褪黑素治療骨骼肌疾病的研究進展

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,色氨酸經過羥化和脫羧反應轉化為血清素,血清素在芳基烷基胺-N-乙酰基轉移酶(AANAT)和羥吲哚-O-甲基轉移酶(HIOMT)的催化下,以N-乙酰基-5-羥色胺為中間產物,最終轉化為褪黑素。除了松果體外,研究表明褪黑素也可以在胃腸道、卵巢、淋巴細胞、巨噬細胞、視網膜、皮膚和骨髓等其他組織中合成［1-3］,既往研究發現褪黑素具有調節晝夜節律、抗炎、抗骨質疏松、抑制腫瘤及免疫調節等作用［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換孔的直接相互作用來實現的。線粒體是褪黑素的靶點,這一發現為了解褪黑素的作用機制提供了新的視角。特別是,它在維持線粒體穩態中發揮重要作用［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作用,也可以解釋其對肌肉疾病的保護作用,既往多項體內與體外研究已經證實：褪黑素具有強大的抗氧化作用,這種作用可以減少線粒體損傷、降低氧化應激水平和調控自噬水平［15-17］。這使得褪黑素能在肌肉衰退后的恢復過程中發揮有益作用。因此就褪黑素對骨骼肌疾病影響的研究進展作一綜述,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鍵科學問題。

1 骨骼肌

骨骼肌組織對自主運動和姿勢維持至關重要,在人體熱調節、營養平衡、葡萄糖轉運和內分泌活動等方面也起著至關重要的作用［18,19］。因此,人體葡萄糖穩態失衡、跌倒、骨折、殘疾和許多慢性疾病的發生均與骨骼肌質量的減少有關［20-22］。骨骼肌組織的特征是由有絲分裂后的多核肌纖維構成且相關的結締組織排列有序。此外,在骨骼肌中也可以發現骨骼肌衛星細胞,骨骼肌衛星細胞位于骨骼肌基膜和細胞膜之間,其目的是促進肌肉的生長、修復和再生。

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。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是骨骼肌量減少,主要是由于肌纖維的體積萎縮和數量減少,特別是Ⅱ型肌纖維的體積萎縮和數量減少。與此同時,快速收縮的Ⅱ型肌纖維轉變為緩慢收縮的Ⅰ型肌纖維,導致肌力下降和蛋白質合成的下降(特別是肌凝蛋白重鏈)［23,24］。總的來說,這些變化導致肌肉收縮速度減慢、力量減少,從而降低了日常生活活動的能力。發生這些改變至少部分原因是因為與年齡相關的氧化應激損傷在增加。雖然肌纖維不斷產生活性氧(尤其是在收縮活動中),但是事實上骨骼肌是人體內消耗氧氣量最大的組織。采用肌肉活組織檢查的研究證實：在老年人和肌肉萎縮患者的骨骼肌中,局部氧化應激標志物升高［25-27］。另一方面,抗氧化系統機能不全,特別是過氧化氫酶、谷胱甘肽硫轉移酶和超氧化物歧化酶出現下調,因此并不能阻止氧化損傷。

線粒體數量的逐漸減少和效率的逐漸降低,是誘發肌肉萎縮的一種機制,可能與肌肉營養不良有關［28-31］,線粒體功能障礙的一個相關后果就是細胞凋亡的激活,這種機制被認為是幾種肌肉疾病的最終共同途徑［32］。有相關報道稱,在因長時間固定引起的肌肉萎縮中,以及在肌營養不良患者和肌營養不良小鼠模型中,細胞凋亡異常增強［33,34］。在骨骼肌生物學中,無論是在成肌細胞的增殖過程中還是在肌纖維的有絲分裂過程中,細胞凋亡均被描述為一種正常生理現象［35,36］,發生在神經肌肉疾病、肌肉廢用、肌肉減少以及衰老情況下的肌肉萎縮,均與影響骨骼肌質量的細胞凋亡增加有關。在生理或病理條件下發生肌肉萎縮和肌無力,至少部分原因是因為細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,肌肉質量和骨骼肌收縮力會逐漸下降,從而導致肌肉萎縮,肌肉功能下降,最終對日常生活的生活質量產生重要影響［37］。這一現象在哺乳動物衰老過程中被廣泛觀察到,并可能導致發病率和死亡率的增加。下列因素可能會導致衰老過程中的肌肉流失,包括但不限于：蛋白質合成減少［38］、神經功能異常［39］、激素缺乏［40］、慢性炎癥［41］、氧化應激［42］、線粒體功能障礙［43,44］、核凋亡［45-48］、衛星細胞功能異常［49,50］,肌少癥是一類以進行性和廣泛性骨骼肌肌力減弱和肌量減少,強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。肌少癥的發病機制目前尚不明確,可能與骨骼肌失神經支配、核凋亡和氧化應激水平的增高有關［51］。

既往一些科學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物的肌纖維數量、肌肉質量和活動能力［53］。此外,在肌少癥患者中,褪黑素還能維持線粒體的正常結構和功能,恢復正常的自噬水平,從而避免年齡介導的肌纖維損傷、線粒體功能減退和細胞凋亡［54］。這些結果證實了褪黑素可以減少線粒體損傷、降低氧化應激水平、調控自噬水平和減少炎癥反應的積極作用。

進行性肌無力是營養不良患者的典型特征。杜氏肌營養不良癥(DMD)和貝克爾肌營養不良癥(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］。進行性肌營養不良,一般幼年發病比較常見,以近端四肢骨骼肌萎縮無力,緩慢進行性惡化,還累及心肌和呼吸肌,最終喪失運動能力,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、鈣穩態紊亂、線粒體功能障礙和強烈的氧化損傷,所有這些條件都有助于肌肉變性的發生。營養不良的肌纖維會出現一些典型的變化,如壞死事件的出現,隨后的再生,促炎細胞因子的釋放和氧化應激的激活［57］。DMD 中氧化應激的來源與炎癥細胞、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生ROS 的酶有關。考慮到營養不良疾病的惡化至少部分是由于氧化應激,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,褪黑素保護線粒體功能［58］,并在肌肉收縮期間調節鈣穩態［59］。既往一些科學研究強調了褪黑素在防止營養不良患者肌肉萎縮中的作用。Chahbouni等［60］發現；與對照組相比,DMD 患者血漿中脂質過氧化水平明顯升高,亞硝酸鹽和細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,上述指標出現了下調,病情有所改善,表明褪黑素治療能夠顯著減少炎癥反應和降低氧化應激水平,從而減緩DMD 患者肌肉變性進程。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。這些數據表明褪黑素可以對DMD小鼠的肌肉組織氧化還原狀態進行調節,從而發揮治療作用。

3 討論

綜上所述,褪黑素可以通過減少線粒體損傷、降低氧化應激水平、調控自噬水平和減少炎癥反應來改善肌肉功能。科學證據表明：與其他傳統的抗氧化劑相比,褪黑素及其代謝物作為強大的抗氧化劑,能夠更有效地保護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或抑制細胞自噬調控自噬水平。對于肌肉來說,褪黑素是一種可以發揮多用途的物質,褪黑素是發揮誘導還是抑制細胞自噬的作用,取決于其所涉及的病理過程,因為氧化應激與自噬有密切關系。褪黑素可以通過增加不同蛋白和mRNA 表達水平來抑制骨骼肌內質網應激。此外,褪黑素在不同的細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激,抑制細胞凋亡。因此,褪黑素可以在骨骼肌疾病的治療過程中發揮顯著的積極作用,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,有待于進一步去發掘。

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,也被逐步證實在骨骼肌疾病的治療過程中發揮顯著的積極作用,然而對于肌肉來說,褪黑素是一種可以發揮多用途的物質這一點,卻被國內外眾多研究者所忽略,知道在褪黑素抗骨質疏松研究方向上,既往有研究已經證實了褪黑素不僅可以發揮治療骨質疏松的作用,還可以發揮預防骨質疏松的作用［6］,這啟發在研究褪黑素對骨骼肌疾病影響的科研方向上,不僅應該關注褪黑素對骨骼肌疾病的治療作用,還應關注褪黑素對骨骼肌疾病是否具有預防作用,然而目前國內外卻沒有針對這一方向的專門研究。而事實是在正常骨骼肌中,褪黑素可以減少氧化應激,抑制細胞凋亡,且既往有研究證明褪黑素能夠維持老年動物的肌纖維數量、肌肉質量和活動能力［54］。所以褪黑素很有可能對骨骼肌疾病還具有預防作用,因此探討褪黑素是否可以發揮預防骨骼肌疾病的作用及其初步機制,應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不良疾病方面繼續深入研究,探討其更深入的作用機制。眾所周知,細胞自噬既是一種廣泛存在的正常生理過程,又是對細胞不良環境的一種防御機制,參與多種疾病的病理過程。適當的自噬速率對維持骨骼肌代謝穩態至關重要［62］。而自噬損傷與肌營養不良的發病機制密切相關［63］,褪黑素因其強大的抗氧化作用可以減少線粒體損傷、降低氧化應激水平和調控自噬水平。因此褪黑素是如何通過調控自噬水平,在治療肌營養不良疾病過程中發揮積極作用的,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表明褪黑素可以在骨骼肌疾病的治療過程中發揮顯著的積極作用,但迄今為止尚未開發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化研究以及大規模多中心臨床試驗以推進褪黑素在骨骼肌疾病領域的臨床應用。擬解決的關鍵問題有：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制；③通過大量的轉化研究以及大規模多中心臨床試驗提供更多的臨床證據。