褪黑素是一種主要由松果體產(chǎn)生的神經(jīng)內(nèi)分泌激素，同時(shí)也可由其他組織或細(xì)胞產(chǎn)生，如腸道、睪丸、骨髓、視網(wǎng)膜、胃腸道、唾液腺和人類淋巴細(xì)胞等。褪黑素的分泌有晝夜節(jié)律，褪黑素的夜間產(chǎn)生主要由位于下丘腦視交叉上核的晝夜節(jié)律時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)，當(dāng)視網(wǎng)膜感光神經(jīng)節(jié)細(xì)胞受到光刺激時(shí)，褪黑素的合成和分泌減少，直到不再分泌為止，一般來說，褪黑素主要在夜間合成，其峰值血漿濃度在3 點(diǎn)至4 點(diǎn)，隨后逐漸下降，而隨著機(jī)體衰老，褪黑素的產(chǎn)生也逐漸減少。

褪黑素可通過受體和非受體介導(dǎo)的方式產(chǎn)生影響，在哺乳動(dòng)物中，褪黑素通過與質(zhì)膜受體、鈣調(diào)素或孤兒核受體結(jié)合而發(fā)揮作用，而在動(dòng)物細(xì)胞中，褪黑素主要通過膜結(jié)合的G 蛋白偶聯(lián)受體發(fā)揮作用。目前已在哺乳動(dòng)物中克隆了兩種G蛋白偶聯(lián)的褪黑素受體，包括褪黑素受體1（melatonin receptor 1，MT1）和褪黑激素受體 2（melatonin receptor 2，MT2），MT1 受體也稱為Mell a受體，Mell a廣泛分布于下丘腦的結(jié)節(jié)部和視交叉上核（suprachiasmatic nucleus，SCN），褪黑素與靶細(xì)胞中G蛋白偶聯(lián)受體超家族的這些高親和力受體的結(jié)合導(dǎo)致腺苷酸環(huán)化酶/環(huán)磷酸腺苷活性的抑制，并增加磷脂酶C/三磷酸肌醇的作用，參與細(xì)胞內(nèi)信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)過程。MT1 受體有兩個(gè)亞群，MT1a 和 MT2b，在血管中，表達(dá) MT1 受體的SCN 有助于調(diào)節(jié)晝夜節(jié)律和收縮血管，而MT2 受體，也稱為 Mell b 受體，具有低親和力，并參與磷酸肌醇水解、晝夜節(jié)律調(diào)節(jié)、血管擴(kuò)張和炎癥反應(yīng)。

褪黑素是一種強(qiáng)大的抗氧化劑，與其代謝產(chǎn)物可直接清除自由基，褪黑素高度集中在線粒體中，可保護(hù)蛋白質(zhì)、脂質(zhì)，以及自由基引起的氧化損傷的DNA。此外，褪黑素能促進(jìn)成骨細(xì)胞、軟骨細(xì)胞和血管內(nèi)皮細(xì)胞的增殖和分化，抑制骨吸收，限制氧化應(yīng)激，有望成為多種骨病的主要或輔助治療策略，在骨領(lǐng)域具有非常高的研究價(jià)值。

1、褪黑素具有抗炎和抗氧化功能 

自由基的產(chǎn)生是骨降解的關(guān)鍵事件，有助于骨降解過程。褪黑素是直接的自由基清除劑和間接的抗氧化劑，通過激活抗氧化防御系統(tǒng)，維持骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞在長期傳代后的自我更新和分化。當(dāng)褪黑素在一定濃度下，其促成骨、抗炎和抗氧化作用可發(fā)揮到極 致。高葡萄糖環(huán)境會(huì)降低細(xì)胞活力并誘導(dǎo)細(xì)胞凋亡，而褪黑素可以影響 PERK-eIF 2 α-ATF 4-CHOP 信號(hào)通路減少內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激誘導(dǎo)的細(xì)胞凋亡，從而保護(hù)成骨細(xì)胞免受高糖誘導(dǎo)的變化。褪黑素也能緩解糖皮質(zhì)激素所致的成骨分化障礙，這是通過骨形態(tài)發(fā)生蛋白/Smad 信號(hào)通路，并伴隨由 Smurf2 介導(dǎo)的泛素化途徑參與實(shí)現(xiàn)的。褪黑素在Akt/Nrf 2/HO-1 信號(hào)通路的激活也能緩解糖皮質(zhì)激素誘導(dǎo)的成骨細(xì)胞凋亡，預(yù)防和改善糖皮質(zhì)激素引起的骨質(zhì)丟失。此外，褪黑素上調(diào)SIRT1/Nrf2/ 轉(zhuǎn)化生長因子β/ 骨形態(tài)發(fā)生蛋白的表達(dá)，同時(shí)抑制核因子κB 通路和軟骨基質(zhì)降解的能力，表明褪黑素在減緩軟骨退化和調(diào)節(jié)軟骨再生方面的潛力。褪黑素的應(yīng)用不僅能減輕實(shí)驗(yàn)誘導(dǎo)的大鼠根尖周炎的炎癥并減少骨吸收，還有助于控制高脂飲食大鼠的根尖周炎病變。在小鼠的牙周炎模型中，褪黑素衍生碳點(diǎn) (melatonin-derivedcarbon dots，MT-CDs)可通過調(diào)節(jié) Nrf2/HO-1 信號(hào)通路來清除活性氧，防止細(xì)胞損傷和炎癥因子的產(chǎn)生，緩解牙槽骨的退縮。

2、褪黑素對(duì)成骨細(xì)胞的作用機(jī)制

①褪黑素與成骨細(xì)胞分化

成骨細(xì)胞來源于間充質(zhì)干細(xì)胞，其分化能力在骨骼發(fā)育過程中發(fā)揮重要作用。在動(dòng)物及細(xì)胞實(shí)驗(yàn)中，通過檢測血清中成骨分化相關(guān)生物標(biāo)志物如堿性磷酸酶（ALP）、Ⅰ型前膠原氨基端原肽（PINP）、骨鈣素（OCN）、成骨特異性轉(zhuǎn)錄因子2（RUNX2）、成骨相關(guān)轉(zhuǎn)錄因子抗體（osterix）含量以及蛋白質(zhì)表達(dá)量的變化，發(fā)現(xiàn)使用褪黑素干預(yù)成骨細(xì)胞后分化相關(guān)生物標(biāo)志物的表達(dá)增加。研究褪黑素干預(yù)地塞米松對(duì)成骨細(xì)胞分化的抑制作用時(shí)發(fā)現(xiàn)，PI3K/AKT通路的P-AKT蛋白以及BMP/Smad信號(hào)通路關(guān)鍵蛋白P-Smad 1/5/9表達(dá)升高，在使用PI3K/AKT通路抑制劑MK2206時(shí)，P-AKT 和P-Smad 1/5/9蛋白表達(dá)均降低，而應(yīng)用BMP/Smad信號(hào)通路抑制劑LDN193189時(shí)，P-Smad 1/5/9蛋白表達(dá)降低，P-AKT無影響，說明褪黑素可通過PI3K/AKT、BMP/Smad信號(hào)通路緩解地塞米松對(duì)成骨細(xì)胞分化與礦化的抑制作用，并且PI3K/AKT信號(hào)可能是BMP/Smad信號(hào)的上游信號(hào)。

研究表明，Wnt信號(hào)通路作為BMP的下游，可以調(diào)節(jié)骨形成中的分化和礦化，Wnt配體與其受體結(jié)合，導(dǎo)致β?catenin易位到細(xì)胞核中，進(jìn)而增強(qiáng)成骨細(xì)胞靶基因的表達(dá)。此外，糖原合酶激酶3β（GSK-3β）可以在沒有Wnt配體的情況下誘導(dǎo)β?catenin的蛋白酶體降解，通過負(fù)性調(diào)控Wnt/ β?catenin信號(hào)傳導(dǎo)間接影響成骨細(xì)胞的分化。研究發(fā)現(xiàn)褪黑素干預(yù)可激活成骨分化標(biāo)志物Runx2、OCN等，成骨細(xì)胞中Wnt7b、β?catenin的mRNA以及蛋白的含量明顯升高，同時(shí)激活 Wnt5α/ β、β?catenin磷酸化，使GSK-3β 的磷酸化降低，表明褪黑素通過直接/間接激活Wnt/β?catenin信號(hào)通路來促進(jìn)成骨細(xì)胞的分化。而且褪黑素激活成骨細(xì)胞中Wnt5α/ β、β?catenin，抑制GSK-3β，可以被BMP抑制劑Noggin和ERK抑制劑PD98059所逆轉(zhuǎn)，表明BMP、ERK可以從上游調(diào)控Wnt/β?catenin 通路，進(jìn)一步說明褪黑素通過BMP/ERK/Wnt途徑促進(jìn)成骨細(xì)胞的成骨分化和礦化。

研究還發(fā)現(xiàn)褪黑素刺激了MAPK家族中C-JunN?末端激酶（JNK）、細(xì)胞外信號(hào)調(diào)節(jié)激酶（ERK）、P38絲裂原活化蛋白激酶（P38 MAPK）的磷酸化，表明褪黑素促進(jìn)成骨細(xì)胞的分化也與MAPK信號(hào)通路有關(guān)。還有研究表明，成骨細(xì)胞中miR-497-5p 的過表達(dá)可增強(qiáng)ALP活性，增加OCN、COL-Ⅰ蛋白的表達(dá)水平及骨礦化面積，證明了miR-497-5p對(duì)成骨細(xì)胞的分化和骨基質(zhì)礦化的促進(jìn)作用，其機(jī)制可能與對(duì)Smurf2的負(fù)靶向調(diào)控有關(guān)。

②褪黑素與成骨細(xì)胞自噬

細(xì)胞自噬是對(duì)細(xì)胞內(nèi)待降解的蛋白質(zhì)、細(xì)胞器等進(jìn)行包裹，形成自噬小體后依賴溶酶體進(jìn)行降解，從而進(jìn)行代謝循環(huán)和能量的更新利用。維持適當(dāng)水平的自噬有利于細(xì)胞生理的穩(wěn)態(tài)，但過量的自噬會(huì)對(duì)細(xì)胞造成損傷甚至凋亡。研究表明鈦離子干預(yù)成骨細(xì)胞后，通過降低SIRT 3的表達(dá)，使SOD 2活性下降，引起線粒體內(nèi)ROS水平升高，導(dǎo)致細(xì)胞發(fā)生自噬。褪黑素干預(yù)后SIRT3 蛋白表達(dá)升高，恢復(fù)了SOD 2的活性，進(jìn)而發(fā)揮SOD 2對(duì)ROS的降解作用，使線粒體活性氧（mROS）下降，自噬蛋白LC3-Ⅱ表達(dá)降低，自噬體減少，細(xì)胞活性恢復(fù)，表明褪黑素對(duì)鈦離子引起成骨細(xì)胞的自噬水平升高具有改善作用且此作用與調(diào)節(jié)線粒體內(nèi)SIRT3/SOD2/mROS通路有關(guān)。

除了與氧化應(yīng)激相關(guān)的SIRT3/SOD 2/mROS通路，研究人員還對(duì)Ras/Raf/MEK/ERK與 PI3K/AKT/mTOR兩條經(jīng)典的自噬調(diào)控信號(hào)通路進(jìn)行了探索。細(xì)胞外信號(hào)調(diào)控的蛋白激酶（ERK）是MAPK家族中的一員，在一項(xiàng)應(yīng)用人胎兒成骨細(xì)胞（Hfob119）進(jìn)行的體外實(shí)驗(yàn)中，高糖導(dǎo)致自噬體形成的生物標(biāo)志物微管相關(guān)蛋白輕鏈LC3和Beclin-1水平升高，p-ERK1/2蛋白表達(dá)增加，褪黑素干預(yù)后會(huì)使LC3、Beclin-1水平以及p-ERK1/2蛋白表達(dá)降低，表明褪黑素可以通過調(diào)節(jié)ERK通路來改善成骨細(xì)胞的自噬作用。

PI3K/AKT/mTOR通路主要包括磷脂酰肌3-激酶（PI3K）、AKT和哺乳動(dòng)物雷帕霉素蛋白（mTOR）3個(gè)主要信號(hào)分子蛋白，其中mTOR對(duì)于調(diào)節(jié)成骨細(xì)胞的自噬水平至關(guān)重要。 mTOR是氨基酸和ATP的感受器，在自噬過程中發(fā)揮門控作用，其活性是自噬體形成、成熟的關(guān)鍵。通過clinostat旋轉(zhuǎn)模擬微重力作用于成骨細(xì)胞中，REK/AKT/mTOR蛋白的磷酸化水平顯著降低，自噬蛋白LC3水平增加，增強(qiáng)了細(xì)胞自噬，但在使用褪黑素治療后，可明顯恢復(fù)ERK/AKT/ mTOR蛋白的磷酸化水平，使自噬蛋白LC3表達(dá)水平較前下降，并用競爭性褪黑激素受體拮抗劑盧吲哚處理后，發(fā)現(xiàn)可阻止褪黑激素誘導(dǎo)的LC3?Ⅱ水平下降。 說明褪黑素可通過增加ERK/AKT/ mTOR蛋白的磷酸化，使自噬體標(biāo)志物的水平降低，從而對(duì)成骨細(xì)胞的自噬起到抑制作用。

不過，也有研究人員發(fā)現(xiàn)高濃度褪黑素會(huì)通過激活細(xì)胞膜鈣離子通道，引起鈣超載進(jìn)而激活未折疊蛋白反應(yīng)，導(dǎo)致發(fā)生內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激，從而對(duì)成骨細(xì)胞增殖產(chǎn)生抑制效應(yīng)，激活自噬小體，自噬蛋白LC3-Ⅰ和LC3-Ⅱ表達(dá)增加，導(dǎo)致細(xì)胞自噬水平升高。其他實(shí)驗(yàn)也表明了高濃度褪黑素增強(qiáng)成骨細(xì)胞自噬的作用與抑制miR-200b的表達(dá)并增加MALAT1的表達(dá)有關(guān)。

參考資料

[1]王穎,郝楠,謝戩芳.褪黑素在骨關(guān)節(jié)炎中作用機(jī)制的研究進(jìn)展[J].安徽醫(yī)學(xué),2024,45(06):794-797.

[2]季明意,季欣意,徐俊峰.褪黑素促進(jìn)骨再生機(jī)制及在口腔種植中的應(yīng)用[J].中國組織工程研究,2025,29(18):3868-3876.

[3]李富華,張錦玉.褪黑素對(duì)成骨細(xì)胞作用機(jī)制的研究進(jìn)展[J].中國骨質(zhì)疏松雜志,2024,30(11):1678-1682.

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作者簡介：小泥沙，食品科技工作者，食品科學(xué)碩士，現(xiàn)就職于國內(nèi)某大型藥物研發(fā)公司，從事營養(yǎng)食品的開發(fā)與研究。