褪黑素防治骨质疏松症的研究现状

㊃综述㊃
基金项目:国家自然科学基金项目(81572134);广东省自然科
学基金重点项目(2017A030311008)
∗通信作者:黄东生,Email:hdongsh@
褪黑素防治骨质疏松症的研究现状
王旭东㊀黄东生∗
中山大学孙逸仙纪念医院骨科,广东广州510120
中图分类号:R589.5㊀㊀文献标识码:A㊀㊀文章编号:1006-7108(2020)05-0741-05
摘要:骨质疏松症是一种危害严重且发病率逐年增加的全身性代谢性骨病,是中老年的常见病㊁多发病㊂褪黑素是一种由松果体分泌的调节生物昼夜节律的信号分子㊂近年来国内外研究发现褪黑素具有促进成骨细胞增殖分化㊁抑制破骨细胞活性从而促进骨代谢平衡的作用㊂其中,褪黑素在多项骨质疏松症相关细胞实验㊁动物实验以及临床试验的骨代谢研究中均取得了良好的治疗效果㊂因其具有治疗骨质疏松症的潜在作用,笔者就其研究进展作一综述,并提出今后可能的研究方向和亟待解决的关键问题㊂
关键词:褪黑素;骨质疏松;骨代谢;成骨细胞;破骨细胞
Current research status of melatonin in the prevention and treatment of osteoporosis
WANG Xudong ,HUANG Dongsheng ∗
Department of Orthopedics ,Sun Yat-sen Memorial Hospital of Sun Yat-sen University ,Guangzhou 510120,China ∗Corresponding author :HUANG Dongsheng ,Email :hdongsh @
Abstract :Osteoporosis is a systemic metabolic bone disease with severe harm and increasing incidence ,which is a common and frequently-occurring disease in middle-aged and elderly people.Melatonin is a signaling molecule secreted by the pineal gland that regulates the biological circadian rhythm.In recent years ,studies at home and abroad have found that melatonin promotes the proliferation and differentiation of osteoblasts and inhibits the activity of osteoclasts in order to promote the balance of bone metabolism.Among them ,melatonin has achieved good therapeutic effect in a variety of osteoporosis-related bone metabolism studies in cell experiments ,animal experiments ,and clinical trials.Because of its potential role in the treatment of osteoporosis ,this paper reviews its research progress and proposes possible future research directions and key issues to be solved.Key words :melatonin ;osteoporosis ;bone metabolism ;osteoblast ;osteoclast
㊀㊀骨质疏松症(osteoporosis,OP )是一种骨代谢(bone metabolism )失衡导致的以骨密度(bone mineral density,BMD)降低和骨组织显微结构(bone microarchitecture)异常为特征,导致骨骼脆性增加和易发生骨折(fracture)的一种全身性代谢性骨病,是中老年的常见病㊁多发病㊂OP 分为两大类:原发性(主要包括绝经后和老年性OP)和继发性(主要包括内分泌和代谢性OP,废用骨质疏松症和药物诱导性OP)㊂它的治疗和护理需要巨大的人力和物力资源,给家庭和整个社会带来沉重的负担㊂据统计,
2010年美国50岁以上的成年人中有10.3%患有骨质疏松症[1]㊂如果没有干预策略,在全球范围内骨
质疏松症患者在未来25年内的估计数量将增加两倍[2]㊂骨质疏松症通常被描述为 无症状疾病 ,因为它缺乏明显的症状,通常是发生脆性骨折后检查才发现患有骨质疏松症㊂全世界每年约有8900万人被诊断为OP 骨折,这意味着每3秒则发生一例OP 骨折[3]㊂到目前为止,还没有有效的可以逆转骨质疏松症发病机制的治疗方法㊂尽管传统的医学治疗方法已经成功地抑制了骨质流失[4],但大多数医学治疗方法并没有促进新骨形成[5-6]㊂此外,目前市场上的抗OP 药物有副作用多㊁价格昂贵㊁患者依从性差㊁致瘤风险等,这可能导致患者依从性差㊂因此,寻找新的治疗方法显得尤为重要㊂
褪黑素(melatonin)是一种主要由哺乳动物的松果体分泌的吲哚类激素,褪黑素能激活两种高亲和力G 蛋白偶联受体(称为MT1和MT2),在睡眠和昼夜节律异常㊁情绪障碍㊁学习和记忆㊁神经保护㊁
1
47中国骨质疏松杂志㊀2020年5月第26卷第5期㊀Chin J Osteoporos,May 2020,Vol 26,No.5Published online ㊀doi:10.3969/j.issn.1006-7108.2020.05.023
药物滥用和癌症中发挥有益作用[7]㊂除了松果体外,研究表明褪黑素可以在骨髓和许多其他组织中合成[8-9]㊂骨髓中合成的褪黑素浓度是夜间血液水平的两倍[10],提示其可能与骨代谢相关㊂最近许多研究已经证实了褪黑素能发挥促进成骨细胞(osteoblast)增殖分化,抑制破骨细胞(osteoclast)形成从而维持骨代谢的稳态[11-12]并发挥防治骨质疏松症的作用[13]㊂因此,褪黑素作为一种潜在的抗骨质疏松药物成为学界关注的热点㊂本综述讨论了褪黑素与骨质疏松症中相关的最新突破,并提出今后可能的研究方向和亟待解决的关键问题㊂
1㊀褪黑素与骨代谢
骨质疏松症的具体发病机制目前尚未明确,学界普遍认为其可能的发病机制为破骨增强以及成骨减弱所造成的骨代谢失衡㊂成人骨骼在一生中不断进行更新或转换,即破骨细胞将其吸收,成骨细胞又不断在原位形成新骨,其作用分别是由成骨细胞和破骨细胞所介导,正常情况下两者协调平衡,维护骨骼健康,而骨质疏松时骨吸收明显强于骨形成,导致骨密度下降㊁骨量减少[14]㊂褪黑素可以通过褪黑素受体(melatonin receptor)依赖和受体非依赖性的途径预防骨质降解和促进骨骼形成㊂褪黑素对骨代谢影响的主要机制有两个:①促进成骨细胞的增殖与分化;②抑制破骨细胞生成与活化以抵抗骨质疏松症㊂
1.1㊀褪黑素促进成骨细胞的增殖与分化
国内外多项研究显示褪黑素具有促进成骨细胞增殖与分化的作用从而促进骨形成㊂本课题组研究发现褪黑素能通过抑制过氧化物酶体增殖物激活受体γ(peroxisome proliferator-activated receptor gamma,PPARγ)表达和增强Runx2表达从而抑制间充质干细胞(mesenchymal stem cells,MSCs)成脂分化并显著增强MSCs成骨分化[15]㊂此外,其他学者研究发现褪黑素通过增加骨钙素(osteocalcin,OCN)的表达来促进骨生成,从而抑制骨质流失[16]㊂以及能通过上调神经肽Y(neuropeptide Y,NPY)和NPY 受体Y1(neuropeptide Y receptor Y1,NPY1R)的表达,促进MSCs的增殖和迁移,从而促进骨折愈合[17]㊂另外,Xiong等[18]发现褪黑素(10nmol/L~ 100μmol/L)通过激活c-Raf㊁MEK1/2㊁ERK1/2㊁p90RSK和MSK1从而促进人成骨细胞系hFOB1.19的增殖㊂Satomura等[19]研究发现药理剂量的褪黑素能促进体外成骨分化以及促进体内小鼠皮质骨形成㊂Maria等[20]研究发现褪黑素对人脂肪来源的MSC具有成骨细胞诱导作用㊂最近,Xu等[21]研究表明,褪黑素能抑制雌激素缺乏引起的OP,并通过抑制NLRP3炎性体的活动来促进成骨细胞的生成㊂然而,考虑到褪黑素体外给药的作用效应强烈但是持续时间较短,故本课题组将褪黑素包裹在聚乳酸微球中以产生持续分泌的褪黑素释放系统,结果表明该系统提供了一个相对稳定浓度的微量褪黑素作用环境从而更好地促进人类BMSCs的成骨分化[22]㊂
以上结果充分表明,褪黑素能通过不同途径(比如增强Runx2㊁OCN的表达上调NPY和NPY1R 的表达以及激活c-Raf㊁MEK1/2㊁ERK1/2㊁p90RSK 和MSK1等)促进成骨细胞的增殖与分化从而促进新骨生成㊂
1.2㊀褪黑素抑制破骨细胞的生成与活化
褪黑素除了促进成骨细胞的增殖与分化外,还可以减少破骨细胞的生成,以减少骨质溶解㊂既往学者普遍认为,褪黑素对于破骨细胞的调控作用主要是通过褪黑素对成骨细胞的调控从而间接调控破骨细胞㊂Maria等[20]使用人MSC和人外周血单核细胞(PBMC)的共培养模型发现褪黑素能抑制成骨细胞NF-κB受体活化因子配体(receptor activator of nuclear factor-κB ligand,RANKL)的分泌从而抑制破骨细胞生成㊂然而,也有学者认为褪黑素能直接调控破骨细胞的生成与活化㊂Koyama等[23]研究发现,药理剂量的褪黑素通过抑制破骨细胞的形成和活化从而抑制骨吸收,进而提高骨量㊂此外,Zhou 等[24]发现药理学浓度的褪黑素(1~100μmol/L)与生理浓度(0.01~10nmol/L)相比,其能通过活性氧分子(reactive oxygen species,ROS)介导的途径而不是SIRT1非依赖性途径显著抑制骨髓单核细胞的破骨细胞生成㊂最近,Kim等[25]发现褪黑素可通过褪黑素受体非依赖模式下调NF-κB途径抑制RANKL 介导的破骨细胞生成㊂
综上所述,褪黑素不仅能通过调控成骨细胞的活动间接抑制破骨细胞的生成与活化,而且能直接通过不同途径(比如ROS介导的途径以及受体非依赖模式等)抑制破骨细胞的生成与活化从而减少骨质溶解,具有治疗骨质疏松症的潜能㊂
2㊀褪黑素对骨质疏松的影响
骨质疏松症的主要发病机制为成骨减弱,破骨增强导致的骨代谢失衡㊂褪黑素具有促进成骨细胞
增殖分化,抑制破骨细胞生成与活化的作用㊂以往大量研究表明,褪黑素在细胞实验㊁动物实验以及人体研究中具有潜在抗骨质疏松症的作用㊂
2.1㊀细胞实验
大量研究表明褪黑素在不同细胞模型中能通过不同途径发挥潜在抗骨质疏松作用㊂
众所周知,炎症环境能促进骨质疏松症的发生发展㊂肿瘤坏死因子α(tumor necrosis factor alpha, TNFα)通过促进骨吸收和抑制骨形成在炎症相关的骨质疏松症中起重要作用㊂本课题组研究发现褪黑素可通过下调TNFα诱导的SMAD泛素化调节因子1(SMAD ubiquitination regulatory factor1,SMURF1)的表达量,然后减少SMURF1介导的SMAD1蛋白的泛素化和降解,从而稳定BMP-SMAD1信号通路的活性并且逆转了TNFα对BMSCs成骨分化的抑制作用[26]㊂
此外,褪黑素也能抑制移植物钛颗粒以及体内高铁状态对于骨质疏松症的促进作用㊂Ping等[27]研究了褪黑素对钛颗粒诱导的颅骨骨溶解小鼠模型的抑制作用㊂他们发现,褪黑素不仅可以通过激活Wnt/β-catenin信号通路,增强体内溶解部位的骨再生,而且还可在体外以浓度依赖性方式抑制NF-κB 通路的激活显著抑制磨损碎片诱导的骨吸收和体内炎性细胞因子的表达[28]㊂此外,褪黑素还能通过Nrf-2途径抑制成骨细胞的氧化应激水平,从而降低高铁引起的成骨细胞凋亡[29]㊂
最近,Maria等[20]使用人MSC和PBMC的共培养模型发现褪黑素能通过褪黑素受体MT2㊁MEK1/ 2和MEK5介导诱导成骨细胞分化和矿化沉积,同时也能抑制成骨细胞RANKL的分泌从而抑制破骨细胞生成㊂
基于以上证据表明,褪黑素在细胞模型中能通过不同途径(比如BMP-SMAD1信号通路㊁Wnt/β-catenin信号通路㊁NF-κB信号通路以及MAPK信号通路等)促进成骨,抑制破骨,提示其可能具有潜在的抗骨质疏松作用㊂
2.2㊀动物实验
褪黑素还可以调节小鼠㊁大鼠㊁绵羊等动物的骨代谢㊂基于褪黑素的膳食补充剂被认为是一种抗衰老疗法,用于治疗年龄相关的骨丢失[30-31]㊂
通过研究发现,褪黑素能通过MT2受体作用于成骨细胞以及改善骨代谢指标等途径增强小鼠的骨量㊂Sharan等[12]研究发现褪黑素受体MT2缺陷的小鼠存在成骨细胞数量和骨形成的减少,进一步研究发现褪黑素可以通过MT2受体直接调节成骨细
胞的增殖与分化㊂
此外,Maria等[20]在雌性小鼠饮用水中添加褪黑素(15mg/L)喂养一年,发现其能增加小鼠血清
中pErk1/2㊁pErk5㊁Runx2和OPG以及RANKL水
平,提示褪黑素能发挥骨增强作用㊂
通过对大鼠的研究也发现褪黑素能通过抑制体
内氧化应激水平㊁降低成骨细胞的自噬水平以及改
善骨代谢指标等途径发挥增强大鼠骨量的作用㊂研
究发现大鼠的骨小梁厚度㊁骨小梁面积和骨皮质厚
度在卵巢切除术后显著下降,然而,褪黑素的使用改
善了上述指标[32]㊂此外,褪黑素还能通过抑制ERK 信号通路降低成骨细胞中的自噬水平从而延缓糖尿
病引起的骨质疏松症[33]㊂Chu等[34]通过对老化的大鼠的研究发现褪黑素能增加BMD,减少钙磷丢失,增加骨唾液酸糖蛋白(bone sialoprotein,BSP)与OCN水平,以及增加骨生成率与骨矿化率从而发挥促进成骨分化的作用,同时,其能抑制成脂分化过程从而缓解大鼠的骨质疏松进展过程㊂最近,Zhou 等[35]通过对大鼠的研究发现褪黑素能通过SIRT3/ SOD2信号通路改善线粒体中的氧化应激,从而促进成骨,显著增加卵巢切除(OVX)大鼠的假体周围骨量以及种植体固定强度㊂
有学者不仅研究了单用褪黑素治疗骨质疏松症
的疗效,还探索了褪黑素与运动疗法相结合的效果㊂
结果发现褪黑素和有氧运动联合干预能明显改善糖
尿病骨质疏松,其可能与通过提高糖尿病大鼠的抗
氧化应激能力,调节糖的代谢从而有效地的降低血
钙和甲状旁腺素(parathyroid hormone,PTH),改善BMD从而缓解骨质疏松有关[36]㊂
除了大小鼠动物模型研究,有学者还研究了褪
黑素对绵羊的作用,结果与大小鼠模型效应基本一
致㊂Egermann等[37]对绵羊进行松果体切除术发现其增加骨小梁分离度并减少骨小梁厚度,从而降低BMD,导致骨质流失和骨质疏松症,使用褪黑素处理后能逆转上述效应㊂
综上所述,褪黑素在动物模型体内也具有促进
成骨㊁抑制破骨从而增加动物骨量的效应,提示其可
能具有潜在的抗骨质疏松疗效㊂
2.3㊀人体研究
研究表明,褪黑素在人体中也具有骨骼的保护
作用,此外,褪黑素还能稳定情绪以及提高睡眠
质量㊂
褪黑素的分泌具有昼夜节律性,夜间分泌量比
白天多,凌晨2点左右其分泌量达到峰值㊂有研究
发现夜班工作与骨质疏松症骨折发生的风险程度存
在相关性㊂Feskanich等[38]发现有超过20年夜班工作经历的工作者在未来8年中,其发生手腕和髋部
骨折的风险大大提高,遗憾的是,在这个研究中并没
有评估褪黑素水平㊂作者们猜测可能是由于晚上工
作降低了褪黑素水平从而成为夜班工作者骨折风险
提高的一个可能机制㊂
褪黑素对骨质疏松症临床治疗的研究工作主要
集中在褪黑素对绝经后骨质疏松治疗效果上,早期
研究发现褪黑素浓度升高可能对绝经后骨质流失有
保护作用[39]㊂随后通过对围绝经期妇女给予褪黑素治疗的研究发现褪黑素治疗能增加股骨以及脊椎
骨的骨密度,减轻围绝经期症状,改善情绪以及提高
睡眠质量㊂Maria等通过一项为期一年的双盲随机
对照试验评估了夜间褪黑素㊁锶(柠檬酸盐)㊁维生
素D3和维生素K2(MK7,MSDK)对绝经后骨质疏
松妇女BMD和生活质量(QOL)的影响(年龄49~ 75岁)㊂结果发现,与安慰剂相比,MSDK治疗增加了腰椎和左股骨颈的骨密度,增加了血清P1NP水平并降低骨转换㊂此外,心理测量分析表明,MSDK 组的情绪和睡眠质量得到明显改善[20,40]㊂Amstrup 等通过对81例患有骨质减少的绝经后妇女每晚接受1或3mg褪黑素或安慰剂治疗12个月后发现褪黑素(1mg/d)治疗一年能以剂量依赖的方式增加绝经后骨质减少患者股骨颈的BMD,而且高剂量(3 mg/d)褪黑素也增加了脊柱BMD[41-42]㊂并且褪黑素治疗具有安全性,没有影响肌肉的平衡和肌肉功能㊂此外,小剂量褪黑素能提高睡眠质量[41,43]㊂综上所述,褪黑素对人体具有一定的骨骼保护作用㊂然而鉴于研究对象的数量较少以及研究年限较短等缺点,未来可能需要开展更多的大规模的随机对照试验以为骨科医生和基础研究人员提供更加全面的临床证据㊂
3　展望
随着人口老龄化,骨质疏松已成为一个重要的
公共卫生问题㊂尽管目前有许多药物用于预防及治
疗骨质疏松症,但存在明显副作用及安全性问题㊂
因此,寻找新的骨质疏松症治疗方法显得尤为重要㊂
本综述总结了褪黑素在骨代谢以及骨质疏松中的详
细作用,有助于其在骨质疏松症的未来临床应用㊂
尽管目前有许多证据表明褪黑素在骨质疏松症
中的作用机制,但迄今为止尚未开发褪黑素在骨质疏松症治疗方面的药物㊂目前可能需要更多的转化研究以及临床试验以推进褪黑素在骨质疏松症领域的临床应用㊂进一步的研究可能集中在:(1)探讨使用褪黑素的安全性和有效性;(2)探索褪黑素在调节骨质疏松症中的未知以及深入的作用机制;
(3)通过大规模的转化研究以及随机对照试验提供更多的临床证据㊂
本综述展示了褪黑素在骨代谢以及骨质疏松中的详细作用,并指出了褪黑素防治骨质疏松症的应用潜能㊂相信随着研究的进一步深入与全面,我国能在骨质疏松症病变早期控制骨量的进一步丢失,有效地防止脆性骨折的发生,从而减轻骨质疏松症对人类造成的伤害以及对社会造成的负担㊂
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