褪黑素提高机体免疫力：COVID－19辅助防治的探讨

王 静，刘国世

（中国农业大学 动物科学技术学院，北京 100193）

褪黑素（melatonin，MT）即N－乙酰基－5－甲氧基色胺，最初发现主要由动物松果腺（也称松果体，pineal gland）分泌。1958年，A.B.Lerner等［1］从牛脑松果体中提取出一种吲哚类物质，发现它能使青蛙的深色皮肤褪色变白，因而命名褪黑素。褪黑素是一种重要的神经激素［2］，可以调节动物繁殖机能，在动物性成熟、激素分泌、卵泡发育、排卵、妊娠维持、黄体功能、胎盘发育和分娩过程中发挥着广泛的作用［3－4］。同时，褪黑素可以通过抑制过度先天性免疫反应，促进获得性免疫反应，提高机体对病毒感染的耐受性［5－6］。文章对褪黑素调节机体免疫及可能降低埃博拉病毒、流感病毒和新型冠状病毒（COVID－19）的致死作用进行讨论，为褪黑素在提高家畜和人的免疫力、抗病毒的应用方面提供参考。

1 褪黑素是维持细胞机能的重要生物活性物质

自然界中褪黑素无处不在，在细菌、单细胞真核生物、植物（包括水果、蔬菜、粮食作物）、动物和人等各种生物中都被发现［7－9］；除松果体外，动物的视网膜、皮肤、胃肠道、神经细胞、睾丸、卵巢、卵母细胞及免疫器官等多个器官、组织和细胞都能局部合成褪黑素［10－11］。最初褪黑素作用的研究主要集中在昼夜节律［12］和周期节律［13］。动物和人松果腺在夜间分泌褪黑素增多，白天光照时降低；在冬季褪黑素分泌水平较春季高。褪黑素对睡眠－觉醒周期及季节适应性起调节作用。人体自身合成褪黑素的能力随年龄的增加而下降，通常在6岁左右达到高峰，35岁之后迅速下降。研究发现，褪黑素还有很强的抗氧化、抗菌、抗病毒、抗肿瘤和抗炎症的作用［5，14－15］，参与调控机体免疫功能。

动物体内褪黑素主要由细胞线粒体合成［16－17］。褪黑素是一种非常有效的内源性自由基清除剂，参与很多活性氧（ROS）和活性氮（RNS）反应［18－19］，其代谢产物也是直接的自由基清除剂或间接通过刺激抗氧化酶的产生发挥抗氧化作用［20］。线粒体产生的ROS和RNS是褪黑素清除的主要靶标，褪黑素直接对线粒体功能起保护作用［16］。褪黑素可以清除线粒体在生成ATP过程中产生的氧自由基（ROS），保护线粒体功能，进而抑制由线粒体细胞色素C外排导致的细胞凋亡［21］。褪黑素能增加线粒体电子传递链复合物Ⅰ、复合物Ⅳ的活性，维持线粒体谷胱甘肽（GSH）平衡，保护线粒体呼吸链（ETC）中的各组分，使线粒体DNA（mtDNA）免受RNS／ROS诱导的氧化损伤［22］。卵母细胞和胚胎均能合成褪黑素［17，23］，进而抑制线粒体呼吸链代谢过程中活性氧的产生，降低游离碱基氧化产物水平，从而降低DNA氧化损伤；同时提高mtDNA拷贝数与膜电位，促进线粒体在胞质内正常分布及纺锤体组装，最终促进卵母细胞成熟和胚胎发育［17，23－24］。

2 褪黑素通过抗炎症能力提高家畜机体免疫力

配子发生、受精、妊娠期母体与胎儿对话、生殖激素产生等过程均有免疫因素的参与，其中任何环节中免疫失调和异常都会导致繁殖力下降甚至不育。褪黑素可以影响免疫细胞、免疫相关的基因表达和细胞因子的产生［6］。因此，褪黑素有调节炎症和免疫的功能，可以在基础水平作为免疫增强剂，在过度的免疫反应时起抗炎症的作用［25］。褪黑素可以抑制过度的先天性免疫反应，降低炎症因子的产生，还促进获得性免疫反应，加快特异性抗体的产生。

2.1 褪黑素能提高抗炎症能力

研究表明，奶山羊外周血单核巨噬细胞（PBMCs）可以合成褪黑素参与免疫调节。在脂多糖（LPS）作用的体外试验中发现，过表达褪黑素合成酶（AANAT）的转基因奶山羊PBMCs细胞可与褪黑素Ⅱ型受体（MT2）结合并激活胞内p38 MAPK通路，促进PBMCs细胞自噬，降低PBMCs细胞参与的过度炎症反应；在体内试验中，奶山羊注射LPS后，转AANAT基因羊高水平的褪黑素抑制PBMCs细胞内的ERK MAPK信号通路，上调抗氧化水平，降低自噬水平，升高血清中抗炎性细胞因子，提高抗炎症反应，缓解过度炎症反应导致的细胞、组织损伤［26］。褪黑素还能保护细胞免受由Bcl2／Beclin－1途径引发的自噬性细胞死亡，抑制JNK1激活和Bcl－2上游途径的活化［27］。褪黑素还能通过调节T细胞的活化、分化和T细胞应答，在各种炎症疾病中发挥有益作用，如Ⅰ型糖尿病、系统性红斑狼疮、多发性硬化症等［28－29］。

2.2 褪黑素能提高机体免疫力

患隐性乳房炎奶牛的机体免疫功能会受到抑制，氧自由基（ROS）增多，奶牛受感染的风险就会增加，这可能会使奶牛乳中体细胞数增加，甚至出现乳房炎［30］。研究表明，连续皮下注射4.64～46.4 mg褪黑素能显著降低牛奶中的体细胞数，主要是降低炎症细胞数，特别是对体细胞数量在30～100万／mL的荷斯坦奶牛，降低效果尤为明显，体细胞数降幅达40%。褪黑素还可以降低血液皮质醇浓度，增加白蛋白含量，减少白细胞和淋巴细胞数量，从体液和细胞免疫两个方面提高奶牛免疫力，降低隐性乳房炎发生［31－32］。

2.3 褪黑素能降低细菌感染引发的全身炎症反应

褪黑素能改善由病原菌感染所引起的全身炎症反应，如病死率高的新生儿败血症和脓毒症。新生儿败血症病死率较高。2001年的一项研究表明，未接受治疗的10名败血症儿童中有3名在诊断后72 h内死亡，而10名分两次口服40 mg褪黑素的儿童患者无一死亡［33］。脓毒症发病率为0.1%～1.0%，病死率为10%～50%。2018年对40名新生脓毒症婴儿的研究发现，20 mg褪黑素和传统抗生素联合使用时，病情有了显著改善［34］。

3 褪黑素具有抗病毒的功能

由病毒引发的疾病绝大部分为免疫抑制性疾病，会造成家畜和人机体免疫力和繁殖力下降，严重的可能继发各种混合感染和多器官系统衰竭，例如口蹄疫、猪瘟、绵羊痘和山羊痘等。褪黑素已被证明对多种病毒性疾病有效［35］，包括近几年发病率较高的埃博拉病毒、流感病毒和目前的新型冠状病毒（COVID－19）。

3.1 褪黑素的抗埃博拉病毒活性

埃博拉出血热是一种进展迅速、高度致命的疾病，目前尚无有效的治疗方法。2014—2016年西非的埃博拉疫情成为一场规模和影响都前所未有的健康危机，造成1.1万多人死亡［36］。目前，世界卫生组织和非洲国家正在努力控制非洲的一场新的埃博拉病毒大规模疫情，该疫情已导致数百人死亡［37］。血管完整性受损、多发性出血并伴随血容量减少是埃博拉患者死亡的主要原因，同时破坏免疫系统，如果不迅速实施治疗，多达50%的患者会死亡。

褪黑素在2014年就被提出是埃博拉出血热的潜在治疗药物［38］。2020年1月24日A.Junaid等［39］首次利用微血管芯片系统对埃博拉出血综合征进行建模，证实了褪黑素有很强的抗埃博拉病毒活性，可以用来降低失血性休克综合征的严重程度。当血管被注入埃博拉病毒样颗粒（VLP）时，会激活Rho／ROCK通路，从而诱导肌动蛋白束的形成和拉伸力，减弱血管内皮细胞钙黏连蛋白形成的细胞间连接，影响细胞骨架重塑。新开发的实验药物FX06和褪黑素通过介导抑制内皮细胞内Rho／ROCK通路，抑制埃博拉病毒对血管细胞连接的破坏，保护血管完整性。按摩尔浓度计算，褪黑素抗病毒效率是抗埃博拉特效药FX06的10倍。因此，褪黑素可能成为治疗埃博拉病毒及其他病毒引起疾病的有效药物。

3.2 褪黑素的抵抗流感病毒活性

流感病毒是一种引起流行性感冒（俗称流感）的急性发热性呼吸道疾病的RNA病毒，感染后引起肺炎和严重急性肺损伤，主要有人流感、猪流感和禽流感。全球每年流感病例约为500万，会造成约50万人死亡［40］。人感染高致病性甲型流感病毒（如H5N1、HIN1）时发病率和死亡率更高，并且儿童、老年人及孕妇等免疫力低的特定人群有易感倾向［41－43］。“细胞因子风暴”可能是导致流感患者继发急性呼吸窘迫综合征（ARDS）和呼吸衰竭的重要原因，感染流感后肺泡和支气管上肿瘤坏死因子（TNF－α）、白细胞介素6（IL6）、干扰素γ（IFN－γ）及其诱导蛋白10（IP10）水平升高［44］。其发病机制还包括损伤部位的ROS增多，进一步加重肺部损伤。

褪黑素具有清除活性氧、抗炎和免疫调节作用，目前已经报道其对甲型H1N1流感病毒感染有治疗效果［45］。褪黑素可以减少TNF－α、IL6、IFN－γ，同时增强抗炎细胞因子白细胞介素（IL－10）、白细胞介素27（IL－27）、IFN－γ转化生长因子β（TGF－β）水平，共同抵抗流感炎症损伤。与单独使用广谱抗病毒药物利巴韦林相比，联合使用200 mg／kg褪黑素处理能显著提高流感病毒感染小鼠的存活率。

3.3 褪黑素是COVID－19的潜在治疗药物

冠状病毒是能够感染人和动物的RNA病毒，这种感染涉及呼吸系统、胃肠道和中枢神经系统等［46－47］。牛冠状病毒病也称新生犊牛腹泻，是由牛冠状病毒（BCoV）引起的导致犊牛腹泻的传染病，特别是犊牛免疫力低下更易感染［48］。猪呼吸道冠状病毒病是由于猪感染呼吸型的冠状病毒（PRCV）而引发，感染率高，与其他病原混合感染后病死率提高［49］。新型冠状病毒肺炎（novel coronavirus pneumonia，NCP）是由2019新型冠状病毒（COVID－19，病原体为Sars－cov2）感染引起的一种人的急性传染性疾病［50］。轻症患者出现发烧、发冷、咳嗽、疲劳和呼吸急促等症状，还会出现肺水肿、斑片状炎性细胞浸润和中度透明膜形成。重症患者出现大量肺泡损伤和进行性呼吸衰竭而死亡。新型冠状病毒肺炎患者初期血清几种白细胞介素（如IL1B、IL5、IL7）和粒细胞－巨噬细胞集落刺激因子（GM－SCF）等的水平升高，部分患者激活Th1细胞的同时抑制免疫的Th2细胞。首例重症新冠肺炎死亡患者的病理解剖结果显示，其肺部出现严重的免疫损伤，肺部表现为弥漫性肺泡损伤和肺透明膜形成；高度促炎性的CCR4＋CCR6＋Th17细胞增加，淋巴细胞数目减少且被过度激活，这可能是由于直接感染淋巴细胞或抑制骨髓的抗病毒反应［51］。目前，尚没有褪黑素治愈新型冠状病毒肺炎的详细报道，但是已有研究表明了褪黑素可能成为抗COVID－19的有效潜在治疗药物［35］。

目前人类冠状病毒（HCoV）已发现包含COVID－19在内的7种，已有褪黑素在治疗人类冠状病毒肺炎中的作用［52］的报道。血管紧张素转化酶2（ACE2）是包括COVID－19在内的HCoV病毒感染的关键入口受体，COVID－19通过气道、肺泡以及血管内膜上ACE2进入细胞。褪黑素调节新冠病毒攻击细胞的靶点ACE2。除肺部外，ACE2表达富集于睾丸中的精原细胞、间质细胞和支持细胞，因为血睾屏障无法完全隔离病毒，血液中的病毒还会攻击睾丸，使促黄体生成素（LH）升高和睾酮／LH比值降低，可能影响男性生殖健康［53－54］。ACE2还在女性各级卵泡［55］和子宫内膜［56］中表达，到目前为止尚未见新冠病毒对女性生殖系统及新生儿有害方面的报道［57－58］。诸多研究表明，过度炎症、氧化和过度免疫反应可能是NCP的主要发病机理［46，59］。

目前尚无针对COVID－19的有效药物，从现有的药物中进行筛选可以缩短时间，降低成本［52］。尽管在COVID－19中应用褪黑素的直接证据尚不清楚，褪黑素可以同时发挥抵抗过度的炎症、氧化和过度的免疫反应。褪黑素还能改善肺炎、急性肺损伤（ALI）和急性呼吸窘迫综合征（ARDS），可以预见，COVID－19患者使用褪黑素将非常有益［60］。即使褪黑素不能根除病毒的复制或转录，应用褪黑素也能缓解氧化损伤并提高机体免疫力，延长患者的生存时间，为患者的免疫系统恢复并最终消灭病毒提供机会。COVID－19还会发生突变，原始毒株美国、澳洲分布较多，中国主要为二代突变体，因此对患者的及时治疗和未感人群的预防都尤为重要［56］。E.A.Herrera等［61］和A.Shneider等［62］推测，褪黑素可以作为治疗新冠肺炎的辅助手段，10 mg褪黑素对预防和治疗COVID－19 ICU患者的睡眠障碍有效且安全性高［63］。美国医生R.Neel［64］指出，普通未感染人群每天口服200 mg褪黑素可有效预防COVID－19感染，并强烈呼吁医生和研究人员能够考虑和重视褪黑素的抗毒素和抗氧化作用，开展更多褪黑素与COVID－19相关的研究。

4 展望

褪黑素可以通过调节机体免疫提高动物繁殖力。过去的20年里，大量的临床试验也检验了褪黑素在人不同疾病中的治疗作用［65－68］，包括胃肠道疾病、睡眠障碍、心血管疾病、骨质疏松、糖尿病、类风湿关节炎、纤维肌痛、慢性疲劳综合症、神经系统疾病、乳腺癌、前列腺癌、脑癌等。在埃博拉病毒、流感病毒和其他病毒引起的疾病中，褪黑素可能介导包括病毒生命周期、病毒对宿主形态或生理的调节、病毒的转运、病毒粒子对宿主细胞附着等过程，降低病毒造成的炎症反应［14］。同时，褪黑素可以通过精准调控先天性免疫和获得性免疫两方面提高机体免疫力。新型冠状病毒可能同时破坏机体免疫力、引发炎症及影响男性生殖健康。建议继续开展褪黑素防控动物和人冠状病毒相关的研究与临床试验。