褪黑素在哮喘發(fā)病和病程中的作用機制研究進展

康文慧，陳儀婷，趙安達，李 榮，李生慧

1.上海交通大學公共衛(wèi)生學院，上海 200025；2.上海交通大學醫(yī)學院附屬第九人民醫(yī)院營養(yǎng)科，上海 200011

支氣管哮喘是一種常見的呼吸系統(tǒng)疾病，世界衛(wèi)生組織（World Health Organization，WHO）發(fā)布的全球疾病負擔研究［1］顯示其為全球流行且疾病負擔較重的慢性疾病。哮喘在兒童期較為常見。我國兒科哮喘協(xié)作組3 次全國大規(guī)模流行病學調(diào)查［2］顯示，我國兒童哮喘的患病率呈顯著上升趨勢，1/3～1/2 的中、重癥兒童哮喘可遷延至成人，對健康造成終生影響。2019 年最新數(shù)據(jù)［3］顯示，我國成人哮喘的總體患病率為4.2%，約4 570 萬成人患有哮喘。因此，哮喘是危害全人群健康的重大公共衛(wèi)生問題。

哮喘是由多種細胞和細胞組分共同參與的氣道慢性炎癥性疾病，發(fā)病受環(huán)境和遺傳因素的共同影響，具體機制尚未完全闡明；現(xiàn)階段哮喘尚無法徹底治愈，只能實現(xiàn)癥狀緩解或穩(wěn)定控制［4］，因此進行哮喘的發(fā)病和病程進展的機制探索對于尋找潛在干預靶點具有重要意義。

早在1990 年就有研究［5］發(fā)現(xiàn)，白細胞介素（interleukin，IL）和γ 干擾素（interferon-γ，IFN-γ）的分泌與褪黑素（melatonin）的合成和釋放有關，提示褪黑素和免疫系統(tǒng)之間可能存在調(diào)節(jié)作用，進而引發(fā)了將褪黑素作為哮喘治療手段的思考和探索。目前越來越多的研究關注褪黑素的抗氧化、抗炎、免疫調(diào)節(jié)等作用［6］，大多認為褪黑素會通過抗氧化應激等機制參與氣道炎癥和氣道重塑的調(diào)控。

我們在PubMed、中國知網(wǎng)、萬方等數(shù)據(jù)庫中，以“melatonin”“asthma”“airway inflammation”“airway remodeling”等為主題詞，以“褪黑素”“哮喘”“氣道炎癥”“氣道重塑”等為關鍵詞進行系統(tǒng)檢索，截至2022年2月，共篩選到探討褪黑素與哮喘相關性的文章37篇。通過全面梳理、歸納這些文獻，綜述分析了褪黑素在哮喘發(fā)生與發(fā)展中作用機制的最新進展。

1 褪黑素的基本生理特性

褪黑素是一種吲哚胺（n-乙酰-5-甲氧基色胺），由5-羥色胺（5-hydroxytryptamine，5-HT） 轉化而來，主要產(chǎn)生并儲存于松果體，大腦、視網(wǎng)膜、胸腺、氣道上皮、性腺、胃腸道也被確認有合成，兼具高脂溶性和一定的水溶性［7］，可穿過血腦屏障、胎盤屏障等各類屏障系統(tǒng)，循環(huán)到達身體各部位，亦存在于各種組織液中［8］。

隨著褪黑素研究的不斷深入，其被低估的健康效應得到越來越多的關注。褪黑素受體廣泛分布于全身，對人體正常生理功能發(fā)揮重要調(diào)節(jié)作用。現(xiàn)有研究［9-10］已經(jīng)揭示，褪黑素及其代謝物是高效的自由基清除劑和廣譜抗氧化劑，在視覺、生殖、腦血管、內(nèi)分泌，甚至在免疫調(diào)節(jié)及神經(jīng)-免疫調(diào)節(jié)效應中都扮演著關鍵的角色。

2 褪黑素水平與哮喘的相關性

截至目前，共有10 項研究分析了唾液和/或血漿褪黑素水平與哮喘癥狀發(fā)作和疾病嚴重程度的相關性；其中，9 項為臨床觀察，1 項是采用致敏哮喘動物模型的研究。

2002 年，1 項在20 例受試者（健康者5 例，急性發(fā)作期哮喘患者8 例，緩解期哮喘患者7 例）中進行的分析［11］顯示，哮喘患者唾液中褪黑素分泌的基線值、峰值和振幅均顯著降低；此外，在急性發(fā)作期患者中還伴有分泌峰值相位的明顯后移。該研究團隊2 年內(nèi)2 次擴大樣本量（均為健康者15 例、哮喘患者20 例）的研究［12-13］都驗證了上述發(fā)現(xiàn)。另1 項采用年齡匹配的病例對照研究［14］（總樣本量60 例，其中病例組、對照組各30例）也獲得類似結果。

除與哮喘患病相關外，褪黑素水平與哮喘嚴重程度間也存在相關性［12-13］。與哮喘穩(wěn)定期患者相比，哮喘加重期患者體內(nèi)褪黑素水平較低，氧化應激指標較高［15］；哮喘患者的免疫指標與體內(nèi)褪黑激素水平的相關性降低，但在治療后則增強［16］。此外，另有1 項研究［17］發(fā)現(xiàn)對阿司匹林敏感的哮喘患者表現(xiàn)為血小板褪黑素合成減少。迄今為止，僅有1 項研究［18］關注兒童群體，該研究發(fā)現(xiàn)哮喘患兒血清褪黑素水平隨病情加重而趨于降低，且不同病情程度組間差異具有統(tǒng)計學意義。動物實驗研究［19］獲得上述類似發(fā)現(xiàn)，卵清蛋白（ovalbumin，OVA）致敏哮喘小鼠模型（n=40）相比健康對照組（n=20），外周血褪黑素水平較低。

上述研究比較一致地認為哮喘與較低水平的褪黑素表達、分泌相位后移相關，且該相關性或隨哮喘嚴重程度進展而存在一定的劑量-效應關系；但1項早期研究［20］獲得了略有矛盾的發(fā)現(xiàn)，該研究觀察了夜間哮喘患者（n=7）和非夜間哮喘患者（n=13）的血清褪黑素分泌相位，結果顯示，相對于健康受試者（n=11），其他2 組哮喘患者的血清褪黑素分泌相位均延遲，但分泌峰值上升。盡管需要更多的研究明確哮喘與褪黑素表達、分泌的相關性，但可以初步確認的是，褪黑素和哮喘關系密切，維持褪黑素動態(tài)水平的穩(wěn)定可能是抑制哮喘發(fā)病和緩解哮喘癥狀的有效治療策略。

3 褪黑素在哮喘的發(fā)病機制中的作用

氣道炎癥和氣道重塑是哮喘的主要病理改變?，F(xiàn)有研究總體發(fā)現(xiàn)褪黑素能夠參與氣道炎癥的調(diào)控，并與維持上皮穩(wěn)態(tài)、抑制氣道重塑相關。

3.1 褪黑素與氣道炎癥

氣道炎癥是氣道黏膜內(nèi)大量炎癥細胞浸潤、聚集，炎癥細胞合成并釋放出炎性介質(zhì)及細胞因子引起的病理過程。

本研究共檢索到20 篇文獻探討了褪黑素與氣道炎癥的相關性。其中16 篇文獻認為，褪黑素能夠抑制炎癥細胞的產(chǎn)生和募集，有助于抑制氣道炎癥的發(fā)生，減輕炎癥程度。在OVA 致敏小鼠哮喘模型中發(fā)現(xiàn)，相比對照組，外加褪黑素處理組的小鼠支氣管灌洗液淋巴細胞數(shù)、嗜酸性粒細胞數(shù)、中性粒細胞數(shù)及血清總免疫球蛋白E（immunoglobulin E，IgE）水平降低［21-23］，外周血嗜酸性粒細胞及其肺部募集以劑量依賴方式被抑制，CD4+CD25+T 細胞比例降低，其中小劑量組最為顯著［24］。褪黑素能夠抑制氧化應激和相關酶的水平。在動力學及生化實驗中發(fā)現(xiàn)，血漿溴化物（Br－）存在時褪黑素可滅活嗜酸性粒細胞過氧化物酶［25］；動物模型中外加褪黑素處理組相比哮喘組一氧化氮（nitric oxide，NO）、羥自由基濃度、誘導型NO合酶（inducible nitric oxide synthase，iNOS）、腫瘤壞死因子-α（tumor necrosis factor-α，TNF-α）、硝基酪 氨 酸、 髓 過 氧 化 物 酶 （myeloperoxidase，MPO）［21，26］、丙二醛（malondialdehyde，MDA）、8-羥 基 -2'- 脫 氧 鳥 嘌 呤 核 苷 （8-hydroxy-2'-deoxyguanosine，8-OH-dG） 水平降低，谷胱甘肽（glutathione，GSH）水平升高［22］，證明了褪黑素的抗炎作用。褪黑素還可降低細胞因子如IL-1β、IL-18、胱天蛋白酶-1（caspase-1）［27］、IL-4、IL-5、IL-13［22-23］、IL-17A［22］、IL-12［28］、IL-8［29］、IL-6［30］的表達，且其中部分結果存在劑量依賴性。此外，還有證據(jù)［21］顯示，褪黑素能部分阻斷哮喘模型大鼠肺組織核因子κB（nuclear factor-κB，NF-κB）的激活，發(fā)揮類似于使用糖皮質(zhì)激素進行哮喘治療時，阻斷NF-κB 抑制蛋白（inhibitor protein of NF-κB，I-κBα）磷酸化的上游信號轉導而抑制NF-κB 活化的作用，從而下調(diào)肺組織iNOS 的活性，減少NO 產(chǎn)生，降低氣道高反應性和氣道炎癥。此外，共檢索到3 篇文獻表明，褪黑素能拮抗外源性物質(zhì)加重的哮喘。1 項暴露于鄰苯二甲酸二丁酯（dibutyl phthalate，DBP）的哮喘小鼠研究［22］發(fā)現(xiàn)，褪黑素可有效降低炎癥細胞浸潤程度甚至緩解氣道重塑；另2 項研究也得到了類似的結果，并認為褪黑素是通過改善氧化應激和神經(jīng)遞質(zhì)降鈣素基因相關肽（calcitonin gene-related peptide，CGRP） 的水平，抑制輔助性T 細胞2（helper T cell 2，Th2）和Th17 相關細胞因子水平的升高［31］；或通過核轉錄因子紅系2 相關因子2（nuclear factor-erythroid 2-related factor 2，Nrf2）信號通路發(fā)揮哮喘調(diào)控作用［32］。褪黑素同樣能夠在特應性疾病向哮喘發(fā)展的進程中抑制哮喘的發(fā)生；在該進程中，胸腺基質(zhì)淋巴細胞生成素（thymic stromal lymphopoietin，TSLP）的釋放觸發(fā)Th2反應并直接作用于CD4+T 細胞，引發(fā)氣道炎癥。有研究［32］發(fā)現(xiàn)，褪黑素通過抑制NF-κB 的活化、引起GSH 降低和MDA 升高，抑制其對TSLP 的作用。此外，還有1 篇文獻［30］研究了體外實驗和小鼠模型中褪黑素對氣道黏液的影響。氣道黏液過量能限制哮喘患者氣道氣流，進而引起氣道阻塞、肺功能下降［33］，而褪黑素則可降低黏蛋白5ac（mucin 5ac，Muc5ac；是氣道分泌的黏液蛋白的主要成分）的表達而改善哮喘癥狀，其主要機制是通過抑制Muc5ac 表達的重要轉導因子絲裂原活化蛋白激酶（mitogen-activated protein kinase，MAPK）的表達，降低胞外信號調(diào)節(jié)激酶（extracellular signal-regulated kinase，ERK）、c-Jun 氨基端激酶（c-Jun N-terminal kinase，JNK）和p-39 通路的磷酸化水平，即通過抑制相關基因的轉錄表達過程來抑制黏液的產(chǎn)生［30］。兒童研究方面有2 篇文獻主要關注內(nèi)源性褪黑素與炎癥指標的相關性。其中1篇發(fā)現(xiàn)，血清褪黑素與環(huán)氧化酶-2（cyclooxygenase-2，COX-2）呈顯著負相關，提示褪黑素可能通過影響COX-2 參與兒童哮喘的氣道炎癥［34］；另1 篇認為哮喘兒童處于氧化應激狀態(tài)時，機體可通過刺激褪黑素的分泌而減輕氣道炎癥、改善肺彈性［35］。

在上述研究中，有6 篇探索了褪黑素抑制氣道炎癥的信號轉導機制和靶點，主要的發(fā)現(xiàn)集中于以下幾個方面：①褪黑素參與哮喘發(fā)生過程中信號轉導及轉錄激活蛋白4 （signal transducer and activator of transcription 4，STAT4） 基因轉錄、翻譯的抑制調(diào)控［28］， 抑 制ERK1/2 和 磷 脂 酰 肌 醇3 激 酶（phosphoinositide 3-kinase，PI3K）/絲氨酸蘇氨酸蛋白激酶（serine/threonine kinase，Akt）信號通路的磷酸化［29-30］；該途徑主要在細胞因子的表達調(diào)控中發(fā)揮作用。②褪黑素可激活Nrf2 和抗氧化反應元件途徑，誘導Ⅱ相解毒酶（如氧化分子醌氧化還原酶-1和血紅素加氧酶-1）的增加，影響NF-κB表達［23，36］，產(chǎn)生抗炎效果。③Toll 樣受體（Toll-like receptor，TLR）對褪黑素合成有抑制作用，JNK-TLR9 受體通路通過調(diào)控TLR 而參與氣道炎癥的調(diào)控；JNK 是TLR9 的上游信號分子，該通路抑制褪黑素的合成進而介導哮喘的發(fā)生發(fā)展［37］；TLR2能啟動核苷酸結合寡聚化結構域樣受體蛋白3 （nucleotide binding oligomerization domain-like receptor protein 3，NLRP3）炎癥小體的活化，存在TLR2-褪黑素反饋環(huán)，褪黑素對氣道炎癥和NLRP3 炎癥小體活性的影響需要TLR2 信號，受TLR2信號反饋調(diào)節(jié)的褪黑素也會調(diào)控TLR2信號，進而調(diào)控NLRP3 炎癥小體影響炎癥發(fā)生發(fā)展［38］；而CpG 寡核苷酸（CpG oligonucleotide，CpG-ODN）可以通過恢復體內(nèi)褪黑素水平產(chǎn)生拮抗哮喘的作用，其關鍵也是炎癥小體NLRP3［27］。

與上述研究有所不同，有4 項研究認為褪黑素有促炎作用。2002年1項病例對照研究［39］（哮喘患者17例，健康者5例）觀察到褪黑素與IL-1、IL-6和TNFα 高表達相關，但未表現(xiàn)劑量反應趨勢。哮喘小鼠模型和細胞實驗中發(fā)現(xiàn)褪黑素可以恢復細胞從骨髓遷移到支氣管肺泡液的能力［40］，其與TNF-α共同刺激可以使肺上皮細胞釋放嗜酸細胞活化趨化因子且呈劑量依賴性增加、黏附分子表達上調(diào)、趨化因子產(chǎn)生增加，進而強化了氣道炎癥［41］。另有研究［42］在細胞培養(yǎng)中發(fā)現(xiàn)褪黑素能夠增加IFN-γ 的產(chǎn)生，刺激白細胞產(chǎn)生NO。上述研究結果提示，外源性褪黑素有促進哮喘的效果，其中的關鍵可能是應用褪黑素的劑量，超過一定劑量時可使Th1 細胞因子IFN-γ 產(chǎn)生增加，從而表現(xiàn)出一系列促進炎癥的作用，值得今后深入探索。

綜上，雖然研究結論尚未完全達成一致，但總體上大多數(shù)研究支持褪黑素能夠通過多種通路減少炎癥細胞的生成和募集，抑制細胞因子和酶的作用，減少黏液的產(chǎn)生，還可以拮抗哮喘的外源性加重和特應性進程。

3.2 褪黑素與氣道重塑

氣道重塑的主要表現(xiàn)為氣道平滑肌細胞（airway smooth muscle cells，ASMCs）被損害，發(fā)生增殖作用，炎癥因子［如血小板衍生生長因子BB（plateletderived growth factor-BB，PDGF-BB）］使ASMCs向上皮轉化［33］。相比于氣道炎癥，褪黑素和氣道重塑相關的研究較少，共檢索到6篇相關文獻。

有4 篇文獻圍繞小鼠模型實驗支持褪黑素抑制氣道重塑。哮喘小鼠模型給予褪黑素后杯狀細胞增生受抑制、上皮下膠原沉積減少，氣道重構指標低于哮喘組、高于對照組；該結果表明，早期應用褪黑素雖然不能預防但是可以部分抑制氣道重構，其作用與地塞米松類似［43］。還有研究［44］發(fā)現(xiàn)結締組織生長因子的表達差異參與了作用，但具體影響還在探索中。有研究［23，45］認為褪黑素可以作用于基質(zhì)金屬蛋白酶9（matrix metalloproteinase-9，MMP-9），影響MMP-9和基質(zhì)金屬蛋白酶組織抑制劑1（tissue inhibitor of matrix metalloproteinase 1，TIMP-1）的比率，使氣道膠原沉積受到抑制；哮喘小鼠出現(xiàn)MMP-9的高表達，褪黑素可能通過褪黑素受體2 以外的其他受體調(diào)節(jié)TIMP-1 的蛋白水平，對MMP-9 產(chǎn)生內(nèi)源性抑制作用，抑制膠原Ⅲ、Ⅳ的表達沉積。此外，1 項室內(nèi)塵螨（house dust mite，HDM）誘導小鼠模型的研究［46］首次發(fā)現(xiàn)，褪黑素通過平衡ASMCs 表型比例抑制哮喘氣道重塑；褪黑素通過靶向抑制STAT3 信號通路的磷酸化抑制了PDGF 誘導的ASMCs 增殖，阻斷了PDGF 刺激引起的ASMCs 的遷移；通過抑制TGF-β刺激引起的Akt 和糖原合成酶3β（glycogen synthase kinase-3β，GSK-3β）信號通路磷酸化水平的上調(diào)來抑制收縮蛋白的表達，從而抑制ASMCs 的收縮。褪黑素處理組相比于哮喘組顯著減輕杯狀細胞的增生化生、膠原沉積和ASMCs 的增生肥大，氣道重塑得以緩解，其效果在一定程度上優(yōu)于地塞米松，表現(xiàn)出較好的ASMCs 表型可塑性調(diào)節(jié)作用。與這4 項研究發(fā)現(xiàn)相反，有2 篇離體實驗文獻［47-48］發(fā)現(xiàn)，褪黑素增強了5-HT 和乙酰膽堿的收縮反應，引起氣道平滑肌收縮?？傮w上，目前關于褪黑素參與氣道重塑調(diào)控的研究有限，已有證據(jù)主要聚焦于MMP-9和ASMCs表型轉換，總體認為褪黑素能抑制膠原沉積和調(diào)節(jié)ASMCs表型，進而抑制氣道重塑。

4 思考與展望

哮喘是一種常見疾病，但其病因復雜，發(fā)病機制仍在探索中。褪黑素具有強大的免疫調(diào)節(jié)功能，在人體中廣泛合成且易于通過外源獲取，因此探索褪黑素對哮喘的影響及相關機制對于哮喘的防治極具潛力。已有的研究雖然有一定進展，但仍存在不足與挑戰(zhàn)。

本綜述有如下結論和建議：①褪黑素水平與哮喘的相關性的研究大多顯示哮喘患者體內(nèi)褪黑素含量較低，但這些研究多著眼于成人，且樣本量較小，沒有考慮到特殊人群不同生理特征的區(qū)別；建議開展較大樣本調(diào)查，同時重點關注兒童期兩者的關系。②大部分研究特別是動物實驗認為，褪黑素能夠抑制氣道炎癥和氣道重塑過程，進而影響哮喘發(fā)病和病程進展，但多采用OVA 建立動物模型，可以考慮豐富模型進行驗證。比如采用HDM 建立哮喘模型，相比于傳統(tǒng)的OVA 具有多種過敏原和模式識別受體配體，與人類自然哮喘更為相似。此外，目前臨床證據(jù)較為缺乏，尚未支持褪黑素作為哮喘治療藥物，距離臨床應用還有較大距離，可以考慮對哮喘患者褪黑素和炎癥及氣道重塑等指標進行觀察，進一步闡明其中的聯(lián)系。③對于哮喘和褪黑素的研究多停留在環(huán)境暴露，而哮喘受環(huán)境和遺傳因素的共同影響，可以考慮從整合遺傳和表觀遺傳的角度進行探索，以獲得更豐富的證據(jù)來闡述褪黑素參與哮喘調(diào)控的機制。希望未來研究的不斷深入與發(fā)展，能從褪黑素角度完善哮喘的發(fā)病機制，為哮喘治療以及預防提供可靠、可行的靶向性策略。

利益沖突聲明/Conflict of Interests

所有作者聲明不存在利益沖突。

All authors disclose no relevant conflict of interests.

作者貢獻/Authors'Contributions

康文慧與陳儀婷共同構思了文章框架；趙安達和李榮參與了文獻整理；康文慧撰寫初稿并完成修改；李生慧提出寫作思路并修改、審閱全文。所有作者均閱讀并同意了最終稿件的提交。

KANG Wenhui and CHEN Yiting jointly conceived the framework of the manuscript. ZhAO Anda and LI Rong participated in the literature review. KANG Wenhui wrote the first draft and finished the revision.LI Shenghui proposed the writing ideas，revised and reviewed the full text.All the authors have read the last version of paper and consented for submission.

·Received：2022-02-22

·Accepted：2022-05-22

·Published online：2022-05-28