褪黑素的研究进展及对肾脏的保护作用

邹经纬 凌月福

[摘要] 研究发现褪黑素具有广泛的生物学作用，对生物的昼夜节律、心血管循环系统、呼吸系统、泌尿系统和性成熟及生殖、免疫调节、抗氧化、抗肿瘤及衰老、眼部疾病等均具有重要调节作用。本研究对褪黑素的合成分泌、生物特性、作用机制等的研究进展以及对肾脏疾病的保护作用和临床应用前景进行逐一综述。

[关键词] 褪黑素；研究进展；肾脏；保护作用

[中图分类号] R-1；R34 [文献标识码] A [文章编号] 2095-0616（2013）05-51-04

褪黑素（melatonin，MLT）作为松果体分泌的激素之一，具有抗氧化作用，能保护细胞核DNA、膜脂质、细胞质蛋白等生物大分子免受氧化损伤，是目前已知的具有抗氧化作用的自由基清除剂[1]。本研究正是基于对褪黑素的最近的研究进展来对其特性进行全面的认识，从而探讨其在临床上对肾脏的抗氧化保护作用。

1 褪黑素

1.1 褪黑素的发现

褪黑素又名褪黑素、松果体素，化学名为N-乙酰-5-甲氧色胺，是脊椎动物脑中松果体腺（pineal gland）细胞合成和分泌的有较高生物活性的内源性吲哚类激素，一致被认为是地球上最古老的生物信号之一。早在1917年就有人观察到蛙吃了牛松果体后其皮肤色泽会变白、变浅，Mc Cord和Allen于1958年也观察到，如果将牛松果体提取物加入到蝌蚪的培养液中，蝌蚪的颜色也会变浅、变白，首次揭示了由松果腺细胞合成MLT的生物活性，开创了世界研究此物质的先列。后来Lerner于1959年首先从牛的松果体提取物当中纯化出来一种物质，并确定了其结构和生物学活性，并首次命名为MLT，标志着对MLT研究的真正开始。

1.2 MLT的合成

研究发现哺乳动物和人类的松果体虽合成但不储存褪黑素，当下丘脑视交叉上核（SCN）接受神经信息发放刺激信号后刺激机体交感神经细胞，其末梢会释放去甲肾上腺素，它可以与松果体腺细胞膜上的肾上腺素能受体结合，继而激活腺苷酸环化酶使细胞内的环腺苷酸升高，后又经色氨酸-5-羟化酶、芳香-L-氨基酸脱羧酶、N-乙酰转移酶和羟基吲哚-O-甲基转移酶等催化最终生成了褪黑素。而在整个催化生成褪黑素的过程过，芳香烷基胺N-乙酰转移酶（AANAT）则起到了褪黑素生物合成通路上的重要限速酶的作用，它的活性的高低可以直接影响褪黑素生成量的多少。有研究显示，羟甲基吲哚-氧-甲基转移酶（HIOMT）仍可能参与调节褪黑素的合成节律，尤其是在影响光周期/季节对褪黑素夜间缝制的调控方面可能发挥重要作用[2]。

1.3 MLT的代谢

MLT的血浆半衰期很短，约为10 min，其代谢主要在肝和脑中进行。MLT合成后便迅速进入血液系统，与血浆蛋白结合，所含吲哚基团被水解并与硫酸结合，其中在肝实质细胞中，MLT在肝微粒体羟化酶的作用下生成6-羟基褪黑素，其中的70%～80%与硫酸根结合，然后5%则与肝细胞中的葡萄糖醛酸结合，最终以62-SMT的形式经肾脏排出。在松果体、脑室脉络丛和大脑中，2，3-双加氧酶对褪黑素进行分解代谢，最终生成L-犬尿氨酸。另外，视网膜中5-甲氧基色氨、5-甲氧基吲哚乙酸和5-甲氧基色醇分别是褪黑素脱去乙酸基、氨基后的最终生成物。

1.4 MLT的转导途径

在发挥生物学效应之前，作为激素之一的褪黑素必须首先分泌到体液中并以体液为媒介，然后与靶细胞、器官或组织中的特异性受体结合，经过下游一系列的细胞信号转导过程，后证明此信号的转导途径是通过抑制性G蛋白偶联受体介导，当配体与受体结合后，受体分子构象发生变化，引起对G蛋白的结合和激活，通过G蛋白效应器：腺苷酸环化酶（AC）、磷脂酶C（PLC）、磷脂酶A2（PLA2）和磷酸二酯酶（PDE）的作用催化生成或分解第二信使，整个过程主要通过受体-G-AC途径、受体-G-PLC途径等途径，最终在机体细胞当中起到高效能的生物活性作用。

1.5 MLT的受体范围

经长期研究发現，生物体组织和器官中广泛分布着褪黑素受体，随着人类对褪黑素研究进展的不断深入，测定MLT受体的研究方法也在不断更新，从最初Kopin等于1961年用合成氚标记MLT[3H-MLT]，到后来Vakkuri等在1984年在MLT的化学结构C2位置上使用碘标记应用放射配体结合法进行了研究，后来125I-MLT进行标记实验成功的应用，从而使对外周组织MR的检测成为了可能。Repper等人克隆出了哺乳动物体内两种MR的受体亚型即MR1和MR2，从此，对MR进入了分子生物学的研究领域。研究发现，125I-MLT的最高的亲和位点在生物体的下丘脑视交叉上核的（SCN）的位置，而受体密度最高的地方则出现在垂体的结节部。人体内其他组织器官上也都有MLT受体的高表达，Slominski等[3]发现在人皮肤组织角质细胞、黑素细胞、成纤维细胞及毛囊均存在特异的褪黑素受体。人类皮肤中褪黑素受体（MLT1、MLT2）均有表达，但MT1的表达占优势[4]。另外，实验还发现在人的胚胎、心、肝、肺、肾、睾丸、前列腺及膀胱等组织中都有MRI受体的高表达，为以后对MLT在人体广泛的研究提供了理论依据和实证。

1.6 MLT生物学特性概述

长期以来，人们认为褪黑素的生物作用主要是调节昼夜节律、睡眠觉醒生物节律相位转换，改善睡眠，作为松果体分泌的激素之一，MLT具有对生物的昼夜节律、性成熟及生殖、衰老、免疫反应、肿瘤、氧化应激等均有调节作用[5]。

当外界的一些信号，比如光照等可以通过MLT向机体传达关于昼夜节律的信息，而这些信息则用于机体一些生物节律的调节和控制，从而产生内分泌和神经内分泌效应来启动机体激素和神经激素的合成与分泌，刺激免疫系统清除自由基，维持机体内其它激素的正常水平，从而预防心血管、呼吸、消化、泌尿、生殖、神经等系统及其他一些器官的功能紊乱，最终来维持机体的正常生理性活动。

2 褪黑素的生物节律特性

新近的研究表明，MLT具有明显的昼夜节律性[6]。MLT分泌的节律性在许多生物学进程的时限控制方面发挥着关键的作用，其中最重要的是对新陈代谢的影响[7]。它对生物体各项生理机能正常运转提供了内在的规律性，使得机体能够在属于自己的正常的内环境当中进行新陈代谢，表现出随外界自然环境的变化而调节自身的生物节律，从而与其相适应达到人与自然的和谐生存。当正常的机体受到外界环境当中某些外源性的刺激时，机体的生物节律就会相应进行调整出现一些变化。研究表明，光照、温度、饮食、社会因素、多种化学物质（如激素、维生素、氨基酸、血清等）对近日节律都具有重新调节设置的作用[8-10]。

研究表明，人和哺乳动物在正常的生理状态下，血清当中MLT的分泌呈现“日低夜高”的节律性波动，一天当中午夜2：00～3：00分泌的最高峰。研究还发现，在高龄人群当中，随着松果体的钙化程度的增加褪黑素的生物合成和分泌的速率则呈相对应的下降趋势，说明MLT与年龄的大小密切相关。这种规律性的变化与外界环境光照也密切相关，是影响其分泌的主要因素之一，黑暗促进其分泌，光照抑制其分泌。大量研究证明[11-12]在生物体中，松果体能根据外界光照产生分泌调节。在整个调节过程中松果体腺细胞可以将接收的光信号进行换能后转换为机体内的神经分泌信号，由其所分泌的褪黑素在对下位接受神经分泌信号的靶器官的调节过程中，可以形成各种相应的生理效应，从而表现出身体机能的相应反应和表达。由此表明，在褪黑素作用于生物体表现出的生物节律性过程当中，外源性光照刺激对褪黑素的分泌和表达起到了重要的调节作用。

3 机体内的自由基

正常人体每天在新陈代谢下都会产生大量自由基，尤其是在应激状态下，体内产生的自由基就会明显增加。自由基是机体细胞呼吸及正常代谢过程中产生的高活性分子，具有一定的生理作用，如杀灭微生物、清除衰老死亡的细胞和肿瘤细胞以及参与炎症反应等。当机体处于氧化应激时，如果自由基释放过多或是机体清除自由基的能力下降，自由基就会损伤正常组织器官细胞内的脂质、蛋白质、核酸等主要物质，最终结果通过坏死或凋亡的方式引起细胞死亡，此过程也是临床上许多疾病重要病理反应过程。

自由基引起机体缺血-再灌注损伤的机制如下：（1）膜脂质过氧化增强：自由基通过破坏膜的正常结构、间接抑制膜蛋白功能、促进自由基及其他生物活性物质生成、减少ATP生成等途径。（2）蛋白质功能受抑制：在自由基的作用下，细胞结构蛋白和酶的巯基氧化形成二硫键，氨基酸残基氧化，胞浆及膜蛋白和某些酶交联形成二聚体或更大的聚合物，直接损伤蛋白质的功能。（3）核酸及染色体破坏：自由基对细胞的毒性作用主要表现为染色体畸变、核酸碱基改变或DNA断裂。这种作用80%为OH.所致，因OH.易与脱氧核糖核酸及碱基反应并使其结构改变。

4 肾脏缺氧缺血时的变化

氧是生命活动中的必需物质，在机体内主要由血液携带和血液循环运输。当组织供养减少或者利用氧障碍时就会引起细胞代谢、功能和形态结构发生异常变化，此病理过程称为缺氧。缺氧是造成细胞损伤的最常见原因之一，存在于多种疾病的病理过程当中。机体可以代偿组织当中的轻度缺氧，但是当长期慢性缺氧时机体失去代偿能力时，此时会出现细胞的功能和代谢紊乱，甚至是组织结构的破坏。人体内的各个器官对缺氧的耐受性也不尽相同，缺氧的最初，心和脑组织中会生成大量的乳酸、腺苷等扩血管物质，同时由于对缺氧高敏感的心脑血管平滑肌细胞膜的钾离子和钙离子通道开放，钾外向电流增加导致细胞膜去极化增强，钙离子内流减少，血管平滑肌松弛导致血管扩张，从而为心、脑等主要生命器官提供更多的氧量。

由于在肾脏血管中含有较高密度的α-肾上腺素能受体，对儿茶酚胺敏感性较其他组织和器官高，导致肾脏血管收缩明显，供血量明显减少，更加剧了肾脏的缺氧状态，形成了肾脏缺氧缺血的恶性循环。长期的缺氧状态下，细胞膜在钠离子内流、钾离子外流和钙离子内流的机制下导致损伤，钙离子内流的增加可激活磷脂酶促进膜磷脂的降解的增加，从而进一步对细胞膜和细胞器膜造成了不可逆的损伤，促进氧自由基的生成，自由基的生成则更加剧了对细胞的破坏过程。在严重的缺氧状态下，细胞内线粒体利用氧障碍，分别在氧化应激、钙稳态紊乱、线粒体结构受损的机制下ATP生成进一步减少，线粒体肿胀、崩解、外膜破裂和基质外溢。恶性循环当中，由于酸中毒和钙超载激活磷脂酶，细胞内溶酶体的稳定性也随之降低，通透性增加，溶酶体膜破裂，溶酶体酶随之进入血液循环，从而造成肾脏更加广泛的细胞损伤。

研究发现，肾脏在缺氧缺血状态下，如果能够对其及时进行血液再灌注，部分患者可以使肾脏组织器官功能得到恢复，损伤的组织结构也可以得到修复，但有时缺氧缺血再灌注后组织和器官的功能结构不但没有恢复，反而使其功能障碍和结构损伤的情况加重，甚至出现不可逆的损伤现象我们称之为缺血-再灌注损伤（ischemia-reperfusion injury）。腎脏缺血-再灌注损伤时经黄嘌呤氧化酶形成增多、白细胞聚集激活并介导细胞核微血管损伤、线粒体功能受损、儿茶酚胺增多并氧化、钙超载、炎症反应等机制导致肾脏代谢紊乱、功能障碍和结构损伤变化，可观察到细胞线粒体高度肿胀、变形、排列紊乱甚至崩解、空泡形成等，其中以急性肾小管坏死最为严重，进一步可发展为急性肾功能衰竭（CRF），CRF是多种慢性肾脏疾病迁延不愈，最终肾功能严重受损，代谢及水电解质和酸碱平衡失调引起的全身多器官和系统损害的一种临床综合征。患者血清中肌酐、血尿素氮（BUN）、血β2-微球蛋白等关于肾小球、肾小管功能的相关因子增多，尿中α1-微球蛋白、尿β2-微球蛋白含量也会增加，肾组织髓过氧化物酶（MPO）、丙二醛（MDA）、琥珀酸脱氢酶（SDH）、乳酸脱氢酶（LDH）等酶也都有明显的变化。

5 褪黑素对缺氧缺血性肾脏的保护作用

5.1 褪黑素清除自由基的機制

研究显示，褪黑素作为强效抗氧化剂，对5/6肾切除所致的慢性肾衰竭大鼠模型有改善肾功能、缓解残肾肾间质纤维化和延缓肾小球硬化的作用[13]。褪黑素的主要的药理作用是清除自由基，所作用的反应是一种不可逆的抗氧化反应，其在被氧化过程中所产生的各级中间代谢产物都有显著的抗氧化的能力，有的产物本身的作用甚至超过MLT本身，能够形成逐级放大的抗氧化效应，即使少量的MLT就可达到显著的抗氧化效应。MLT可有效清除机体化学反应中产生的氧自由基，亦可抑制过氧化氢引起的过氧化脂质含量的升高，且MLT清除过氧化脂质的作用较维生素E，谷胱甘肽（GSH）、甘露醇均强，分别是维生素E、谷胱甘肽和甘露醇的2倍和5～14倍。

研究发现，褪黑素具有脂溶性和水溶性，很容易进入细胞和亚细胞器，可直接淬灭ROS，能保护细胞核DNA、膜脂质、胞质蛋白等生物大分子免受氧化损伤，使SOD、谷胱甘肽过氧物酶（GSH-Px）等抗氧化酶的生成增加和活性增加[14]，减轻肾脏病理损伤，保护肾脏，与文献报道相一致[15]。研究表明，MLT抗自由基机制主要有两种：一方面MLT可直接清除最具危害性的OH；另一方面MLT可以通过增强机体自由基清除系统的能力从而发挥其抗自由基的作用，从而抑制细胞死亡或凋亡的发生。

5.2 褪黑素的抗炎作用

当机体受到外源性和内源性的损伤因子的攻击破坏时，机体此时就会发生一系列复杂的以防御为主的反应，称之为炎症。很多炎性因子比如，IL-1、8，TNFα、β等都参与了炎症反应的介导过程。研究发现MLT在有抗氧化作用的同时，还具有显著的抗炎作用[16-17]。Carrillo等[18]报道，在感染性休克的大鼠模型中，通过腹腔注射MLT可以提高抗炎因子L-10的释放，降低TNF-α、IL-12浓度，增加其生存率。

6 展望

动物实验研究显示，长期慢性缺氧导致肾脏在缺血再灌注的早期即出现肾小球和肾小管功能的损害，临床上急性肾衰竭的病死率较高，降低了人们的生活质量并且对人类的健康和生命构成了严重威胁。MLT是体内由松果体分泌的一种重要的神经内分泌激素，研究证明褪黑素具有强抗自由基氧化功能。褪黑素对肾脏损伤的保护作用与其抗氧化、抗炎和改善血液流变学化有着密切的关系，近年来在对肾脏缺氧状态下造成的缺血-再灌注损伤的研究中取得的研究进展中获知MLT作为高效的抗氧化剂和自由基清除剂对肾脏缺血-再灌注损伤有着重要的保护作用。从以上研究得知，褪黑素所表现出来的生理功能多样性和使用安全性的特点，在以后的临床研究上将有着重要的应用价值和广泛的前景。

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（收稿日期：2013-02-18）