提到褪黑素（Melatonin），多数人会想到“帮助睡眠”，但它的作用远不止于此。来自青岛大学研究团队的最新研究发现，在脊髓缺血再灌注（Spinal Cord Ischemia–Reperfusion, SCIR）损伤中，褪黑素展现出显著的抗泛凋亡（anti-PANoptotic）作用——可同时抑制凋亡、坏死性凋亡和焦亡三种细胞死亡通路的过度激活，从而促进神经功能恢复。该研究揭示了褪黑素在中枢神经损伤中的系统性保护潜力，也为脊髓缺血损伤并发症的防治提供了新的思路。

研究背景

脊髓缺血再灌注损伤是主动脉及椎动脉相关手术中的严重并发症，可导致永久性运动功能障碍。再灌注虽然恢复了血液供应，却常引发神经元大面积死亡和继发性神经损伤。既往研究多聚焦于单一细胞死亡通路，如凋亡或焦亡，难以全面阐释复杂的病理损伤机制。近年来提出的“泛凋亡（PANoptosis）”概念揭示，多种细胞死亡通路之间存在广泛的交叉调控和协同作用，这种整合性的细胞死亡机制可能是缺血再灌注损伤中神经元大量丢失的关键。基于此，本研究推测褪黑素可能通过调控泛凋亡信号网络发挥全面的神经保护作用。

主要结果

1 褪黑素改善脊髓神经元丢失及运动功能障碍

研究采用改良的大鼠脊髓缺血再灌注模型，即在麻醉状态下暂时夹闭右肾动脉以下的腹主动脉60分钟后恢复血流，并于再灌注开始时立即腹腔注射褪黑素。Nissl染色结果显示，与对照组相比，SCIR组大鼠脊髓前角神经元数量显著减少且结构紊乱；而褪黑素处理后神经元存活数量增加、形态完整，提示神经损伤程度明显减轻。随后通过Basso–Beattie–Bresnahan（BBB）评分系统评估运动功能恢复情况——该评分主要根据后肢关节活动、负重步行及协调性等指标综合评定（分值越高代表运动功能恢复越好），结果显示褪黑素组得分显著高于SCIR组。在SCIR模型中联合给予褪黑素及其受体拮抗剂鲁辛朵（luzindole）时，褪黑素对神经元存活和运动功能的改善作用均明显减弱，提示其神经保护效应为受体依赖性机制（图1）。

图1. 褪黑素改善脊髓缺血再灌注后神经元存活及运动功能

2 褪黑素的抗泛凋亡作用：三种细胞死亡通路的同步抑制

脊髓缺血再灌注损伤后，神经元出现多种程序性细胞死亡形式的协同激活。进一步研究发现，褪黑素对凋亡（Apoptosis）、坏死性凋亡（Necroptosis）、和焦亡（Pyroptosis）三条通路均有显著的抑制作用，而这些效应在褪黑素受体拮抗剂鲁辛朵给药时均被明显削弱。

2.1凋亡通路：褪黑素抑制Caspase级联激活，减少神经元凋亡

TUNEL染色结果显示，SCIR后脊髓前角神经元中TUNEL阳性细胞显著增多，提示凋亡增强。褪黑素处理后，凋亡神经元数量明显下降（图2）。分子水平检测进一步发现，SCIR导致Caspase-3、Caspase-7、Caspase-8的活化及Bax、Bad的上调，而褪黑素可有效抑制这些促凋亡分子的表达。免疫组化与免疫荧光结果一致，表明褪黑素通过阻断Caspase级联及Bcl-2家族蛋白的激活，从而显著减轻SCIR后的神经元凋亡（图3）。

图2. 褪黑素抑制脊髓缺血再灌注后神经元凋亡

图3. 褪黑素对脊髓缺血再灌注后凋亡相关标志物的影响

2.2 坏死性凋亡通路：褪黑素抑制RIP1/RIP3/MLKL激活，减轻神经元坏死性损伤

SCIR后，脊髓组织中RIP1、RIP3及混合谱系激酶样蛋白（MLKL）显著上调，表明坏死性凋亡通路被激活。褪黑素处理能显著降低上述蛋白的表达水平，而当与受体拮抗剂鲁辛朵联合应用时，该抑制作用被抵消。进一步的PI与NeuN共定位分析显示，SCIR后脊髓中PI阳性神经元数量明显增加，提示早期坏死性细胞死亡活跃；褪黑素给药可显著减少PI阳性信号，表明其能有效缓解神经元坏死性凋亡反应（图4）。

图4. 褪黑素对坏死性凋亡信号通路及相关标志物的调控作用

2.3 焦亡通路：褪黑素抑制NLRP3/Caspase-1/GSDMD激活及小胶质细胞炎症反应

焦亡在神经炎症及神经元损伤中发挥重要作用。SCIR后，脊髓组织中NLRP3、切割型Caspase-1及Gasdermin D（GSDMD）蛋白表达显著升高，提示焦亡信号通路被激活。褪黑素处理显著降低这些分子的表达，该效应可被鲁辛朵拮抗。进一步的Iba1与IL-1β共定位结果显示，SCIR后小胶质细胞/巨噬细胞数量增多，形态由静息型树突状转变为活化的阿米巴样，同时IL-1β阳性信号增强，提示炎症因子大量释放。褪黑素可显著减弱小胶质细胞活化及IL-1β信号强度，使细胞形态趋于稳态；而联合应用鲁辛朵后这种抗炎效应明显削弱（图5）。

图5. 褪黑素对焦亡信号通路及神经炎症反应的调控作用

总结

本研究系统阐述了褪黑素在脊髓缺血再灌注损伤中的神经保护机制。褪黑素可同时抑制凋亡、坏死性凋亡和焦亡信号的激活，从而减轻神经元损伤与炎症反应，体现出强大的“抗泛凋亡”效应（图6）。相比聚焦于单一凋亡通路的研究视角，本研究揭示了细胞死亡过程的多维调控特征，也让我们对褪黑素的神经保护机制有了更系统的理解。这一思路也为后续探讨多靶点神经保护的策略提供了新的启发。

图6. 褪黑素在脊髓缺血再灌注损伤中的抗泛凋亡效应

论文信息

Melatonin Exerts an Anti-Panoptoic Role in Spinal Cord Ischemia-Reperfusion Injured Rats

Lei Xie, Hang Wu, Weipeng Shi, Jing Zhang, Xiaohong Huang*, Tengbo Yu*

Advanced Biology

DOI: 10.1002/adbi.202300424

原文链接

https://advanced.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adbi.202300424

期刊介绍

Advanced Biology 是Wiley旗下Advanced 系列期刊之一。Advanced系列是Wiley倾力打造的自主旗舰品牌，涵盖了各学科领域的优秀期刊，如综合类期刊Advanced Science（IF: 14.1） 和材料科学期刊Advanced Materials (IF:26.8)等。作为Advanced系列的第一本生命科学类期刊，Advanced Biology （IF:2.6）创刊于2017年，旨在成为生命科学领域具有国际影响力的原创成果发表平台，涵盖从分子到整个生命体以及更高尺度的生命科学研究。期刊致力于报道重要新颖具有广泛生物学意义的基础及应用研究，包括但不限于以下领域：细胞与分子生物学、系统生物学、合成生物学、组织工程与再生医药、生物技术与生物工程、免疫学、微生物学、结构生物学、神经生物学、癌症研究、发育生物学、遗传学与表观遗传学、生态系统与进化生物学等。作为Hybrid期刊，Advanced Biology 为作者提供Gold Open Access发表选项。