褪黑素对血脑屏障的保护

郑军

（山西职工医学院护理系，山西太原 030001）

褪黑素对血脑屏障的保护

郑军

（山西职工医学院护理系，山西太原 030001）

褪黑素是色氨酸在松果体内经一系列酶催化合成的强抗氧化剂，主要功能是调节昼夜节律、控制血管舒缩等。血脑屏障保证机体大脑选择性的进行血液与神经系统之间的物质交换，褪黑素可以保护血脑屏障。本文综述了在不同病理条件下褪黑素能通过抗炎、抗氧化应激途径对血脑屏障发挥保护作用的具体分子机理，将为深入研究血脑屏障保护提供重要理论基础，为患者治疗提供可靠依据。

褪黑素；血脑屏障；脑保护

1 褪黑素的生理功能及调控

1.1 褪黑素的作用

褪黑素化学名称为N-乙酰基-5-甲氧基色胺，是一种吲哚类神经内分泌激素。1958年，Lerner首次在松果体中发现了褪黑素，并且由于该种物质能使两栖类动物的皮肤褪色，将这种松果体激素称为褪黑素。

褪黑素的主要功能是调节昼夜节律、控制血管舒缩等，能够清除自由基并且上调抗氧化信号通路而发挥直接和间接抗氧化作用，褪黑素及其代谢物也具有重要的免疫调节，抗氧化性能[1]。目前，褪黑素在神经退行性疾病领域也被广泛研究。

1.2 褪黑素的分泌与合成

在哺乳动物中，内源性的褪黑素主要是由松果体分泌，其他组织也可以合成褪黑素，如视网膜、哈德氏腺、肠等。内源性褪黑素的合成主要受昼夜节律有规律的调节，其合成时间主要是在夜间，合成的持续时间与暗周期的长度有关。在哺乳动物中，松果体褪黑素合成由位于下丘脑的视交叉上核（SCN）中的主昼夜节律起搏器控制。SCN通过经由cAMP-CREB途径的涉及芳基烷基胺N-乙酰转移酶（AANAT，褪黑激素合成的关键调节酶）的活化的交感途径控制松果体褪黑素合成的时间。

内源性的褪黑素是色氨酸在一系列酶的催化下合成的。在色氨酸羟化酶（TPH）作用下色氨酸转变为5-羟色氨酸，然后在芳香氨基脱羧酶（5-羟色胺脱羧酶，5-HTPDC）作用下催化为5-羟色氨（5-HT），接着5-HT经过褪黑素合成的限速步骤，在N-乙酰基转移酶（NAT，又称AANAT）作用下转变成N-乙酰-5-羟色胺，该限速步骤主要发生在松果体中。最终在羟基吲哚-氧-甲基转移酶（HIOMT，也称为ASMT)的作用下转变为褪黑素，褪黑素合成过程中的限速酶是AANAT，关键酶是HIMOT。

1.3 褪黑素的代谢途径

褪黑素有两条主要的代谢途径，分别为羟化通路、吡咯环断裂通路。在人体中，1/3的褪黑素是通过吡咯环断裂通路代谢的，即褪黑素在髓过氧化物酶（MPO）以及吲哚胺-2,3-双加氧酶（IDo）等酶的作用下催化代谢；或在氯高铁血红素或自由基的作用下发生吡咯环断裂，代谢成具有抗氧化作用的犬尿胺类化合物以及经芳胺甲酰化酶（arylamine formamidase）去甲酰化，进而生成更稳定的N-乙酰基-5-甲氧基-犬尿氨[2]。

在经典的羟化代谢途径中，60%的褪黑素被肝细胞色素酶水解成6-羟褪黑素，再经过转磺酸基酶或者葡萄糖醛酸转移酶的进一步催化作用，最终经尿液排出。当然也有极少量的褪黑素形成其他羟化物或者直接以褪黑素形式排出。

1.4 褪黑素的受体

1961年，Kopin等人首先合成了氚标记Mel（3H-Mel）研究了褪黑素受体在体内的分布，褪黑素的受体有两大亚型，褪黑素受体1（Melatonin receptor 1，MR1）和褪黑素受体2（Melatonin receptor 2，MR2），两大亚基具有60%的同源性。MR1、MR2在许多器官和组织中都有表达，因此褪黑素能调节许多生理以及病理方面。褪黑素受体在视网膜、交叉上核（SCN）、室旁核（PVNT）、四叠体（sc）、结节部（PT）、肾脏、睾丸以及脑内分布较广。已有文献报道褪黑素受体（MR）也存在于外周血白细胞中也存在。

1.5 褪黑素与年龄

褪黑素具有年龄相关性，会随着年龄的增加合成与表达都逐渐降低。幼儿期间褪黑素在体内水平达到最高，在老年期间褪黑素的水平降到最低。在许多高龄老年人中，褪黑素在夜间的分泌几乎不存在。

2 血脑屏障（BBB）的结构与功能

2.1 血脑屏障的结构

血脑屏障（Blood Brain Barrier，BBB）主要由紧密连接蛋白相连的内皮细胞、星形胶质细胞终足、基底膜以及周细胞组成。

2.1.1 内皮细胞

内皮细胞在BBB中发挥非常重要的作用，内皮细胞构成的屏障线是阻碍有害物质从血液进入大脑的关键因素。血脑屏障内皮细胞与其他组织的内皮细胞有明显的不同，其无窗口结构、少有吞饮小泡，同时收缩蛋白也很少，主动转运的能力也降低。已有文献报道，在周围没有星形胶质细胞存在的情况下，来自两栖类的脑毛细血管仍然具有高电阻。内皮细胞与周围其他细胞的交流，增强了血脑屏障功能，从而维持适当的大脑内稳态。相邻的内皮细胞之间主要靠紧密连接蛋白紧密相连，包括跨膜蛋白（Claudins,Occludin）、骨架蛋白（Actin filament）、锚定蛋白（ZO-1）[3]。其中跨膜蛋白Claudins家族和Occludin家族是两个最重要的成员。该结构构成了血脑屏障的第一层结构。

2.1.2 基底膜

基底膜也是BBB组成的必需部分，其围绕脑内皮细胞并且包围周细胞，固定细胞并且与周围的细胞建立联系，构成血脑屏障的第二层结构。基底膜是由不同的胞外基质分子类型构成，靠内皮细胞、周细胞和星形胶质细胞合作产生和维持基底膜结构。基底膜上有结构蛋白（胶原和弹性蛋白），特化蛋白（纤连蛋白和层粘连蛋白）和蛋白聚糖。基底膜还包括细胞的基质粘附受体，当基底膜被破坏时能够改变内皮细胞的细胞骨架，从而影响紧密连接蛋白和血脑屏障的完整性。已有文献报道，基质金属蛋白酶（MMP）能够破坏基底膜，这导致紧密连接蛋白的破坏进而影响血脑屏障完整性[4]。

2.1.3 星形胶质细胞终足

星形胶质细胞的末端是构成血脑屏障的第三层结构，星形胶质细胞的粗大末端凸起形成紧密附着于血脑屏障内皮细胞和基底膜的终足，相邻的星形胶质细胞终足之间有裂缝并且间断，只包绕85%左右的血管表面，通过与内皮细胞以及基底膜的相互作用起到对血脑屏障的保护作用[5]。即星形胶质细胞不直接参与BBB的保护。

2.1.4 周细胞

周细胞属于血管的平滑肌系，是构成血脑屏障的重要部分，在维持BBB的完整性中发挥至关重要的作用，帮助维持脑内环境稳态。周细胞能够参与新生毛细血管的形成，并且分泌合成基底膜的主要成分，包括蛋白聚糖。已有文献报道，将周细胞与内皮细胞共培养能够形成毛细血管样结构（CLS）。并且当BBB发生泄漏时，为了加强BBB的稳定性周细胞覆盖的面积会增加[6]。

2.2 血脑屏障的功能

血液与脑实质之间的物质交换有难有易，血脑屏障就是有选择性的进行血液与神经系统之间的物质交换，使葡萄糖、氨基酸等有利物质通过血脑屏障。而阻止毒素、部分药物等有害物质进入中枢神经系统。血脑屏障在机体中维持一个动态稳定。

2.3 决定物质进入血脑屏障的因素

（1）脂溶性。血液中的物质要透过血脑屏障进入脑实质必须经过内皮细胞，而内皮细胞膜是由磷脂双分子层构成，具有亲脂性，因此脂溶性物质更易透过血脑屏障。（2）物质的亲水性。（3）与血浆蛋白的结合程度等。

2.4 血脑屏障损伤相关疾病

血脑屏障损伤与许多退行性疾病有关，包括脑缺血、血管性认知损伤、脑损伤、多发性硬化、脑肿瘤、脑部感染、阿尔兹海默症、帕金森等。

3 褪黑素对血脑屏障的保护机制

3.1 通过基质金属蛋白酶MMP途径

基质金属蛋白酶（Matrix metalloproteinases，MMPs）需要依赖Zn2+发挥作用，MMPs的主要作用是降解细胞外基质以及组织重塑造。MMPs在降解细胞外基质（ECM）发挥重要的作用，由于MMPs能够直接通过酶原的形式释放到细胞外基质发挥作用，并且能够在正常的生理条件下发挥作用。MMPs也是目前发现可以分解胶原纤维的唯一酶。

目前已经发现的MMPs共有五大类，至少26种，分别是以下几类：第一类为胶原酶，其主要作用是水解纤维类胶原（I、Ⅱ、Ⅲ型胶原等）；第二类是基质酶，该类的作用底物非常广泛，例如：明胶、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ型胶原、蛋白聚糖等；第三类是明胶酶，降解底物为Ⅳ型胶原和Ⅴ型胶原；第四类是间质酶以及膜类基质金属蛋白酶，见表1。

表1 MMP的分类

在这之中，MMP-2、MMP-9、MMP-3研究最多。MMP-2/9是造成血脑屏障破坏的主要原因之一，已有研究表明脑缺血后MMP-2/9在脑中高度表达。也有实验证明，褪黑素能够通过抑制MMP的活性减轻外源性注射IL-1β引起的血脑屏障损伤以及阻止IL-1β引起的紧密连接蛋白ZO-1降解，达到与MMP抑制剂GM6001等价的效果。2012年有文献表明在缺血模型中MMP的表达和活性都显著提高，并且持续到72h。褪黑素处理后能够显著减少MMP的表达以及抑制MMP的活性，进而减少缺血诱导的BBB损伤，相比于对照组，褪黑素处理组脑水肿水平也有减少，但没有显著性差异[7]。

3.2 通过抗炎症反应途径

炎症是兴奋性级联反应的一个重要组成部分，缺血缺氧性脑损伤后会激活炎症细胞，增加ROS的产生和炎症介质的表达，如白细胞介素IL1β和IL18，在卒中过程中发挥作用。

在炎症反应中，活化的星形、小胶质细胞开始产生炎性因子，内皮细胞开始产生黏附分子，从而激活血液和脾脏中的白细胞，进而黏附于血管的内皮，侵入受损部位。浸润的白细胞产生大量细胞毒性物质，包括MMP、炎症因子、ROS等，引起细胞外基质，神经元及内皮细胞的后续损伤，导致BBB破坏、脑水肿、神经细胞死亡和出血性转化。

褪黑素被公认具有抗炎能力，早在其他的病理研究中，如阿尔兹海默病和帕金森病中，褪黑素就能通过调控早期和晚期的NF-kB的激活进而调节炎症反应起到保护作用。Fu等人通过melatonin（50、100、200μM）处理PC12细胞1h，发现褪黑素能够明显改善TCBQ引起的细胞死亡，提高存活率，并且证明褪黑素能够降低TCBQ引起的CD14和TLR4的升高，并且破坏TLR4/MyD88/MD2/CD14复合体的形成，进而减少TGF-α、IL-1β、IL-6等炎症因子的产生。

Jumnongprakhon等人也通过大鼠脑微血管内皮细胞（BMVECs）证明，褪黑素能够通过褪黑素受体（MT1/2 receptors）抑制NF-kB信号通路从而抑制METH诱导的炎症反应，保护内皮细胞。Chen等人证明在早期蛛网膜下腔出血的脑损伤中褪黑素能够减少炎症反应诱导的脑水肿：可能是通过调节促炎因子实现的。该实验通过在蛛网膜下腔出血（SAH）手术2h后注射5mL/kg褪黑素，发现褪黑素组能够减少SAH引起的脑水肿以及伊万斯蓝的泄露以及IgG染色结果证明褪黑素能够减少自身IgG的泄露，同时通过检测Occludin、ZO-1、Claudin-5的表达，发现褪黑素能够阻止SAH引起的上述紧密连接蛋白的降解，并且该作用是通过调节炎症因子f IL-1b、IL-6及TNF-α而实现对血脑屏障的保护[8]。

褪黑素作为一种抗炎剂，已经被很好的研究。体内、体外实验都充分说明作为抗炎剂褪黑素能够通过调控炎症因子达到保护血脑屏障的作用。

3.3 通过抗氧化应激途径

褪黑素及其代谢物能清除各种氧自由基和活性氧中间体，实验已经证明褪黑素能够通过阻止LPS引起的gp91phox表达上升，保护LPS引起的血脑屏障损伤，Song在2014年用小鼠脑内皮细胞（bEND3）实验证明褪黑素能够对氧糖剥夺引起的BBB损伤起保护作用。在细胞OGD前24h给予1～100 nM的褪黑素，发现10nM和100nM的褪黑素都能够显著减少OGD引起的氧自由基的产生，并且阻止OGD引起的紧密连接蛋白Claudin-5的降解。褪黑素通过激活Akt和抑制JNK保护bEND3细胞[9]。Chen等人证明在胆汁结扎处理的青年鼠中，褪黑素能够改变NADPH氧化酶和血脑屏障。胆汁结扎（BDL）能够引起胆汁积郁以及全身和脑的氧化应激反应，并伴随着血脑屏障的损伤，而褪黑素能够通过减少NADPH氧化酶和调节tPA改变BBB的损伤。Dehghan也证明褪黑素能够通过抗氧化应激减少创伤性脑损伤引起的脑水肿[10]。

4 展望

研究证明，褪黑素对血脑屏障具有保护作用，在不同病理条件下褪黑素都能通过抗氧化、抗炎等作用对血脑屏障发挥保护作用。

褪黑素不仅对血脑屏障的保护发挥作用，在阿尔兹海默症、帕金森、缺血后脑保护等方面都有非常明显的疗效。并且具有优于其他药物的几大优点，褪黑素本身极易透过血脑屏障发挥作用，并且相对毒性较低，正常人每天摄取低于30mg/kg的褪黑素时是没有毒性伤害的。因此今后进一步深入研究褪黑素对血脑屏障保护的作用机理，将为患者治疗提供理论依据。

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Protective Effect of Melatonin on Blood Brain Barrier

Zheng Jun
(Department of Nursing,Shanxi Medical College of Continuing Education,Shanxi Taiyuan 030001)

Melatonin is a powerful antioxidant,whose main function is to regulate circadian rhythm,control vasomotor.Melatonin is synthesized by tryptophan in the pineal gland through a series of enzyme and secreted from the pineal gland.The blood-brain barrier ensures that the body's brain selectively exchanges material between the blood and the nervous system,and melatonin protects the blood-brain barrier.This review summarizes the specific molecular mechanism of melatonin's protective effect on the blood-brain barrier through anti-inflammatory and anti-oxidative stress pathways under different pathological conditions and will provide an important theoretical basis for further study on the protection of the blood-brain barrier and provide the basis for the treatment of patients reliable basis.

Melatonin;Blood brain barrier;Brain protection

R742 文献标志码：A

2096-0387（2017）06-00105-05

郑军（1977—），女，山西太原人，硕士，讲师，副主任，研究方向：内科学。