褪黑素對血腦屏障的保護

鄭軍

（山西職工醫學院護理系，山西太原 030001）

褪黑素對血腦屏障的保護

鄭軍

（山西職工醫學院護理系，山西太原 030001）

褪黑素是色氨酸在松果體內經一系列酶催化合成的強抗氧化劑，主要功能是調節晝夜節律、控制血管舒縮等。血腦屏障保證機體大腦選擇性的進行血液與神經系統之間的物質交換，褪黑素可以保護血腦屏障。本文綜述了在不同病理條件下褪黑素能通過抗炎、抗氧化應激途徑對血腦屏障發揮保護作用的具體分子機理，將為深入研究血腦屏障保護提供重要理論基礎，為患者治療提供可靠依據。

褪黑素；血腦屏障；腦保護

1 褪黑素的生理功能及調控

1.1 褪黑素的作用

褪黑素化學名稱為N-乙酰基-5-甲氧基色胺，是一種吲哚類神經內分泌激素。1958年，Lerner首次在松果體中發現了褪黑素，并且由于該種物質能使兩棲類動物的皮膚褪色，將這種松果體激素稱為褪黑素。

褪黑素的主要功能是調節晝夜節律、控制血管舒縮等，能夠清除自由基并且上調抗氧化信號通路而發揮直接和間接抗氧化作用，褪黑素及其代謝物也具有重要的免疫調節，抗氧化性能[1]。目前，褪黑素在神經退行性疾病領域也被廣泛研究。

1.2 褪黑素的分泌與合成

在哺乳動物中，內源性的褪黑素主要是由松果體分泌，其他組織也可以合成褪黑素，如視網膜、哈德氏腺、腸等。內源性褪黑素的合成主要受晝夜節律有規律的調節，其合成時間主要是在夜間，合成的持續時間與暗周期的長度有關。在哺乳動物中，松果體褪黑素合成由位于下丘腦的視交叉上核（SCN）中的主晝夜節律起搏器控制。SCN通過經由cAMP-CREB途徑的涉及芳基烷基胺N-乙酰轉移酶（AANAT，褪黑激素合成的關鍵調節酶）的活化的交感途徑控制松果體褪黑素合成的時間。

內源性的褪黑素是色氨酸在一系列酶的催化下合成的。在色氨酸羥化酶（TPH）作用下色氨酸轉變為5-羥色氨酸，然后在芳香氨基脫羧酶（5-羥色胺脫羧酶，5-HTPDC）作用下催化為5-羥色氨（5-HT），接著5-HT經過褪黑素合成的限速步驟，在N-乙酰基轉移酶（NAT，又稱AANAT）作用下轉變成N-乙酰-5-羥色胺，該限速步驟主要發生在松果體中。最終在羥基吲哚-氧-甲基轉移酶（HIOMT，也稱為ASMT)的作用下轉變為褪黑素，褪黑素合成過程中的限速酶是AANAT，關鍵酶是HIMOT。

1.3 褪黑素的代謝途徑

褪黑素有兩條主要的代謝途徑，分別為羥化通路、吡咯環斷裂通路。在人體中，1/3的褪黑素是通過吡咯環斷裂通路代謝的，即褪黑素在髓過氧化物酶（MPO）以及吲哚胺-2,3-雙加氧酶（IDo）等酶的作用下催化代謝；或在氯高鐵血紅素或自由基的作用下發生吡咯環斷裂，代謝成具有抗氧化作用的犬尿胺類化合物以及經芳胺甲酰化酶（arylamine formamidase）去甲酰化，進而生成更穩定的N-乙酰基-5-甲氧基-犬尿氨[2]。

在經典的羥化代謝途徑中，60%的褪黑素被肝細胞色素酶水解成6-羥褪黑素，再經過轉磺酸基酶或者葡萄糖醛酸轉移酶的進一步催化作用，最終經尿液排出。當然也有極少量的褪黑素形成其他羥化物或者直接以褪黑素形式排出。

1.4 褪黑素的受體

1961年，Kopin等人首先合成了氚標記Mel（3H-Mel）研究了褪黑素受體在體內的分布，褪黑素的受體有兩大亞型，褪黑素受體1（Melatonin receptor 1，MR1）和褪黑素受體2（Melatonin receptor 2，MR2），兩大亞基具有60%的同源性。MR1、MR2在許多器官和組織中都有表達，因此褪黑素能調節許多生理以及病理方面。褪黑素受體在視網膜、交叉上核（SCN）、室旁核（PVNT）、四疊體（sc）、結節部（PT）、腎臟、睪丸以及腦內分布較廣。已有文獻報道褪黑素受體（MR）也存在于外周血白細胞中也存在。

1.5 褪黑素與年齡

褪黑素具有年齡相關性，會隨著年齡的增加合成與表達都逐漸降低。幼兒期間褪黑素在體內水平達到最高，在老年期間褪黑素的水平降到最低。在許多高齡老年人中，褪黑素在夜間的分泌幾乎不存在。

2 血腦屏障（BBB）的結構與功能

2.1 血腦屏障的結構

血腦屏障（Blood Brain Barrier，BBB）主要由緊密連接蛋白相連的內皮細胞、星形膠質細胞終足、基底膜以及周細胞組成。

2.1.1 內皮細胞

內皮細胞在BBB中發揮非常重要的作用，內皮細胞構成的屏障線是阻礙有害物質從血液進入大腦的關鍵因素。血腦屏障內皮細胞與其他組織的內皮細胞有明顯的不同，其無窗口結構、少有吞飲小泡，同時收縮蛋白也很少，主動轉運的能力也降低。已有文獻報道，在周圍沒有星形膠質細胞存在的情況下，來自兩棲類的腦毛細血管仍然具有高電阻。內皮細胞與周圍其他細胞的交流，增強了血腦屏障功能，從而維持適當的大腦內穩態。相鄰的內皮細胞之間主要靠緊密連接蛋白緊密相連，包括跨膜蛋白（Claudins,Occludin）、骨架蛋白（Actin filament）、錨定蛋白（ZO-1）[3]。其中跨膜蛋白Claudins家族和Occludin家族是兩個最重要的成員。該結構構成了血腦屏障的第一層結構。

2.1.2 基底膜

基底膜也是BBB組成的必需部分，其圍繞腦內皮細胞并且包圍周細胞，固定細胞并且與周圍的細胞建立聯系，構成血腦屏障的第二層結構。基底膜是由不同的胞外基質分子類型構成，靠內皮細胞、周細胞和星形膠質細胞合作產生和維持基底膜結構。基底膜上有結構蛋白（膠原和彈性蛋白），特化蛋白（纖連蛋白和層粘連蛋白）和蛋白聚糖。基底膜還包括細胞的基質粘附受體，當基底膜被破壞時能夠改變內皮細胞的細胞骨架，從而影響緊密連接蛋白和血腦屏障的完整性。已有文獻報道，基質金屬蛋白酶（MMP）能夠破壞基底膜，這導致緊密連接蛋白的破壞進而影響血腦屏障完整性[4]。

2.1.3 星形膠質細胞終足

星形膠質細胞的末端是構成血腦屏障的第三層結構，星形膠質細胞的粗大末端凸起形成緊密附著于血腦屏障內皮細胞和基底膜的終足，相鄰的星形膠質細胞終足之間有裂縫并且間斷，只包繞85%左右的血管表面，通過與內皮細胞以及基底膜的相互作用起到對血腦屏障的保護作用[5]。即星形膠質細胞不直接參與BBB的保護。

2.1.4 周細胞

周細胞屬于血管的平滑肌系，是構成血腦屏障的重要部分，在維持BBB的完整性中發揮至關重要的作用，幫助維持腦內環境穩態。周細胞能夠參與新生毛細血管的形成，并且分泌合成基底膜的主要成分，包括蛋白聚糖。已有文獻報道，將周細胞與內皮細胞共培養能夠形成毛細血管樣結構（CLS）。并且當BBB發生泄漏時，為了加強BBB的穩定性周細胞覆蓋的面積會增加[6]。

2.2 血腦屏障的功能

血液與腦實質之間的物質交換有難有易，血腦屏障就是有選擇性的進行血液與神經系統之間的物質交換，使葡萄糖、氨基酸等有利物質通過血腦屏障。而阻止毒素、部分藥物等有害物質進入中樞神經系統。血腦屏障在機體中維持一個動態穩定。

2.3 決定物質進入血腦屏障的因素

（1）脂溶性。血液中的物質要透過血腦屏障進入腦實質必須經過內皮細胞，而內皮細胞膜是由磷脂雙分子層構成，具有親脂性，因此脂溶性物質更易透過血腦屏障。（2）物質的親水性。（3）與血漿蛋白的結合程度等。

2.4 血腦屏障損傷相關疾病

血腦屏障損傷與許多退行性疾病有關，包括腦缺血、血管性認知損傷、腦損傷、多發性硬化、腦腫瘤、腦部感染、阿爾茲海默癥、帕金森等。

3 褪黑素對血腦屏障的保護機制

3.1 通過基質金屬蛋白酶MMP途徑

基質金屬蛋白酶（Matrix metalloproteinases，MMPs）需要依賴Zn2+發揮作用，MMPs的主要作用是降解細胞外基質以及組織重塑造。MMPs在降解細胞外基質（ECM）發揮重要的作用，由于MMPs能夠直接通過酶原的形式釋放到細胞外基質發揮作用，并且能夠在正常的生理條件下發揮作用。MMPs也是目前發現可以分解膠原纖維的唯一酶。

目前已經發現的MMPs共有五大類，至少26種，分別是以下幾類：第一類為膠原酶，其主要作用是水解纖維類膠原（I、Ⅱ、Ⅲ型膠原等）；第二類是基質酶，該類的作用底物非常廣泛，例如：明膠、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ型膠原、蛋白聚糖等；第三類是明膠酶，降解底物為Ⅳ型膠原和Ⅴ型膠原；第四類是間質酶以及膜類基質金屬蛋白酶，見表1。

表1 MMP的分類

在這之中，MMP-2、MMP-9、MMP-3研究最多。MMP-2/9是造成血腦屏障破壞的主要原因之一，已有研究表明腦缺血后MMP-2/9在腦中高度表達。也有實驗證明，褪黑素能夠通過抑制MMP的活性減輕外源性注射IL-1β引起的血腦屏障損傷以及阻止IL-1β引起的緊密連接蛋白ZO-1降解，達到與MMP抑制劑GM6001等價的效果。2012年有文獻表明在缺血模型中MMP的表達和活性都顯著提高，并且持續到72h。褪黑素處理后能夠顯著減少MMP的表達以及抑制MMP的活性，進而減少缺血誘導的BBB損傷，相比于對照組，褪黑素處理組腦水腫水平也有減少，但沒有顯著性差異[7]。

3.2 通過抗炎癥反應途徑

炎癥是興奮性級聯反應的一個重要組成部分，缺血缺氧性腦損傷后會激活炎癥細胞，增加ROS的產生和炎癥介質的表達，如白細胞介素IL1β和IL18，在卒中過程中發揮作用。

在炎癥反應中，活化的星形、小膠質細胞開始產生炎性因子，內皮細胞開始產生黏附分子，從而激活血液和脾臟中的白細胞，進而黏附于血管的內皮，侵入受損部位。浸潤的白細胞產生大量細胞毒性物質，包括MMP、炎癥因子、ROS等，引起細胞外基質，神經元及內皮細胞的后續損傷，導致BBB破壞、腦水腫、神經細胞死亡和出血性轉化。

褪黑素被公認具有抗炎能力，早在其他的病理研究中，如阿爾茲海默病和帕金森病中，褪黑素就能通過調控早期和晚期的NF-kB的激活進而調節炎癥反應起到保護作用。Fu等人通過melatonin（50、100、200μM）處理PC12細胞1h，發現褪黑素能夠明顯改善TCBQ引起的細胞死亡，提高存活率，并且證明褪黑素能夠降低TCBQ引起的CD14和TLR4的升高，并且破壞TLR4/MyD88/MD2/CD14復合體的形成，進而減少TGF-α、IL-1β、IL-6等炎癥因子的產生。

Jumnongprakhon等人也通過大鼠腦微血管內皮細胞（BMVECs）證明，褪黑素能夠通過褪黑素受體（MT1/2 receptors）抑制NF-kB信號通路從而抑制METH誘導的炎癥反應，保護內皮細胞。Chen等人證明在早期蛛網膜下腔出血的腦損傷中褪黑素能夠減少炎癥反應誘導的腦水腫：可能是通過調節促炎因子實現的。該實驗通過在蛛網膜下腔出血（SAH）手術2h后注射5mL/kg褪黑素，發現褪黑素組能夠減少SAH引起的腦水腫以及伊萬斯藍的泄露以及IgG染色結果證明褪黑素能夠減少自身IgG的泄露，同時通過檢測Occludin、ZO-1、Claudin-5的表達，發現褪黑素能夠阻止SAH引起的上述緊密連接蛋白的降解，并且該作用是通過調節炎癥因子f IL-1b、IL-6及TNF-α而實現對血腦屏障的保護[8]。

褪黑素作為一種抗炎劑，已經被很好的研究。體內、體外實驗都充分說明作為抗炎劑褪黑素能夠通過調控炎癥因子達到保護血腦屏障的作用。

3.3 通過抗氧化應激途徑

褪黑素及其代謝物能清除各種氧自由基和活性氧中間體，實驗已經證明褪黑素能夠通過阻止LPS引起的gp91phox表達上升，保護LPS引起的血腦屏障損傷，Song在2014年用小鼠腦內皮細胞（bEND3）實驗證明褪黑素能夠對氧糖剝奪引起的BBB損傷起保護作用。在細胞OGD前24h給予1～100 nM的褪黑素，發現10nM和100nM的褪黑素都能夠顯著減少OGD引起的氧自由基的產生，并且阻止OGD引起的緊密連接蛋白Claudin-5的降解。褪黑素通過激活Akt和抑制JNK保護bEND3細胞[9]。Chen等人證明在膽汁結扎處理的青年鼠中，褪黑素能夠改變NADPH氧化酶和血腦屏障。膽汁結扎（BDL）能夠引起膽汁積郁以及全身和腦的氧化應激反應，并伴隨著血腦屏障的損傷，而褪黑素能夠通過減少NADPH氧化酶和調節tPA改變BBB的損傷。Dehghan也證明褪黑素能夠通過抗氧化應激減少創傷性腦損傷引起的腦水腫[10]。

4 展望

研究證明，褪黑素對血腦屏障具有保護作用，在不同病理條件下褪黑素都能通過抗氧化、抗炎等作用對血腦屏障發揮保護作用。

褪黑素不僅對血腦屏障的保護發揮作用，在阿爾茲海默癥、帕金森、缺血后腦保護等方面都有非常明顯的療效。并且具有優于其他藥物的幾大優點，褪黑素本身極易透過血腦屏障發揮作用，并且相對毒性較低，正常人每天攝取低于30mg/kg的褪黑素時是沒有毒性傷害的。因此今后進一步深入研究褪黑素對血腦屏障保護的作用機理，將為患者治療提供理論依據。

[1]F Torres A González-Candia,C Montt,et al.Melatonin reduces oxidative stress and improves vascular function in pulmonary hypertensive newborn sheep[J].J Pineal Res,2015,58(3):362-373.

[2]G Ferry,C Ubeaud,PH Lambert,et al.Molecular evidence that melatonin is enzymatically oxidized in a different manner than tryptophan:investigations with both indoleamine 2,3-dioxygenase and myeloperoxidase[J].Biochem J,2005,388(1):205-215.

[3]U Kniesel,H Wolburg.Tight junctions of the blood-brain barrier[J].Cell Mol Neurobiol,2000,20(1):57-76.

[4]PM Carvey,B Hendey,AJ Monahan.The blood-brain barrier in neurodegenerative disease:a rhetorical perspective[J].J Neurochem,2009,111(2):291-314.

[5]N Bernoud,L Fenart,C Bénistant,et al.Astrocytes are mainly responsible for the polyunsaturated fatty acid enrichment in bloodbrain barrier endothelial cells in vitro[J].J Lipid Res,1998,39(9):1816-1824.

[6]T Nishioku,S Dohgu,F Takata,et al.Detachment of brain pericytes from the basal lamina is involved in disruption of the blood-brain barrier caused by lipopolysaccharide-induced sepsis in mice[J].Cell Mol Neurobiol,2009,29(3):309-316.

[7]W Jang,JK Lee,MC Lee,et al.Melatonin reduced the elevated matrix metalloproteinase-9 level in a rat photothrombotic stroke model[J].J Neurol Sci,2012,323(1-2):221-227.

[8]J Chen,G Chen,J Li,et al.Melatonin attenuates inflammatory responseinduced brain edema in early brain injury following a subarachnoid hemorrhage:a possible role for the regulation of pro-inflammatory cytokines[J].J Pineal Res,2014,57(3):340-347.

[9]J Song,SM Kan,WT Lee,et al.The beneficial effect of melatonin in brain endothelial cells against oxygen-glucose deprivation followed by reperfusion-induced injury[J].Oxid Med Cell Longev,2014,2014(12):531-639.

[10]F Dehghan,MK Hadad,G Asadikram,et al.Effect of melatonin on intracranial pressure and brain edema following traumatic brain injury:role of oxidative stresses[J].Arch Med Res,2013,44(4):251-258 .

Protective Effect of Melatonin on Blood Brain Barrier

Zheng Jun
(Department of Nursing,Shanxi Medical College of Continuing Education,Shanxi Taiyuan 030001)

Melatonin is a powerful antioxidant,whose main function is to regulate circadian rhythm,control vasomotor.Melatonin is synthesized by tryptophan in the pineal gland through a series of enzyme and secreted from the pineal gland.The blood-brain barrier ensures that the body's brain selectively exchanges material between the blood and the nervous system,and melatonin protects the blood-brain barrier.This review summarizes the specific molecular mechanism of melatonin's protective effect on the blood-brain barrier through anti-inflammatory and anti-oxidative stress pathways under different pathological conditions and will provide an important theoretical basis for further study on the protection of the blood-brain barrier and provide the basis for the treatment of patients reliable basis.

Melatonin;Blood brain barrier;Brain protection

R742 文獻標志碼：A

2096-0387（2017）06-00105-05

鄭軍（1977—），女，山西太原人，碩士，講師，副主任，研究方向：內科學。