褪黑素促进骨再生作用机制的研究进展（上）

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褪黑素是一种主要由松果体产生的神经内分泌激素，同时也可由其他组织或细胞产生，如肠道、睾丸、骨髓、视网膜、胃肠道、唾液腺和人类淋巴细胞等。褪黑素的分泌有昼夜节律，褪黑素的夜间产生主要由位于下丘脑视交叉上核的昼夜节律时钟驱动，当视网膜感光神经节细胞受到光刺激时，褪黑素的合成和分泌减少，直到不再分泌为止，一般来说，褪黑素主要在夜间合成，其峰值血浆浓度在3 点至4 点，随后逐渐下降，而随着机体衰老，褪黑素的产生也逐渐减少。

褪黑素可通过受体和非受体介导的方式产生影响，在哺乳动物中，褪黑素通过与质膜受体、钙调素或孤儿核受体结合而发挥作用，而在动物细胞中，褪黑素主要通过膜结合的G 蛋白偶联受体发挥作用。目前已在哺乳动物中克隆了两种G蛋白偶联的褪黑素受体，包括褪黑素受体1（melatonin receptor 1，MT1）和褪黑激素受体 2（melatonin receptor 2，MT2），MT1 受体也称为Mell a受体，Mell a广泛分布于下丘脑的结节部和视交叉上核（suprachiasmatic nucleus，SCN），褪黑素与靶细胞中G蛋白偶联受体超家族的这些高亲和力受体的结合导致腺苷酸环化酶/环磷酸腺苷活性的抑制，并增加磷脂酶C/三磷酸肌醇的作用，参与细胞内信号转导过程。MT1 受体有两个亚群，MT1a 和 MT2b，在血管中，表达 MT1 受体的SCN 有助于调节昼夜节律和收缩血管，而MT2 受体，也称为 Mell b 受体，具有低亲和力，并参与磷酸肌醇水解、昼夜节律调节、血管扩张和炎症反应。

褪黑素是一种强大的抗氧化剂，与其代谢产物可直接清除自由基，褪黑素高度集中在线粒体中，可保护蛋白质、脂质，以及自由基引起的氧化损伤的DNA。此外，褪黑素能促进成骨细胞、软骨细胞和血管内皮细胞的增殖和分化，抑制骨吸收，限制氧化应激，有望成为多种骨病的主要或辅助治疗策略，在骨领域具有非常高的研究价值。

自由基的产生是骨降解的关键事件，有助于骨降解过程。褪黑素是直接的自由基清除剂和间接的抗氧化剂，通过激活抗氧化防御系统，维持骨髓间充质干细胞在长期传代后的自我更新和分化。当褪黑素在一定浓度下，其促成骨、抗炎和抗氧化作用可发挥到极 致。高葡萄糖环境会降低细胞活力并诱导细胞凋亡，而褪黑素可以影响 PERK-eIF 2 α-ATF 4-CHOP 信号通路减少内质网应激诱导的细胞凋亡，从而保护成骨细胞免受高糖诱导的变化。褪黑素也能缓解糖皮质激素所致的成骨分化障碍，这是通过骨形态发生蛋白/Smad 信号通路，并伴随由 Smurf2 介导的泛素化途径参与实现的。褪黑素在Akt/Nrf 2/HO-1 信号通路的激活也能缓解糖皮质激素诱导的成骨细胞凋亡，预防和改善糖皮质激素引起的骨质丢失。此外，褪黑素上调SIRT1/Nrf2/ 转化生长因子β/ 骨形态发生蛋白的表达，同时抑制核因子κB 通路和软骨基质降解的能力，表明褪黑素在减缓软骨退化和调节软骨再生方面的潜力。褪黑素的应用不仅能减轻实验诱导的大鼠根尖周炎的炎症并减少骨吸收，还有助于控制高脂饮食大鼠的根尖周炎病变。在小鼠的牙周炎模型中，褪黑素衍生碳点 (melatonin-derivedcarbon dots，MT-CDs)可通过调节 Nrf2/HO-1 信号通路来清除活性氧，防止细胞损伤和炎症因子的产生，缓解牙槽骨的退缩。

① 褪黑素与成骨细胞分化

成骨细胞来源于间充质干细胞，其分化能力在骨骼发育过程中发挥重要作用。在动物及细胞实验中，通过检测血清中成骨分化相关生物标志物如碱性磷酸酶（ALP）、Ⅰ型前胶原氨基端原肽（PINP）、骨钙素（OCN）、成骨特异性转录因子2（RUNX2）、成骨相关转录因子抗体（osterix）含量以及蛋白质表达量的变化，发现使用褪黑素干预成骨细胞后分化相关生物标志物的表达增加。研究褪黑素干预地塞米松对成骨细胞分化的抑制作用时发现，PI3K/AKT通路的P-AKT蛋白以及BMP/Smad信号通路关键蛋白P-Smad 1/5/9表达升高，在使用PI3K/AKT通路抑制剂MK2206时，P-AKT 和P-Smad 1/5/9蛋白表达均降低，而应用BMP/Smad信号通路抑制剂LDN193189时，P-Smad 1/5/9蛋白表达降低，P-AKT无影响，说明褪黑素可通过PI3K/AKT、BMP/Smad信号通路缓解地塞米松对成骨细胞分化与矿化的抑制作用，并且PI3K/AKT信号可能是BMP/Smad信号的上游信号。

研究表明，Wnt信号通路作为BMP的下游，可以调节骨形成中的分化和矿化，Wnt配体与其受体结合，导致βcatenin易位到细胞核中，进而增强成骨细胞靶基因的表达。此外，糖原合酶激酶3β（GSK-3β）可以在没有Wnt配体的情况下诱导βcatenin的蛋白酶体降解，通过负性调控Wnt/ βcatenin信号传导间接影响成骨细胞的分化。研究发现褪黑素干预可激活成骨分化标志物Runx2、OCN等，成骨细胞中Wnt7b、βcatenin的mRNA以及蛋白的含量明显升高，同时激活 Wnt5α/ β、βcatenin磷酸化，使GSK-3β 的磷酸化降低，表明褪黑素通过直接/间接激活Wnt/βcatenin信号通路来促进成骨细胞的分化。而且褪黑素激活成骨细胞中Wnt5α/ β、βcatenin，抑制GSK-3β，可以被BMP抑制剂Noggin和ERK抑制剂PD98059所逆转，表明BMP、ERK可以从上游调控Wnt/βcatenin 通路，进一步说明褪黑素通过BMP/ERK/Wnt途径促进成骨细胞的成骨分化和矿化。

研究还发现褪黑素刺激了MAPK家族中C-JunN末端激酶（JNK）、细胞外信号调节激酶（ERK）、P38丝裂原活化蛋白激酶（P38 MAPK）的磷酸化，表明褪黑素促进成骨细胞的分化也与MAPK信号通路有关。还有研究表明，成骨细胞中miR-497-5p 的过表达可增强ALP活性，增加OCN、COL-Ⅰ蛋白的表达水平及骨矿化面积，证明了miR-497-5p对成骨细胞的分化和骨基质矿化的促进作用，其机制可能与对Smurf2的负靶向调控有关。

② 褪黑素与成骨细胞自噬

细胞自噬是对细胞内待降解的蛋白质、细胞器等进行包裹，形成自噬小体后依赖溶酶体进行降解，从而进行代谢循环和能量的更新利用。维持适当水平的自噬有利于细胞生理的稳态，但过量的自噬会对细胞造成损伤甚至凋亡。研究表明钛离子干预成骨细胞后，通过降低SIRT 3的表达，使SOD 2活性下降，引起线粒体内ROS水平升高，导致细胞发生自噬。褪黑素干预后SIRT3 蛋白表达升高，恢复了SOD 2的活性，进而发挥SOD 2对ROS的降解作用，使线粒体活性氧（mROS）下降，自噬蛋白LC3-Ⅱ表达降低，自噬体减少，细胞活性恢复，表明褪黑素对钛离子引起成骨细胞的自噬水平升高具有改善作用且此作用与调节线粒体内SIRT3/SOD2/mROS通路有关。

除了与氧化应激相关的SIRT3/SOD 2/mROS通路，研究人员还对Ras/Raf/MEK/ERK与 PI3K/AKT/mTOR两条经典的自噬调控信号通路进行了探索。细胞外信号调控的蛋白激酶（ERK）是MAPK家族中的一员，在一项应用人胎儿成骨细胞（Hfob119）进行的体外实验中，高糖导致自噬体形成的生物标志物微管相关蛋白轻链LC3和Beclin-1水平升高，p-ERK1/2蛋白表达增加，褪黑素干预后会使LC3、Beclin-1水平以及p-ERK1/2蛋白表达降低，表明褪黑素可以通过调节ERK通路来改善成骨细胞的自噬作用。

PI3K/AKT/mTOR通路主要包括磷脂酰肌3-激酶（PI3K）、AKT和哺乳动物雷帕霉素蛋白（mTOR）3个主要信号分子蛋白，其中mTOR对于调节成骨细胞的自噬水平至关重要。mTOR是氨基酸和ATP的感受器，在自噬过程中发挥门控作用，其活性是自噬体形成、成熟的关键。通过clinostat旋转模拟微重力作用于成骨细胞中，REK/AKT/mTOR蛋白的磷酸化水平显著降低，自噬蛋白LC3水平增加，增强了细胞自噬，但在使用褪黑素治疗后，可明显恢复ERK/AKT/ mTOR蛋白的磷酸化水平，使自噬蛋白LC3表达水平较前下降，并用竞争性褪黑激素受体拮抗剂卢吲哚处理后，发现可阻止褪黑激素诱导的LC3Ⅱ水平下降。 说明褪黑素可通过增加ERK/AKT/ mTOR蛋白的磷酸化，使自噬体标志物的水平降低，从而对成骨细胞的自噬起到抑制作用。

不过，也有研究人员发现高浓度褪黑素会通过激活细胞膜钙离子通道，引起钙超载进而激活未折叠蛋白反应，导致发生内质网应激，从而对成骨细胞增殖产生抑制效应，激活自噬小体，自噬蛋白LC3-Ⅰ和LC3-Ⅱ表达增加，导致细胞自噬水平升高。其他实验也表明了高浓度褪黑素增强成骨细胞自噬的作用与抑制miR-200b的表达并增加MALAT1的表达有关。

参考资料：

[1]王颖,郝楠,谢戬芳.褪黑素在骨关节炎中作用机制的研究进展[J].安徽医学,2024,45(06):794-797.

[2]季明意,季欣意,徐俊峰.褪黑素促进骨再生机制及在口腔种植中的应用[J].中国组织工程研究,2025,29(18):3868-3876.

[3]李富华,张锦玉.褪黑素对成骨细胞作用机制的研究进展[J].中国骨质疏松杂志,2024,30(11):1678-1682.

作者简介：小泥沙，食品科技工作者，食品科学硕士，现就职于国内某大型药物研发公司，从事营养食品的开发与研究。

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来源：CPHI制药在线

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