综述：褪黑素作为缺血性脑损伤中线粒体功能和细胞信号的多效性调节因子

《Cells》：Melatonin as a Pleiotropic Modulator of Mitochondrial Function and Cellular Signaling in Ischemic Brain Injury

　　

急性缺血性脑卒中（acute ischemic stroke）是全球死亡率和残疾率的主要原因之一，其特征是复杂且时间结构化的细胞和分子事件级联。尽管再灌注疗法改善了预后，但其狭窄的治疗窗口和有限的可用性使得许多患者无法获得有效治疗，这凸显了对能够靶向多个相互关联通路的有效神经保护策略的需求。基于褪黑素的多效性特性，研究人员提出其作为一种潜在的辅助神经保护剂，调节细胞信号网络，包括抗氧化、抗炎、线粒体稳定和血脑屏障（BBB）保护作用。褪黑素调节关键信号通路，从而协调细胞对缺血病理生理学多个阶段损伤的反应，将其定位为一种潜在的辅助治疗。临床前研究一致显示梗死体积减少、神经元结构保留以及神经功能预后改善。然而，临床证据仍然局限于少量临床试验，这些试验表明安全性以及可能的早期神经功能改善，但不足以确定长期疗效。重要的是，在最佳剂量、给药持续时间以及与缺血后损伤时间动态的匹配方面，转化差距仍然存在。本综述整合了当前关于潜在神经保护作用的细胞和分子机制及其作为缺血性损伤多效性调节因子的知识。

1. 引言（Introduction）
急性缺血性脑卒中（acute ischemic stroke）是全球发病、死亡和残疾的主要原因之一。目前治疗策略主要集中于通过静脉溶栓（静脉内4.5小时治疗窗口）或机械取栓（部分患者症状发作后24小时内）实现血管再通。然而，许多患者因地理障碍、症状识别延迟、医院基础设施不足或医疗物资缺乏而无法在溶栓治疗窗口内到达急诊，导致有效治疗受限。机械取栓也并非所有医院均可实施。这些情况凸显了开发用于缺血事件不同阶段的辅助或替代疗法的迫切需求。现有再灌注疗法虽能恢复脑血流（cerebral blood flow, CBF），但并未直接针对缺血性脑卒中的潜在病理生理级联反应。多种神经保护剂（如谷氨酸拮抗剂、抗氧化剂、抗炎剂、凋亡调节剂及多效性药物）在临床前模型中显示出前景，但临床转化有限，反映出缺血性脑损伤的复杂性和神经保护面临的挑战。缺血性脑卒中的病理生理学不仅涉及初始血管闭塞，还包括氧化应激、神经炎症、线粒体功能障碍、凋亡信号及血脑屏障（BBB）破坏等复杂级联反应，这些过程在数小时至数天内演变，提供了比当前利用的更广阔的治疗干预生物学窗口。褪黑素作为一种内源性吲哚胺，传统上与昼夜节律调节相关，现已作为细胞稳态的多效性调节因子出现，能够调节相互关联的信号网络并靶向缺血性损伤时间演变中的线粒体功能障碍。临床前研究显示，褪黑素在动物脑缺血模型中可减少神经元损伤，具备理想的神经保护剂特征：良好的安全性、可穿越BBB、高安全边际、与标准治疗兼容，并有口服和静脉制剂。本综述考察了褪黑素神经保护作用的细胞和分子机制，评估了当前临床前和临床证据，突出了关键转化差距及未来研究方向。

2. 方法（Methods）
本研究为叙述性综述，优先关注机制性、转化性和临床证据，以提供褪黑素在缺血性脑卒中的时间演变过程中作用的综合视角。通过检索PubMed、Scopus和Web of Science等电子数据库，使用关键词包括：melatonin, pharmacokinetics, ischemic stroke, neuroprotection, oxidative stress, neuroinflammation, mitochondrial dysfunction, blood–brain barrier, apoptosis, reperfusion injury, cellular signaling pathways, and melatonin receptors。文献筛选过程中迭代使用多种检索词组合，运用布尔运算符AND和OR进行精炼。仅考虑英文发表的文章，根据其与褪黑素在缺血性脑卒中中的机制、药代动力学、病理生理学和转化方面的相关性进行选择。排除无关、重复及与缺血性脑损伤无关的研究。由于综述的叙述性质，未应用正式的质量评估工具，但优先考虑发表在索引期刊的同行评审研究及具有显著机制或转化相关性的研究。此外，手动筛选相关原始文章和综述论文的参考文献列表，并酌情考虑FDA和EMA等机构的药理学文件。特别关注涉及线粒体调节、氧化应激调节、神经炎症通路、神经血管保护及缺血性脑卒中转化意义的研究。由于信息量大且主题不断演变，本综述设计为叙述性和主题性综合，而非正式系统评价或荟萃分析。实验和临床证据分别分析讨论以改善转化解释。文献选择未设置严格时间限制，因历史基础研究和近期进展均被视为相关。

3. 急性缺血性脑卒中的病理生理学（Pathophysiology of Acute Ischemic Stroke）
根据美国心脏协会/美国卒中协会（AHA/ASA）定义，急性缺血性脑卒中为“由于动脉闭塞导致脑血流（CBF）中断，引起缺血和受损区域组织损伤，造成神经功能突然丧失”。动脉闭塞使CBF急剧下降，核心区域灌注低于17%时，能量衰竭在数分钟内引发坏死性死亡；周围缺血半暗带保持部分灌注（24-70%），维持微弱的线粒体功能，神经元虽活力降低但潜在可挽救。缺氧环境损害线粒体氧化磷酸化，导致ATP生成显著减少，代谢转向胞质无氧糖酵解，引发电子传递链功能障碍和神经元去极化。在核心区，CBF降至正常17%以下，导致ATP完全耗竭、Na⁺/K⁺-ATP酶完全失效、持续缺氧去极化，伴随大量钙内流、细胞毒性水肿和坏死性细胞死亡；在半暗带，残余CBF为20-40%，ATP水平降低但未完全耗竭，导致部分Na⁺/K⁺-ATP酶功能障碍和短暂、重复的梗死周围去极化。去极化引发谷氨酸释放和离子型受体激活，增加细胞内钙和钙依赖性酶活化，导致氧化应激和线粒体功能障碍。NADPH氧化酶被多种汇聚信号激活（缺氧、谷氨酸释放、细胞内Ca²⁺超载），放大活性氧（ROS）生成。在核心区，钙超载引发线粒体通透性转换孔（mPTP）持续不可逆开放和坏死；在半暗带，酶活化和mPTP开放部分且短暂，有利于促凋亡信号通路激活。线粒体作为主要生物能量整合器，根据氧和葡萄糖维持ATP生成的能力决定神经元损伤是否可逆。缺血诱导的生物能量和兴奋毒性损伤延伸至整个神经血管单元（NVU），导致早期BBB功能障碍、基质金属蛋白酶活化、星形胶质细胞和小胶质细胞反应性以及内皮紧密连接破坏，增加血管通透性，促进血管源性水肿和白细胞浸润。神经炎症级联反应随后被激活，包括损伤相关分子模式（DAMPs）释放、内皮活化、促炎细胞因子产生以及小胶质细胞向促炎表型（M1）和神经毒性A1星形胶质细胞极化，加剧神经元损伤和病变扩大。约24小时后，即使无治疗性再灌注，由于自发血栓溶解、侧支循环募集、代偿性血管舒张和血流动力学再分布，缺氧和CBF可能部分缓解，促进从损伤向修复的转变。M2小胶质细胞释放抗炎细胞因子（如IL-10）和神经营养因子（如TGF-β、IGF-1、BDNF），支持血管生成和组织修复。约72小时后，可塑性开始，神经元上调生长相关蛋白（如GAP-43、CAP-23），轴突萌芽和突触发生增强。修复过程还涉及脑网络重组、突触可塑性及髓鞘再生。再灌注可源于自然病程或治疗诱导，但再灌注后立即出现再氧合、线粒体呼吸链重新激活，导致过量活性氧/活性氮（ROS/RNS）生成、mPTP开放和细胞凋亡信号激活，引起延迟性神经元死亡。再灌注还伴随内皮活化和功能障碍、血小板-白细胞相互作用以及无复流现象，进一步加重损伤。

4. 褪黑素在缺血性脑卒中时间演变中的作用（Melatonin Across the Temporal Evolution of Ischemic Stroke）
在超急性期，褪黑素可能通过清除活性氧/氮、减轻钙超载和稳定线粒体膜，保护半暗带区域的线粒体完整性和生物能量效率。再灌注后，褪黑素可减轻氧化性和线粒体损伤。在急性和亚急性炎症期，褪黑素可能调节炎症和血栓炎症过程，保护神经血管完整性和微血管灌注。对于延迟性神经元死亡，实验证据表明褪黑素可能减轻凋亡和铁死亡通路。在亚急性和慢性期，褪黑素可能通过促进氧化还原稳态、神经血管完整性和适应性可塑性，支持血管生成、神经血管重塑和功能恢复。此外，昼夜节律调节异常可能增加氧化应激和炎症失调，褪黑素可能通过调节昼夜节律发挥额外保护作用。

5. 褪黑素在缺血性脑卒中中的作用机制（Mechanisms of Action of Melatonin in Ischemic Stroke）
褪黑素主要由松果体产生，通过视交叉上核调控的昼夜节律分泌，受光-暗周期影响，高峰在凌晨3-4点，峰值约200 pg/mL。除松果体外，视网膜、小脑、皮肤、胃肠道和免疫系统等也有分泌。褪黑素主要通过MT1和MT2 G蛋白偶联受体发挥作用，分布在大脑、视网膜、脂肪组织、子宫、胰腺、睾丸、心脏、胎盘、冠状动脉和胎儿肾脏。这些受体调节cAMP和cGMP信号通路。褪黑素作为直接自由基清除剂，通过受体依赖和非依赖机制减少ROS，保护线粒体完整性。激活MT1受体后抑制电压依赖性Ca²⁺通道并激活G蛋白调节内向整流钾通道（GIRK），降低神经元兴奋性和兴奋毒性。下游信号包括增强抗氧化防御、维持线粒体功能、抑制NF-κB介导的促炎转录、减少促炎细胞因子（TNF-α、IL-1β）、减轻MMP-9活化和保护BBB完整性。褪黑素还通过调节Bcl-2家族和抑制促凋亡通路促进抗凋亡信号，激活PI3K/ERK_1/2轴支持神经元存活和神经血管完整性。此外，褪黑素调节cAMP/PKA通路及下游CREB、ERK1/2、JAK2/STAT-3、ERK/p38等通路，增加Bcl-2表达。通过cAMP/SIRT3/SOD2和SIRT1/PPAR-γ通路增加Nrf2表达，促进抗氧化酶合成；抑制NF-κB转录，减少炎症信号。褪黑素及其代谢物（如AFMK和AMK）能清除多种活性氧和氮物种，具有比传统抗氧化剂更强的抗氧化能力。其两亲性质使其易于穿越细胞和线粒体膜，增强线粒体呼吸链复合物I和IV活性，减少电子泄漏和ROS生成。

6. 药代动力学与转化考虑（Pharmacokinetics and Translational Considerations of Melatonin）
褪黑素为小分子（232 Da），口服后吸收迅速且分布广泛。由于高亲脂性和低血浆蛋白结合，易于穿越BBB。生物利用度为9-33%，主要受肝脏首过代谢影响。分布容积约451 L。口服后30-60分钟达到血浆峰值浓度。主要在肝脏由细胞色素P450酶（CYP1A2和CYP2C9）代谢为6-羟基褪黑素，随后与硫酸或葡萄糖醛酸结合经尿液排出。血浆半衰期短，为20-50分钟。尽管半衰期短，但其代谢产物AFMK和AMK在自由基清除级联中发挥作用，延长细胞内抗氧化活性。此外，褪黑素调节氧化应激和炎症相关的转录通路，产生超越血浆存在的生物学效应。市售制剂包括舌下片、缓释胶囊和静脉制剂。缓释制剂可能将半衰期延长至3.5-4小时，维持稳态浓度约6-8小时。由于缺血性脑损伤病理生理学具有动态性和长期性，缓释制剂和延长给药策略值得进一步研究。

7. 神经保护作用的实验证据（Experimental Evidence of Neuroprotective Effects）
大多数神经保护作用证据来自以啮齿动物为主的实验模型。多项临床前研究表明，褪黑素在不同脑缺血模型中可减少梗死体积、改善神经功能恢复，并发挥抗炎和抗氧化作用。这些益处通过不同给药途径实现。此外，实验研究证明褪黑素保护BBB、限制水肿、保护线粒体功能并促进神经发生。这些发现为临床转化提供了坚实的临床前基础。

8. 临床证据与转化视角（Clinical Evidence and Translational Perspectives）
临床研究仍有限，但日益提示褪黑素在调节缺血-再灌注损伤及相关病理生理过程中可能发挥作用。在急性缺血性脑卒中中，一项随机双盲安慰剂对照研究显示，褪黑素（20 mg/天，5天）在不适于再灌注治疗的患者中与NIHSS和mRS评分在30天和90天时更大程度的降低相关，但功能独立（mRS<3）的比例无显著差异。由于急性缺血性脑卒中临床试验数量少且规模小，来自其他缺血-再灌注环境的间接证据被纳入以说明共享的病理生理通路。这些数据显示褪黑素与氧化应激和炎症标志物降低、组织损伤减轻及临床中期改善相关。在心血管环境下，褪黑素改善了氧化应激标志物、血脂谱和内皮功能。在急性心肌梗死中，结果异质性较大，早期给药可能减少梗死面积，但心肌挽救指数改善不明显。在外科手术环境（如腹主动脉瘤修复和冠状动脉旁路移植术）中，褪黑素与心脏并发症减少和再灌注相关生物标志物水平降低相关。在神经炎症疾病（如多发性硬化）中，褪黑素与TNF-α、IL-1β、IL-6等循环细胞因子降低相关。尽管对氧化应激和炎症影响一致，但转化为明确临床益处的结果可变，可能与研究设计、患者人群、给药方案和时机差异有关。总体而言，当前临床证据支持褪黑素的安全性和生物活性，但需要更大规模随机对照试验确定其对临床结局的影响。考虑到缺血性脑卒中病理生理的持久性，未来研究应评估缓释制剂是否能提供更稳定的褪黑素浓度和更持久的神经保护作用。

9. 安全性、耐受性与监管状态（Safety, Tolerability, and Regulatory Status）
褪黑素被认为是一种高度安全的化合物，在高剂量下亦表现出良好的安全性。动物模型中高达100 mg/kg未见毒性。人类临床试验中1-20 mg/天无严重副作用，常见不良反应包括嗜睡、日间困倦、头痛、头晕和偶有胃肠不适。缓释褪黑素与夜间血压适度降低（3-6 mmHg）相关。人类静脉注射100 mg未引起生命体征、实验室参数或心电图显著改变。估计致死剂量为静脉2 g，口服36 g。然而，褪黑素可能增强中枢神经系统抑制剂的镇静作用，需在急性缺血性脑卒中人群（尤其是多药治疗老年患者）中加以考虑。褪黑素在一些国家被批准用于睡眠障碍，在其他地区则作为膳食补充剂监管。这种异质性监管状态可能导致市售制剂在质量、生物利用度和药代动力学方面存在显著差异。值得注意的是，临床研究所用剂量远低于临床前卒中模型常用剂量。根据体表面积转换法，大鼠1-50 mg/kg对应人等效剂量约0.162-8 mg/kg。即使在此保守估算下，当前人体试验可能未达到与动物模型中神经保护作用相当的全身浓度。大多数临床研究给予5-25 mg相对低剂量，且通常每日一次、疗程少于7天，而继发性损伤过程（神经炎症、氧化应激、凋亡信号、胶质重塑）远超急性期。未来研究需仔细考虑剂量范围和疗程，特别是与缺血后脑损伤时间动态匹配的持续给药策略，并严格评估安全性和耐受性。

10. 与其他神经保护治疗的比较（Comparison with Other Neuroprotective Treatments）
多种抗氧化和神经保护剂（如依达拉奉、N-乙酰半胱氨酸、米诺环素）在急性缺血性脑卒中中显示出可变且通常适度的临床结果。相比之下，褪黑素具有良好安全性、低成本、广泛可用性和多效性生物活性。与维生素C相比，褪黑素具有独特药理学特征，包括高亲脂性、高效BBB穿透、直接和间接抗氧化作用，以及调节炎症、凋亡和线粒体通路的能力。褪黑素不仅限于自由基清除，还发挥多模式细胞保护作用。此外，一些研究性神经保护剂缺乏监管批准，而褪黑素已获准用于睡眠障碍，其既定临床用途和良好安全性可促进卒中定向试验的设计。

11. 结论与未来展望（Conclusions and Future Perspectives）
在急性缺血性脑卒中的神经保护策略领域中，褪黑素作为生物学上合理且机制多样的候选物出现。除已确立的抗氧化能力外，线粒体保护、神经炎症信号调节、凋亡级联调控、神经血管单元稳定和免疫反应调节应整合入其神经保护特征中，从而导致减少缺血后脑损伤的协同作用。临床前证据一致显示梗死体积减少、氧化和炎症损伤减轻以及神经功能恢复改善。褪黑素的药理学特征（良好耐受性、BBB通透性、多模式细胞内活性、口服和静脉制剂可用性）支持其临床转化潜力。其低成本和全球可及性进一步增强了相关性，特别是在先进再灌注技术受限的地区。然而，从实验到临床影响的转化需要试验设计的理念改进。未来研究应解决剂量-反应关系、持续给药策略以及与缺血性损伤时间动态的匹配。神经炎症、线粒体功能障碍、胶质重塑和BBB破坏持续超过超急性期，支持需要延长治疗暴露以同时发挥神经保护和神经修复机制。需要精心设计的临床试验确定最佳剂量、疗程、制剂、给药途径、治疗窗口以及对短期和长期结局的影响。还应评估其与再灌注疗法及其他神经保护剂的联合使用。将机制性生物标志物（如IL-6、caspase-3、VEGF、MMP-9）整合入临床方案对于超越纯功能终点并建立生物学靶点参与至关重要。褪黑素在欧盟获得非创伤性出血性卒中的孤儿药认定，反映了其在脑血管疾病中的潜在治疗作用。未来研究还应探索组合方法，如与再灌注疗法或多效性药物（如他汀类）联合给药，以实现氧化和炎症级联的相加或协同调节。褪黑素的整合能力使其定位为在生物系统水平起作用的调节因子，而非靶向单一通路的常规药理学药物。考虑到缺血性损伤的时间演变，可能需要急性和亚急性期的重复给药策略以维持治疗效果，但这仍需临床试验确定。