褪黑素在口腔種植治療中的研究進展

張 成，蘆 笛，劉宗響，2，王鵬來，2

種植義齒已成為牙列缺損、缺失后修復的主要方式，相較于傳統的固定、活動義齒，其更美觀、更舒適，且有著更高的咀嚼效率和更長的使用壽命[1]。種植體的材料主要為鈦和鈦合金，其有著較好的機械強度和生物相容性。但鈦作為生物惰性金屬，缺乏骨誘導性能，需較長的時間才能實現種植體與天然骨組織間緊密的骨結合[2]。隨著種植義齒的應用越來越廣泛，口腔種植手術的術后并發癥也日益增多。種植體周圍炎是術后常見的并發癥，特征為種植體周圍黏膜炎癥以及支持骨的喪失，最終導致種植體的松動、脫落[3]。因此，提高種植體的骨誘導性能，獲得種植體早期骨整合，預防和治療種植體周圍炎是口腔種植臨床診療的關鍵。

褪黑素(melatonin)，化學名稱為5-甲氧基-N乙酰色胺，是夜間主要在松果體合成的一種天然激素。松果體細胞從血液中攝取色氨酸后，在色氨酸-5-羥化酶和5-羥色胺脫羧酶的作用下，色氨酸依次羥基化和脫羧化轉化為5-羥色胺。5-羥色胺在N-乙酰轉移酶的作用下轉化為N-乙酰-5-羥色胺；隨后羥基吲哚-氧-甲基轉移酶作用于N-乙酰5-羥色胺，使其甲基化，最終形成褪黑素[4]。褪黑素也可在視網膜、胃腸道和骨髓等不同的器官中產生，與晝夜節律、體溫、性發育和生殖周期等生命活動的調控密切相關[5]。近年來，大量研究發現褪黑素具有促進成骨細胞增殖與分化，抑制破骨細胞活性，誘導破骨細胞凋亡的作用[6-7]。在炎癥環境下，褪黑素可通過多種信號通路抑制促炎因子的釋放從而調節細胞的炎癥反應[8]。且褪黑素作為有效的抗氧化劑和自由基清除劑，可以直接中和細胞內的活性氧和氮基反應物，也可以刺激細胞內抗氧化酶的合成，間接發揮抗氧化作用，減輕氧化應激反應造成的細胞與組織損傷[9]。褪黑素的促成骨、抗炎、抗氧化等特性使其在口腔種植領域有著廣泛的應用前景。本文就褪黑素在骨代謝和炎癥調節方面的具體機制以及褪黑素在口腔種植領域中的研究進展進行綜述，以期為獲得種植體早期骨整合，預防和治療種植體周圍炎拓寬思路。

1 褪黑素的調節機制

1.1 褪黑素與骨代謝

骨是整個生命過程中不斷重塑的組織，協調的骨代謝能保持良好的骨密度和骨質量，使骨承受機械載荷，抵抗骨折。破骨細胞和成骨細胞之間的通信對于維持骨代謝至關重要，而褪黑素可通過影響成骨細胞與破骨細胞成熟與分化調控骨代謝的過程。

褪黑素可通過Wnt/β-catenin信號通路促進成骨分化，其能抑制破壞復合物糖原合成酶激酶3β(glycogen synthase kinase 3β, GSK3β)的活性，從而促進β-catenin在細胞質內的積聚并定位于細胞核調節靶基因轉錄，促進間充質干細胞(mesenchymal stem cells, MSCs)的增殖[10]。同時，β-catenin會干擾下游靶點過氧化物酶體增殖物激活受體γ(peroxisome proliferators-activated receptor γ，PPARγ)的轉錄激活，減少脂肪生成，并刺激骨特異性轉錄因子2(runt-related transcription factor 2, Runx2)的表達，從而促進骨組織生成[11]。此外，褪黑素可通過上調神經肽Y (neuropeptide Y, NPY)和NPY受體Y1 (neuropeptide Y receptor Y1, NPY1R)的表達促進MSCs的增殖和分化。Dong等[12]研究發現褪黑素加速了MSCs的成骨分化和骨折愈合，并伴有NPY和NPY1R水平的升高，而在加入NPY1R抑制劑BIBP3226后，褪黑素介導的MSCs的成骨分化受到抑制。

褪黑素可促進成骨細胞分泌骨保護素(osteoptegerin, OPG)，OPG可對核因子κB受體活化因子(receptor activator of nuclear factor-κB, RANK)產生拮抗作用，競爭性與核因子κB受體活化因子配體(receptor activator of nuclear factor-κB ligand，RANKL)結合，從而抑制RANK/RANKL介導的破骨細胞的分化與成熟，抑制骨質流失[13]。另外，褪黑素可通過下調絲裂原活化蛋白激酶(mitogen-activated protein kinase, MAPK)信號通路減少RANKL的表達，抑制破骨細胞活性[14]。Kim等[15]研究結果表明褪黑素能通過下調核因子κB(nuclear factor κB, NF-κB)信號通路，降低活化T細胞核因子1(nuclear factor of activated T cell 1, NFATc1)的表達，抑制RANKL誘導的破骨細胞分化。

1.2 褪黑素與炎癥調節

在炎癥過程中，病原體、損傷、代謝應激等有害刺激會導致免疫系統失調，炎癥因子產生，NF-κB信號通路激活。活化的NF-κB迅速發生核轉位調節靶基因的轉錄，促進炎癥因子的表達，加快炎癥的進展[16]。同時，在炎癥狀態下，細胞內活性氧增多，細胞膜過氧化，細胞結構破壞，加劇了細胞損傷。而褪黑素可靶向多種信號分子調節炎癥的發展過程。褪黑素可通過抑制脂多糖(lipopolysaccharide, LPS)誘導的Toll樣受體4(toll-like receptor 4, TLR4)和NF-κB的活化從而抑制炎癥因子的表達，發揮抗炎作用[17]。褪黑素抗氧化和清除自由基的性能，能減輕線粒體的氧化應激反應，減少活性氧過量累積造成的細胞損傷。Arioz等[18]發現褪黑素可通過激活沉默信息調節因子1(silent mating type information regulation 2 homolog 1, SIRT1)/核因子E2相關因子2(nuclear factors E2-related factor 2,Nrf2)信號通路增強抗氧化防御系統，抑制LPS誘導的NOD樣受體蛋白3(NOD-like receptor protein 3, NLRP3)炎性小體的激活。Fan等[19]利用褪黑素減輕了脫氧雪腐鐮刀菌烯醇(deoxynivalenol, DON)對卵巢母細胞的毒性作用，研究表明DON增加了細胞內活性氧水平和炎癥介導的細胞凋亡，而褪黑素則能有效改善氧化應激水平，且能夠通過阻斷NF-κB和MAPK信號通路抑制DON誘導的促炎細胞因子的產生。此外，褪黑素能抑制NLRP3炎癥小體的組裝減少含半胱氨酸的天冬氨酸蛋白水解酶1(Caspase 1)表達從而減輕炎癥反應[20]。褪黑素也能觸發抗凋亡蛋白B淋巴細胞瘤-2(B-cell lymphoma-2, Bcl-2)和促凋亡蛋白Bcl-2相關X蛋白(Bcl-2-associated X protein, Bax)的信號通路，減少細胞凋亡，維持炎癥狀態下細胞的生存能力[21]。

2 褪黑素在口腔種植中的應用

2.1 褪黑素與骨整合

種植體植入到宿主骨組織后，皮質骨承受扭轉負載，并提供較高的初期穩定性。松質骨的血管豐富，血管系統供給的具有多向分化潛能的MSCs吸附于種植體表面，向成骨細胞分化，促進新骨形成。成骨細胞和由單核-巨噬細胞分化而來的破骨細胞的共同作用，構成了骨整合這一復雜的動態過程。臨床中所用的鈦及鈦合金種植體雖然具有較好的生物相容性和機械性能，但缺乏骨誘導性能，需要較長的時間實現骨整合。而褪黑素對骨代謝的正向調節作用使其可在口腔種植中作為一種有效的促成骨劑，加快骨整合進程[22]。Dundar等[23]在種植體植入兔脛骨前將褪黑素粉末置于種植窩內，顯著增加了種植體-骨接觸率(bone-to-implant contact, BIC)。Salomó-Coll等[24]將種植體于褪黑素溶液中浸泡后植入獵狐犬下頜骨，可見種植體螺紋間有更多的骨組織生成，BIC增加，舌側牙槽嵴吸收減少。

褪黑素的全身或局部應用是通過血液循環和組織滲透作用于靶點，藥物利用率低下，且代謝吸收較快，難以獲得長期的療效[25]。Lai等[26]將褪黑素吸附在陽極氧化形成的氧化鈦納米管表面，通過層層自組裝技術在鈦表面形成殼聚糖和海藻酸鈉的多層膜結構，隨著殼聚糖和海藻酸鈉的不斷降解從而實現褪黑素緩釋，長期有效促進了MSCs在鈦表面的粘附、增殖和成骨分化。Xiao等[27]構建了復合粘接水凝膠體系，通過多巴胺仿貽貝吸附的能力使褪黑素牢固地結合在鈦表面，從而實現褪黑素在局部區域的持續釋放，降低了過氧化氫誘導的氧化應激引起的細胞凋亡，恢復了細胞的成骨分化潛能并增加了種植體周圍骨量。褪黑素促進成骨細胞分化、加速骨質生成和礦化的性能為增加種植體的骨誘導性能，實現早期骨整合提供新的方法和策略。

2.2 褪黑素與種植體周圍炎

種植體周圍炎是以種植體周圍黏膜炎癥和支持骨組織進行性吸收為基本特征的炎癥性疾病。種植體周圍炎是由口腔微生物失調所引起，種植體上菌斑生物膜的成熟會導致種植體周圍的軟組織炎癥，首先出現種植體周圍黏膜炎，隨后出現牙槽骨的進行性吸收，發展為種植體周圍炎，組織病理學特征為淋巴細胞、中性粒細胞的炎性浸潤。種植周圍炎的發病機制、臨床表現和病理特征與牙周炎的發生發展極為相似[28]。褪黑素在牙周炎的預防和治療中應用廣泛，口服褪黑素結合非手術牙周治療(nonsurgical periodontal therapy, NSPT)能有效改善牙周炎患者的炎癥狀態[29]，Tinto等[30]的實驗也得到了相同的結果。在結扎絲誘導的大鼠實驗性牙周炎模型中，腹腔注射褪黑素可顯著抑制破骨細胞的形成及局部牙槽骨的吸收，有助于牙周組織的愈合[31]。而在局部應用中，褪黑素凝膠與NSPT的聯合使用在牙周炎患者的治療中也展現出較好的抗炎和抗氧化性能[32]。褪黑素可抑制白細胞介素1β(interleukin-1β, IL-1β)誘導產生的基質金屬蛋白酶(matrix metalloproteinase, MMP)和CXC趨化因子配體1(CXC chemokine ligand 1，CXCL 1)的表達，保護MMP組織抑制劑，減輕牙周炎造成的軟組織破壞[33]。預防性應用褪黑素能抑制TLR4/髓樣細胞分化因子88(myeloid differentiation factor 88, MyD88)信號通路介導的促炎細胞因子的產生，使RANKL/OPG的比例恢復正常，抑制骨組織的吸收[34]。研究表明，種植體周圍炎與牙周炎臨床和病理改變雖然相似，但種植體周圍病變占據更大的體積，包含更多的多形核白細胞和巨噬細胞[3]，比牙周炎病變進展更快，更具有侵襲性[35]。早期診斷、發現和干預是治療種植體周圍炎的關鍵。Wu等[36]通過在種植體周圍注射脂多糖誘導了大鼠種植體周圍炎模型，并預防性應用褪黑素，實驗結果表明褪黑素通過降低TLR4蛋白的表達，抑制NF-κB的活化，下調了腫瘤壞死因子-α(tumor necrosis factor-α, TNF-α)、IL-1β等炎癥因子的水平，抑制了破骨細胞的骨吸收作用，有效地預防種植體周圍炎的產生。此外，種植體周圍炎性浸潤會產生大量活性氧，活性氧的積聚又會加劇種植體周圍軟硬組織的損傷，而褪黑素的抗氧化和清除自由基的性能則能減輕種植體周圍炎的氧化應激反應，抑制炎癥進一步發展。

3 展 望

褪黑素對骨代謝和炎癥的正向調節作用，使其在口腔種植領域中有著較好的應用前景。但褪黑素促進種植體骨整合，改善種植體周圍炎的具體機制還有待進一步的研究。且如何實現褪黑素在種植體周圍長期穩定的釋放，提高藥物利用效率也是未來研究的方向。綜上所述，褪黑素在促進種植體骨整合，預防和治療種植體周圍炎方面展現出優異的性能，但要實現褪黑素的臨床應用，還需科研人員不斷研究和探索。