褪黑激素治療骨關節炎的作用研究探析

林艷銘 涂海水 金靈璐 葉錦霞 黃艷峰 馬德尊 付長龍

【摘 要】 骨關節炎是一種常見的退行性全關節疾病，其發病機制為軟骨細胞密度降低、細胞外基質合成與分解代謝失衡、異常炎癥信號轉導和過度氧化應激反應。褪黑激素及其衍生物是一種高效的自由基解毒劑和廣譜抗氧化劑，具有抗氧化、抗炎癥反應和抗衰老作用，通過調節多種分子信號，能夠針對骨關節炎的發病機制發揮保護作用?？偨Y褪黑激素介導其作用對骨關節炎發病機制的影響，旨在為褪黑激素臨床治療骨關節炎提供支持。

【關鍵詞】 骨關節炎；褪黑激素；軟骨細胞；細胞外基質；發病機制

骨關節炎（osteoarthritis，OA）是一種常見的復雜慢性退行性全關節疾病，主要臨床癥狀有慢性關節疼痛、關節腫大、短暫性晨僵及活動受限。OA給個人及社會造成了嚴重的負擔［1］。在OA病情發生、發展過程中，軟骨細胞凋亡、基質金屬蛋白酶（MMPs）、細胞因子、信號通路、基因、年齡、肥胖、糖尿病、性激素水平等致病因素破壞軟骨細胞外基質（ECM）［2］，導致軟骨細胞無法保持代謝平衡和穩定性，組織破壞與修復不平衡，軟骨成分及其結構發生改變，造成異質性、不可逆性損害。

褪黑激素（melatonin，MLT）是一種主要在松果體中產生的神經內分泌激素吲哚胺，其通過調節膜受體和核結合位點協同工作，發揮許多受體非依賴性作用［3］。相比于目前指南中用于治療OA的藥物，如糖皮質激素和非甾體抗炎藥等，MLT作為治療OA的一種新型低風險藥物，廣泛、安全、有效，幾乎沒有不良反應［4］。本文對近年來MLT治療OA的研究進展進行總結，希望對未來全面研究MLT抗關節炎療效有所幫助。

1 MLT的合成及藥效研究

松果體細胞攝取血液循環中的色氨酸，在線粒體基質中，由色氨酸羥化酶作用形成5-羥基色氨酸，其次由芳基烷基胺-N-乙酰轉移酶轉化為N-乙酰血清素，最后通過乙酰血清素O-甲基轉移酶的作用合成MLT［5］。MLT具有維持軟骨基質的合成及降解平衡、調節晝夜節律、抑制軟骨細胞凋亡、減少炎癥反應、減少細胞衰老、廣譜抗氧化等作用［3］。

2 MLT對OA的作用機制研究

2.1 維持軟骨ECM穩態 在OA病程進展中，關節軟骨組織損壞，多種分子通路調節紊亂，破壞軟骨ECM穩態平衡，隨后軟骨ECM通過基質成分、可溶性介質（主要包括生長因子和細胞因子）、機械負荷等生物、物理因素驅動信號，與軟骨細胞傳導信息，從而調節軟骨細胞的功能活動［6］。軟骨ECM由軟骨細胞合成并更新，主要由Ⅱ型膠原和聚集蛋白聚糖構成，在OA發展中，軟骨細胞對這些基質成分的調節功能受損［7］，破壞ECM的結構和特性。LU等［3］研究證明，在軟骨分化過程中，通過MLT處理基質成分糖胺聚糖和Ⅱ型膠原蛋白，能促進骨髓間充質干細胞分化為軟骨細胞。同時，轉化生長因子-β（TGF-β）也能夠調節ECM沉積，通過上調TGF-β的表達，促進ECM成分（多種膠原蛋白、纖維結合素、蛋白聚糖等）合成［8］。PIEKARSKA等［9］證明，MLT能夠通過調節TGF-β信號通路，激活自噬過程相關的蛋白質表達，減少氧化應激反應，促進ECM的富集，延緩OA疾病進展。此外，在OA發病機制中，機械負荷可影響軟骨細胞代謝失調，誘導ECM降解。因此，新型對抗OA的策略能夠通過抑制促使軟骨ECM降解的成分來開發。其中，MMPs和含血小板結合蛋白基序的解聚蛋白樣金屬蛋白酶（ADAMTS）幾乎能夠水解ECM中各種膠原蛋白，破壞基質微環境，促進ECM降解［7］。ZHANG等［10］證明，MLT可以通過下調MMP-9、MMP-13、ADAMTS4和ADAMTS5的表達水平調節ECM重塑，保護ECM免受降解。另外，腦和肌肉芳香烴受體核轉運樣蛋白1（Bmal1）作為核心時鐘基因，直接調節與軟骨基質再生相關的晝夜節律表達，而MLT的合成符合明確的晝夜節律，通常與人類晝夜節律、睡眠有關［7］。FU等［11］證明，MLT改變Bmal1的節律性表達，促進ECM成分合成，維持軟骨ECM穩態。

2.2 抑制軟骨細胞凋亡 軟骨細胞凋亡是OA發展的主要特征之一，包括軟骨細胞數量減少和軟骨基質合成的抑制［7］。軟骨細胞在ECM大量減少下進行增殖，以及活性氧（ROS）產生的增加引起氧化應激，保護機制減少，最終誘導軟骨細胞凋

亡［3］。ZHANG等［12］證明，MLT以劑量依賴性方式減弱終板軟骨細胞的凋亡，并揭示MLT治療顯著下調了胱天蛋白酶-3，這是細胞凋亡級聯反應過程中的關鍵調節因子。FENG等［13］進一步證明，MLT下調促凋亡蛋白和上調抗凋亡蛋白的表達，抑制胱天蛋白酶-3水平，從而保護軟骨細胞免受凋亡。QIN等［14］通過刺激人原代軟骨細胞，證明MLT促進軟骨細胞中沉默信息調節因子2同源蛋白1（SIRT1）的表達，減弱軟骨細胞的凋亡，從而縮短OA病程。

2.3 抑制滑膜細胞衰老 衰老的滑膜細胞可通過增加參與細胞衰老過程的細胞周期蛋白表達，促進軟骨功能障礙，加速OA的病理過程［15］?；ぜ毎珊铣赏该髻|酸，分泌促炎因子和抗炎因子，共同維持ECM穩定。透明質酸可與其他成分形成蛋白多糖集聚體，是軟骨ECM的重要成分，可改善關節軟骨的活性［16］。HAN等［17］研究發現，MLT可降低細胞周期蛋白的表達，增加透明質酸的生成，抑制滑膜細胞衰老，從而延緩OA病情進展。有關MLT與滑膜細胞衰老的研究尚在初步階段，還需后續進一步探究。

2.4 減少炎癥反應 OA炎癥反應可產生大量的炎癥介質，主要包括腫瘤壞死因子-α（TNF-α）、白細胞介素-1β（IL-1β）、一氧化氮（NO）和前列腺素E2（PGE2）等，促進炎癥反應發生，導致細胞代謝活動紊亂，抑制軟骨細胞和軟骨ECM合成，從而增進OA病程［7］。MLT均通過直接或間接抑制核轉錄因子-κB（NF-κB）信號通路而激活，發揮抗炎性抑制炎癥反應［3］。LIU等［18］證明，MLT通過MLT受體1對促炎細胞因子產生抑制作用，抑制了OA的進程。HUANG等［19］證明，MLT通過ERK途徑抑制IL-1β和TNF-α的產生，逆轉OA的發生。LIM等［20］證明，MLT以劑量依賴的方式抑制NO和PGE2蛋白表達，發揮抗炎作用，延緩OA進程。此外，在OA發展進程中，NOD樣受體熱蛋白結構域相關蛋白3（NLRP3）炎癥小體為一潛在誘導因子，可產生多種促炎介質，如IL-1β、TNF-α，促進炎癥反應。因此，CHEN等［21］證明，MLT通過抑制NF-κB信號通路表達降低NLRP3和IL-1β水平，減少炎癥反應，改善OA發展。

2.5 抗氧化作用 ROS過多積累產生氧化應激反應，導致軟骨細胞凋亡、軟骨細胞自噬調節缺陷、轉錄后調控等破壞軟骨細胞、軟骨基質和DNA氧化損傷，從而促進OA的進展［22-23］。JAUHARI等［24］證明，MLT通過減弱線粒體ROS的積累抑制炎癥反應。LU等［4］證明，MLT直接抑制ROS，激活抗氧化酶系統。超氧化物歧化酶（SOD）、谷胱甘肽過氧化物酶（GSH-Px）是線粒體中的抗氧化酶。ZHANG等［7］證明，MLT上調SOD2抑制IL-1β、TNF-α誘導的ROS。戴政文等［25］證明，通過升高SOD、GSH-Px含量，從而抑制軟骨細胞氧化應激及細胞凋亡。過氧化氫（H2O2）可促進軟骨細胞凋亡和降解ECM成分，是OA進展中的重要介質［7］。LIM等［20］研究證明，MLT顯著抑制H2O2刺激的細胞毒性，且抑制NO和PGE2的表達，能有效減輕OA軟骨ECM降解。核因子紅系2相關因子2（NRF2）通路、叉頭框轉錄因子O（FOXO）信號通路及SIRT1通路等是參與OA進程中氧化還原的信號通路［23］。NRF2通路可調控氧化應激反應，促進抗氧化酶合成，減少細胞衰老［26］。ZHOU等［27］證明，MLT通過激活NRF2通路上調抗氧化酶表達，減少ROS，促進軟骨ECM合成。FOXO可抗氧化應激、促進軟骨細胞生長和軟骨ECM合成［28］。左斌等［29］證明，MLT能夠抑制FOXO1乙?；?，減輕炎癥反應，從而改善OA。SIRT1在OA進展中發揮抗炎癥、抗氧化應激、抗凋亡的作用，維持軟骨ECM穩態［30］。GUO等［31］證明，MLT通過抑制SIRT1依賴性信號表達，有效減少MMPs產生，表現出對OA的保護作用?？傊?，MLT及其衍生物具有高效自由基解毒性和廣譜抗氧化性，能夠通過提高谷胱甘肽和抗氧化酶的活性及有效表達，清除ROS的自由基［32］，減少氧化應激反應，從而維持軟骨穩態平衡。

3 小結與展望

MLT具有抗炎、抗氧化、抗衰老、調節晝夜節律等作用，能夠減少OA炎癥反應和氧化應激反應、抑制軟骨細胞凋亡、促進軟骨細胞增殖、維持軟骨ECM的合成和分解代謝平衡，從而維持軟骨穩態平衡，對OA的病程進展產生重要影響。本文綜述了MLT介導其作用針對OA發生、發展的復雜調節機制。但MLT作為一種廣泛的、多功能的分子，作用機制異常復雜，例如涉及到抗氧化、抗炎癥、抗衰老相關的ceRNA或其他調控途徑（MLT對OA進展中滑膜淋巴系統、鐵死亡、銅死亡的作用等）的深層次作用機制仍需進一步探討；其次，MLT治療OA尚缺乏科學、規范的臨床試驗研究，需要進一步探究。

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收稿日期：2023-09-15；修回日期：2023-10-26