褪黑素治療骨骼肌疾病的研究進(jìn)展

周永富 曾令文 鄭圣 李義凱

褪黑素是一種主要由松果體分泌的吲哚類激素,褪黑素來源于色氨酸,色氨酸經(jīng)過羥化和脫羧反應(yīng)轉(zhuǎn)化為血清素,血清素在芳基烷基胺-N-乙?；D(zhuǎn)移酶(AANAT)和羥吲哚-O-甲基轉(zhuǎn)移酶(HIOMT)的催化下,以N-乙酰基-5-羥色胺為中間產(chǎn)物,最終轉(zhuǎn)化為褪黑素。除了松果體外,研究表明褪黑素也可以在胃腸道、卵巢、淋巴細(xì)胞、巨噬細(xì)胞、視網(wǎng)膜、皮膚和骨髓等其他組織中合成［1-3］,既往研究發(fā)現(xiàn)褪黑素具有調(diào)節(jié)晝夜節(jié)律、抗炎、抗骨質(zhì)疏松、抑制腫瘤及免疫調(diào)節(jié)等作用［4-8］。此外,褪黑素已被證明是一種直接的自由基清除劑和間接的抗氧化劑［9,10］,它的作用在于減少氧化應(yīng)激,即減少由活性氧(ROS)和活性氮(RNS)引起的分子損傷［11,12］,因此褪黑素清除自由基的能力無疑是其抗氧化應(yīng)激的重要特性。此外,褪黑素還可以抑制心磷脂過氧化和維持線粒體膜的完整性［13］。一些研究表明褪黑素的抗氧化和抗凋亡作用可能是通過與線粒體通透性轉(zhuǎn)換孔的直接相互作用來實(shí)現(xiàn)的。線粒體是褪黑素的靶點(diǎn),這一發(fā)現(xiàn)為了解褪黑素的作用機(jī)制提供了新的視角。特別是,它在維持線粒體穩(wěn)態(tài)中發(fā)揮重要作用［14］,這可以解釋它對帕金森病、阿爾茨海默病、癲癇、衰老、缺血再灌注和膿毒癥等多種疾病的保護(hù)作用,也可以解釋其對肌肉疾病的保護(hù)作用,既往多項(xiàng)體內(nèi)與體外研究已經(jīng)證實(shí)：褪黑素具有強(qiáng)大的抗氧化作用,這種作用可以減少線粒體損傷、降低氧化應(yīng)激水平和調(diào)控自噬水平［15-17］。這使得褪黑素能在肌肉衰退后的恢復(fù)過程中發(fā)揮有益作用。因此就褪黑素對骨骼肌疾病影響的研究進(jìn)展作一綜述,目的是闡明褪黑素在骨骼肌疾病治療中的作用,并提出未來可能的研究方向和亟待解決的關(guān)鍵科學(xué)問題。

1 骨骼肌

骨骼肌組織對自主運(yùn)動(dòng)和姿勢維持至關(guān)重要,在人體熱調(diào)節(jié)、營養(yǎng)平衡、葡萄糖轉(zhuǎn)運(yùn)和內(nèi)分泌活動(dòng)等方面也起著至關(guān)重要的作用［18,19］。因此,人體葡萄糖穩(wěn)態(tài)失衡、跌倒、骨折、殘疾和許多慢性疾病的發(fā)生均與骨骼肌質(zhì)量的減少有關(guān)［20-22］。骨骼肌組織的特征是由有絲分裂后的多核肌纖維構(gòu)成且相關(guān)的結(jié)締組織排列有序。此外,在骨骼肌中也可以發(fā)現(xiàn)骨骼肌衛(wèi)星細(xì)胞,骨骼肌衛(wèi)星細(xì)胞位于骨骼肌基膜和細(xì)胞膜之間,其目的是促進(jìn)肌肉的生長、修復(fù)和再生。

骨骼肌是由不同類型的肌纖維組成的組織。簡而言之,Ⅰ型肌纖維是緩慢收縮的,所需能量來源于氧化代謝反應(yīng)。與之不同的是,Ⅱ型肌纖維是快速收縮的,以糖酵解供能為主。肌少癥和衰老的典型表現(xiàn)是骨骼肌量減少,主要是由于肌纖維的體積萎縮和數(shù)量減少,特別是Ⅱ型肌纖維的體積萎縮和數(shù)量減少。與此同時(shí),快速收縮的Ⅱ型肌纖維轉(zhuǎn)變?yōu)榫徛湛s的Ⅰ型肌纖維,導(dǎo)致肌力下降和蛋白質(zhì)合成的下降(特別是肌凝蛋白重鏈)［23,24］?？偟膩碚f,這些變化導(dǎo)致肌肉收縮速度減慢、力量減少,從而降低了日常生活活動(dòng)的能力。發(fā)生這些改變至少部分原因是因?yàn)榕c年齡相關(guān)的氧化應(yīng)激損傷在增加。雖然肌纖維不斷產(chǎn)生活性氧(尤其是在收縮活動(dòng)中),但是事實(shí)上骨骼肌是人體內(nèi)消耗氧氣量最大的組織。采用肌肉活組織檢查的研究證實(shí)：在老年人和肌肉萎縮患者的骨骼肌中,局部氧化應(yīng)激標(biāo)志物升高［25-27］。另一方面,抗氧化系統(tǒng)機(jī)能不全,特別是過氧化氫酶、谷胱甘肽硫轉(zhuǎn)移酶和超氧化物歧化酶出現(xiàn)下調(diào),因此并不能阻止氧化損傷。

線粒體數(shù)量的逐漸減少和效率的逐漸降低,是誘發(fā)肌肉萎縮的一種機(jī)制,可能與肌肉營養(yǎng)不良有關(guān)［28-31］,線粒體功能障礙的一個(gè)相關(guān)后果就是細(xì)胞凋亡的激活,這種機(jī)制被認(rèn)為是幾種肌肉疾病的最終共同途徑［32］。有相關(guān)報(bào)道稱,在因長時(shí)間固定引起的肌肉萎縮中,以及在肌營養(yǎng)不良患者和肌營養(yǎng)不良小鼠模型中,細(xì)胞凋亡異常增強(qiáng)［33,34］。在骨骼肌生物學(xué)中,無論是在成肌細(xì)胞的增殖過程中還是在肌纖維的有絲分裂過程中,細(xì)胞凋亡均被描述為一種正常生理現(xiàn)象［35,36］,發(fā)生在神經(jīng)肌肉疾病、肌肉廢用、肌肉減少以及衰老情況下的肌肉萎縮,均與影響骨骼肌質(zhì)量的細(xì)胞凋亡增加有關(guān)。在生理或病理?xiàng)l件下發(fā)生肌肉萎縮和肌無力,至少部分原因是因?yàn)榧?xì)胞凋亡與自噬的失衡。

2 褪黑素對骨骼肌疾病的影響

在自然衰老過程中,肌肉質(zhì)量和骨骼肌收縮力會逐漸下降,從而導(dǎo)致肌肉萎縮,肌肉功能下降,最終對日常生活的生活質(zhì)量產(chǎn)生重要影響［37］。這一現(xiàn)象在哺乳動(dòng)物衰老過程中被廣泛觀察到,并可能導(dǎo)致發(fā)病率和死亡率的增加。下列因素可能會導(dǎo)致衰老過程中的肌肉流失,包括但不限于：蛋白質(zhì)合成減少［38］、神經(jīng)功能異常［39］、激素缺乏［40］、慢性炎癥［41］、氧化應(yīng)激［42］、線粒體功能障礙［43,44］、核凋亡［45-48］、衛(wèi)星細(xì)胞功能異常［49,50］,肌少癥是一類以進(jìn)行性和廣泛性骨骼肌肌力減弱和肌量減少,強(qiáng)度和功能下降為特征的綜合征。肌少癥可以造成諸多不良事件,包括摔倒、功能減退、虛弱甚至死亡。肌少癥的發(fā)病機(jī)制目前尚不明確,可能與骨骼肌失神經(jīng)支配、核凋亡和氧化應(yīng)激水平的增高有關(guān)［51］。

既往一些科學(xué)研究描述了褪黑素在肌少癥中對減輕、減少或防止肌肉流失的有益作用。Sayed 等［52］的研究證明：褪黑素能夠改善老齡小鼠的線粒體功能。并且在隨后的研究中又證明了褪黑素能夠維持老年動(dòng)物的肌纖維數(shù)量、肌肉質(zhì)量和活動(dòng)能力［53］。此外,在肌少癥患者中,褪黑素還能維持線粒體的正常結(jié)構(gòu)和功能,恢復(fù)正常的自噬水平,從而避免年齡介導(dǎo)的肌纖維損傷、線粒體功能減退和細(xì)胞凋亡［54］。這些結(jié)果證實(shí)了褪黑素可以減少線粒體損傷、降低氧化應(yīng)激水平、調(diào)控自噬水平和減少炎癥反應(yīng)的積極作用。

進(jìn)行性肌無力是營養(yǎng)不良患者的典型特征。杜氏肌營養(yǎng)不良癥(DMD)和貝克爾肌營養(yǎng)不良癥(BMD)均是由于抗肌萎縮蛋白基因突變而影響骨骼肌和心肌的肌肉消耗性疾病［55］。進(jìn)行性肌營養(yǎng)不良,一般幼年發(fā)病比較常見,以近端四肢骨骼肌萎縮無力,緩慢進(jìn)行性惡化,還累及心肌和呼吸肌,最終喪失運(yùn)動(dòng)能力,平均19 歲左右死亡,死于心衰或呼吸衰竭［56］。DMD 和BMD 均是遺傳性疾病,其特征是肌肉衰減、鈣穩(wěn)態(tài)紊亂、線粒體功能障礙和強(qiáng)烈的氧化損傷,所有這些條件都有助于肌肉變性的發(fā)生。營養(yǎng)不良的肌纖維會出現(xiàn)一些典型的變化,如壞死事件的出現(xiàn),隨后的再生,促炎細(xì)胞因子的釋放和氧化應(yīng)激的激活［57］。DMD 中氧化應(yīng)激的來源與炎癥細(xì)胞、還原型煙酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸(NADPH)氧化酶、線粒體功能的改變或產(chǎn)生ROS 的酶有關(guān)?？紤]到營養(yǎng)不良疾病的惡化至少部分是由于氧化應(yīng)激,因此褪黑素可能有一定的治療效果。

首先,由于褪黑素的高親脂性,使它可以很容易地穿過細(xì)胞膜和血腦屏障,成為一種有效的抗氧化劑。在骨骼肌中,褪黑素保護(hù)線粒體功能［58］,并在肌肉收縮期間調(diào)節(jié)鈣穩(wěn)態(tài)［59］。既往一些科學(xué)研究強(qiáng)調(diào)了褪黑素在防止?fàn)I養(yǎng)不良患者肌肉萎縮中的作用。Chahbouni等［60］發(fā)現(xiàn)；與對照組相比,DMD 患者血漿中脂質(zhì)過氧化水平明顯升高,亞硝酸鹽和細(xì)胞因子水平顯著高于對照組。而在DMD 患者接受褪黑激素治療后,上述指標(biāo)出現(xiàn)了下調(diào),病情有所改善,表明褪黑素治療能夠顯著減少炎癥反應(yīng)和降低氧化應(yīng)激水平,從而減緩DMD 患者肌肉變性進(jìn)程。Hibaoui 等［61］描述了褪黑素在DMD 小鼠模型中的治療作用,在該模型中,褪黑素增加了DMD 小鼠總谷胱甘肽含量,降低了氧化型/還原型谷胱甘肽比值。這些數(shù)據(jù)表明褪黑素可以對DMD小鼠的肌肉組織氧化還原狀態(tài)進(jìn)行調(diào)節(jié),從而發(fā)揮治療作用。

3 討論

綜上所述,褪黑素可以通過減少線粒體損傷、降低氧化應(yīng)激水平、調(diào)控自噬水平和減少炎癥反應(yīng)來改善肌肉功能?？茖W(xué)證據(jù)表明：與其他傳統(tǒng)的抗氧化劑相比,褪黑素及其代謝物作為強(qiáng)大的抗氧化劑,能夠更有效地保護(hù)電子傳遞鏈和線粒體DNA 免受氧化損傷。褪黑素也可以通過誘導(dǎo)或抑制細(xì)胞自噬調(diào)控自噬水平。對于肌肉來說,褪黑素是一種可以發(fā)揮多用途的物質(zhì),褪黑素是發(fā)揮誘導(dǎo)還是抑制細(xì)胞自噬的作用,取決于其所涉及的病理過程,因?yàn)檠趸瘧?yīng)激與自噬有密切關(guān)系。褪黑素可以通過增加不同蛋白和mRNA 表達(dá)水平來抑制骨骼肌內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激。此外,褪黑素在不同的細(xì)胞系中具有不同的抗凋亡作用。在正常骨骼肌中,褪黑素可以減少氧化應(yīng)激,抑制細(xì)胞凋亡。因此,褪黑素可以在骨骼肌疾病的治療過程中發(fā)揮顯著的積極作用,幫助治療骨骼肌疾病,特別是肌少癥等相關(guān)疾病。總之,褪黑素在治療骨骼肌疾病方向上有很好的前景,有待于進(jìn)一步去發(fā)掘。

4 展望

目前,褪黑素治療骨骼肌疾病引起了眾多科研人員的重視,也被逐步證實(shí)在骨骼肌疾病的治療過程中發(fā)揮顯著的積極作用,然而對于肌肉來說,褪黑素是一種可以發(fā)揮多用途的物質(zhì)這一點(diǎn),卻被國內(nèi)外眾多研究者所忽略,知道在褪黑素抗骨質(zhì)疏松研究方向上,既往有研究已經(jīng)證實(shí)了褪黑素不僅可以發(fā)揮治療骨質(zhì)疏松的作用,還可以發(fā)揮預(yù)防骨質(zhì)疏松的作用［6］,這啟發(fā)在研究褪黑素對骨骼肌疾病影響的科研方向上,不僅應(yīng)該關(guān)注褪黑素對骨骼肌疾病的治療作用,還應(yīng)關(guān)注褪黑素對骨骼肌疾病是否具有預(yù)防作用,然而目前國內(nèi)外卻沒有針對這一方向的專門研究。而事實(shí)是在正常骨骼肌中,褪黑素可以減少氧化應(yīng)激,抑制細(xì)胞凋亡,且既往有研究證明褪黑素能夠維持老年動(dòng)物的肌纖維數(shù)量、肌肉質(zhì)量和活動(dòng)能力［54］。所以褪黑素很有可能對骨骼肌疾病還具有預(yù)防作用,因此探討褪黑素是否可以發(fā)揮預(yù)防骨骼肌疾病的作用及其初步機(jī)制,應(yīng)該成為未來主要的研究方向之一。

此外,盡管既往一些研究顯示了褪黑素在治療DMD 疾病過程中發(fā)揮的積極作用,然后近年來卻沒有科研人員在褪黑素治療肌營養(yǎng)不良疾病方面繼續(xù)深入研究,探討其更深入的作用機(jī)制。眾所周知,細(xì)胞自噬既是一種廣泛存在的正常生理過程,又是對細(xì)胞不良環(huán)境的一種防御機(jī)制,參與多種疾病的病理過程。適當(dāng)?shù)淖允伤俾蕦S持骨骼肌代謝穩(wěn)態(tài)至關(guān)重要［62］。而自噬損傷與肌營養(yǎng)不良的發(fā)病機(jī)制密切相關(guān)［63］,褪黑素因其強(qiáng)大的抗氧化作用可以減少線粒體損傷、降低氧化應(yīng)激水平和調(diào)控自噬水平。因此褪黑素是如何通過調(diào)控自噬水平,在治療肌營養(yǎng)不良疾病過程中發(fā)揮積極作用的,這也將有望成為未來主要的研究方向之一。

盡管目前有許多證據(jù)表明褪黑素可以在骨骼肌疾病的治療過程中發(fā)揮顯著的積極作用,但迄今為止尚未開發(fā)褪黑素在骨骼肌疾病治療方面的藥物,目前可能需要更多的轉(zhuǎn)化研究以及大規(guī)模多中心臨床試驗(yàn)以推進(jìn)褪黑素在骨骼肌疾病領(lǐng)域的臨床應(yīng)用。擬解決的關(guān)鍵問題有：①探討使用褪黑素的安全性和有效性；②探索褪黑素在骨骼肌疾病治療過程中的未知以及深入的作用機(jī)制；③通過大量的轉(zhuǎn)化研究以及大規(guī)模多中心臨床試驗(yàn)提供更多的臨床證據(jù)。