メラトニンは放射線腫瘍治療に役立つか？

Can Melatonin Help Us in Radiation Oncology Treatments?

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総説｜オープンアクセス

2014年｜論文ID 578137

受領 2014年2月24日

受理 2014年4月15日

掲載 2014年5月11日

要旨

今日、放射線治療は、治癒または緩和を目的とした様々な悪性腫瘍の治療レジメンの不可欠な一部となっている。電離放射線は生体システムと相互作用してフリーラジカルを生成し、様々な細胞成分を攻撃する。放射線防護剤は、放射線の有害な影響から正常細胞や組織を保護するために投与される予防的薬剤として機能する。

メラトニンは、直接的なフリーラジカル除去剤であると同時に、抗酸化酵素を刺激し、酸化酵素の活性を抑制する間接的な抗酸化剤でもあることが示されている。抗酸化作用に加えて、正常細胞におけるメラトニンの抗アポトーシス機能を示唆する報告もある。さらに、メラトニンの抗腫瘍作用と放射線増感作用により、メラトニンによる治療は腫瘍の進行を防ぐ可能性がある。したがって、放射線療法にメラトニンを加えることで、正常組織に与えるダメージが減少し、放射線療法中に高線量の放射線を使用することで、より効率的に腫瘍を制御できる可能性がある。このように、将来的にメラトニンは放射線腫瘍治療における治療効果を向上させる可能性がある。

AI要約

1. はじめに
放射線治療は、がんの治療に欠かせない方法だが、腫瘍周囲の正常な組織も傷つけてしまうという問題がある。そこで、正常な細胞を放射線から守る物質である「放射線防護剤」の研究が進められている。メラトニンは、体内で作られるホルモンの一種で、放射線防護剤としての可能性が注目されている。

2. メラトニン：合成と分布
メラトニンは、脳の松果体で主に合成され、血液中に放出されて全身に運ばれる。また、消化管や眼球、皮膚などでも作られることがわかっている。メラトニンは、昼間は低く、夜間に多く分泌されるという特徴がある。

3. メラトニンの抗酸化作用
放射線によって体内に有害な物質（フリーラジカル）が発生するが、メラトニンはこれを取り除く働きがある。また、フリーラジカルから体を守る酵素の活性を高める効果もある。動物実験では、メラトニンが放射線による様々な臓器の傷害を軽減することが示されている。

4. 正常細胞におけるメラトニンの抗アポトーシス効果
放射線は正常な細胞にアポトーシス（プログラムされた細胞死）を引き起こすが、メラトニンはこれを抑える働きがある。神経細胞や骨髄細胞、小腸の細胞などでこの効果が確認されている。

5. メラトニンの抗腫瘍効果
メラトニンは、がん細胞の増殖を抑制したり、アポトーシスを促進したりする作用がある。また、がんの成長に必要な血管新生を阻害する効果もある。動物実験では、メラトニンががんの成長を抑え、生存率を改善することが示されている。

6. メラトニンとその他の放射線防護剤
アミフォスチンは、放射線治療の補助剤として使われている放射線防護剤だが、副作用の問題がある。メラトニンは、アミフォスチンと併用することで、より効果的に正常細胞を守れる可能性がある。また、ビタミンEも放射線防護作用があるが、メラトニンの方がより強力であることがわかっている。

7. メラトニンによる用量および時間依存的治療
メラトニンの放射線防護効果は、投与量や投与のタイミングに関連している。一般的に、高用量や長期間の投与がより高い防御効果をもたらすようだ。また、体内のメラトニン濃度が高くなる夜間に投与すると、より効果的である可能性が示唆されている。

8. 結論
メラトニンは、放射線による正常組織の傷害を軽減し、がんに対する放射線治療の効果を高める可能性のある物質である。作用機序や至適投与量についてはまだ不明な点もあるが、放射線治療の補助剤としての応用が期待される。ただし、より確実なことを言うためには、さらなる研究が必要である。

1. はじめに

放射線治療は、様々な悪性腫瘍患者の根治的または緩和的な目的で用いられている。[1]。臨床腫瘍学的治療の約50～70%は、放射線治療単独または放射線治療と化学療法の併用で行われていると推定されている。[2, 3]。しかし、腫瘍周囲の正常組織の放射線感受性は治療効果を制限する。治療用放射線被曝に対する正常組織の反応は、軽度の不快感から生命を脅かすものまで様々であり、そのような反応の割合は、しばしば組織が受けた放射線量の量と分布に依存する。[4, 5]。

生物系が電離放射線に曝されると、活性酸素種（ROS）や活性窒素種（RNS）を含むフリーラジカルが形成される。[6]。これらの物質は、細胞内に存在するDNA、脂質、タンパク質など様々な生体高分子に損傷を与える。[6]。

ある種の放射線防護剤が電離放射線の有害な影響から防護する能力は、1949年に初めて報告された。[7]。米国陸軍のウォルター・リード研究所は、1950年代後半に適切な放射線防護剤を見つけようとして、4,000以上の化合物を合成し、検討した[8]。しかし、過去における合成放射線防護剤の研究努力は、主に様々な副作用の問題から、ほとんど成功に至っていない。[9]。マウスで致死量のX線とガンマ株照射に対して試験されたこの種の最も効率的な放射線防護剤は、アミホスチンとも呼ばれるWR-2721である[8]。アミフォスチンは、臨床放射線腫瘍学において適用可能な放射線防護剤として報告されたが、後に、低血圧、嘔吐、吐き気、くしゃみ、ほてり、軽い傾眠、低カルシウム血症などの好ましくない副作用を引き起こすことが判明した[10]。動物実験から得られた結果は、ビタミンE [11]や多くの植物生産物 [12]などの抗酸化栄養素が致死率やその他の放射線影響に対して保護的であることを示しているが、その程度はアミフォスチン [11]などのほとんどの合成放射線防護剤よりも低い。メラトニン（松果体ホルモン）がフリーラジカルスカベンジャーとして初めて同定された1993年以来 [13]、この放射線防護剤が放射線誘発損傷を遮蔽する能力を確認する論文が数多く発表されている。[5, 10]。

本総説では、放射線生物学の観点から、メラトニンを放射線腫瘍学において強力な薬剤とする様々な特徴を紹介する。

2. メラトニン：合成と分布

1958年にA. Lernerによって発見されたメラトニン（N-アセチル-5-メトキシトリプタミン）[7]は、ヒトの脳の松果体によって合成される内因性化合物である。メラトニンが多くの生理学的、病理学的プロセスの制御に関与していることが報告されている。[10]。当初は、神経内分泌生理学、特に生殖生理学に関連する分子として同定された。その後、メラトニンは昼行性生物種の概日リズムの制御に関与していることが判明した。[15]。血清中のメラトニンの半減期は30～57分と推定されている。[7]。メラトニンはサイズが小さく親油性が高いため、生体膜を通過して細胞のあらゆる区画に到達する。[16]。松果体で合成されると、メラトニンは速やかに血流 [17, 18]に放出され、[19]、胆汁 [20]、脳脊髄液（CSF） [21]、唾液 [22, 23]、卵巣卵胞液 [24]、精液 [25]などの他の体液 [19]にも放出される。また、メラトニンは血液脳関門を容易に通過でき、特に脈絡叢を介して取り込まれることが報告されている。[26, 27]。少量の未代謝メラトニンが尿中に排泄されるという報告もある。興味深いことに、メラトニンは、消化管、網膜や水晶体、皮膚、免疫細胞や造血細胞、一部の生殖器官、内分泌腺など、松果体以外の器官や組織でも産生されることが証明されている。[28]。しかし、松果体メラトニンが血液や髄液に移行してあらゆる組織に到達するのに対し、網膜メラトニンは局所的（すなわち眼球内）にしか作用しないと考えられている。[5, 13, 29]。

3. メラトニンの抗酸化作用

先に述べたように、メラトニンは直接的なフリーラジカルスカベンジャーであり、スーパーオキシドジスムターゼ（SOD）、グルタチオンペルオキシダーゼ（GSH-Px）、グルタチオン還元酵素（GR）、カタラーゼ（CAT）などの抗酸化酵素の活性を刺激する作用を介した間接的な抗酸化物質であることが示されている。[5, 30] [15, 31-33]。脾臓 [34-36]、肝臓 [37-40]、肺、結腸、回腸 [39]、水晶体 [29, 41]、脊髄 [42-44]、脳 [45]などの様々な臓器において、メラトニンが放射線誘発性傷害を改善するようであることが、いくつかの研究で証明されている（表1）。

表1

放射線誘発酸化損傷に対するメラトニンの保護効果を示す様々な研究。

メラトニンがH2O2、一重項酸素を直接消去し、脂質過酸化を抑制することが試験管内試験で示されている。[15]。メラトニンはまた、律速酵素であるγ-グルタミルシステイン合成酵素の合成を刺激することにより、細胞内のグルタチオンレベルを上昇させ、酸化促進酵素である一酸化窒素合成酵素とリポキシゲナーゼを阻害する。[15]。また、メラトニンがミクロソーム膜を安定化させ、それによっておそらく酸化的損傷に抵抗するのを助けるという証拠もある。[50]。さらに、メラトニンは電子伝達連鎖の効率を高めて電子の漏出を減少させ、フリーラジカルの発生を減少させることが示されている。[51]。

Kocらは、ラットの全身照射中に、メラトニンが末梢血細胞においてラジカルスカベンジャーとして作用することを示した[46]。この研究から得られた結果によると、5mg/kgのメラトニンを前処置すると、白血球数と血小板数の両方が5Gyのガンマ株照射に対して有意に防御された[46]。Kocたちはまた、単回6Gyの全身ガンマ株照射誘発酸化損傷に対する肝臓組織でのメラトニン（5mg/kgと10mg/kg）の抗酸化的役割についても研究した[47]。その結果、メラトニン（5または10 mg/kg）で前処置した照射ラットでは、脂質過酸化の最終産物である肝臓組織のマロンジアルデヒド（MDA）濃度が有意に低下したのに対し、SOD活性とGSH-Px活性は有意に上昇した。著者らは、メラトニンによる前処置が放射線誘発性肝障害を予防する可能性があると結論づけた[47]。

6Gyの全身照射後、フリーラジカル損傷の2つの指標である肝臓のMDAと一酸化窒素（NO）濃度がTaysiらにより測定された[37]。ガンマ株照射は肝臓MDAとNOレベルの有意な増加を引き起こした。メラトニン（5または10mg/kg）で前処置した照射ラットでは、肝MDAとNOレベルが有意に減少した[37]。

El-Missiryら [38] は、急性放射線照射（2Gyおよび4Gy）前に10mg/kgのメラトニンを4日間（毎日）投与すると、放射線による肝臓のMDAおよびタンパク質カルボニル濃度（酸化ストレスマーカー）の上昇が有意に消失し、肝グルタチオン含量、グルタチオン-S-トランスフェラーゼ（GST）およびカタラーゼ（CAT）活性が対照群に近い値に有意に維持されることを示した。

放射線性脊髄症（RM）は放射線治療における最も重要な合併症の一つとして知られており、線量および時間に依存した放射線影響が研究で示されている。[52-55]。Shiraziら [43] は、ラットの頚髄におけるRMの生化学的、病理組織学的、臨床的症状に対するメラトニンの放射線防護効果を評価した。メラトニンの投与は、対照群と比較してMDAを顕著に減少させ、GSHレベルを増加させた。

Sharmaらは、メラトニンがその抗酸化特性により、2.06GyのX線誘発細胞毒性から造血系とリンパ系器官を保護することで、リスの免疫力を高めることを示している[36]。この研究では、リスの脾臓において、末梢血中の総白血球数とリンパ球数（TLCとLC）、脂質過酸化（LPO）状態、スーパーオキシドジスムターゼ（SOD）活性、総抗酸化状態（TAS）を測定した。放射線照射前にメラトニンをすると、LC、TLC、SOD活性、TASの状態は、放射線照射のみの群と比較して有意に増加したが、LPOの状態は減少した[36]。別の研究では、インドヤシリスの生殖活動期と非活動期（RAPとRIP）における5Gyガンマ株照射に対するメラトニンの放射線防護効果を評価した。その結果、照射前にメラトニンを投与すると、照射のみのグループと比較して、リスの脾臓におけるLCが有意に増加し、SOD活性が上昇した。[35]。

最近の研究では、全身照射（2Gyおよび8Gy）によりラットの末梢血に誘発された酸化的損傷に対するメラトニン（10mg/kg）の放射線防護効果の可能性を、照射後の異なる時点で検討した。メラトニン（10 mg/kg）投与は、すべての時点において、リンパ球数（LC）を増加させ、抗酸化酵素活性を増加させ、一酸化窒素（NO）濃度を低下させることにより、放射線照射の有害な影響を改善する[14]。10mg/kgのメラトニンは、低線量の2Gy（図1および図2）に対する有意な防御には十分な濃度であると考えられるが、高線量の8Gyに対しては有意な防御効果を示さないと結論した。したがって、メラトニンの放射線防護効果は線量に依存するようである。[14]。さらに、他の研究から得られた我々の新しいデータによると、放射線被曝によってラットの水晶体と肝臓のGSHレベルが低下し、MDAレベルが上昇したが（図3と4）、メラトニンを投与するとこれらの値は正常範囲内に収まった[40, 41]。

4. 正常細胞におけるメラトニンの抗アポトーシス効果

様々な試験管内試験および生体内試験の研究により、ラットの神経細胞 [56]、網膜細胞 [57]、骨髄細胞 [58]、およびマウスの胸腺細胞 [59]において、放射線誘発アポトーシスがメラトニンによって改善されるという証拠が提示されている。別の研究では、メラトニンが2.5Gyのガンマ株照射を受けたマウスの小腸におけるアポトーシス過程を調節する可能性が示唆された。[60]。

最近、われわれは、メラトニンがラットの頚髄における放射線誘発アポトーシスの抑制に関与していることを明らかにした[62]。この研究から得られた結果は、メラトニンが放射線誘発アポトーシスに対して保護作用を有することを示唆している。この研究で得られた主な知見は、メラトニンが照射脊髄におけるBax遺伝子発現の有意な減少に対してBcl-2遺伝子発現を増加させたことである。したがって、脊髄損傷の予防におけるメラトニンの役割として、放射線誘発アポトーシスを阻止することが考えられる[62]。

Sharmaらは、抗アポトーシス特性を持つメラトニンが、2.06GyのX線誘発細胞毒性からリンパ系器官を保護することにより、リスの免疫力を増加させたと報告している[36]。この研究では、メラトニン前投与群のリスの脾臓において、照射のみの群と比較して、形態学的変化とカスパーゼ-3活性に基づくアポトーシスの割合が減少した。[36]。同じ研究者による別の研究では、ガンマ株照射によりカスパーゼが介在するアポトーシスが誘発された後、RAPおよびRIP中の脾臓細胞において、メラトニンがカスパーゼ-3活性を抑制する役割を果たすことが示された[35]。これらの証拠は、メラトニンがカスパーゼ-3活性を阻害することによってアポトーシスを減少させる役割を持つ可能性を示唆している[35]。

我々の研究室での研究では、ラット末梢血リンパ球における放射線誘発アポトーシスおよびアポトーシス関連上流調節因子の発現の修飾におけるメラトニン（10および100 mg/kg投与）の能力を調べた[61]。照射単独群およびビヒクル+照射群では、アポトーシスリンパ球の割合が顕著に増加したが、メラトニンのにより、すべての時点において、照射単独群およびビヒクル+照射群と比較して、アポトーシスが用量依存的に減少した。このメラトニンによるアポトーシスの減少は、baxのダウンレギュレーション、bcl-2のアップレギュレーション、したがってbax/bcl-2比の減少に関連していた。この結果から、メラトニンはガンマ株照射誘発アポトーシスからラット末梢血リンパ球を保護するために、baxおよびbcl-2の発現ならびにbax/bcl-2比を調節する可能性が示唆された（図5および6）。

メラトニンの様々な効果について考えられるメカニズム。

これらの研究は、放射線誘発アポトーシスを抑制するメラトニンの役割を立証している（図7）。しかしながら、健康な正常細胞における抗アポトーシス剤としてのメラトニンに関する知識は、現在のところまだ限られており、さらなる研究が必要である。

5. メラトニンの抗腫瘍効果

正常細胞に対するメラトニンの抗酸化作用と抗アポトーシス作用に加えて、アポトーシスの調節や腫瘍の血管新生（腫瘍の増殖と播種の主要なメカニズム）への影響の可能性など、メラトニンの抗腫瘍作用も取り上げられている。[63]。Millsたちは、ランダム化比較試験の系統的レビューとメタアナリシスにおいて、死亡リスクの大幅な減少、有害事象の少なさ（または副作用の少なさ）、メラトニンのコストの低さを観察し、がん治療におけるメラトニンの大きな可能性を示唆した。[64]。

初期の研究の一つで、Lissoniと共同研究者らは、血管内皮増殖因子（VEGF）の進行がん患者において、メラトニンが天然の血管新生阻害分子として作用することにより、少なくとも部分的には腫瘍の成長を制御する可能性があることを観察した[65]。Cuiたちは、ヒト臍帯静脈内皮細胞におけるp53、Bax、Bcl-2発現のウェスタンブロット解析を用いて、腫瘍細胞におけるメラトニンの有意な抗増殖作用とアポトーシス誘導作用を報告している[66]。これらの効果はすべて、細胞周期の停止、p53とBaxのアップレギュレーション、Bcl-2のダウンレギュレーションに関連していた。著者らは、これらの結果は腫瘍細胞におけるメラトニンの抗血管新生作用を支持すると結論づけた[66]。興味深いことに、メラトニンの経口投与は、雌マウスに移植した腫瘍エーリック腹水癌細胞（EAC）の生存率と体積を減少させ、細胞周期の進行を遅らせ、これらの細胞のDNA含量を減少させた。[67]。細胞生存率の低下は、メラトニンがEAC細胞のアポトーシスを誘導している可能性を示している。[67]。さらに、マウスに1,2-ジメチルヒドラジンを投与した結腸細胞株では、メラトニンを投与したところ、増殖細胞とアポトーシス細胞の比率が有意に低下した[67]。

別の研究グループは、HepG2ヒト肝がん細胞に対するメラトニン投与の効果を調べた[68]。メラトニン投与は、カスパーゼ-3活性とポリ（ADP-リボース）ポリメラーゼ蛋白分解の増加とともにアポトーシスを誘導した。メラトニンのアポトーシス促進作用は、細胞質シトクロムCの放出、Baxのアップレギュレーション、カスパーゼ-9活性の誘導、カスパーゼ-8活性の上昇と関連していた。細胞増殖の低下と細胞周期の変化は、p53とp21の発現の有意な増加を伴っていた。著者らは、細胞死と細胞周期の停止を誘導することにより、メラトニンは肝がん治療の補助剤として有用であるかもしれないと結論づけた[68]。

Jangたちは、放射線増感剤として、メラトニンがJurkat白血病細胞における放射線誘発アポトーシスを増強する一方、正常マウス脾臓細胞における放射線誘発アポトーシスを減少させることを報告している[69]。正常細胞におけるメラトニンによるアポトーシスの減少は、p53 mRNAとタンパク質の相対的減少を介したBcl-2発現の増加とBax/Bcl-2比の減少に関連していた。著者らは、メラトニンによる放射線誘発アポトーシスに対するこのような差異のある作用は、p53発現の制御に関与している可能性があると結論した[69]。このように、メラトニンは正常細胞に対して放射線防護効果を有するようであるが、動物モデルでは腫瘍の放射線感作剤としても作用する可能性がある[70]。

以上の証拠に基づき、メラトニンの様々な作用について考えられる機序を図7に示す。

6. メラトニンとその他の放射線防護剤

6.1. メラトニンとアミフォスチン

様々な合成放射線防護剤の中で、アミフォスチンは多くの臨床応用があり、現在放射線治療の補助剤として使用されている。[71, 72]。アミホスチン[S-2-(3-アミノプロピルアミノ)エチルホスホロチオ酸]の合成は、放射線防護薬の開発における大きな進歩であった[73]。しかし、アミホスチンは多くの臨床試験で良好に使用されたものの、高価であることに変わりはなく、静脈内投与が必要であるため臨床現場での使用は限られており、吐き気、嘔吐、のぼせ、軽度の傾眠、低カルシウム血症、低血圧などの様々な好ましくない副作用がある。[10, 74]。

メラトニンに対するアミフォスチンの重要な利点は、正常細胞でのみ取り込まれ、腫瘍細胞には取り込まれないことである。対照的に、メラトニンは親油性分子であるため、どの細胞コンパートメントにも入ることができ、重篤な副作用は生じないようである。[77]。

先に述べたように、メラトニン自体に抗腫瘍効果があることを示す研究もある。アミフォスチン自体は別の放射線防護剤の抗腫瘍活性を低下させないようなので、これらの薬剤を併用することも有用であろう。さらに、メラトニンはDNA修復酵素に直接、あるいは間接的に影響を及ぼし、細胞内シグナルを刺激してDNA修復に関与する酵素の遺伝子を活性化する可能性もある。[79]。この仮説を支持するデータとして、Kopjarらの報告によると、アミフォスチンとメラトニンの併用によるは、試験管内試験でヒト末梢血リンパ球におけるガンマ株照射誘発DNA損傷を予防することが示唆されている[79]。したがって、著者らは、がん患者への副作用をできるだけ少なくするために、アミフォスチンの投与量は、健康な正常細胞において最適な放射線防護効果が得られるように調整されるべきであることを示唆している。アミフォスチンを使用することには限界があるが、この研究は、アミフォスチンとメラトニンの両方が有効な放射線防護薬であるというエビデンスの蓄積につながる新たな知見をもたらした。[79]。しかし、メラトニンとアミフォスチンの併用が臨床治療に用いられるようになるには、検証のためのさらなる実験と臨床研究が必要である。

6.2. メラトニンとビタミンE

ビタミンEの投与は、照射前または照射直後にかかわらず、フリーラジカルを消去する抗酸化作用により放射線障害を軽減する。[80]。ビタミンEはまた、フリーラジカルを消去するだけでなく、DNA修復機構を刺激することによって、免疫系を支援し、ガンマ株による有害な影響から骨髄細胞を保護する。[81]。ビタミンEはまた、放射線照射を受けたラットの空腸、回腸、結腸液の吸収を維持することが報告されている。[82]。興味深いことに、1Gyの放射線照射後にビタミンEを投与した場合でも、マウス骨髄において放射線誘発染色体異常（CA）および小核（MN）に対する保護効果を示した[80]。

Siuたちは、ビタミンEとメラトニンの抗酸化能を比較し、両者とも用量依存的な反応を示し、メラトニンの方がビタミンEの7.2倍強力であることを見出した[57]。この発見は、ラット肝臓ホモジネートを用いたGittoらの研究[83]、ガンマ株照射を受けたラット脳を用いたErolらの研究[45]によっても支持された。メラトニンもビタミンEも、フリーラジカルに電子を供与して中和することにより、フリーラジカルの攻撃から細胞を保護する。ビタミンEが電子を供与すると、それ自身がラジカルとなり、抗酸化活性を失い、抗酸化特性を回復させるにはビタミンCが必要であることに注意すべきである。対照的に、メラトニンの抗酸化作用は2つの電子の供与を伴うため、フリーラジカルにはならない。したがって、ビタミンEなどの他の抗酸化物質とは対照的に、メラトニンとフリーラジカルとの反応生成物自体が抗酸化物質である[34]。

Yilmazらによる研究の結果、メラトニンは放射線被曝の有害な影響から骨を保護する可能性があるが、ビタミンEにはそのような保護効果は認められなかった[84]。SharmaとHaldarによる別の研究では、メラトニンはビタミンEと比較してより効率的な抗酸化物質であることが判明した[34]。これは、メラトニンの方が、放射線照射後に発生する様々なフリーラジカルを消去する力が強いこと、また還元型グルタチオン（GSH）など他の抗酸化物質を刺激する力が強いことが原因かもしれない[34]。

7. メラトニンによる用量および時間依存的治療

上記の研究結果（表1に要約）は、メラトニンが様々な障害に有効であることを示唆しているが、メラトニンの至適投与量と投与様式は明確になっていない。[67]。生理的濃度から薬理学的濃度まで、メラトニンの幅広い投与量が、さまざまな動物実験で検証されている。これらの研究結果は、メラトニンの急性毒性も慢性毒性も極めて低いことを示している。[7]。

0.1mg/kgのメラトニンを15日間連続で経口投与したマウス小脳では、放射線誘発性障害に対する潜在的な防御効果が認められた。250mg/kgという高用量のメラトニンは無毒性であり、高用量のメラトニンは急性全身照射の致死的影響からマウスを保護するのに有効であることが示されている。[10]。ヒトのボランティアでは、メラトニンを1～300mg、さらには1日1gという幅広い用量で30日間経口投与した結果　[85]、観察可能な負の副作用は見られなかった。[7]。Vijayalaxmiらによるこれらの研究の1つでは、4人の健康な非喫煙成人ヒトボランティアに300mgのメラトニンを単回経口投与した。末梢血液サンプルは、メラトニン摂取の5-10分前と1時間後、2時間後に採取された。この研究から得られた結果によると、メラトニン摂取後に採取された血液サンプル中の照射リンパ球は、同様に照射された細胞と比較して、一次DNA損傷の程度（DNAの移動の長さとコメットテールの蛍光強度）およびその他の遺伝的損傷が有意かつ時間的に減少したことが示された。[86]。Vijayalaxmiらは、CD2-F1マウスの血液および骨髄における放射線誘発遺伝的損傷に対して、10mg/kgのメラトニンによる保護が5mg/kgのメラトニンよりも有意に大きいことを観察した[87]。0.1-10mMのメラトニンを投与すると、紫外線によって生成される活性酸素が用量依存的に抑制された[88]。KimとLeeは、8.3Gyのガンマ株照射を受けた2,8、14時間後の卵巣卵胞に対するメラトニン（10および100μg）の保護効果を評価した。この研究の結果から、メラトニンの放射線防護効果はその濃度に関連していることが示唆された。[89]。肝がん細胞に関する別の重要な研究では、異なる用量（1000μMと10000μM）のメラトニンを2,4、6,8、10日間投与した。興味深いことに、肝がん細胞の増殖抑制は用量および時間依存的であり、10,000μMで10日間処理した細胞で最大に達した[68]。これらの所見によると、高濃度および/または長期間のメラトニン投与は、高線量の照射による有害な影響に対してより高い防御効果をもたらし、放射線治療中に高線量の照射を使用することで、より効率的に腫瘍を制御することにつながるようである。

体内のメラトニン濃度は通常、日中は低く、夜間の暗闇の中で最大レベルに達する。[7]。Ruifrokらは、2.5Gyのガンマ株照射を受けたマウスの小腸において、アポトーシスの日内変動が報告され、8時にピーク値を示し、23時から02時の間に最小値を示した。[60]。ヒト血液中のラジオイムノアッセイ可能なメラトニンの生理的濃度は、日中は約0～20 pg/mL、夜間は40～200 pg/mLである。[90]。したがって、夕方の暗闇の中でメラトニンを投与すると、この時間帯に体内で生成されるメラトニンの内因性濃度が高くなり、相乗的に放射線誘発酸化ストレスから保護する効果が高まる可能性がある。したがって、メラトニンを補充した放射線療法は、夕方（暗闇の中）と夜間に、より有益な効果をもたらすと考えられる。

さらに、Reiterらはラットを用いた老化研究において、2カ月齢の対照群と比較して、25カ月齢のラットから採取したさまざまな臓器で、DNA損傷の指標としての8-OH-dG（8-ヒドロキシ-2′-デオキシグアノシン）、MDA+4-HDAレベル、およびミクロソーム膜の硬直性（電離放射線照射によっても引き起こされる酸化的損傷の指標）の増加が観察された[91]。メラトニンの生理的レベルの低下が、高齢者における酸化的損傷の増加につながる可能性が示唆されている。[15]。したがって、これらの観察に基づくと、高齢の患者には、若い患者よりも高濃度のメラトニンの投与や長期投与が必要であるようだ。

細胞内のメラトニンは細胞から出ていかない。その代わり、メラトニンは細胞内で作用し、酸化的／炎症的損傷から細胞を保護する。さらに、メラトニンの強力な抗酸化作用と抗炎症作用は、細胞内に存在する高レベルのインドールアミンに依存している。したがって、より高線量の放射線から身を守るためには、高用量のメラトニンが必要となる。

臨床試験や実験的試験はまだ行われていないが、これらの研究やわれわれの観察によると、メラトニンの至適投与量は、(i) 照射の1週間または10日前の夕方に低用量の前処置を行う、(ii)照射または放射線治療を受ける30分前に高用量を投与する、(iii)放射線治療後の経過観察まで夕方に低用量を投与する、といったプロトコルによって達成される可能性がある。

8. 結論

現在のところ、真に理想的で安全な合成放射線防護剤は存在しない。そのため、健康な正常組織における放射線誘発損傷を軽減・修復できる効果的な放射線防護剤を見つけるために、数多くの試みがなされてきた。メラトニンの作用機序や至適投与量はまだ明らかではないが、効果的な放射線防護作用から、放射線治療の補助剤としてメラトニンを投与することで、放射線照射によって誘発される正常組織の損傷を減少させることができ、放射線治療中に高線量の放射線を使用することで、より腫瘍を抑制できることが示された。さらに、抗腫瘍作用と放射線増感作用があるため、メラトニンによる治療は腫瘍へのダメージを増加させると考えられる。最後に、先に示した考察に基づき、メラトニンは将来の放射線腫瘍学的治療において、治療効果を向上させるのに効果的であろうという結論に達した。しかし、これを完全に検証するためには、さらなる実験と臨床試験が必要である。

利益相反

著者らは、本論文の発表に関して利益相反がないことを宣言する。

謝辞

本研究は、東京海洋大学研究助成金第10444号の助成を受けた。著者らは、本研究中に多大な助力と助言をいただいたMahmoud Ghazi-khansari 博士（テヘラン医科大学薬理学教室）に感謝する。また、論文の慎重な校正と有益なコメントと示唆をいただいたMehrdad Pedram博士（ザンジャーン医科大学バイオテクノロジー・医学遺伝学科）に感謝する。