褪黑激素治疗骨关节炎的作用研究探析

林艳铭 涂海水 金灵璐 叶锦霞 黄艳峰 马德尊 付长龙

【摘 要】 骨关节炎是一种常见的退行性全关节疾病，其发病机制为软骨细胞密度降低、细胞外基质合成与分解代谢失衡、异常炎症信号转导和过度氧化应激反应。褪黑激素及其衍生物是一种高效的自由基解毒剂和广谱抗氧化剂，具有抗氧化、抗炎症反应和抗衰老作用，通过调节多种分子信号，能够针对骨关节炎的发病机制发挥保护作用。总结褪黑激素介导其作用对骨关节炎发病机制的影响，旨在为褪黑激素临床治疗骨关节炎提供支持。

【关键词】 骨关节炎；褪黑激素；软骨细胞；细胞外基质；发病机制

骨关节炎（osteoarthritis，OA）是一种常见的复杂慢性退行性全关节疾病，主要临床症状有慢性关节疼痛、关节肿大、短暂性晨僵及活动受限。OA给个人及社会造成了严重的负担［1］。在OA病情发生、发展过程中，软骨细胞凋亡、基质金属蛋白酶（MMPs）、细胞因子、信号通路、基因、年龄、肥胖、糖尿病、性激素水平等致病因素破坏软骨细胞外基质（ECM）［2］，导致软骨细胞无法保持代谢平衡和稳定性，组织破坏与修复不平衡，软骨成分及其结构发生改变，造成异质性、不可逆性损害。

褪黑激素（melatonin，MLT）是一种主要在松果体中产生的神经内分泌激素吲哚胺，其通过调节膜受体和核结合位点协同工作，发挥许多受体非依赖性作用［3］。相比于目前指南中用于治疗OA的药物，如糖皮质激素和非甾体抗炎药等，MLT作为治疗OA的一种新型低风险药物，广泛、安全、有效，几乎没有不良反应［4］。本文对近年来MLT治疗OA的研究进展进行总结，希望对未来全面研究MLT抗关节炎疗效有所帮助。

1 MLT的合成及药效研究

松果体细胞摄取血液循环中的色氨酸，在线粒体基质中，由色氨酸羟化酶作用形成5-羟基色氨酸，其次由芳基烷基胺-N-乙酰转移酶转化为N-乙酰血清素，最后通过乙酰血清素O-甲基转移酶的作用合成MLT［5］。MLT具有维持软骨基质的合成及降解平衡、调节昼夜节律、抑制软骨细胞凋亡、减少炎症反应、减少细胞衰老、广谱抗氧化等作用［3］。

2 MLT对OA的作用机制研究

2.1 维持软骨ECM稳态 在OA病程进展中，关节软骨组织损坏，多种分子通路调节紊乱，破坏软骨ECM稳态平衡，随后软骨ECM通过基质成分、可溶性介质（主要包括生长因子和细胞因子）、机械负荷等生物、物理因素驱动信号，与软骨细胞传导信息，从而调节软骨细胞的功能活动［6］。软骨ECM由软骨细胞合成并更新，主要由Ⅱ型胶原和聚集蛋白聚糖构成，在OA发展中，软骨细胞对这些基质成分的调节功能受损［7］，破坏ECM的结构和特性。LU等［3］研究证明，在软骨分化过程中，通过MLT处理基质成分糖胺聚糖和Ⅱ型胶原蛋白，能促进骨髓间充质干细胞分化为软骨细胞。同时，转化生长因子-β（TGF-β）也能够调节ECM沉积，通过上调TGF-β的表达，促进ECM成分（多种胶原蛋白、纤维结合素、蛋白聚糖等）合成［8］。PIEKARSKA等［9］证明，MLT能够通过调节TGF-β信号通路，激活自噬过程相关的蛋白质表达，减少氧化应激反应，促进ECM的富集，延缓OA疾病进展。此外，在OA发病机制中，机械负荷可影响软骨细胞代谢失调，诱导ECM降解。因此，新型对抗OA的策略能够通过抑制促使軟骨ECM降解的成分来开发。其中，MMPs和含血小板结合蛋白基序的解聚蛋白样金属蛋白酶（ADAMTS）几乎能够水解ECM中各种胶原蛋白，破坏基质微环境，促进ECM降解［7］。ZHANG等［10］证明，MLT可以通过下调MMP-9、MMP-13、ADAMTS4和ADAMTS5的表达水平调节ECM重塑，保护ECM免受降解。另外，脑和肌肉芳香烃受体核转运样蛋白1（Bmal1）作为核心时钟基因，直接调节与软骨基质再生相关的昼夜节律表达，而MLT的合成符合明确的昼夜节律，通常与人类昼夜节律、睡眠有关［7］。FU等［11］证明，MLT改变Bmal1的节律性表达，促进ECM成分合成，维持软骨ECM稳态。

2.2 抑制软骨细胞凋亡 软骨细胞凋亡是OA发展的主要特征之一，包括软骨细胞数量减少和软骨基质合成的抑制［7］。软骨细胞在ECM大量减少下进行增殖，以及活性氧（ROS）产生的增加引起氧化应激，保护机制减少，最终诱导软骨细胞凋

亡［3］。ZHANG等［12］证明，MLT以剂量依赖性方式减弱终板软骨细胞的凋亡，并揭示MLT治疗显著下调了胱天蛋白酶-3，这是细胞凋亡级联反应过程中的关键调节因子。FENG等［13］进一步证明，MLT下调促凋亡蛋白和上调抗凋亡蛋白的表达，抑制胱天蛋白酶-3水平，从而保护软骨细胞免受凋亡。QIN等［14］通过刺激人原代软骨细胞，证明MLT促进软骨细胞中沉默信息调节因子2同源蛋白1（SIRT1）的表达，减弱软骨细胞的凋亡，从而缩短OA病程。

2.3 抑制滑膜细胞衰老 衰老的滑膜细胞可通过增加参与细胞衰老过程的细胞周期蛋白表达，促进软骨功能障碍，加速OA的病理过程［15］。滑膜细胞可合成透明质酸，分泌促炎因子和抗炎因子，共同维持ECM稳定。透明质酸可与其他成分形成蛋白多糖集聚体，是软骨ECM的重要成分，可改善关节软骨的活性［16］。HAN等［17］研究发现，MLT可降低细胞周期蛋白的表达，增加透明质酸的生成，抑制滑膜细胞衰老，从而延缓OA病情进展。有关MLT与滑膜细胞衰老的研究尚在初步阶段，还需后续进一步探究。

2.4 减少炎症反应 OA炎症反应可产生大量的炎症介质，主要包括肿瘤坏死因子-α（TNF-α）、白细胞介素-1β（IL-1β）、一氧化氮（NO）和前列腺素E2（PGE2）等，促进炎症反应发生，导致细胞代谢活动紊乱，抑制软骨细胞和软骨ECM合成，从而增进OA病程［7］。MLT均通过直接或间接抑制核转录因子-κB（NF-κB）信号通路而激活，发挥抗炎性抑制炎症反应［3］。LIU等［18］证明，MLT通过MLT受体1对促炎细胞因子产生抑制作用，抑制了OA的进程。HUANG等［19］证明，MLT通过ERK途径抑制IL-1β和TNF-α的产生，逆转OA的发生。LIM等［20］证明，MLT以剂量依赖的方式抑制NO和PGE2蛋白表达，发挥抗炎作用，延缓OA进程。此外，在OA发展进程中，NOD样受体热蛋白结构域相关蛋白3（NLRP3）炎症小体为一潜在诱导因子，可产生多种促炎介质，如IL-1β、TNF-α，促进炎症反应。因此，CHEN等［21］证明，MLT通过抑制NF-κB信号通路表达降低NLRP3和IL-1β水平，减少炎症反应，改善OA发展。

2.5 抗氧化作用 ROS过多积累产生氧化应激反应，导致软骨细胞凋亡、软骨细胞自噬调节缺陷、转录后调控等破坏软骨细胞、软骨基质和DNA氧化损伤，从而促进OA的进展［22-23］。JAUHARI等［24］证明，MLT通过减弱线粒体ROS的积累抑制炎症反应。LU等［4］证明，MLT直接抑制ROS，激活抗氧化酶系统。超氧化物歧化酶（SOD）、谷胱甘肽过氧化物酶（GSH-Px）是线粒体中的抗氧化酶。ZHANG等［7］证明，MLT上调SOD2抑制IL-1β、TNF-α诱导的ROS。戴政文等［25］证明，通过升高SOD、GSH-Px含量，从而抑制软骨细胞氧化应激及细胞凋亡。过氧化氢（H2O2）可促进软骨细胞凋亡和降解ECM成分，是OA进展中的重要介质［7］。LIM等［20］研究证明，MLT显著抑制H2O2刺激的细胞毒性，且抑制NO和PGE2的表达，能有效减轻OA软骨ECM降解。核因子红系2相关因子2（NRF2）通路、叉头框转录因子O（FOXO）信号通路及SIRT1通路等是参与OA进程中氧化还原的信号通路［23］。NRF2通路可调控氧化应激反应，促进抗氧化酶合成，减少细胞衰老［26］。ZHOU等［27］证明，MLT通过激活NRF2通路上调抗氧化酶表达，减少ROS，促进软骨ECM合成。FOXO可抗氧化应激、促进软骨细胞生长和软骨ECM合成［28］。左斌等［29］证明，MLT能够抑制FOXO1乙酰化，减轻炎症反应，从而改善OA。SIRT1在OA进展中发挥抗炎症、抗氧化应激、抗凋亡的作用，维持软骨ECM稳态［30］。GUO等［31］证明，MLT通过抑制SIRT1依赖性信号表达，有效减少MMPs产生，表现出对OA的保护作用。总之，MLT及其衍生物具有高效自由基解毒性和广谱抗氧化性，能够通过提高谷胱甘肽和抗氧化酶的活性及有效表达，清除ROS的自由基［32］，减少氧化应激反应，从而维持软骨稳态平衡。

3 小结与展望

MLT具有抗炎、抗氧化、抗衰老、调节昼夜节律等作用，能够减少OA炎症反应和氧化应激反应、抑制软骨细胞凋亡、促进软骨细胞增殖、维持软骨ECM的合成和分解代谢平衡，从而维持软骨稳态平衡，对OA的病程进展产生重要影响。本文综述了MLT介导其作用针对OA发生、发展的复杂调节机制。但MLT作为一种广泛的、多功能的分子，作用机制异常复杂，例如涉及到抗氧化、抗炎症、抗衰老相关的ceRNA或其他调控途径（MLT对OA进展中滑膜淋巴系统、铁死亡、铜死亡的作用等）的深层次作用机制仍需进一步探讨；其次，MLT治疗OA尚缺乏科学、规范的临床试验研究，需要进一步探究。

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收稿日期：2023-09-15；修回日期：2023-10-26