褪黑素治療骨質(zhì)疏松的研究進展

霍偉 陶樹清

哈爾濱醫(yī)科大學附屬第二醫(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，大大增加了骨折風險，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?；?5-甲基色胺)[3]。且還有研究報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)對光線反應的調(diào)節(jié)，在黃昏時上升并在凌晨2:00左右達到峰值[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險，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]；而目前唯一的誘導成骨細胞促進骨合成的藥物特立帕肽需要反復注射，終身只能使用兩年，并有可能增加骨肉瘤的風險[8]。而褪黑素被證實幾乎沒有副作用[9]，同時與其他抗骨質(zhì)疏松藥物相比具有經(jīng)濟效益，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方面，包括人類、鼠、雞、羊等。目前認為褪黑激素可以通過多個途徑調(diào)節(jié)骨的代謝。它對成骨細胞和破骨細胞都有生物學作用[11]。它可以通過調(diào)節(jié)成骨細胞和破骨細胞來影響骨代謝。通過激活MT2受體、調(diào)節(jié)骨鈣蛋白和骨保護素、調(diào)節(jié)骨髓間充質(zhì)干細胞(bone marrow mesenchymal stem cells，BMMSC)從而促進成骨。同時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胞分化來抑制骨溶解，從而達到調(diào)節(jié)骨代謝的作用。

1.1 褪黑素對成骨細胞的作用

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

1.1.1褪黑素可以通過介導褪黑素受體和受體獨立作用的機制來預防骨降解并促進骨形成：褪黑素介導的大多數(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受體導致了骨量的丟失而不是去除了MT1受體的小鼠，證實了褪黑素主要通過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)成骨細胞生成。Park等[14]證實褪黑素可以通過BMP/ERK/Wnt通路來增強向成骨細胞分化的能力。

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)干細胞主要在骨骼中分化為成骨細胞和脂肪細胞。但是，如果這種分化不平衡，則可能導致骨量減少。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，并通過實驗驗證了褪黑素增加了BMP9在小鼠成纖維細胞中的表達，并且二者可以協(xié)同促進AMPK和β-連環(huán)蛋白磷酸化，進而促進成骨分化。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)介導使細胞內(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骨質(zhì)疏松大鼠的BMMSC，進一步促進成骨細胞分化，從而促進成骨。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，并促進了BMMSC的增殖和遷移；褪黑素通過NPY/NPY1R信號傳導促進BMMSC的成骨細胞分化能力。

1.2 褪黑素對破骨細胞的作用

破骨細胞是造血起源的唯一骨吸收細胞，在骨骼發(fā)育及受傷后生長中起著至關(guān)重要的作用。而破骨細胞的過度活化會增加骨吸收和骨質(zhì)的減少，從而導致骨質(zhì)疏松[19]。褪黑素可以通過以下途徑抑制破骨細胞功能，從而預防骨質(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，在破骨細胞中起核心作用[20]。RANKL與破骨細胞前體表面的RANK結(jié)合，觸發(fā)破骨細胞生成[21]。褪黑素通過下調(diào)核因子-κB受體活化因子配體(RANKL)介導的破骨細胞活化來抑制骨吸收[22]。Zhou等[23]最新的實驗成果證實了褪黑素通過MT2受體介導的核因子-κB(RANK)信號傳到途徑影響B(tài)MMSC介導的破骨細胞形成，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)骨細胞中褪黑激素受體的表達和降鈣素的表達呈正相關(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胞作用的新機制。

2 動物實驗和人體試驗

2.1 動物實驗

Ostrowska等[26]通過對去勢骨質(zhì)疏松大鼠模型進行松果體切除術(shù)和(或)外源性褪黑素給藥進行干預，并監(jiān)測大鼠的骨代謝指標，證實褪黑素是去勢骨質(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，并對其進行生物力學測量、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胞自噬的標志物水平，發(fā)現(xiàn)褪黑素改善了糖尿病大鼠的骨纖維結(jié)構(gòu)，并且降低了成骨細胞的自噬水平，表明褪黑素可以通過降低骨細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

越來越多的人體試驗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]進行了一項雙盲隨機對照試驗，對81名絕經(jīng)期骨質(zhì)疏松婦女進行褪黑素治療。隨機分為：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、定量計算機斷層掃描(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。

而在早期的一項為期較短的隨機對照試驗中，Kotlarczyk等[31]對18名絕經(jīng)期婦女進行了為期6個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：骨鈣蛋白、骨形成指標骨鈣素(osteocalcin，OC)和骨吸收指標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個月為基準)。然而，由于骨吸收與骨形成之間緊密相關(guān)，作者認為需要計算每個受試者的NTX∶OC比率，褪黑激素組中NTX∶OC的比例隨時間逐漸下降至1∶1，安慰劑組則沒有這個趨勢。表明褪黑激素的補充具有良好的耐受性，并可能恢復骨骼重塑失衡以防止骨骼丟失，可進一步研究。目前臨床進行的此類試驗相對較少，但得到的結(jié)論普遍認為褪黑素可以防止骨量流失，或可成為下一步研究的重點。

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，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為是安全的[32]。

在動物實驗中，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。在臨床試驗中，Andersen等[35]分別對12名健康男性受試者進行了安慰劑、10 mg褪黑素、100 mg褪黑素的治療，記錄患者的不良反應癥狀，結(jié)果在自我報告的不良反應癥狀中三者無明顯差異。Maria等[36]進行了一項隨機雙盲試驗，對絕經(jīng)后骨質(zhì)疏松婦女隨機分為兩組，分別進行褪黑素+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，并且兩組都未報道有不良事件的發(fā)生。在另外一項隨機研究中[37]，對19名受試者給予5 mg口服褪黑素或安慰劑，對受試者進行注意力、反應時間、集中能力、感覺運動協(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驗的證實下，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重的不良反應?？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，因此，褪黑素在臨床應用中相對安全。

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，大規(guī)模的臨床對照試驗也是接下來需要進行的重點。褪黑素目前在骨質(zhì)疏松治療方面逐漸走進了人們的視線，也被逐步證實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?，褪黑素在治療骨質(zhì)疏松方向上有很好的前景，有待于逐步去發(fā)掘。