褪黑素與脊髓損傷

丁紅霞,楊拯,田蕓,張曉

脊髓損傷(spinal cord injury,SCI)是由于各種不同致病因素引起的脊髓結構、功能損害,造成損傷平面以下運動、感覺和自主神經功能障礙,給個人、家庭及社會帶來極大痛苦與負擔,因此,一直是創傷外科等研究領域的重點和難點。目前,隨著社會生活水平的提高和飛速發展,交通事故、高空墜落和跳水等活動引起的外傷性脊髓損傷的病例呈幾何增長。目前只有甲基強的松龍(MP)被FDA批準治療SCI,但MP的大量使用可引起肺與消化道的損傷[1],為此新藥物的研究及相關進展就有十分重要的臨床意義。本文就褪黑素與脊髓損傷的相關研究做一綜述。

1 褪黑素的生物化學特性

褪黑素(melatonin,MT)又稱松果體素,其化學結構為5-甲氧基-N-乙酰色胺,是色氨酸的衍生物。由松果腺細胞攝入色氨酸后,經過色氨酸羥化酶(TPH)的作用生成5-羥色氨酸(5-HTP),5-HTP在芳香L-氨基酸脫羧酶作用下脫羧形成5-羥色胺(5-HT)。5-HT再經N-乙酰轉移酶(NAT)和羥吲哚-氧甲基轉移酶(HIOM T)的催化生成 5-甲氧基-N-乙酰色胺。

褪黑素主要由松果腺產生和分泌,其他組織如視網膜、淚囊腺和胃腸道也能產生少量褪黑素[2]。它是存在于人體內的重要神經內分泌活性物質,具有高度的脂溶性和水溶性,能透過核膜進入核內發揮作用,因此不僅能保護膜脂質,而且能保護蛋白質核酸及其他成分[3]。應激時體內褪黑素濃度升高,直接或間接影響下丘腦-垂體-腎上腺軸的功能,穩定和維持內環境,減輕應激對機體造成的損害[4-5]。這就為臨床上治療急性脊髓損傷提供了一種思路。

2 褪黑素治療脊髓損傷機制

雖然脊髓損傷的治療水平在不斷提高,但是患者神經功能恢復情況仍不盡人意。治療脊髓損傷的關鍵在于保護受損神經。目前學者普遍認為褪黑素保護神經是通過抗氧化和抗細胞凋亡實現的。

2.1 睡眠與功能保護 以大量SCI為基礎的研究[6]推斷,干擾褪黑素的節律性將會導致神經性睡眠衰弱并伴隨劇痛、焦慮和抑郁。隨后Norrbrink的實驗確定改變褪黑素的循環與睡眠質量成正相關,也證實褪黑素替代療法可以促使SCI患者睡眠正常化[7]。褪黑素對創傷性SCI的神經保護作用來自一個家兔的實驗:切除松果體后會延緩SCI動物的恢復速度,在切除松果體后注射外源性褪黑素可以使其恢復速度增加[8]。

2.2 特定損傷節段與褪黑素的關系 內源性褪黑素的水平受頸髓的影響,不受胸髓或腰髓損害的影響[9],這可以用中樞神經傳導與松果體之間的聯系來解釋。不同的SCI患者其體內褪黑素水平也是不同的。臨床實驗顯示,頸髓損傷引起松果體的功能紊亂[10],因為頸髓損傷擾亂了正常的交感神經纖維的下行,從而導致夜間褪黑素的顯著減少。之后,從神經學角度證實頸髓損傷導致褪黑素節律紊亂,不同損傷區域導致的血清褪黑素的節律研究顯示,頸部損傷區域影響人類松果體分泌的晝夜節律。

2.3 抗氧化及抗氧化作用的優勢 褪黑素的抗氧化作用是通過其吲哚環5位碳上的甲氧基及其側鏈上的N-乙酰基能直接與自由基結合,迅速清除羥自由基、過氧化氫、單線態氧、NO、超氧化氮陰離子和過氧亞硝酸等自由基,阻止自由基連鎖反應對生物大分子的損傷實現的[11]。很多藥物都有抗氧化作用,褪黑素的主要優勢在以下幾個方面:①通過抑制中性粒細胞的介導減少SCI繼發性損傷和促使其早期恢復;②應用褪黑素藥理學劑量可以提高全身抗氧化系統的保護作用,而且與甲基強的松龍比較,褪黑素在保留神經元、軸突和細胞器等的完整性上更有效[12];③從病理學上比較,褪黑素在SCI患者的脂質過氧化作用降低之后仍具有保護脊髓超微結構完整性的作用[13];④Genovese的研究表示,和其他抗氧化劑如氧化四環素或前列腺素E1相比,褪黑素對急性SCI的繼發性損傷有更顯著的效果[14]。同時,也比奧曲肽(一種在藥效上模擬自然界的生長抑制素)有效,而且還能緩解水腫和局部缺血。以上原理和實驗充分說明褪黑素在SCI的治療和恢復優越性。

2.4 抗細胞凋亡 細胞凋亡為程序性細胞死亡,參與很多疾病的發展。關于褪黑素抗細胞凋亡的相關機制尚未完全清楚,Bcl-2家族是目前較為公認的與凋亡密切相關的基因。Bcl-2家族包括抗凋亡成員,如Bcl-2與 Bcl-XL;促凋亡成員,如Bax以及BH-3蛋白。當抗凋亡基因高表達時,可通過形成Bcl-2/Bcl-2同源二聚體,或Bc1-2/Bcl-XL、Bel-2/Bax異源二聚體抑制凋亡;而當促凋亡基因Bax高表達時,則可通過形成Bax/Bax同源二聚體促進凋亡,抗凋亡成員與促凋亡成員的比例關系可影響細胞凋亡狀態,即當Bcl-2或 Bcl-XL與 Bax比值增高時,促進細胞存活,否則促進細胞凋亡。姜春玲等的研究說明外源性褪黑素可以提高Bcl-2或Bcl-XL與Bax比值[15-16]。還有其他機制比如,褪黑素可通過直接清除自由基,抑制線粒體PTP,減少從受損線粒體釋放的細胞色素C,以及抑制Caspase-3的激活抑制細胞凋亡。

2.5 鈣離子拮抗作用 鈣蛋白酶和鈣離子依賴性蛋白酶在SCI的發病機制中起著重要的作用。Samantaray等研究褪黑素在介導鈣離子的作用,包括在實驗性SCI中適當地激活鈣蛋白酶[17]。褪黑素治療SCI動物減弱鈣蛋白酶表達、炎癥、軸突損傷和神經壞死,表明褪黑素具有高度神經保護作用。而且褪黑素治療SCI后鈣蛋白酶水平的測定和CPP3的表達和活性在蛋白水解能力上顯著降低[18]。

2.6 其他 褪黑素對SCI的作用是復雜的,其他還有以下幾個方面:①通過阻斷氧化和硝磂氫酯的應激來減輕SCI的炎癥和組織損傷;②限制了基質金屬蛋白酶的表達和活性,促炎癥反應TNF-a的表達[19];③Esposito等的實驗顯示褪黑素在SCI的保護作用歸因于對MAPK信號傳導和HMGB1的調節[20],通過降低 p38、MAPK、JNK、ERK1/2和 HMGB1的表達增強SCI患者的恢復力;④給予外源性褪黑素可以通過改變水通道蛋白的表達緩解機械性疼痛;⑤激活脊髓損傷的內源性褪黑素系統可以維持中樞致敏,并且可以阻礙繼發性機械性異常疼痛和痛覺增敏;⑥給予褪黑素可以誘導產生抗氧化物酶和清除自由基以緩解內源性抗氧化酶的活性,減輕了暫時性主動脈缺血造成的損傷[18-22]。

3 褪黑素治療脊髓損傷

雖然原發性脊髓損傷屬于不可逆的過程,但繼發性損傷卻可以推遲和進行治療。而且很多研究已經證實不同機制的聯合療法對脊髓損傷的繼發性損傷的組織有一定作用,起到一定的治療效果[23-25]。而且有實驗還證明褪黑素及其代謝產物在不同的脊髓損傷動物模型上發揮著不同的效用[26-27]。

3.1 單獨用藥 現已認為褪黑素是一種高效多能的抗氧化劑。對脊髓損傷而言,褪黑素與甲基強的松龍具有相同的抗氧化能力。目前實驗研究公認褪黑素用于大鼠SCI的有效劑量是腹腔注射100 mg/kg,只是利用其抗氧化和清除自由基的能力來治療急性期SCI,其治療機制比較單一,也沒用作為一線藥被廣泛應用。而且段大志等的研究表明甲強龍、褪黑素及兩藥聯合對急性脊髓損傷的治療效果在同一水平[28],故理論上可以單獨用藥。

3.2 聯合用藥 損傷的亞急性狀態下,褪黑素與甲基強的松龍聯合治療可以對抗脂質過氧化物的累積,但是并沒有闡述這種機制是屬于神經性的、超微結構性的,還是電生理性的修復[29]。然而更多最新大鼠SCI實驗中,褪黑素與地塞米松聯合治療在阻斷脊髓繼發性的損傷上有明顯的消炎作用。這個實驗表明與褪黑素聯合用藥時,地塞米松的有效治療劑量可以顯著降低[30]。目前國內外關于褪黑素和其他治療SCI藥物聯合用藥(除甲強龍外)尚未見報道,聯合其他藥物治療脊髓損傷理論上具有一定的可行性,段大志等的實驗還有待于進一步從改變劑量上研究聯合用藥的療效。

3.3 其他 治療脊髓損傷預后最有效的莫過于神經干細胞的移植了,但神經干細胞的移植后的安全性、有效性及功能恢復等重要問題還沒得到完全的解決[31]。而褪黑素具有免疫方面的作用,同時也可以修復損傷的神經元,理論上可以在神經干細胞移植后進行鞏固療效,但這也需要大量實驗證明。

4 展望

與前面提到的有效的實驗性SCI相反,褪黑素對醫源性SCI不能起到神經保護的作用,選擇性脊柱手術在手術前(20 min)、手術中或手術后的10 mg/kg的劑量適用于不完全性SCI。已被檢測的其他三種神經保護藥物很重要,包括甲基強的松龍也沒有改善運動源或脊髓形態。因此原發性SCI仍將是今后SCI研究的重點。

盡管目前褪黑素在脊髓損傷治療方面研究不是很多,但上述一些實驗證實褪黑素在治療脊髓損傷方面有較明顯的效果。可以預見,隨著褪黑素在脊髓損傷應用的基礎及臨床研究的不斷深入,褪黑素將成為治療脊髓損傷的有效手段之一,這為臨床脊髓損傷的治療又開辟出一條新的治療方法與途徑。

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