褪黑素防治骨質疏松癥的研究現狀

王旭東 黃東生

中山大學孫逸仙紀念醫院骨科，廣東 廣州 510120

骨質疏松癥(osteoporosis，OP)是一種骨代謝(bone metabolism)失衡導致的以骨密度(bone mineral density，BMD)降低和骨組織顯微結構(bone microarchitecture)異常為特征，導致骨骼脆性增加和易發生骨折(fracture)的一種全身性代謝性骨病，是中老年的常見病、多發病。OP分為兩大類：原發性(主要包括絕經后和老年性OP)和繼發性(主要包括內分泌和代謝性OP，廢用骨質疏松癥和藥物誘導性OP)。它的治療和護理需要巨大的人力和物力資源，給家庭和整個社會帶來沉重的負擔。據統計，2010年美國50歲以上的成年人中有10.3%患有骨質疏松癥[1]。如果沒有干預策略，在全球范圍內骨質疏松癥患者在未來25年內的估計數量將增加兩倍[2]。骨質疏松癥通常被描述為“無癥狀疾病”，因為它缺乏明顯的癥狀，通常是發生脆性骨折后檢查才發現患有骨質疏松癥。全世界每年約有8 900萬人被診斷為OP骨折，這意味著每3秒則發生一例OP骨折[3]。到目前為止，還沒有有效的可以逆轉骨質疏松癥發病機制的治療方法。盡管傳統的醫學治療方法已經成功地抑制了骨質流失[4]，但大多數醫學治療方法并沒有促進新骨形成[5-6]。此外，目前市場上的抗OP藥物有副作用多、價格昂貴、患者依從性差、致瘤風險等，這可能導致患者依從性差。因此，尋找新的治療方法顯得尤為重要。

褪黑素(melatonin)是一種主要由哺乳動物的松果體分泌的吲哚類激素，褪黑素能激活兩種高親和力G蛋白偶聯受體(稱為MT1和MT2)，在睡眠和晝夜節律異常、情緒障礙、學習和記憶、神經保護、藥物濫用和癌癥中發揮有益作用[7]。除了松果體外，研究表明褪黑素可以在骨髓和許多其他組織中合成[8-9]。骨髓中合成的褪黑素濃度是夜間血液水平的兩倍[10]，提示其可能與骨代謝相關。最近許多研究已經證實了褪黑素能發揮促進成骨細胞(osteoblast)增殖分化，抑制破骨細胞(osteoclast)形成從而維持骨代謝的穩態[11-12]并發揮防治骨質疏松癥的作用[13]。因此，褪黑素作為一種潛在的抗骨質疏松藥物成為學界關注的熱點。本綜述討論了褪黑素與骨質疏松癥中相關的最新突破，并提出今后可能的研究方向和亟待解決的關鍵問題。

1 褪黑素與骨代謝

1.1 褪黑素促進成骨細胞的增殖與分化

國內外多項研究顯示褪黑素具有促進成骨細胞增殖與分化的作用從而促進骨形成。本課題組研究發現褪黑素能通過抑制過氧化物酶體增殖物激活受體γ(peroxisome proliferator-activated receptor gamma，PPARγ)表達和增強Runx2表達從而抑制間充質干細胞(mesenchymal stem cells，MSCs)成脂分化并顯著增強MSCs成骨分化[15]。此外，其他學者研究發現褪黑素通過增加骨鈣素(osteocalcin，OCN)的表達來促進骨生成，從而抑制骨質流失[16]。以及能通過上調神經肽Y(neuropeptide Y，NPY)和NPY受體Y1(neuropeptide Y receptor Y1，NPY1R)的表達，促進MSCs的增殖和遷移，從而促進骨折愈合[17]。另外，Xiong等[18]發現褪黑素(10 nmol/L～100 μmol/L)通過激活c-Raf、MEK1 /2、ERK1/2、p90RSK和MSK1從而促進人成骨細胞系hFOB1.19的增殖。Satomura等[19]研究發現藥理劑量的褪黑素能促進體外成骨分化以及促進體內小鼠皮質骨形成。Maria等[20]研究發現褪黑素對人脂肪來源的MSC具有成骨細胞誘導作用。最近，Xu等[21]研究表明，褪黑素能抑制雌激素缺乏引起的OP，并通過抑制NLRP3炎性體的活動來促進成骨細胞的生成。

然而，考慮到褪黑素體外給藥的作用效應強烈但是持續時間較短，故本課題組將褪黑素包裹在聚乳酸微球中以產生持續分泌的褪黑素釋放系統，結果表明該系統提供了一個相對穩定濃度的微量褪黑素作用環境從而更好地促進人類BMSCs的成骨分化[22]。

以上結果充分表明，褪黑素能通過不同途徑(比如增強Runx2、OCN的表達上調NPY和NPY1R的表達以及激活c-Raf、MEK1/2、ERK1/2、p90RSK和MSK1等)促進成骨細胞的增殖與分化從而促進新骨生成。

1.2 褪黑素抑制破骨細胞的生成與活化

褪黑素除了促進成骨細胞的增殖與分化外，還可以減少破骨細胞的生成，以減少骨質溶解。既往學者普遍認為，褪黑素對于破骨細胞的調控作用主要是通過褪黑素對成骨細胞的調控從而間接調控破骨細胞。Maria等[20]使用人MSC和人外周血單核細胞(PBMC)的共培養模型發現褪黑素能抑制成骨細胞NF-κB受體活化因子配體(receptor activator of nuclear factor-κB ligand，RANKL)的分泌從而抑制破骨細胞生成。然而，也有學者認為褪黑素能直接調控破骨細胞的生成與活化。Koyama等[23]研究發現，藥理劑量的褪黑素通過抑制破骨細胞的形成和活化從而抑制骨吸收，進而提高骨量。此外，Zhou等[24]發現藥理學濃度的褪黑素(1～100 μmol/L)與生理濃度(0.01～10 nmol/L)相比，其能通過活性氧分子(reactive oxygen species，ROS)介導的途徑而不是SIRT1非依賴性途徑顯著抑制骨髓單核細胞的破骨細胞生成。最近，Kim等[25]發現褪黑素可通過褪黑素受體非依賴模式下調NF-κB途徑抑制RANKL介導的破骨細胞生成。

綜上所述，褪黑素不僅能通過調控成骨細胞的活動間接抑制破骨細胞的生成與活化，而且能直接通過不同途徑(比如ROS介導的途徑以及受體非依賴模式等)抑制破骨細胞的生成與活化從而減少骨質溶解，具有治療骨質疏松癥的潛能。

2 褪黑素對骨質疏松的影響

骨質疏松癥的主要發病機制為成骨減弱，破骨增強導致的骨代謝失衡。褪黑素具有促進成骨細胞增殖分化，抑制破骨細胞生成與活化的作用。以往大量研究表明，褪黑素在細胞實驗、動物實驗以及人體研究中具有潛在抗骨質疏松癥的作用。

2.1 細胞實驗

大量研究表明褪黑素在不同細胞模型中能通過不同途徑發揮潛在抗骨質疏松作用。

上述研究主要針對高溫后鋼管再生混凝土柱在靜力荷載作用下的剩余承載力和變形性能，迄今為止，未發現鋼管再生混凝土柱高溫后抗震性能的研究報道。為此，本文作者進行了高溫后方鋼管再生混凝土柱抗震性能試驗，研究構件的承載能力、剛度、滯回特征等性能，為火災(高溫)后方鋼管再生混凝土柱的評估與修復提供依據。

眾所周知，炎癥環境能促進骨質疏松癥的發生發展。腫瘤壞死因子α(tumor necrosis factor alpha，TNFα)通過促進骨吸收和抑制骨形成在炎癥相關的骨質疏松癥中起重要作用。本課題組研究發現褪黑素可通過下調TNFα誘導的SMAD泛素化調節因子1(SMAD ubiquitination regulatory factor 1，SMURF1)的表達量，然后減少SMURF1介導的SMAD1蛋白的泛素化和降解，從而穩定BMP-SMAD1信號通路的活性并且逆轉了TNFα對BMSCs成骨分化的抑制作用[26]。

此外，褪黑素也能抑制移植物鈦顆粒以及體內高鐵狀態對于骨質疏松癥的促進作用。Ping等[27]研究了褪黑素對鈦顆粒誘導的顱骨骨溶解小鼠模型的抑制作用。他們發現，褪黑素不僅可以通過激活Wnt/β-catenin信號通路，增強體內溶解部位的骨再生，而且還可在體外以濃度依賴性方式抑制NF-κB通路的激活顯著抑制磨損碎片誘導的骨吸收和體內炎性細胞因子的表達[28]。此外，褪黑素還能通過 Nrf-2 途徑抑制成骨細胞的氧化應激水平，從而降低高鐵引起的成骨細胞凋亡[29]。

最近，Maria等[20]使用人MSC和PBMC的共培養模型發現褪黑素能通過褪黑素受體MT2、MEK1/2和MEK5介導誘導成骨細胞分化和礦化沉積，同時也能抑制成骨細胞RANKL的分泌從而抑制破骨細胞生成。

基于以上證據表明，褪黑素在細胞模型中能通過不同途徑(比如BMP-SMAD1信號通路、Wnt/β-catenin信號通路、NF-κB信號通路以及MAPK信號通路等)促進成骨，抑制破骨，提示其可能具有潛在的抗骨質疏松作用。

2.2 動物實驗

褪黑素還可以調節小鼠、大鼠、綿羊等動物的骨代謝。基于褪黑素的膳食補充劑被認為是一種抗衰老療法，用于治療年齡相關的骨丟失[30-31]。

通過研究發現，褪黑素能通過MT2受體作用于成骨細胞以及改善骨代謝指標等途徑增強小鼠的骨量。Sharan等[12]研究發現褪黑素受體MT2缺陷的小鼠存在成骨細胞數量和骨形成的減少，進一步研究發現褪黑素可以通過MT2受體直接調節成骨細胞的增殖與分化。

此外，Maria等[20]在雌性小鼠飲用水中添加褪黑素(15 mg/L)喂養一年，發現其能增加小鼠血清中pErk1/2、pErk5、Runx2和OPG以及RANKL水平，提示褪黑素能發揮骨增強作用。

通過對大鼠的研究也發現褪黑素能通過抑制體內氧化應激水平、降低成骨細胞的自噬水平以及改善骨代謝指標等途徑發揮增強大鼠骨量的作用。研究發現大鼠的骨小梁厚度、骨小梁面積和骨皮質厚度在卵巢切除術后顯著下降，然而，褪黑素的使用改善了上述指標[32]。此外，褪黑素還能通過抑制ERK信號通路降低成骨細胞中的自噬水平從而延緩糖尿病引起的骨質疏松癥[33]。Chu等[34]通過對老化的大鼠的研究發現褪黑素能增加BMD，減少鈣磷丟失，增加骨唾液酸糖蛋白(bone sialoprotein，BSP)與OCN水平，以及增加骨生成率與骨礦化率從而發揮促進成骨分化的作用，同時，其能抑制成脂分化過程從而緩解大鼠的骨質疏松進展過程。最近，Zhou等[35]通過對大鼠的研究發現褪黑素能通過SIRT3/SOD2信號通路改善線粒體中的氧化應激，從而促進成骨，顯著增加卵巢切除(OVX)大鼠的假體周圍骨量以及種植體固定強度。

有學者不僅研究了單用褪黑素治療骨質疏松癥的療效，還探索了褪黑素與運動療法相結合的效果。結果發現褪黑素和有氧運動聯合干預能明顯改善糖尿病骨質疏松，其可能與通過提高糖尿病大鼠的抗氧化應激能力，調節糖的代謝從而有效地的降低血鈣和甲狀旁腺素(parathyroid hormone，PTH)，改善BMD從而緩解骨質疏松有關[36]。

除了大小鼠動物模型研究，有學者還研究了褪黑素對綿羊的作用，結果與大小鼠模型效應基本一致。Egermann等[37]對綿羊進行松果體切除術發現其增加骨小梁分離度并減少骨小梁厚度，從而降低BMD，導致骨質流失和骨質疏松癥，使用褪黑素處理后能逆轉上述效應。

綜上所述，褪黑素在動物模型體內也具有促進成骨、抑制破骨從而增加動物骨量的效應，提示其可能具有潛在的抗骨質疏松療效。

2.3 人體研究

研究表明，褪黑素在人體中也具有骨骼的保護作用，此外，褪黑素還能穩定情緒以及提高睡眠質量。

褪黑素的分泌具有晝夜節律性，夜間分泌量比白天多，凌晨2點左右其分泌量達到峰值。有研究發現夜班工作與骨質疏松癥骨折發生的風險程度存在相關性。Feskanich等[38]發現有超過20年夜班工作經歷的工作者在未來8年中，其發生手腕和髖部骨折的風險大大提高，遺憾的是，在這個研究中并沒有評估褪黑素水平。作者們猜測可能是由于晚上工作降低了褪黑素水平從而成為夜班工作者骨折風險提高的一個可能機制。

褪黑素對骨質疏松癥臨床治療的研究工作主要集中在褪黑素對絕經后骨質疏松治療效果上，早期研究發現褪黑素濃度升高可能對絕經后骨質流失有保護作用[39]。隨后通過對圍絕經期婦女給予褪黑素治療的研究發現褪黑素治療能增加股骨以及脊椎骨的骨密度，減輕圍絕經期癥狀，改善情緒以及提高睡眠質量。Maria等通過一項為期一年的雙盲隨機對照試驗評估了夜間褪黑素、鍶(檸檬酸鹽)、維生素D3和維生素K2(MK7，MSDK)對絕經后骨質疏松婦女BMD和生活質量(QOL)的影響(年齡49～75歲)。結果發現，與安慰劑相比，MSDK治療增加了腰椎和左股骨頸的骨密度，增加了血清P1NP水平并降低骨轉換。此外，心理測量分析表明，MSDK組的情緒和睡眠質量得到明顯改善[20,40]。Amstrup等通過對81例患有骨質減少的絕經后婦女每晚接受1或3 mg褪黑素或安慰劑治療12個月后發現褪黑素(1 mg/d)治療一年能以劑量依賴的方式增加絕經后骨質減少患者股骨頸的BMD，而且高劑量(3 mg/d)褪黑素也增加了脊柱BMD[41-42]。并且褪黑素治療具有安全性，沒有影響肌肉的平衡和肌肉功能。此外，小劑量褪黑素能提高睡眠質量[41,43]。

綜上所述，褪黑素對人體具有一定的骨骼保護作用。然而鑒于研究對象的數量較少以及研究年限較短等缺點，未來可能需要開展更多的大規模的隨機對照試驗以為骨科醫生和基礎研究人員提供更加全面的臨床證據。

3 展望

隨著人口老齡化，骨質疏松已成為一個重要的公共衛生問題。盡管目前有許多藥物用于預防及治療骨質疏松癥，但存在明顯副作用及安全性問題。因此，尋找新的骨質疏松癥治療方法顯得尤為重要。本綜述總結了褪黑素在骨代謝以及骨質疏松中的詳細作用，有助于其在骨質疏松癥的未來臨床應用。

盡管目前有許多證據表明褪黑素在骨質疏松癥中的作用機制，但迄今為止尚未開發褪黑素在骨質疏松癥治療方面的藥物。目前可能需要更多的轉化研究以及臨床試驗以推進褪黑素在骨質疏松癥領域的臨床應用。進一步的研究可能集中在：(1)探討使用褪黑素的安全性和有效性；(2)探索褪黑素在調節骨質疏松癥中的未知以及深入的作用機制；(3)通過大規模的轉化研究以及隨機對照試驗提供更多的臨床證據。

本綜述展示了褪黑素在骨代謝以及骨質疏松中的詳細作用，并指出了褪黑素防治骨質疏松癥的應用潛能。相信隨著研究的進一步深入與全面，我國能在骨質疏松癥病變早期控制骨量的進一步丟失，有效地防止脆性骨折的發生，從而減輕骨質疏松癥對人類造成的傷害以及對社會造成的負擔。