褪黑素治療創傷性腦損傷的研究進展

［摘要］ 創傷性腦損傷（traumatic brain injury，TBI）是由外力引起的大腦結構和生理功能破壞的損傷性疾病，包括原發性和繼發性腦損傷。原發性腦損傷現階段無法通過臨床治療手段干預其發生、發展和預后。現有證據表明，繼發性腦損傷的致病機制包括氧化應激、炎癥反應、神經興奮性毒性、鈣離子超載、細胞凋亡和線粒體自噬等一系列應激調控反應。褪黑素有抗炎、抗氧化、抗凋亡以及提高自噬水平的治療作用，具有透過血腦屏障和細胞膜的能力。本文對褪黑素在TBI中的保護作用機制做一綜述。

［關鍵詞］ 創傷性腦損傷；褪黑素；氧化應激；炎癥反應；細胞凋亡；線粒體自噬；神經元分化與再生

［中圖分類號］ R651.15

［文獻標志碼］ A

［文章編號］ 1671-7783（2024）02-0180-05

DOI： 10.13312/j.issn.1671-7783.y230049

［引用格式］李毅，蔡寧，蔣鵬. 褪黑素治療創傷性腦損傷的研究進展［J］. 江蘇大學學報（醫學版）， 2024， 34（2）： 180-184.

創傷性腦損傷（traumatic brain injury，TBI）是由于大腦突然受到打擊或震動、破壞了腦正常功能而引起，預后較差，具有高發病率、高致殘率和高死亡率的特點［1-2］。雖然神經外科和重癥監護對TBI的治療有所改善，但嚴重TBI患者的死亡率仍然很高，目前缺乏對TBI有效的綜合治療策略和治療藥物。

褪黑素主要是由哺乳動物和人類松果體產生的一種胺類激素，前體是色氨酸，其合成受晝夜周期及交感神經的影響。在血漿及腦脊液中褪黑素水平呈現晝夜節律性，夜間分泌水平較高，具有促進睡眠、調節時差、抗衰老、調節免疫、調節內分泌節律、抑制腫瘤生長等多項生理功能，并且褪黑素具有強大的抗氧化活性，在組織再生中發揮作用［3］。褪黑素的代謝主要在肝臟和腦中進行，代謝產物由腎臟排出，人體補充外源性褪黑素后幾小時即降至正常生理水平，不會造成褪黑素及其代謝產物的蓄積。

褪黑素的生理作用由三種膜受體（MT1、MT2和MT3）介導［4］。MT1和MT2主要分布在嚙齒動物的大腦區域神經系統，包括視交叉上核、小腦、丘腦、海馬體和周圍組織［5］。目前研究發現［6］，褪黑素有抗氧化、抑制炎癥以及透過血腦屏障和細胞膜等作用，并且褪黑素的親脂性使其能夠很容易穿過細胞膜并到達亞細胞隔室，使TBI廣泛的反應過程中斷，如代謝級聯反應、不加區分的神經遞質釋放、氧化應激和線粒體功能障礙等。Siy等［7］和Kelso等［8］采用褪黑素和金剛烷胺、地塞米松聯合治療TBI，目前在TBI動物模型中取得療效。Rui等［9］最新研究發現，褪黑素通過抑制鐵蛋白重鏈介導的鐵下垂來治療TBI，可以改善TBI后認知功能［10］。褪黑素可能在多個發生發展階段對TBI產生治療作用。

1 褪黑素在TBI中抑制氧化應激作用

活性氧誘導的氧化應激反應可能參與了繼發性腦損傷的病理生理過程，并且加劇原發性腦損傷，TBI后通過巨噬細胞吞噬損傷相關分子模式（DAMPs）導致溶酶體損傷，釋放溶酶體化合物，致使活性氧水平升高［11］。褪黑素及其代謝產物是一種廣譜抗氧化劑和非常有效的自由基清除劑，可與自由基直接反應發揮作用［12］，也可以通過相應的通道蛋白減少活性氧的生成與激活，可能與瞬時受體電位M2型（TRPM2）通路和核因子E2相關因子2（Nrf2）通路相關。

1.1 TRPM2通路

TRPM2是一種Ca2+滲透性非選擇性通路［13］，功能性的TRPM2通路主要集中在海馬、皮層和紋狀體等神經元密布的部位，這些部位容易受到TBI引起的氧化應激損傷［14］。褪黑素對活性氧的抑制作用主要通過調節TRPM2通路來減少Ca2+內流。Yürüker等［12］研究表明，創傷性腦損傷后細胞內Ca2+和活性氧水平升高，主要是由退化海馬神經元產生，給予褪黑素治療后通過抑制TRPM2通路激活減少Ca2+內流，使TBI大鼠海馬神經元細胞內活性氧的產生減少，抑制TBI后氧化應激反應。結果顯示，應用褪黑素治療后對TRPM2通路呈現負性調節作用，通過TRPM2通路抑制氧化應激、細胞凋亡和Ca2+內流，從而產生神經保護作用。TRPM2的激活是TBI的一個潛在的重要機制，褪黑素可以通過TRPM2通路在氧化應激中恢復促氧化系統和抗氧化系統之間的平衡，對TBI產生保護作用。

1.2 Nrf2通路

Nrf2可誘導內源性抗氧化酶的產生，Nrf2通路是一種多臟器保護途徑，在TBI等多種腦疾病中具有神經保護作用［15］。在氧化應激或損傷的條件下，Nrf2從Keap1-Nrf2復合物中釋放并轉移到細胞核中，在細胞核激活Nrf2通路，進一步激活氧化應激反應［16］。Wang等［17］使用雷美替胺（褪黑素受體激動劑）使TBI小鼠Nrf2積累量增加，超氧化物歧化酶1（SOD-1）等下游蛋白表達升高，從而降低氧化應激水平。因此，在TBI中使用雷美替胺治療可以通過增強Nrf2的表達來抑制氧化應激反應，從而產生腦保護作用。

Dehghan等［18］研究發現褪黑素可顯著降低腦水腫、血腦屏障通透性和TBI后72 h的顱內壓，這些效應可能是由于抑制氧化應激所致，但機制尚不明確。已有的研究證據表明，褪黑素調節TBI中的氧化應激反應是多環節、多機制的病理生理過程。氧化應激在TBI中處于中心環節，理論上阻斷氧化應激過程的任何環節都能在TBI中發揮治療作用，抑制氧化應激反應對治療TBI是有效的［19］。褪黑素作為自由基清除劑，可直接清除創傷腦損傷中的活性氧，從中心環節直接抑制氧化應激反應，從源頭阻斷氧化應激反應，達到TBI的治療和保護作用。

2 褪黑素在TBI中的抗炎作用

Bao等［20］研究發現，抑制細胞死亡是神經保護和預防相關炎癥反應的關鍵。當TBI發生時，腫瘤壞死因子（TNF）激活受體相互作用蛋白1（RIP1）經招募形成一種稱為壞死體的復合物，壞死體的形成是細胞壞死和促進炎癥的必要條件［21］。TNF介導的炎癥反應通過TNF受體相關因子（TRAF）調節［21］。TRAF是一種信號適配器蛋白，可將上游的受體與下游的適配器蛋白和效應酶連接起來，這是由C端TRAF結構域介導的。同時TRAF受體信號可誘導激活經典和非經典核因子-κB（NF-κB）信號通路以及腺苷酸激活蛋白激酶（AMPK）信號通路。

2.1 NF-κB通路

在TBI后，血清中TNF和細胞膜上TNFR1的表達水平顯著上升，當TNF被TNFR1識別時，TRAF即被招集，形成包含細胞凋亡抑制蛋白（cIAP）和RIP1的信號復合物［22］。RIP1由cIAP泛素化產生，TNF-α誘導蛋白3（TNFAIP3）是一種可以通過泛素編輯來修飾底物多泛素化的替代分子，這是炎癥反應的主要機制［23］。Bao等［20］研究發現，在TBI中TNFAIP3可以通過抑制NF-κB和炎癥因子（如IL-6［24］、IL-1β以及NLRP3炎性小體）的表達，從而抑制炎癥反應。結果表明，TNFAIP3調節和控制TBI后的壞死和炎癥，TBI后缺乏TNFAIP3會導致侵襲性壞死，并減弱褪黑素的抗壞死和抗炎作用。Onizawa等［25］研究將NF-κB和受體相互作用蛋白激酶3泛素化聯系起來，提出了TNFAIP3可能預防炎癥性疾病的創新機制。

2.2 AMPK通路

AMPK是一種重要的細胞內能量傳感器，深入參與能量代謝。AMPK的激活抑制了ATP的消耗，對氧化應激和細胞炎癥提供保護作用［26］。AMPK磷酸化在顱腦疾病的不同模型中具有潛在的保護作用［27］。環磷腺苷效應元件（CREB）蛋白是一種促生存蛋白，由AMPK家族成員蛋白控制，已有研究表明CREB的磷酸化通過調節p-NF-κB進一步阻斷炎癥介質的轉錄來降低神經炎癥反應［28］。Rehman等［29］發現褪黑素治療TBI具有神經保護作用，減少神經炎癥和神經變性；研究顯示TBI小鼠大腦中的p-AMPK、p-CREB和p-NF-κB水平均升高，給予褪黑素治療后可顯著降低其蛋白表達水平。由此表明，TBI誘導腦能量供需不平衡，降低神經細胞的生存率，而褪黑素治療可通過調節p-AMPK/p-CREB信號通路來克服能量消耗，減少神經炎癥反應，降低TBI后的神經損傷和神經變性。Ding等［30］研究發現，哺乳動物雷帕霉素靶蛋白復合物（mTOR）途徑可能參與褪黑素抑制TBI的炎癥反應，褪黑素可明顯抑制小膠質細胞激活、減少原始炎癥細胞因子的釋放并增加周圍挫傷部位存活神經元數量；結果表明，褪黑素的使用可導致mTOR磷酸化，對神經炎癥產生抑制作用。與氧化應激反應的過程相同，炎癥反應也是TBI中不可避免的重要病理生理過程。抑制TBI后的炎癥反應，可以改善繼發性腦損傷。

3 褪黑素在TBI動物模型中對皮質神經元再生的影響

研究表明，TBI可以刺激內源性神經干細胞的增殖，但是激活的內源性神經干細胞在受損的皮質中不能轉化為成熟的神經元［31］。Pan等［32］研究發現，褪黑素在小鼠TBI模型中可以促進施萬細胞的增殖和遷移，從而促進周圍神經再生。目前關于褪黑素在TBI動物模型中是否能促進神經元分化的相關研究較少，Ge等［33］通過免疫熒光和末端脫氧核苷酸轉移酶dUTP末端標記法觀察SD大鼠TBI模型中新生神經元，結果顯示新生的未成熟神經元出現在損傷皮層，而新生的成熟神經元僅出現在TBI+褪黑素組。這表明TBI后SD大鼠損傷皮層形成新生神經元，而褪黑素促進了損傷皮層未成熟神經元向成熟神經元分化。由此證明褪黑素可促進TBI后SD大鼠損傷皮層神經元再生，改善認知功能恢復。褪黑素對受損皮層神經元分化的影響可能與調節細胞骨架組織的激素吲哚環的功能有關，細胞骨架組織可能與未成熟神經元的樹突成熟或與神經元遷移有關，以及與抗氧化和抗凋亡能力相關。褪黑素促進神經元再生在TBI動物模型中具有神經保護作用，可能會成為TBI治療的新關注點。但是目前相關的文獻研究較少，未來需要更多研究來實踐。

4 褪黑素在TBI中調節線粒體自噬的作用

線粒體是一種高度動態的超結構和產生能量的細胞器，與多種疾病相關，一般情況下，神經元中線粒體的總數通過分解和融合機制來維持動態平衡。Cui等［34］研究發現，阻斷繼發性損傷的生化過程和細胞事件（如線粒體自噬）是改善神經損傷預后的關鍵。線粒體在TBI中具有興奮性毒性，線粒體紊亂可導致繼發性神經元損傷和腦創傷死亡［35］。Salman等［36］研究發現，褪黑素治療可顯著減少線粒體分裂，促進線粒體融合以及線粒體膜電位的恢復和氧化磷酸化，減少了細胞色素C的釋放；研究還發現褪黑素能顯著抑制TBI大鼠凋亡相關因子樣蛋白（Bax）和線粒體動力相關蛋白（DRP1）向線粒體的易位，線粒體超微結構分析顯示線粒體融合機制的激活，可能是褪黑素通過上調過氧化物酶體增殖激活受體γ輔助活化因子1α（PGC-1α）蛋白促進線粒體融合，支持褪黑素對TBI大鼠的治療作用。結果表明褪黑素在改善TBI大鼠線粒體功能障礙方面的補救作用，并為線粒體介導的神經保護提供了支持，成為TBI的一種可能的治療方法。DRP1是促進線粒體融合的重要蛋白，褪黑素可以抑制DRP1介導的線粒體分裂，從而對TBI產生治療作用。

Lin等［37］研究表明，抑制有絲分裂，選擇性降解受損的線粒體自噬，可明顯增強炎癥誘導的TBI，給予褪黑素治療后通過mTOR途徑激活有絲分裂，減輕TBI誘導的炎癥。研究結果顯示褪黑素治療可通過增強線粒體自噬清除受損線粒體，顯著改善TBI后神經元死亡和行為缺陷，而自噬抑制劑3-甲基腺嘌呤（3-MA）則通過抑制有絲分裂來逆轉這一效應，進一步說明自噬在TBI中的保護作用。Ding等［30］采用免疫熒光法測定自噬標記，即Bcl-2同源結構域蛋白抗體（Beclin-1）和微管相關蛋白輕鏈3-Ⅱ（LC3-Ⅱ），結果顯示3-MA對線粒體自噬有抑制作用，而褪黑素增強了TBI后線粒體的自噬能力，并伴隨Bax到線粒體的轉移減少和細胞色素C釋放到細胞質減少。以上結果表明，褪黑素可以增強小鼠TBI后的自噬能力，抑制線粒體凋亡途徑，從而保護小鼠在TBI后免受繼發性腦損傷。因此，褪黑素促進線粒體自噬可能是通過mTOR途徑激活，促進線粒體融合，抑制有絲分裂，負調控TBI中的炎癥因子分泌，從而產生TBI的保護作用。

綜上所述，褪黑素在TBI的治療作用一方面是抑制氧化應激、炎癥反應、細胞凋亡及線粒體自噬等細胞反應，減少創傷后神經系統損傷；另一方面是在動物模型中發現褪黑素可以促進神經元的再生以及受損神經元的修復，促進神經功能修復。TBI的繼發性損傷是多種因素共同導致的復雜級聯反應，聯合治療可能是一種有效治療手段和方向。深入研究褪黑素在TBI中的作用機制并通過聯合治療方法阻斷TBI后繼發性損傷的發生、發展，將為臨床治療TBI提供新思路。

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［收稿日期］ 2023-02-13" ［編輯］ 郭 欣

［基金項目］鎮江市重點研發計劃（社會發展）項目（SH2019030）

［作者簡介］李毅（1996—），女，碩士研究生；蔣鵬（通訊作者），主任醫師，碩士生導師，E-mail： doctorjp@163.com