狀，通常是發(fā)生脆性骨折后檢查才發(fā)現(xiàn)患有骨質(zhì)疏松癥。全世界每年約有8 900萬(wàn)人被診斷為OP骨折，這意味著每3秒則發(fā)生一例OP骨折[3]。到目前為止，還沒(méi)有有效的可以逆轉(zhuǎn)骨質(zhì)疏松癥發(fā)病機(jī)制的治療方法。盡管傳統(tǒng)的醫(yī)學(xué)治療方法已經(jīng)成功地抑制了骨質(zhì)流失[4]，但大多數(shù)醫(yī)學(xué)治療方法并沒(méi)有促進(jìn)新骨形成[5-6]。此外，目前市場(chǎng)上的抗OP藥物有副作用多、價(jià)格昂貴、患者依從性差、致瘤風(fēng)險(xiǎn)等，這可能導(dǎo)致患者依從性差。因此，尋找新的治療方法顯得尤為重要。

褪黑素(melatonin)是一種主要由哺乳動(dòng)物的松果體分泌的吲哚類激素，褪黑素能激活兩種高親和力G蛋白偶聯(lián)受體(稱為MT1和MT2)，在睡眠和晝夜節(jié)律異常、情緒障礙、學(xué)習(xí)和記憶、神經(jīng)保護(hù)、藥物濫用和癌癥中發(fā)揮有益作用[7]。除了松果體外，研究表明褪黑素可以在骨髓和許多其他組織中合成[8-9]。骨髓中合成的褪黑素濃度是夜間血液水平的兩倍[10]，提示其可能與骨代謝相關(guān)。最近許多研究已經(jīng)證實(shí)了褪黑素能發(fā)揮促進(jìn)成骨細(xì)胞(osteoblast)增殖分化，抑制破骨細(xì)胞(osteoclast)形成從而維持骨代謝的穩(wěn)態(tài)[11-12]并發(fā)揮防治骨質(zhì)疏松癥的作用[13]。因此，褪黑素作為一種潛在的抗骨質(zhì)疏松藥物成為學(xué)界關(guān)注的熱點(diǎn)。本綜述討論了褪黑素與骨質(zhì)疏松癥中相關(guān)的最新突破，并提出今后可能的研究方向和亟待解決的關(guān)鍵問(wèn)題。

1 褪黑素與骨代謝

1.1 褪黑素促進(jìn)成骨細(xì)胞的增殖與分化

國(guó)內(nèi)外多項(xiàng)研究顯示褪黑素具有促進(jìn)成骨細(xì)胞增殖與分化的作用從而促進(jìn)骨形成。本課題組研究發(fā)現(xiàn)褪黑素能通過(guò)抑制過(guò)氧化物酶體增殖物激活受體γ(peroxisome proliferator-activated receptor gamma，PPARγ)表達(dá)和增強(qiáng)Runx2表達(dá)從而抑制間充質(zhì)干細(xì)胞(mesenchymal stem cells，MSCs)成脂分化并顯著增強(qiáng)MSCs成骨分化[15]。此外，其他學(xué)者研究發(fā)現(xiàn)褪黑素通過(guò)增加骨鈣素(osteocalcin，OCN)的表達(dá)來(lái)促進(jìn)骨生成，從而抑制骨質(zhì)流失[16]。以及能通過(guò)上調(diào)神經(jīng)肽Y(neuropeptide Y，NPY)和NPY受體Y1(neuropeptide Y receptor Y1，NPY1R)的表達(dá)，促進(jìn)MSCs的增殖和遷移，從而促進(jìn)骨折愈合[17]。另外，Xiong等[18]發(fā)現(xiàn)褪黑素(10 nmol/L～100 μmol/L)通過(guò)激活c-Raf、MEK1 /2、ERK1/2、p90RSK和MSK1從而促進(jìn)人成骨細(xì)胞系hFOB1.19的增殖。Satomura等[19]研究發(fā)現(xiàn)藥理劑量的褪黑素能促進(jìn)體外成骨分化以及促進(jìn)體內(nèi)小鼠皮質(zhì)骨形成。Maria等[20]研究發(fā)現(xiàn)褪黑素對(duì)人脂肪來(lái)源的MSC具有成骨細(xì)胞誘導(dǎo)作用。最近，Xu等[21]研究表明，褪黑素能抑制雌激素缺乏引起的OP，并通過(guò)抑制NLRP3炎性體的活動(dòng)來(lái)促進(jìn)成骨細(xì)胞的生成。

然而，考慮到褪黑素體外給藥的作用效應(yīng)強(qiáng)烈但是持續(xù)時(shí)間較短，故本課題組將褪黑素包裹在聚乳酸微球中以產(chǎn)生持續(xù)分泌的褪黑素釋放系統(tǒng)，結(jié)果表明該系統(tǒng)提供了一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定濃度的微量褪黑素作用環(huán)境從而更好地促進(jìn)人類BMSCs的成骨分化[22]。

以上結(jié)果充分表明，褪黑素能通過(guò)不同途徑(比如增強(qiáng)Runx2、OCN的表達(dá)上調(diào)NPY和NPY1R的表達(dá)以及激活c-Raf、MEK1/2、ERK1/2、p90RSK和MSK1等)促進(jìn)成骨細(xì)胞的增殖與分化從而促進(jìn)新骨生成。

1.2 褪黑素抑制破骨細(xì)胞的生成與活化

褪黑素除了促進(jìn)成骨細(xì)胞的增殖與分化外，還可以減少破骨細(xì)胞的生成，以減少骨質(zhì)溶解。既往學(xué)者普遍認(rèn)為，褪黑素對(duì)于破骨細(xì)胞的調(diào)控作用主要是通過(guò)褪黑素對(duì)成骨細(xì)胞的調(diào)控從而間接調(diào)控破骨細(xì)胞。Maria等[20]使用人MSC和人外周血單核細(xì)胞(PBMC)的共培養(yǎng)模型發(fā)現(xiàn)褪黑素能抑制成骨細(xì)胞NF-κB受體活化因子配體(receptor activator of nuclear factor-κB ligand，RANKL)的分泌從而抑制破骨細(xì)胞生成。然而，也有學(xué)者認(rèn)為褪黑素能直接調(diào)控破骨細(xì)胞的生成與活化。Koyama等[23]研究發(fā)現(xiàn)，藥理劑量的褪黑素通過(guò)抑制破骨細(xì)胞的形成和活化從而抑制骨吸收，進(jìn)而提高骨量。此外，Zhou等[24]發(fā)現(xiàn)藥理學(xué)濃度的褪黑素(1～100 μmol/L)與生理濃度(0.01～10 nmol/L)相比，其能通過(guò)活性氧分子(reactive oxygen species，ROS)介導(dǎo)的途徑而不是SIRT1非依賴性途徑顯著抑制骨髓單核細(xì)胞的破骨細(xì)胞生成。最近，Kim等[25]發(fā)現(xiàn)褪黑素可通過(guò)褪黑素受體非依賴模式下調(diào)NF-κB途徑抑制RANKL介導(dǎo)的破骨細(xì)胞生成。

綜上所述，褪黑素不僅能通過(guò)調(diào)控成骨細(xì)胞的活動(dòng)間接抑制破骨細(xì)胞的生成與活化，而且能直接通過(guò)不同途徑(比如ROS介導(dǎo)的途徑以及受體非依賴模式等)抑制破骨細(xì)胞的生成與活化從而減少骨質(zhì)溶解，具有治療骨質(zhì)疏松癥的潛能。

2 褪黑素對(duì)骨質(zhì)疏松的影響

骨質(zhì)疏松癥的主要發(fā)病機(jī)制為成骨減弱，破骨增強(qiáng)導(dǎo)致的骨代謝失衡。褪黑素具有促進(jìn)成骨細(xì)胞增殖分化，抑制破骨細(xì)胞生成與活化的作用。以往大量研究表明，褪黑素在細(xì)胞實(shí)驗(yàn)、動(dòng)物實(shí)驗(yàn)以及人體研究中具有潛在抗骨質(zhì)疏松癥的作用。

2.1 細(xì)胞實(shí)驗(yàn)

大量研究表明褪黑素在不同細(xì)胞模型中能通過(guò)不同途徑發(fā)揮潛在抗骨質(zhì)疏松作用。

上述研究主要針對(duì)高溫后鋼管再生混凝土柱在靜力荷載作用下的剩余承載力和變形性能，迄今為止，未發(fā)現(xiàn)鋼管再生混凝土柱高溫后抗震性能的研究報(bào)道。為此，本文作者進(jìn)行了高溫后方鋼管再生混凝土柱抗震性能試驗(yàn)，研究構(gòu)件的承載能力、剛度、滯回特征等性能，為火災(zāi)(高溫)后方鋼管再生混凝土柱的評(píng)估與修復(fù)提供依據(jù)。

眾所周知，炎癥環(huán)境能促進(jìn)骨質(zhì)疏松癥的發(fā)生發(fā)展。腫瘤壞死因子α(tumor necrosis factor alpha，TNFα)通過(guò)促進(jìn)骨吸收和抑制骨形成在炎癥相關(guān)的骨質(zhì)疏松癥中起重要作用。本課題組研究發(fā)現(xiàn)褪黑素可通過(guò)下調(diào)TNFα誘導(dǎo)的SMAD泛素化調(diào)節(jié)因子1(SMAD ubiquitination regulatory factor 1，SMURF1)的表達(dá)量，然后減少SMURF1介導(dǎo)的SMAD1蛋白的泛素化和降解，從而穩(wěn)定BMP-SMAD1信號(hào)通路的活性并且逆轉(zhuǎn)了TNFα對(duì)BMSCs成骨分化的抑制作用[26]。

此外，褪黑素也能抑制移植物鈦顆粒以及體內(nèi)高鐵狀態(tài)對(duì)于骨質(zhì)疏松癥的促進(jìn)作用。Ping等[27]研究了褪黑素對(duì)鈦顆粒誘導(dǎo)的顱骨骨溶解小鼠模型的抑制作用。他們發(fā)現(xiàn)，褪黑素不僅可以通過(guò)激活Wnt/β-catenin信號(hào)通路，增強(qiáng)體內(nèi)溶解部位的骨再生，而且還可在體外以濃度依賴性方式抑制NF-κB通路的激活顯著抑制磨損碎片誘導(dǎo)的骨吸收和體內(nèi)炎性細(xì)胞因子的表達(dá)[28]。此外，褪黑素還能通過(guò) Nrf-2 途徑抑制成骨細(xì)胞的氧化應(yīng)激水平，從而降低高鐵引起的成骨細(xì)胞凋亡[29]。

最近，Maria等[20]使用人MSC和PBMC的共培養(yǎng)模型發(fā)現(xiàn)褪黑素能通過(guò)褪黑素受體MT2、MEK1/2和MEK5介導(dǎo)誘導(dǎo)成骨細(xì)胞分化和礦化沉積，同時(shí)也能抑制成骨細(xì)胞RANKL的分泌從而抑制破骨細(xì)胞生成。

基于以上證據(jù)表明，褪黑素在細(xì)胞模型中能通過(guò)不同途徑(比如BMP-SMAD1信號(hào)通路、Wnt/β-catenin信號(hào)通路、NF-κB信號(hào)通路以及MAPK信號(hào)通路等)促進(jìn)成骨，抑制破骨，提示其可能具有潛在的抗骨質(zhì)疏松作用。

2.2 動(dòng)物實(shí)驗(yàn)

褪黑素還可以調(diào)節(jié)小鼠、大鼠、綿羊等動(dòng)物的骨代謝。基于褪黑素的膳食補(bǔ)充劑被認(rèn)為是一種抗衰老療法，用于治療年齡相關(guān)的骨丟失[30-31]。

通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)，褪黑素能通過(guò)MT2受體作用于成骨細(xì)胞以及改善骨代謝指標(biāo)等途徑增強(qiáng)小鼠的骨量。Sharan等[12]研究發(fā)現(xiàn)褪黑素受體MT2缺陷的小鼠存在成骨細(xì)胞數(shù)量和骨形成的減少，進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)褪黑素可以通過(guò)MT2受體直接調(diào)節(jié)成骨細(xì)胞的增殖與分化。

此外，Maria等[20]在雌性小鼠飲用水中添加褪黑素(15 mg/L)喂養(yǎng)一年，發(fā)現(xiàn)其能增加小鼠血清中pErk1/2、pErk5、Runx2和OPG以及RANKL水平，提示褪黑素能發(fā)揮骨增強(qiáng)作用。

通過(guò)對(duì)大鼠的研究也發(fā)現(xiàn)褪黑素能通過(guò)抑制體內(nèi)氧化應(yīng)激水平、降低成骨細(xì)胞的自噬水平以及改善骨代謝指標(biāo)等途徑發(fā)揮增強(qiáng)大鼠骨量的作用。研究發(fā)現(xiàn)大鼠的骨小梁厚度、骨小梁面積和骨皮質(zhì)厚度在卵巢切除術(shù)后顯著下降，然而，褪黑素的使用改善了上述指標(biāo)[32]。此外，褪黑素還能通過(guò)抑制ERK信號(hào)通路降低成骨細(xì)胞中的自噬水平從而延緩糖尿病引起的骨質(zhì)疏松癥[33]。Chu等[34]通過(guò)對(duì)老化的大鼠的研究發(fā)現(xiàn)褪黑素能增加BMD，減少鈣磷丟失，增加骨唾液酸糖蛋白(bone sialoprotein，BSP)與OCN水平，以及增加骨生成率與骨礦化率從而發(fā)揮促進(jìn)成骨分化的作用，同時(shí)，其能抑制成脂分化過(guò)程從而緩解大鼠的骨質(zhì)疏松進(jìn)展過(guò)程。最近，Zhou等[35]通過(guò)對(duì)大鼠的研究發(fā)現(xiàn)褪黑素能通過(guò)SIRT3/SOD2信號(hào)通路改善線粒體中的氧化應(yīng)激，從而促進(jìn)成骨，顯著增加卵巢切除(OVX)大鼠的假體周圍骨量以及種植體固定強(qiáng)度。

有學(xué)者不僅研究了單用褪黑素治療骨質(zhì)疏松癥的療效，還探索了褪黑素與運(yùn)動(dòng)療法相結(jié)合的效果。結(jié)果發(fā)現(xiàn)褪黑素和有氧運(yùn)動(dòng)聯(lián)合干預(yù)能明顯改善糖尿病骨質(zhì)疏松，其可能與通過(guò)提高糖尿病大鼠的抗氧化應(yīng)激能力，調(diào)節(jié)糖的代謝從而有效地的降低血鈣和甲狀旁腺素(parathyroid hormone，PTH)，改善BMD從而緩解骨質(zhì)疏松有關(guān)[36]。

除了大小鼠動(dòng)物模型研究，有學(xué)者還研究了褪黑素對(duì)綿羊的作用，結(jié)果與大小鼠模型效應(yīng)基本一致。Egermann等[37]對(duì)綿羊進(jìn)行松果體切除術(shù)發(fā)現(xiàn)其增加骨小梁分離度并減少骨小梁厚度，從而降低BMD，導(dǎo)致骨質(zhì)流失和骨質(zhì)疏松癥，使用褪黑素處理后能逆轉(zhuǎn)上述效應(yīng)。

綜上所述，褪黑素在動(dòng)物模型體內(nèi)也具有促進(jìn)成骨、抑制破骨從而增加動(dòng)物骨量的效應(yīng)，提示其可能具有潛在的抗骨質(zhì)疏松療效。

2.3 人體研究

研究表明，褪黑素在人體中也具有骨骼的保護(hù)作用，此外，褪黑素還能穩(wěn)定情緒以及提高睡眠質(zhì)量。

褪黑素的分泌具有晝夜節(jié)律性，夜間分泌量比白天多，凌晨2點(diǎn)左右其分泌量達(dá)到峰值。有研究發(fā)現(xiàn)夜班工作與骨質(zhì)疏松癥骨折發(fā)生的風(fēng)險(xiǎn)程度存在相關(guān)性。Feskanich等[38]發(fā)現(xiàn)有超過(guò)20年夜班工作經(jīng)歷的工作者在未來(lái)8年中，其發(fā)生手腕和髖部骨折的風(fēng)險(xiǎn)大大提高，遺憾的是，在這個(gè)研究中并沒(méi)有評(píng)估褪黑素水平。作者們猜測(cè)可能是由于晚上工作降低了褪黑素水平從而成為夜班工作者骨折風(fēng)險(xiǎn)提高的一個(gè)可能機(jī)制。

褪黑素對(duì)骨質(zhì)疏松癥臨床治療的研究工作主要集中在褪黑素對(duì)絕經(jīng)后骨質(zhì)疏松治療效果上，早期研究發(fā)現(xiàn)褪黑素濃度升高可能對(duì)絕經(jīng)后骨質(zhì)流失有保護(hù)作用[39]。隨后通過(guò)對(duì)圍絕經(jīng)期婦女給予褪黑素治療的研究發(fā)現(xiàn)褪黑素治療能增加股骨以及脊椎骨的骨密度，減輕圍絕經(jīng)期癥狀，改善情緒以及提高睡眠質(zhì)量。Maria等通過(guò)一項(xiàng)為期一年的雙盲隨機(jī)對(duì)照試驗(yàn)評(píng)估了夜間褪黑素、鍶(檸檬酸鹽)、維生素D3和維生素K2(MK7，MSDK)對(duì)絕經(jīng)后骨質(zhì)疏松婦女BMD和生活質(zhì)量(QOL)的影響(年齡49～75歲)。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，與安慰劑相比，MSDK治療增加了腰椎和左股骨頸的骨密度，增加了血清P1NP水平并降低骨轉(zhuǎn)換。此外，心理測(cè)量分析表明，MSDK組的情緒和睡眠質(zhì)量得到明顯改善[20,40]。Amstrup等通過(guò)對(duì)81例患有骨質(zhì)減少的絕經(jīng)后婦女每晚接受1或3 mg褪黑素或安慰劑治療12個(gè)月后發(fā)現(xiàn)褪黑素(1 mg/d)治療一年能以劑量依賴的方式增加絕經(jīng)后骨質(zhì)減少患者股骨頸的BMD，而且高劑量(3 mg/d)褪黑素也增加了脊柱BMD[41-42]。并且褪黑素治療具有安全性，沒(méi)有影響肌肉的平衡和肌肉功能。此外，小劑量褪黑素能提高睡眠質(zhì)量[41,43]。

綜上所述，褪黑素對(duì)人體具有一定的骨骼保護(hù)作用。然而鑒于研究對(duì)象的數(shù)量較少以及研究年限較短等缺點(diǎn)，未來(lái)可能需要開(kāi)展更多的大規(guī)模的隨機(jī)對(duì)照試驗(yàn)以為骨科醫(yī)生和基礎(chǔ)研究人員提供更加全面的臨床證據(jù)。

3 展望

隨著人口老齡化，骨質(zhì)疏松已成為一個(gè)重要的公共衛(wèi)生問(wèn)題。盡管目前有許多藥物用于預(yù)防及治療骨質(zhì)疏松癥，但存在明顯副作用及安全性問(wèn)題。因此，尋找新的骨質(zhì)疏松癥治療方法顯得尤為重要。本綜述總結(jié)了褪黑素在骨代謝以及骨質(zhì)疏松中的詳細(xì)作用，有助于其在骨質(zhì)疏松癥的未來(lái)臨床應(yīng)用。

盡管目前有許多證據(jù)表明褪黑素在骨質(zhì)疏松癥中的作用機(jī)制，但迄今為止尚未開(kāi)發(fā)褪黑素在骨質(zhì)疏松癥治療方面的藥物。目前可能需要更多的轉(zhuǎn)化研究以及臨床試驗(yàn)以推進(jìn)褪黑素在骨質(zhì)疏松癥領(lǐng)域的臨床應(yīng)用。進(jìn)一步的研究可能集中在：(1)探討使用褪黑素的安全性和有效性；(2)探索褪黑素在調(diào)節(jié)骨質(zhì)疏松癥中的未知以及深入的作用機(jī)制；(3)通過(guò)大規(guī)模的轉(zhuǎn)化研究以及隨機(jī)對(duì)照試驗(yàn)提供更多的臨床證據(jù)。

本綜述展示了褪黑素在骨代謝以及骨質(zhì)疏松中的詳細(xì)作用，并指出了褪黑素防治骨質(zhì)疏松癥的應(yīng)用潛能。相信隨著研究的進(jìn)一步深入與全面，我國(guó)能在骨質(zhì)疏松癥病變?cè)缙诳刂乒橇康倪M(jìn)一步丟失，有效地防止脆性骨折的發(fā)生，從而減輕骨質(zhì)疏松癥對(duì)人類造成的傷害以及對(duì)社會(huì)造成的負(fù)擔(dān)。