褪黑素防治病毒性疾病的研究进展

古庆悦，李鑫森，徐嘉伟，唐玉玲，孟 迪，胡艳欣

(中国农业大学动物医学院，北京 海淀 100193)

褪黑素(Melatonin)是一种胺类激素，由色氨酸合成，除松果体和视网膜外，在体内组织器官，如骨髓、肝脏、胃肠道、皮肤、卵巢、睾丸、胎盘等中均可合成褪黑素。近年来大量研究发现，褪黑素不仅具有昼夜节律调节作用，还具有良好的免疫调节作用，在抗感染、抗肿瘤，以及治疗眼部疾病、胃肠道疾病、类风湿性关节炎等疾病中具有潜在的临床应用价值。本文将从褪黑素的抗病毒作用及其机制进行综述，以期为褪黑素在临床抗病毒领域的应用提供借鉴。

1 褪黑素的合成与代谢

色氨酸首先被转化为5-羟色氨酸，然后脱羧酶脱氧生成5-羟色胺，随后在芳基烷基胺N-乙酰转移酶催化下转化为乙酰5-羟色胺，最后通过羟基吲哚O-甲基转移酶甲基化生成褪黑素。褪黑素具有明显的昼夜节律，其昼夜节律主要是由于芳基烷基胺N-乙酰转移酶在夜间的活性显著增加导致，但Venegas等发现，在松果体和视网膜以外的组织器官中合成的褪黑素通常没有昼夜节律的变化，且在除松果体以外的组织器官中合成的褪黑素通常不会释放进入血液循环中[1]。由松果体合成的褪黑素会随着血液进入全身循环中，褪黑素的代谢半衰期较短，通常为20～60 min，肝脏首过效应较大。除了光周期外，温度、季节等因素都可影响褪黑素的产生。褪黑素主要通过羟基化途径在肝脏中形成6-羟基褪黑素和葡萄糖醛酸共轭化合物，经粪便和尿液排出体外。

2 褪黑素的抗病毒作用

大量研究证实，褪黑素对人和动物的多种病毒性疾病均有良好的防治作用。

2.1 褪黑素与家畜病毒性疾病 传染性胃肠炎病毒(Transmissible gastroenteritis virus,TGEV)、猪流行性腹泻病毒(Porcine epidemic diarrhea virus,PEDV)和猪三角洲冠状病毒(Porcine delta coronavirus,PDCoV)等都属于猪肠道冠状病毒，可引起仔猪出现严重腹泻、呕吐、脱水等临床症状，迄今为止尚未找到有效的治疗药物，严重危害全球养猪业。2021年，Zhai等研究发现，褪黑素可在感染早期有效抑制体外细胞系中上述3种病毒的mRNA和蛋白表达，在感染后1 h加入褪黑素可使病毒感染水平下降90%以上[2]。

兔出血症(Rabbit hemorrhagic disease,RHD)俗称兔瘟，可引起急性肝衰竭(Acute liver failure,AHF)。San-Miguel等通过腹腔注射20 mg/(kg·bw)褪黑素降低兔肝脏中RHDV mRNA的表达[3]。褪黑素一方面可抑制RHDV感染引起的肝细胞自噬的发生[3]，另一方面还可浓度依赖性地抑制RHDV感染诱导的肝细胞凋亡，减少肝细胞中凋亡执行蛋白Caspase-3的激活[4]。此外，褪黑素还有助于肝脏的修复，Laliena等发现褪黑素对肝细胞生长因子、血管内皮生长因子等的分泌以及肝细胞的修复起到促进作用[5]。

牛病毒性腹泻病毒(Bovine viral diarrhea virus,BVDV)感染可损伤奶牛肝、脑、肾、肠、肺等组织器官，引起神经症状，导致繁殖能力和产奶量的下降，给奶牛养殖业带来重大损失。Wang等使用佐剂中含30 mg/mL褪黑素的重组亚单位疫苗免疫小鼠，可以有效提升攻毒保护效果，降低各组织中BVDV的抗原量，减轻BVDV造成的组织损伤，提升脾脏中CD3+和CD4+淋巴细胞的数量[6]。

水貂阿留申病是危害毛皮动物的三大疾病之一，是由阿留申水貂病毒(Aleutian mink disease virus,AMDV)感染引起的自身免疫性疾病。Ellis等将含2.7 mg褪黑素的硅胶芯片植入2个AMDV阳性水貂养殖场的水貂体内，水貂的自然死亡率分别由3.5%和8.3%降低至0%和3.1%[7]。

2.2 褪黑素与人兽共患病毒性疾病 新型冠状病毒肺炎(Coronavirus disease 2019,COVID-19)由严重急性呼吸综合征冠状病毒2(Severe acute respiratory syndrome coronavirus 2，SARS-CoV-2)引起，目前在全球范围内还未得到有效的控制。Zhou等通过网络药理学分析病毒—宿主相互作用以及药物靶点之间的相互作用，发现褪黑素可间接作用于ACE2等多个冠状病毒的靶点[8]。Jehi等针对11 672名出现呼吸道症状或者其他高风险因素的患者的临床调查显示，529名有褪黑素服用史的患者的COVID-19阴性率为97.0%(513/529)，显著高于无褪黑素服用史的患者的阴性率(92.8%，10 341/11 143)[9]。

委内瑞拉马脑脊髓炎病毒(Venezuelan equine encephalomyelitis virus,VEEV)是一种蚊媒病毒，可引起人、马属动物、啮齿类动物等的神经系统症状，严重者可导致淋巴细胞耗竭甚至死亡。褪黑素可延长VEEV感染小鼠的存活时间，提升小鼠存活率，降低脑和血液中的病毒水平[10,11]。Bonilla等将褪黑素的使用浓度由250 μg/(kg·bw)提升至1 000 μg/(kg·bw)后，可将VEEV感染小鼠攻毒后6 d的存活率由55%提升至84%[10]。褪黑素可抑制VEEV感染小鼠大脑组织细胞的凋亡，降低大脑和血清中亚硝酸盐水平，从而减轻脑部损伤[11]。

A型流感病毒(Influenza A virus，IAV)可以感染人、猪、鸡等多种动物，引起呼吸系统疾病。高致病性A型流感病毒诱导的过度免疫反应会引发“细胞因子风暴”，表现为肺组织中大量炎性细胞浸润，使患者出现急性呼吸窘迫综合征和呼吸衰竭。Huang等研究发现，大剂量的褪黑素可以显著提升H1N1感染小鼠的存活率并缓解肺部的病理损伤，抑制TNF-α、IL-6、IFN-γ等炎性因子的产生，促进IL-10、TGF-β等抗炎因子的产生[12]。

人类免疫缺陷病毒(Human immunodeficiency virus,HIV)可引起获得性免疫缺陷综合征，该疾病的发生与单核细胞无法产生IL-2、IL-12等细胞因子导致的Th1细胞应答受阻有关[13,14]。Nunnari等对77名1型人体免疫缺陷病毒(Human immunodeficiency virus type 1,HIV-1)感染者的血清褪黑素水平分析发现，HIV-1感染者血清IL-12水平与褪黑素水平存在正相关性，血清中褪黑素水平与HIV-1 RNA水平具有负相关性，与体内CD4+T细胞数量存在正相关性，其中，C期感染者的血清褪黑素水平显著低于A期和B期感染者[14]。Lissoni等对11名患者进行临床研究发现，低剂量IL-2与褪黑素协同使用可增加患者体内CD4+T细胞的数量[15]。

2.3 褪黑素与人类病毒性疾病 呼吸道合胞体病毒(Respiratory syncytial virus,RSV)的致病机制可能与氧化应激有关，是最常见的引起儿童下呼吸道感染的病因之一。连续3 d每日2次预防性给予5 mg/(kg·bw)褪黑素可缓解由RSV感染导致的急性肺氧化损伤，降低感染小鼠肺组织中一氧化氮(Nitric oxide,NO)和羟自由基(Hydroxyl radical,·OH)水平，将谷胱甘肽(Glutathione,GSH)和超氧化物歧化酶(Superoxide dismutase,SOD)恢复至正常水平[16]。

1型单纯疱疹病毒(Herpes simplex virus type 1,HSV-1)会引起患者口腔、面部感染以及脑炎。Edgar等研究发现，当宿主的昼夜节律受到破坏时HSV-1的复制会显著增加[17]，提示宿主体内的褪黑素水平可能在HSV-1感染中发挥了重要作用。Nunes等进行了一项临床单盲试验，将褪黑素联合SB-73制剂(有效成分主要为镁离子、PO4-、棕榈油酸、亚油酸)给药，与传统单纯疱疹病毒治疗药物阿昔洛韦进行对比研究，在145名患者中，95.7%的褪黑素联合SB-73制剂受试患者症状完全消失，症状持续时间的中位数为2 d，85.3%的阿昔洛韦受试患者症状完全消失，症状持续时间的中位数为4.9 d；相较于阿昔洛韦受试患者出现腹泻、头痛、恶心等不良反应，褪黑素联合SB-73制剂受试患者仅出现嗜睡的不良反应[18]。

3 褪黑素的抗病毒机制

褪黑素可通过直接影响病毒的复制、调节宿主免疫反应、抵抗病毒感染造成的氧化损伤等方面发挥抗病毒作用。

3.1 抑制病毒增殖 研究发现，褪黑素可以通过影响病毒粒子的感染过程直接抑制病毒的复制。Morchang等研究发现，在登革热病毒(Dengue virus，DENV)攻毒前或攻毒同时进行褪黑素处理均无法影响病毒的增殖，但在攻毒后2～14 h进行褪黑素处理，病毒滴度显著下降，细胞中DENV RNA和NS1蛋白表达显著减少[19]。Zhai等发现，褪黑素尽管不能直接杀灭TGEV、PEDV、PDCoV病毒粒子，也不能影响病毒粒子粘附于细胞，但可以使内化效率降低60%以上[2]。

3.2 免疫调节作用 褪黑素可直接影响免疫器官的重量和免疫细胞的数量。Haldar等通过连续60 d皮下注射褪黑素使仓鼠胸腺、脾和肠系膜淋巴结的重量增加，胸腺皮质和髓质中胸腺细胞的密度增加，并提高了外周血中白细胞总数和淋巴细胞计数[20]。褪黑素对禽类的免疫器官也能起到相似的效果，注射褪黑素能增加鸡外周血中白细胞总数，还能显著提升T细胞和B细胞的活性以及异嗜性细胞的吞噬能力[21]。

褪黑素对免疫的调节作用主要通过调节炎性因子的分泌实现。褪黑素可增强T细胞的抗原递呈能力，增加MHC Ⅱ类分子的表达，促进IL-1和TNF-α的释放。使用褪黑素治疗的VEEV感染小鼠的血清中IFN-γ水平显著提高，IL-1β水平是感染后未治疗小鼠的8倍[22]。有趣的是，褪黑素可有效地抑制先天免疫反应的放大，中和高表达的促炎因子，因此在机体发生“细胞因子风暴”等过度的炎症反应时，褪黑素又表现出抗炎的作用。褪黑素可缓解由脂多糖诱导引起的急性肺损伤中出现的肺充血、肺水肿、中性粒细胞浸润等病理损伤，降低肺组织中IL-1β以及外周血中IL-8的水平[23]。在人乳头瘤病毒(Human papillomavirus,HPV)阳性患者宫颈黏液中，IL-6和IL-8的升高与褪黑素的浓度降低有关[24]。在RSV感染时，褪黑素治疗可显著抑制小鼠血清中TNF-α的产生[16]。在使用含褪黑素的BVDV疫苗免疫后，感染小鼠体内促炎相关因子IL-1β和IL-6水平显著降低，IFN-α和IFN-β等抗病毒相关细胞因子水平显著升高[6]。

3.3 抗氧化作用 自由基是机体新陈代谢的产物，免疫细胞在吞噬异物的过程中会通过自由基机制将其清除。但当炎症反应过强时，·OH、次氯酸(Hypochlorous acid,HOCl)、亚硝酸根阴离子(ONOO-)等自由基可对细胞产生极大的氧化损伤作用，氧化应激损伤是造成病毒感染时组织器官损伤的重要原因之一。褪黑素是一种强大的抗氧化剂，不仅能直接清除包含·OH、ONOO-、NO在内的活性氧(Reactive oxygen species,ROS)和活性氮(Reactive nitrogen species,RNS)，对SOD、过氧化氢酶(Catalase,CAT)、谷胱甘肽还原酶等抗氧化酶的活性具有增强作用，还能提高GSH的合成，从而增强机体抵抗自由基损伤的能力[25]。褪黑素可抑制急性肺损伤时一氧化氮合酶(Nitric oxide synthase,NOS)的活性[26]，抑制RSV感染时ROS和RNS的升高，提升SOD和GSH的活性[16]。

褪黑素的抗氧化作用还表现为通过维持线粒体的稳态对细胞凋亡以及自噬进行调控。NaveenKumar等发现，褪黑素可通过提升内源性谷胱甘肽的水平维持中性粒细胞氧化还原系统的平衡，从而抑制由于氧化应激引起的中性粒细胞的凋亡[26]。Ouyang等发现，褪黑素可改善线粒体功能障碍，缓解内质网应激，从而抑制柯萨奇病毒B3引起心肌细胞的凋亡[27]。在激活自噬方面，褪黑素表现出不同的功能，San-Miguel等发现，在RHDV感染时褪黑素对细胞的自噬和凋亡均起到抑制作用[3]，但Jeong等发现，在朊病毒感染以及其他神经退行性疾病中，褪黑素可以通过调节细胞自噬的发生保护线粒体功能和预防神经毒性造成的损伤[28]。

4 展望

褪黑素由于其具有的抗氧化损伤和免疫调节功效受到了广泛关注，是一种潜在的辅助治疗药物。目前，关于褪黑素在新型冠状病毒肺炎方面的临床研究已有10余项正在进行中[29]。相比于传统药物，褪黑素具有易于合成、安全性高的特点，有研究显示，在动物试验中给予高达800 mg/(kg·bw)褪黑素的情况下仍未见任何急性毒性效应[30]。深入探究褪黑素使用适应症、剂量、时机、持续时间等可为病毒感染性疾病的治疗开辟新思路。