褪黑素在口腔种植治疗中的研究进展

张 成，芦 笛，刘宗响，2，王鹏来，2

种植义齿已成为牙列缺损、缺失后修复的主要方式，相较于传统的固定、活动义齿，其更美观、更舒适，且有着更高的咀嚼效率和更长的使用寿命[1]。种植体的材料主要为钛和钛合金，其有着较好的机械强度和生物相容性。但钛作为生物惰性金属，缺乏骨诱导性能，需较长的时间才能实现种植体与天然骨组织间紧密的骨结合[2]。随着种植义齿的应用越来越广泛，口腔种植手术的术后并发症也日益增多。种植体周围炎是术后常见的并发症，特征为种植体周围黏膜炎症以及支持骨的丧失，最终导致种植体的松动、脱落[3]。因此，提高种植体的骨诱导性能，获得种植体早期骨整合，预防和治疗种植体周围炎是口腔种植临床诊疗的关键。

褪黑素(melatonin)，化学名称为5-甲氧基-N乙酰色胺，是夜间主要在松果体合成的一种天然激素。松果体细胞从血液中摄取色氨酸后，在色氨酸-5-羟化酶和5-羟色胺脱羧酶的作用下，色氨酸依次羟基化和脱羧化转化为5-羟色胺。5-羟色胺在N-乙酰转移酶的作用下转化为N-乙酰-5-羟色胺；随后羟基吲哚-氧-甲基转移酶作用于N-乙酰5-羟色胺，使其甲基化，最终形成褪黑素[4]。褪黑素也可在视网膜、胃肠道和骨髓等不同的器官中产生，与昼夜节律、体温、性发育和生殖周期等生命活动的调控密切相关[5]。近年来，大量研究发现褪黑素具有促进成骨细胞增殖与分化，抑制破骨细胞活性，诱导破骨细胞凋亡的作用[6-7]。在炎症环境下，褪黑素可通过多种信号通路抑制促炎因子的释放从而调节细胞的炎症反应[8]。且褪黑素作为有效的抗氧化剂和自由基清除剂，可以直接中和细胞内的活性氧和氮基反应物，也可以刺激细胞内抗氧化酶的合成，间接发挥抗氧化作用，减轻氧化应激反应造成的细胞与组织损伤[9]。褪黑素的促成骨、抗炎、抗氧化等特性使其在口腔种植领域有着广泛的应用前景。本文就褪黑素在骨代谢和炎症调节方面的具体机制以及褪黑素在口腔种植领域中的研究进展进行综述，以期为获得种植体早期骨整合，预防和治疗种植体周围炎拓宽思路。

1 褪黑素的调节机制

1.1 褪黑素与骨代谢

骨是整个生命过程中不断重塑的组织，协调的骨代谢能保持良好的骨密度和骨质量，使骨承受机械载荷，抵抗骨折。破骨细胞和成骨细胞之间的通信对于维持骨代谢至关重要，而褪黑素可通过影响成骨细胞与破骨细胞成熟与分化调控骨代谢的过程。

褪黑素可通过Wnt/β-catenin信号通路促进成骨分化，其能抑制破坏复合物糖原合成酶激酶3β(glycogen synthase kinase 3β, GSK3β)的活性，从而促进β-catenin在细胞质内的积聚并定位于细胞核调节靶基因转录，促进间充质干细胞(mesenchymal stem cells, MSCs)的增殖[10]。同时，β-catenin会干扰下游靶点过氧化物酶体增殖物激活受体γ(peroxisome proliferators-activated receptor γ，PPARγ)的转录激活，减少脂肪生成，并刺激骨特异性转录因子2(runt-related transcription factor 2, Runx2)的表达，从而促进骨组织生成[11]。此外，褪黑素可通过上调神经肽Y (neuropeptide Y, NPY)和NPY受体Y1 (neuropeptide Y receptor Y1, NPY1R)的表达促进MSCs的增殖和分化。Dong等[12]研究发现褪黑素加速了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抑制剂BIBP3226后，褪黑素介导的MSCs的成骨分化受到抑制。

褪黑素可促进成骨细胞分泌骨保护素(osteoptegerin, OPG)，OPG可对核因子κB受体活化因子(receptor activator of nuclear factor-κB, RANK)产生拮抗作用，竞争性与核因子κB受体活化因子配体(receptor activator of nuclear factor-κB ligand，RANKL)结合，从而抑制RANK/RANKL介导的破骨细胞的分化与成熟，抑制骨质流失[13]。另外，褪黑素可通过下调丝裂原活化蛋白激酶(mitogen-activated protein kinase, MAPK)信号通路减少RANKL的表达，抑制破骨细胞活性[14]。Kim等[15]研究结果表明褪黑素能通过下调核因子κB(nuclear factor κB, NF-κB)信号通路，降低活化T细胞核因子1(nuclear factor of activated T cell 1, NFATc1)的表达，抑制RANKL诱导的破骨细胞分化。

1.2 褪黑素与炎症调节

在炎症过程中，病原体、损伤、代谢应激等有害刺激会导致免疫系统失调，炎症因子产生，NF-κB信号通路激活。活化的NF-κB迅速发生核转位调节靶基因的转录，促进炎症因子的表达，加快炎症的进展[16]。同时，在炎症状态下，细胞内活性氧增多，细胞膜过氧化，细胞结构破坏，加剧了细胞损伤。而褪黑素可靶向多种信号分子调节炎症的发展过程。褪黑素可通过抑制脂多糖(lipopolysaccharide, LPS)诱导的Toll样受体4(toll-like receptor 4, TLR4)和NF-κB的活化从而抑制炎症因子的表达，发挥抗炎作用[17]。褪黑素抗氧化和清除自由基的性能，能减轻线粒体的氧化应激反应，减少活性氧过量累积造成的细胞损伤。Arioz等[18]发现褪黑素可通过激活沉默信息调节因子1(silent mating type information regulation 2 homolog 1, SIRT1)/核因子E2相关因子2(nuclear factors E2-related factor 2,Nrf2)信号通路增强抗氧化防御系统，抑制LPS诱导的NOD样受体蛋白3(NOD-like receptor protein 3, NLRP3)炎性小体的激活。Fan等[19]利用褪黑素减轻了脱氧雪腐镰刀菌烯醇(deoxynivalenol, DON)对卵巢母细胞的毒性作用，研究表明DON增加了细胞内活性氧水平和炎症介导的细胞凋亡，而褪黑素则能有效改善氧化应激水平，且能够通过阻断NF-κB和MAPK信号通路抑制DON诱导的促炎细胞因子的产生。此外，褪黑素能抑制NLRP3炎症小体的组装减少含半胱氨酸的天冬氨酸蛋白水解酶1(Caspase 1)表达从而减轻炎症反应[20]。褪黑素也能触发抗凋亡蛋白B淋巴细胞瘤-2(B-cell lymphoma-2, Bcl-2)和促凋亡蛋白Bcl-2相关X蛋白(Bcl-2-associated X protein, Bax)的信号通路，减少细胞凋亡，维持炎症状态下细胞的生存能力[21]。

2 褪黑素在口腔种植中的应用

2.1 褪黑素与骨整合

种植体植入到宿主骨组织后，皮质骨承受扭转负载，并提供较高的初期稳定性。松质骨的血管丰富，血管系统供给的具有多向分化潜能的MSCs吸附于种植体表面，向成骨细胞分化，促进新骨形成。成骨细胞和由单核-巨噬细胞分化而来的破骨细胞的共同作用，构成了骨整合这一复杂的动态过程。临床中所用的钛及钛合金种植体虽然具有较好的生物相容性和机械性能，但缺乏骨诱导性能，需要较长的时间实现骨整合。而褪黑素对骨代谢的正向调节作用使其可在口腔种植中作为一种有效的促成骨剂，加快骨整合进程[22]。Dundar等[23]在种植体植入兔胫骨前将褪黑素粉末置于种植窝内，显著增加了种植体-骨接触率(bone-to-implant contact, BIC)。Salomó-Coll等[24]将种植体于褪黑素溶液中浸泡后植入猎狐犬下颌骨，可见种植体螺纹间有更多的骨组织生成，BIC增加，舌侧牙槽嵴吸收减少。

褪黑素的全身或局部应用是通过血液循环和组织渗透作用于靶点，药物利用率低下，且代谢吸收较快，难以获得长期的疗效[25]。Lai等[26]将褪黑素吸附在阳极氧化形成的氧化钛纳米管表面，通过层层自组装技术在钛表面形成壳聚糖和海藻酸钠的多层膜结构，随着壳聚糖和海藻酸钠的不断降解从而实现褪黑素缓释，长期有效促进了MSCs在钛表面的粘附、增殖和成骨分化。Xiao等[27]构建了复合粘接水凝胶体系，通过多巴胺仿贻贝吸附的能力使褪黑素牢固地结合在钛表面，从而实现褪黑素在局部区域的持续释放，降低了过氧化氢诱导的氧化应激引起的细胞凋亡，恢复了细胞的成骨分化潜能并增加了种植体周围骨量。褪黑素促进成骨细胞分化、加速骨质生成和矿化的性能为增加种植体的骨诱导性能，实现早期骨整合提供新的方法和策略。

2.2 褪黑素与种植体周围炎

种植体周围炎是以种植体周围黏膜炎症和支持骨组织进行性吸收为基本特征的炎症性疾病。种植体周围炎是由口腔微生物失调所引起，种植体上菌斑生物膜的成熟会导致种植体周围的软组织炎症，首先出现种植体周围黏膜炎，随后出现牙槽骨的进行性吸收，发展为种植体周围炎，组织病理学特征为淋巴细胞、中性粒细胞的炎性浸润。种植周围炎的发病机制、临床表现和病理特征与牙周炎的发生发展极为相似[28]。褪黑素在牙周炎的预防和治疗中应用广泛，口服褪黑素结合非手术牙周治疗(nonsurgical periodontal therapy, NSPT)能有效改善牙周炎患者的炎症状态[29]，Tinto等[30]的实验也得到了相同的结果。在结扎丝诱导的大鼠实验性牙周炎模型中，腹腔注射褪黑素可显著抑制破骨细胞的形成及局部牙槽骨的吸收，有助于牙周组织的愈合[31]。而在局部应用中，褪黑素凝胶与NSPT的联合使用在牙周炎患者的治疗中也展现出较好的抗炎和抗氧化性能[32]。褪黑素可抑制白细胞介素1β(interleukin-1β, IL-1β)诱导产生的基质金属蛋白酶(matrix metalloproteinase, MMP)和CXC趋化因子配体1(CXC chemokine ligand 1，CXCL 1)的表达，保护MMP组织抑制剂，减轻牙周炎造成的软组织破坏[33]。预防性应用褪黑素能抑制TLR4/髓样细胞分化因子88(myeloid differentiation factor 88, MyD88)信号通路介导的促炎细胞因子的产生，使RANKL/OPG的比例恢复正常，抑制骨组织的吸收[34]。研究表明，种植体周围炎与牙周炎临床和病理改变虽然相似，但种植体周围病变占据更大的体积，包含更多的多形核白细胞和巨噬细胞[3]，比牙周炎病变进展更快，更具有侵袭性[35]。早期诊断、发现和干预是治疗种植体周围炎的关键。Wu等[36]通过在种植体周围注射脂多糖诱导了大鼠种植体周围炎模型，并预防性应用褪黑素，实验结果表明褪黑素通过降低TLR4蛋白的表达，抑制NF-κB的活化，下调了肿瘤坏死因子-α(tumor necrosis factor-α, TNF-α)、IL-1β等炎症因子的水平，抑制了破骨细胞的骨吸收作用，有效地预防种植体周围炎的产生。此外，种植体周围炎性浸润会产生大量活性氧，活性氧的积聚又会加剧种植体周围软硬组织的损伤，而褪黑素的抗氧化和清除自由基的性能则能减轻种植体周围炎的氧化应激反应，抑制炎症进一步发展。

3 展 望

褪黑素对骨代谢和炎症的正向调节作用，使其在口腔种植领域中有着较好的应用前景。但褪黑素促进种植体骨整合，改善种植体周围炎的具体机制还有待进一步的研究。且如何实现褪黑素在种植体周围长期稳定的释放，提高药物利用效率也是未来研究的方向。综上所述，褪黑素在促进种植体骨整合，预防和治疗种植体周围炎方面展现出优异的性能，但要实现褪黑素的临床应用，还需科研人员不断研究和探索。