褪黑素是一種主要由松果體產(chǎn)生的神經(jīng)內分泌激素，同時(shí)也可由其他組織或細胞產(chǎn)生，如腸道、睪丸、骨髓、視網(wǎng)膜、胃腸道、唾液腺和人類(lèi)淋巴細胞等。褪黑素的分泌有晝夜節律，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律時(shí)鐘驅動(dòng)，當視網(wǎng)膜感光神經(jīng)節細胞受到光刺激時(shí)，褪黑素的合成和分泌減少，直到不再分泌為止，一般來(lái)說(shuō)，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(zhù)機體衰老，褪黑素的產(chǎn)生也逐漸減少。

褪黑素可通過(guò)受體和非受體介導的方式產(chǎn)生影響，在哺乳動(dòng)物中，褪黑素通過(guò)與質(zhì)膜受體、鈣調素或孤兒核受體結合而發(fā)揮作用，而在動(dòng)物細胞中，褪黑素主要通過(guò)膜結合的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(chēng)為Mell a受體，Mell a廣泛分布于下丘腦的結節部和視交叉上核（suprachiasmatic nucleus，SCN），褪黑素與靶細胞中G蛋白偶聯(lián)受體超家族的這些高親和力受體的結合導致腺苷酸環(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，參與細胞內信號轉導過(guò)程。MT1 受體有兩個(gè)亞群，MT1a 和 MT2b，在血管中，表達 MT1 受體的SCN 有助于調節晝夜節律和收縮血管，而MT2 受體，也稱(chēng)為 Mell b 受體，具有低親和力，并參與磷酸肌醇水解、晝夜節律調節、血管擴張和炎癥反應。

褪黑素是一種強大的抗氧化劑，與其代謝產(chǎn)物可直接清除自由基，褪黑素高度集中在線(xiàn)粒體中，可保護蛋白質(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)成骨細胞、軟骨細胞和血管內皮細胞的增殖和分化，抑制骨吸收，限制氧化應激，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?jì)r(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(guò)程。褪黑素是直接的自由基清除劑和間接的抗氧化劑，通過(guò)激活抗氧化防御系統，維持骨髓間充質(zhì)干細胞在長(cháng)期傳代后的自我更新和分化。當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 )降低細胞活力并誘導細胞凋亡，而褪黑素可以影響 PERK-eIF 2 α-ATF 4-CHOP 信號通路減少內質(zhì)網(wǎng)應激誘導的細胞凋亡，從而保護成骨細胞免受高糖誘導的變化。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(guò)骨形態(tài)發(fā)生蛋白/Smad 信號通路，并伴隨由 Smurf2 介導的泛素化途徑參與實(shí)現的。褪黑素在A(yíng)kt/Nrf 2/HO-1 信號通路的激活也能緩解糖皮質(zhì)激素誘導的成骨細胞凋亡，預防和改善糖皮質(zhì)激素引起的骨質(zhì)丟失。此外，褪黑素上調SIRT1/Nrf2/ 轉化生長(cháng)因子β/ 骨形態(tài)發(fā)生蛋白的表達，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節軟骨再生方面的潛力。褪黑素的應用不僅能減輕實(shí)驗誘導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(guò)調節 Nrf2/HO-1 信號通路來(lái)清除活性氧，防止細胞損傷和炎癥因子的產(chǎn)生，緩解牙槽骨的退縮。

2、褪黑素對成骨細胞的作用機制

①褪黑素與成骨細胞分化

成骨細胞來(lái)源于間充質(zhì)干細胞，其分化能力在骨骼發(fā)育過(guò)程中發(fā)揮重要作用。在動(dòng)物及細胞實(shí)驗中，通過(guò)檢測血清中成骨分化相關(guān)生物標志物如堿性磷酸酶（ALP）、Ⅰ型前膠原氨基端原肽（PINP）、骨鈣素（OCN）、成骨特異性轉錄因子2（RUNX2）、成骨相關(guān)轉錄因子抗體（osterix）含量以及蛋白質(zhì)表達量的變化，發(fā)現使用褪黑素干預成骨細胞后分化相關(guān)生物標志物的表達增加。研究褪黑素干預地塞米松對成骨細胞分化的抑制作用時(shí)發(fā)現，PI3K/AKT通路的P-AKT蛋白以及BMP/Smad信號通路關(guān)鍵蛋白P-Smad 1/5/9表達升高，在使用PI3K/AKT通路抑制劑MK2206時(shí)，P-AKT 和P-Smad 1/5/9蛋白表達均降低，而應用BMP/Smad信號通路抑制劑LDN193189時(shí)，P-Smad 1/5/9蛋白表達降低，P-AKT無(wú)影響，說(shuō)明褪黑素可通過(guò)PI3K/AKT、BMP/Smad信號通路緩解地塞米松對成骨細胞分化與礦化的抑制作用，并且PI3K/AKT信號可能是BMP/Smad信號的上游信號。

研究表明，Wnt信號通路作為BMP的下游，可以調節骨形成中的分化和礦化，Wnt配體與其受體結合，導致β?catenin易位到細胞核中，進(jìn)而增強成骨細胞靶基因的表達。此外，糖原合酶激酶3β（GSK-3β）可以在沒(méi)有Wnt配體的情況下誘導β?catenin的蛋白酶體降解，通過(guò)負性調控Wnt/ β?catenin信號傳導間接影響成骨細胞的分化。研究發(fā)現褪黑素干預可激活成骨分化標志物Runx2、OCN等，成骨細胞中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(guò)直接/間接激活Wnt/β?catenin信號通路來(lái)促進(jìn)成骨細胞的分化。而且褪黑素激活成骨細胞中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，表明BMP、ERK可以從上游調控Wnt/β?catenin 通路，進(jìn)一步說(shuō)明褪黑素通過(guò)BMP/ERK/Wnt途徑促進(jìn)成骨細胞的成骨分化和礦化。

研究還發(fā)現褪黑素刺激了MAPK家族中C-JunN?末端激酶（JNK）、細胞外信號調節激酶（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)成骨細胞的分化也與MAPK信號通路有關(guān)。還有研究表明，成骨細胞中miR-497-5p 的過(guò)表達可增強ALP活性，增加OCN、COL-Ⅰ蛋白的表達水平及骨礦化面積，證明了miR-497-5p對成骨細胞的分化和骨基質(zhì)礦化的促進(jìn)作用，其機制可能與對Smurf2的負靶向調控有關(guān)。

②褪黑素與成骨細胞自噬

細胞自噬是對細胞內待降解的蛋白質(zhì)、細胞器等進(jìn)行包裹，形成自噬小體后依賴(lài)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。維持適當水平的自噬有利于細胞生理的穩態(tài)，但過(guò)量的自噬會(huì )對細胞造成損傷甚至凋亡。研究表明鈦離子干預成骨細胞后，通過(guò)降低SIRT 3的表達，使SOD 2活性下降，引起線(xiàn)粒體內ROS水平升高，導致細胞發(fā)生自噬。褪黑素干預后SIRT3 蛋白表達升高，恢復了SOD 2的活性，進(jìn)而發(fā)揮SOD 2對ROS的降解作用，使線(xiàn)粒體活性氧（mROS）下降，自噬蛋白LC3-Ⅱ表達降低，自噬體減少，細胞活性恢復，表明褪黑素對鈦離子引起成骨細胞的自噬水平升高具有改善作用且此作用與調節線(xiàn)粒體內SIRT3/SOD2/mROS通路有關(guān)。

除了與氧化應激相關(guān)的SIRT3/SOD 2/mROS通路，研究人員還對Ras/Raf/MEK/ERK與 PI3K/AKT/mTOR兩條經(jīng)典的自噬調控信號通路進(jìn)行了探索。細胞外信號調控的蛋白激酶（ERK）是MAPK家族中的一員，在一項應用人胎兒成骨細胞（Hfob119）進(jìn)行的體外實(shí)驗中，高糖導致自噬體形成的生物標志物微管相關(guān)蛋白輕鏈LC3和Beclin-1水平升高，p-ERK1/2蛋白表達增加，褪黑素干預后會(huì )使LC3、Beclin-1水平以及p-ERK1/2蛋白表達降低，表明褪黑素可以通過(guò)調節ERK通路來(lái)改善成骨細胞的自噬作用。

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)主要信號分子蛋白，其中mTOR對于調節成骨細胞的自噬水平至關(guān)重要。 mTOR是氨基酸和ATP的感受器，在自噬過(guò)程中發(fā)揮門(mén)控作用，其活性是自噬體形成、成熟的關(guān)鍵。通過(guò)clinostat旋轉模擬微重力作用于成骨細胞中，REK/AKT/mTOR蛋白的磷酸化水平顯著(zhù)降低，自噬蛋白LC3水平增加，增強了細胞自噬，但在使用褪黑素治療后，可明顯恢復ERK/AKT/ mTOR蛋白的磷酸化水平，使自噬蛋白LC3表達水平較前下降，并用競爭性褪黑激素受體拮抗劑盧吲哚處理后，發(fā)現可阻止褪黑激素誘導的LC3?Ⅱ水平下降。 說(shuō)明褪黑素可通過(guò)增加ERK/AKT/ mTOR蛋白的磷酸化，使自噬體標志物的水平降低，從而對成骨細胞的自噬起到抑制作用。

不過(guò)，也有研究人員發(fā)現高濃度褪黑素會(huì )通過(guò)激活細胞膜鈣離子通道，引起鈣超載進(jìn)而激活未折疊蛋白反應，導致發(fā)生內質(zhì)網(wǎng)應激，從而對成骨細胞增殖產(chǎn)生抑制效應，激活自噬小體，自噬蛋白LC3-Ⅰ和LC3-Ⅱ表達增加，導致細胞自噬水平升高。其他實(shí)驗也表明了高濃度褪黑素增強成骨細胞自噬的作用與抑制miR-200b的表達并增加MALAT1的表達有關(guān)。

參考資料

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作者簡(jiǎn)介：小泥沙，食品科技工作者，食品科學(xué)碩士，現就職于國內某大型藥物研發(fā)公司，從事?tīng)I養食品的開(kāi)發(fā)與研究。