褪黑素治疗骨骼肌疾病的研究进展

周永富 曾令文 郑圣 李义凯

褪黑素是一种主要由松果体分泌的吲哚类激素,褪黑素来源于色氨酸,色氨酸经过羟化和脱羧反应转化为血清素,血清素在芳基烷基胺-N-乙酰基转移酶(AANAT)和羟吲哚-O-甲基转移酶(HIOMT)的催化下,以N-乙酰基-5-羟色胺为中间产物,最终转化为褪黑素。除了松果体外,研究表明褪黑素也可以在胃肠道、卵巢、淋巴细胞、巨噬细胞、视网膜、皮肤和骨髓等其他组织中合成［1-3］,既往研究发现褪黑素具有调节昼夜节律、抗炎、抗骨质疏松、抑制肿瘤及免疫调节等作用［4-8］。此外,褪黑素已被证明是一种直接的自由基清除剂和间接的抗氧化剂［9,10］,它的作用在于减少氧化应激,即减少由活性氧(ROS)和活性氮(RNS)引起的分子损伤［11,12］,因此褪黑素清除自由基的能力无疑是其抗氧化应激的重要特性。此外,褪黑素还可以抑制心磷脂过氧化和维持线粒体膜的完整性［13］。一些研究表明褪黑素的抗氧化和抗凋亡作用可能是通过与线粒体通透性转换孔的直接相互作用来实现的。线粒体是褪黑素的靶点,这一发现为了解褪黑素的作用机制提供了新的视角。特别是,它在维持线粒体稳态中发挥重要作用［14］,这可以解释它对帕金森病、阿尔茨海默病、癫痫、衰老、缺血再灌注和脓毒症等多种疾病的保护作用,也可以解释其对肌肉疾病的保护作用,既往多项体内与体外研究已经证实：褪黑素具有强大的抗氧化作用,这种作用可以减少线粒体损伤、降低氧化应激水平和调控自噬水平［15-17］。这使得褪黑素能在肌肉衰退后的恢复过程中发挥有益作用。因此就褪黑素对骨骼肌疾病影响的研究进展作一综述,目的是阐明褪黑素在骨骼肌疾病治疗中的作用,并提出未来可能的研究方向和亟待解决的关键科学问题。

1 骨骼肌

骨骼肌组织对自主运动和姿势维持至关重要,在人体热调节、营养平衡、葡萄糖转运和内分泌活动等方面也起着至关重要的作用［18,19］。因此,人体葡萄糖稳态失衡、跌倒、骨折、残疾和许多慢性疾病的发生均与骨骼肌质量的减少有关［20-22］。骨骼肌组织的特征是由有丝分裂后的多核肌纤维构成且相关的结缔组织排列有序。此外,在骨骼肌中也可以发现骨骼肌卫星细胞,骨骼肌卫星细胞位于骨骼肌基膜和细胞膜之间,其目的是促进肌肉的生长、修复和再生。

骨骼肌是由不同类型的肌纤维组成的组织。简而言之,Ⅰ型肌纤维是缓慢收缩的,所需能量来源于氧化代谢反应。与之不同的是,Ⅱ型肌纤维是快速收缩的,以糖酵解供能为主。肌少症和衰老的典型表现是骨骼肌量减少,主要是由于肌纤维的体积萎缩和数量减少,特别是Ⅱ型肌纤维的体积萎缩和数量减少。与此同时,快速收缩的Ⅱ型肌纤维转变为缓慢收缩的Ⅰ型肌纤维,导致肌力下降和蛋白质合成的下降(特别是肌凝蛋白重链)［23,24］。总的来说,这些变化导致肌肉收缩速度减慢、力量减少,从而降低了日常生活活动的能力。发生这些改变至少部分原因是因为与年龄相关的氧化应激损伤在增加。虽然肌纤维不断产生活性氧(尤其是在收缩活动中),但是事实上骨骼肌是人体内消耗氧气量最大的组织。采用肌肉活组织检查的研究证实：在老年人和肌肉萎缩患者的骨骼肌中,局部氧化应激标志物升高［25-27］。另一方面,抗氧化系统机能不全,特别是过氧化氢酶、谷胱甘肽硫转移酶和超氧化物歧化酶出现下调,因此并不能阻止氧化损伤。

线粒体数量的逐渐减少和效率的逐渐降低,是诱发肌肉萎缩的一种机制,可能与肌肉营养不良有关［28-31］,线粒体功能障碍的一个相关后果就是细胞凋亡的激活,这种机制被认为是几种肌肉疾病的最终共同途径［32］。有相关报道称,在因长时间固定引起的肌肉萎缩中,以及在肌营养不良患者和肌营养不良小鼠模型中,细胞凋亡异常增强［33,34］。在骨骼肌生物学中,无论是在成肌细胞的增殖过程中还是在肌纤维的有丝分裂过程中,细胞凋亡均被描述为一种正常生理现象［35,36］,发生在神经肌肉疾病、肌肉废用、肌肉减少以及衰老情况下的肌肉萎缩,均与影响骨骼肌质量的细胞凋亡增加有关。在生理或病理条件下发生肌肉萎缩和肌无力,至少部分原因是因为细胞凋亡与自噬的失衡。

2 褪黑素对骨骼肌疾病的影响

在自然衰老过程中,肌肉质量和骨骼肌收缩力会逐渐下降,从而导致肌肉萎缩,肌肉功能下降,最终对日常生活的生活质量产生重要影响［37］。这一现象在哺乳动物衰老过程中被广泛观察到,并可能导致发病率和死亡率的增加。下列因素可能会导致衰老过程中的肌肉流失,包括但不限于：蛋白质合成减少［38］、神经功能异常［39］、激素缺乏［40］、慢性炎症［41］、氧化应激［42］、线粒体功能障碍［43,44］、核凋亡［45-48］、卫星细胞功能异常［49,50］,肌少症是一类以进行性和广泛性骨骼肌肌力减弱和肌量减少,强度和功能下降为特征的综合征。肌少症可以造成诸多不良事件,包括摔倒、功能减退、虚弱甚至死亡。肌少症的发病机制目前尚不明确,可能与骨骼肌失神经支配、核凋亡和氧化应激水平的增高有关［51］。

既往一些科学研究描述了褪黑素在肌少症中对减轻、减少或防止肌肉流失的有益作用。Sayed 等［52］的研究证明：褪黑素能够改善老龄小鼠的线粒体功能。并且在随后的研究中又证明了褪黑素能够维持老年动物的肌纤维数量、肌肉质量和活动能力［53］。此外,在肌少症患者中,褪黑素还能维持线粒体的正常结构和功能,恢复正常的自噬水平,从而避免年龄介导的肌纤维损伤、线粒体功能减退和细胞凋亡［54］。这些结果证实了褪黑素可以减少线粒体损伤、降低氧化应激水平、调控自噬水平和减少炎症反应的积极作用。

进行性肌无力是营养不良患者的典型特征。杜氏肌营养不良症(DMD)和贝克尔肌营养不良症(BMD)均是由于抗肌萎缩蛋白基因突变而影响骨骼肌和心肌的肌肉消耗性疾病［55］。进行性肌营养不良,一般幼年发病比较常见,以近端四肢骨骼肌萎缩无力,缓慢进行性恶化,还累及心肌和呼吸肌,最终丧失运动能力,平均19 岁左右死亡,死于心衰或呼吸衰竭［56］。DMD 和BMD 均是遗传性疾病,其特征是肌肉衰减、钙稳态紊乱、线粒体功能障碍和强烈的氧化损伤,所有这些条件都有助于肌肉变性的发生。营养不良的肌纤维会出现一些典型的变化,如坏死事件的出现,随后的再生,促炎细胞因子的释放和氧化应激的激活［57］。DMD 中氧化应激的来源与炎症细胞、还原型烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸(NADPH)氧化酶、线粒体功能的改变或产生ROS 的酶有关。考虑到营养不良疾病的恶化至少部分是由于氧化应激,因此褪黑素可能有一定的治疗效果。

首先,由于褪黑素的高亲脂性,使它可以很容易地穿过细胞膜和血脑屏障,成为一种有效的抗氧化剂。在骨骼肌中,褪黑素保护线粒体功能［58］,并在肌肉收缩期间调节钙稳态［59］。既往一些科学研究强调了褪黑素在防止营养不良患者肌肉萎缩中的作用。Chahbouni等［60］发现；与对照组相比,DMD 患者血浆中脂质过氧化水平明显升高,亚硝酸盐和细胞因子水平显著高于对照组。而在DMD 患者接受褪黑激素治疗后,上述指标出现了下调,病情有所改善,表明褪黑素治疗能够显著减少炎症反应和降低氧化应激水平,从而减缓DMD 患者肌肉变性进程。Hibaoui 等［61］描述了褪黑素在DMD 小鼠模型中的治疗作用,在该模型中,褪黑素增加了DMD 小鼠总谷胱甘肽含量,降低了氧化型/还原型谷胱甘肽比值。这些数据表明褪黑素可以对DMD小鼠的肌肉组织氧化还原状态进行调节,从而发挥治疗作用。

3 讨论

综上所述,褪黑素可以通过减少线粒体损伤、降低氧化应激水平、调控自噬水平和减少炎症反应来改善肌肉功能。科学证据表明：与其他传统的抗氧化剂相比,褪黑素及其代谢物作为强大的抗氧化剂,能够更有效地保护电子传递链和线粒体DNA 免受氧化损伤。褪黑素也可以通过诱导或抑制细胞自噬调控自噬水平。对于肌肉来说,褪黑素是一种可以发挥多用途的物质,褪黑素是发挥诱导还是抑制细胞自噬的作用,取决于其所涉及的病理过程,因为氧化应激与自噬有密切关系。褪黑素可以通过增加不同蛋白和mRNA 表达水平来抑制骨骼肌内质网应激。此外,褪黑素在不同的细胞系中具有不同的抗凋亡作用。在正常骨骼肌中,褪黑素可以减少氧化应激,抑制细胞凋亡。因此,褪黑素可以在骨骼肌疾病的治疗过程中发挥显著的积极作用,帮助治疗骨骼肌疾病,特别是肌少症等相关疾病。总之,褪黑素在治疗骨骼肌疾病方向上有很好的前景,有待于进一步去发掘。

4 展望

目前,褪黑素治疗骨骼肌疾病引起了众多科研人员的重视,也被逐步证实在骨骼肌疾病的治疗过程中发挥显著的积极作用,然而对于肌肉来说,褪黑素是一种可以发挥多用途的物质这一点,却被国内外众多研究者所忽略,知道在褪黑素抗骨质疏松研究方向上,既往有研究已经证实了褪黑素不仅可以发挥治疗骨质疏松的作用,还可以发挥预防骨质疏松的作用［6］,这启发在研究褪黑素对骨骼肌疾病影响的科研方向上,不仅应该关注褪黑素对骨骼肌疾病的治疗作用,还应关注褪黑素对骨骼肌疾病是否具有预防作用,然而目前国内外却没有针对这一方向的专门研究。而事实是在正常骨骼肌中,褪黑素可以减少氧化应激,抑制细胞凋亡,且既往有研究证明褪黑素能够维持老年动物的肌纤维数量、肌肉质量和活动能力［54］。所以褪黑素很有可能对骨骼肌疾病还具有预防作用,因此探讨褪黑素是否可以发挥预防骨骼肌疾病的作用及其初步机制,应该成为未来主要的研究方向之一。

此外,尽管既往一些研究显示了褪黑素在治疗DMD 疾病过程中发挥的积极作用,然后近年来却没有科研人员在褪黑素治疗肌营养不良疾病方面继续深入研究,探讨其更深入的作用机制。众所周知,细胞自噬既是一种广泛存在的正常生理过程,又是对细胞不良环境的一种防御机制,参与多种疾病的病理过程。适当的自噬速率对维持骨骼肌代谢稳态至关重要［62］。而自噬损伤与肌营养不良的发病机制密切相关［63］,褪黑素因其强大的抗氧化作用可以减少线粒体损伤、降低氧化应激水平和调控自噬水平。因此褪黑素是如何通过调控自噬水平,在治疗肌营养不良疾病过程中发挥积极作用的,这也将有望成为未来主要的研究方向之一。

尽管目前有许多证据表明褪黑素可以在骨骼肌疾病的治疗过程中发挥显著的积极作用,但迄今为止尚未开发褪黑素在骨骼肌疾病治疗方面的药物,目前可能需要更多的转化研究以及大规模多中心临床试验以推进褪黑素在骨骼肌疾病领域的临床应用。拟解决的关键问题有：①探讨使用褪黑素的安全性和有效性；②探索褪黑素在骨骼肌疾病治疗过程中的未知以及深入的作用机制；③通过大量的转化研究以及大规模多中心临床试验提供更多的临床证据。