褪黑素与脊髓损伤

丁红霞,杨拯,田芸,张晓

脊髓损伤(spinal cord injury,SCI)是由于各种不同致病因素引起的脊髓结构、功能损害,造成损伤平面以下运动、感觉和自主神经功能障碍,给个人、家庭及社会带来极大痛苦与负担,因此,一直是创伤外科等研究领域的重点和难点。目前,随着社会生活水平的提高和飞速发展,交通事故、高空坠落和跳水等活动引起的外伤性脊髓损伤的病例呈几何增长。目前只有甲基强的松龙(MP)被FDA批准治疗SCI,但MP的大量使用可引起肺与消化道的损伤[1],为此新药物的研究及相关进展就有十分重要的临床意义。本文就褪黑素与脊髓损伤的相关研究做一综述。

1 褪黑素的生物化学特性

褪黑素(melatonin,MT)又称松果体素,其化学结构为5-甲氧基-N-乙酰色胺,是色氨酸的衍生物。由松果腺细胞摄入色氨酸后,经过色氨酸羟化酶(TPH)的作用生成5-羟色氨酸(5-HTP),5-HTP在芳香L-氨基酸脱羧酶作用下脱羧形成5-羟色胺(5-HT)。5-HT再经N-乙酰转移酶(NAT)和羟吲哚-氧甲基转移酶(HIOM T)的催化生成 5-甲氧基-N-乙酰色胺。

褪黑素主要由松果腺产生和分泌,其他组织如视网膜、泪囊腺和胃肠道也能产生少量褪黑素[2]。它是存在于人体内的重要神经内分泌活性物质,具有高度的脂溶性和水溶性,能透过核膜进入核内发挥作用,因此不仅能保护膜脂质,而且能保护蛋白质核酸及其他成分[3]。应激时体内褪黑素浓度升高,直接或间接影响下丘脑-垂体-肾上腺轴的功能,稳定和维持内环境,减轻应激对机体造成的损害[4-5]。这就为临床上治疗急性脊髓损伤提供了一种思路。

2 褪黑素治疗脊髓损伤机制

虽然脊髓损伤的治疗水平在不断提高,但是患者神经功能恢复情况仍不尽人意。治疗脊髓损伤的关键在于保护受损神经。目前学者普遍认为褪黑素保护神经是通过抗氧化和抗细胞凋亡实现的。

2.1 睡眠与功能保护 以大量SCI为基础的研究[6]推断,干扰褪黑素的节律性将会导致神经性睡眠衰弱并伴随剧痛、焦虑和抑郁。随后Norrbrink的实验确定改变褪黑素的循环与睡眠质量成正相关,也证实褪黑素替代疗法可以促使SCI患者睡眠正常化[7]。褪黑素对创伤性SCI的神经保护作用来自一个家兔的实验:切除松果体后会延缓SCI动物的恢复速度,在切除松果体后注射外源性褪黑素可以使其恢复速度增加[8]。

2.2 特定损伤节段与褪黑素的关系 内源性褪黑素的水平受颈髓的影响,不受胸髓或腰髓损害的影响[9],这可以用中枢神经传导与松果体之间的联系来解释。不同的SCI患者其体内褪黑素水平也是不同的。临床实验显示,颈髓损伤引起松果体的功能紊乱[10],因为颈髓损伤扰乱了正常的交感神经纤维的下行,从而导致夜间褪黑素的显著减少。之后,从神经学角度证实颈髓损伤导致褪黑素节律紊乱,不同损伤区域导致的血清褪黑素的节律研究显示,颈部损伤区域影响人类松果体分泌的昼夜节律。

2.3 抗氧化及抗氧化作用的优势 褪黑素的抗氧化作用是通过其吲哚环5位碳上的甲氧基及其侧链上的N-乙酰基能直接与自由基结合,迅速清除羟自由基、过氧化氢、单线态氧、NO、超氧化氮阴离子和过氧亚硝酸等自由基,阻止自由基连锁反应对生物大分子的损伤实现的[11]。很多药物都有抗氧化作用,褪黑素的主要优势在以下几个方面:①通过抑制中性粒细胞的介导减少SCI继发性损伤和促使其早期恢复;②应用褪黑素药理学剂量可以提高全身抗氧化系统的保护作用,而且与甲基强的松龙比较,褪黑素在保留神经元、轴突和细胞器等的完整性上更有效[12];③从病理学上比较,褪黑素在SCI患者的脂质过氧化作用降低之后仍具有保护脊髓超微结构完整性的作用[13];④Genovese的研究表示,和其他抗氧化剂如氧化四环素或前列腺素E1相比,褪黑素对急性SCI的继发性损伤有更显著的效果[14]。同时,也比奥曲肽(一种在药效上模拟自然界的生长抑制素)有效,而且还能缓解水肿和局部缺血。以上原理和实验充分说明褪黑素在SCI的治疗和恢复优越性。

2.4 抗细胞凋亡 细胞凋亡为程序性细胞死亡,参与很多疾病的发展。关于褪黑素抗细胞凋亡的相关机制尚未完全清楚,Bcl-2家族是目前较为公认的与凋亡密切相关的基因。Bcl-2家族包括抗凋亡成员,如Bcl-2与 Bcl-XL;促凋亡成员,如Bax以及BH-3蛋白。当抗凋亡基因高表达时,可通过形成Bcl-2/Bcl-2同源二聚体,或Bc1-2/Bcl-XL、Bel-2/Bax异源二聚体抑制凋亡;而当促凋亡基因Bax高表达时,则可通过形成Bax/Bax同源二聚体促进凋亡,抗凋亡成员与促凋亡成员的比例关系可影响细胞凋亡状态,即当Bcl-2或 Bcl-XL与 Bax比值增高时,促进细胞存活,否则促进细胞凋亡。姜春玲等的研究说明外源性褪黑素可以提高Bcl-2或Bcl-XL与Bax比值[15-16]。还有其他机制比如,褪黑素可通过直接清除自由基,抑制线粒体PTP,减少从受损线粒体释放的细胞色素C,以及抑制Caspase-3的激活抑制细胞凋亡。

2.5 钙离子拮抗作用 钙蛋白酶和钙离子依赖性蛋白酶在SCI的发病机制中起着重要的作用。Samantaray等研究褪黑素在介导钙离子的作用,包括在实验性SCI中适当地激活钙蛋白酶[17]。褪黑素治疗SCI动物减弱钙蛋白酶表达、炎症、轴突损伤和神经坏死,表明褪黑素具有高度神经保护作用。而且褪黑素治疗SCI后钙蛋白酶水平的测定和CPP3的表达和活性在蛋白水解能力上显著降低[18]。

2.6 其他 褪黑素对SCI的作用是复杂的,其他还有以下几个方面:①通过阻断氧化和硝磂氢酯的应激来减轻SCI的炎症和组织损伤;②限制了基质金属蛋白酶的表达和活性,促炎症反应TNF-a的表达[19];③Esposito等的实验显示褪黑素在SCI的保护作用归因于对MAPK信号传导和HMGB1的调节[20],通过降低 p38、MAPK、JNK、ERK1/2和 HMGB1的表达增强SCI患者的恢复力;④给予外源性褪黑素可以通过改变水通道蛋白的表达缓解机械性疼痛;⑤激活脊髓损伤的内源性褪黑素系统可以维持中枢致敏,并且可以阻碍继发性机械性异常疼痛和痛觉增敏;⑥给予褪黑素可以诱导产生抗氧化物酶和清除自由基以缓解内源性抗氧化酶的活性,减轻了暂时性主动脉缺血造成的损伤[18-22]。

3 褪黑素治疗脊髓损伤

虽然原发性脊髓损伤属于不可逆的过程,但继发性损伤却可以推迟和进行治疗。而且很多研究已经证实不同机制的联合疗法对脊髓损伤的继发性损伤的组织有一定作用,起到一定的治疗效果[23-25]。而且有实验还证明褪黑素及其代谢产物在不同的脊髓损伤动物模型上发挥着不同的效用[26-27]。

3.1 单独用药 现已认为褪黑素是一种高效多能的抗氧化剂。对脊髓损伤而言,褪黑素与甲基强的松龙具有相同的抗氧化能力。目前实验研究公认褪黑素用于大鼠SCI的有效剂量是腹腔注射100 mg/kg,只是利用其抗氧化和清除自由基的能力来治疗急性期SCI,其治疗机制比较单一,也没用作为一线药被广泛应用。而且段大志等的研究表明甲强龙、褪黑素及两药联合对急性脊髓损伤的治疗效果在同一水平[28],故理论上可以单独用药。

3.2 联合用药 损伤的亚急性状态下,褪黑素与甲基强的松龙联合治疗可以对抗脂质过氧化物的累积,但是并没有阐述这种机制是属于神经性的、超微结构性的,还是电生理性的修复[29]。然而更多最新大鼠SCI实验中,褪黑素与地塞米松联合治疗在阻断脊髓继发性的损伤上有明显的消炎作用。这个实验表明与褪黑素联合用药时,地塞米松的有效治疗剂量可以显著降低[30]。目前国内外关于褪黑素和其他治疗SCI药物联合用药(除甲强龙外)尚未见报道,联合其他药物治疗脊髓损伤理论上具有一定的可行性,段大志等的实验还有待于进一步从改变剂量上研究联合用药的疗效。

3.3 其他 治疗脊髓损伤预后最有效的莫过于神经干细胞的移植了,但神经干细胞的移植后的安全性、有效性及功能恢复等重要问题还没得到完全的解决[31]。而褪黑素具有免疫方面的作用,同时也可以修复损伤的神经元,理论上可以在神经干细胞移植后进行巩固疗效,但这也需要大量实验证明。

4 展望

与前面提到的有效的实验性SCI相反,褪黑素对医源性SCI不能起到神经保护的作用,选择性脊柱手术在手术前(20 min)、手术中或手术后的10 mg/kg的剂量适用于不完全性SCI。已被检测的其他三种神经保护药物很重要,包括甲基强的松龙也没有改善运动源或脊髓形态。因此原发性SCI仍将是今后SCI研究的重点。

尽管目前褪黑素在脊髓损伤治疗方面研究不是很多,但上述一些实验证实褪黑素在治疗脊髓损伤方面有较明显的效果。可以预见,随着褪黑素在脊髓损伤应用的基础及临床研究的不断深入,褪黑素将成为治疗脊髓损伤的有效手段之一,这为临床脊髓损伤的治疗又开辟出一条新的治疗方法与途径。

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