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Divergent Importance of Chronobiological Considerations in Highand Low-dose Melatonin Therapies
pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/33803450
リュディガー・ハードランド
Johann Friedrich Blumenbach Institute of Zoology and Anthropology, University of Göttingen, 37073 Göttingen, Germany; rhardel@gwdg.de check ror updates
引用ハーデランド、R. 時系列生物学的重要性の乖離
要旨：
メラトニンは前臨床的にも臨床的にも様々な目的で使用されてきた。概日振動子の再調整に関連する用途もあれば、メラトニン受容体MT1およびMT2の飽和を超える用量を用い、クロノバイオロジーの目的には適さない用途もある。メラトニンをクロノバイオティクスとして、あるいは高濃度での保護作用として適切に適用するための条件が概説されている。
概日リズムの再調整には、受容体親和性に応じて、より低いmgの範囲の用量が必要である。しかし、これには位相反応曲線を考慮する必要があり、この曲線にはサイレントゾーン、遅延部分、遷移点、前進部分が含まれる。特筆すべきは、薄明かりメラトニン発症（DLMO）がサイレントゾーンにあることである。この特定の位相では、メラトニンは入眠を誘導することができるが、概日マスタークロックをシフトさせることはない。睡眠開始も概日制御下にあるが、睡眠と概日感受性はこの時点で解離する。催眠効果の他の限界は、投与量、作用時間、個人差に関係する。
特に敗血症やウイルス性疾患における抗酸化・抗炎症保護の目的で、数百mgまでの高用量のメラトニンを使用する場合は、メラトニンの組織レベル、ミトコンドリアでの形成、フリーラジカルの解毒という観点から見る必要がある。
キーワード
概日リズム;同調;炎症;メラトニン;ミトコンドリア;受容体飽和状態
学術編集者アレハンドロ・ロメロ・マルティネス
受理された： 9 2021年2月
受理された。2021年3月1日
出版：2021年3月9日
出版社注：MDPIは、出版された地図および所属機関の管轄権の主張に関して中立を保つ。
著作権：© 2021 著者。ライセンシー：MDPI、バーゼル、スイス。本稿は、クリエイティブ・コモンズ表示（CC BY）ライセンス（https:// creativecommons.org/licenses/by/ 4.0/）の条項と条件の下で配布されるオープンアクセス論文である。
Claude 3：各章のポイント
1. はじめに
- メラトニンは前臨床的にも臨床的にも様々な目的で使用されてきたが、概日振動子の再調整に関連する用途もあれば、メラトニン受容体MT1およびMT2の飽和を超える用量を用い、クロノバイオロジーの目的には適さない用途もある。
- メラトニンをクロノバイオティクスとして、あるいは高濃度での保護作用として適切に適用するための条件を概説している。
2. クロノバイオティクス治療の基礎受容体親和性、薬物動態、相反応曲線
- 概日リズムの再調整には、受容体親和性に応じて、より低いmgの範囲の用量が必要である。
- 位相反応曲線（PRC）を考慮する必要があり、この曲線にはサイレントゾーン、遅延部分、遷移点、前進部分が含まれる。
- 薄明かりメラトニン発症（DLMO）がサイレントゾーンにあり、この特定の位相では、メラトニンは入眠を誘導することができるが、概日マスタークロックをシフトさせることはない。
- 催眠効果の他の限界は、投与量、作用時間、個人差に関係する。
3. 組織と器官メラトニン
- メラトニンは松果体だけでなく、他のほとんどの臓器でも合成され、その量は松果体や循環中の量をはるかに上回る。
- ミトコンドリア内のメラトニン濃度が高いことが分かっており、メラトニンはミトコンドリア移行伝染孔（mtPTP）と相互作用する。
- メラトニンの細胞膜からの取り込みはGLU/SLC2Aタイプのトランスポーターによって促進される。
4. メラトニンの耐容性についての研究機関と研究者の対照的な判断
- 多くの研究者や臨床医は、メラトニンを特に注意を要する薬剤と考えているが、その理由として、循環メラトニン濃度が低いこと、生殖生物学への影響、長期投与による精子数の減少などが挙げられる。
- しかし、メラトニンは極めて毒性が低く、高用量でも重篤な副作用はほとんどない。ALSや敗血症の患者に高用量のメラトニンが投与され、良好な結果が得られている。
5. クロノバイオティック治療と非クロノバイオティック治療の根拠
- 概日調節、催眠作用、細胞保護などの機能分野において、用量とタイミングを区別することが重要である。
- 概日系を介する作用には低用量（数mg以下）で十分だが、睡眠維持の改善には不十分な場合がある。
- 高用量（最大600mg）は、抗酸化および抗炎症治療の目的で適用されている。
- 生命を脅かす急性の病態から守るという目的は、高用量の使用を正当化する。
6. 結論
- メラトニンは幅広い用量で様々な目的に使用できる。
- GPCR（MT1/MT2）に依存する作用には低用量で十分だが、睡眠維持の改善には不十分な場合がある。
- 高用量は抗酸化・抗炎症治療に用いられ、急性の病態から生命を守る目的では正当化される。
- メラトニンには高用量で反応性の高い中間体を無毒化する利点があり、合成メラトニン作動薬にはない性質である。
- メラトニンの最高の忍容性も評価されるべきである。
超高用量のメラトニンが低用量よりも支持される理由
1. メラトニン受容体の飽和
- 低用量（数mg以下）のメラトニンは、メラトニン受容体（MT1/MT2）を介した作用に十分である。しかし、高用量のメラトニンは受容体を飽和させ、受容体非依存的な作用を発揮する。
2. 抗酸化作用
- メラトニンは強力な抗酸化物質であり、高濃度では直接的なフリーラジカル消去作用を発揮する。この作用は受容体非依存的であり、高用量ほど効果が強くなる。
- メラトニンは進行する酸化ラジカル反応連鎖を開始しない代謝物を形成し、ラジカルスカベンジャーカスケードを開始する。合成メラトニン作動薬にはこのような強力な抗酸化作用はない。
3. 抗炎症作用
- 高用量のメラトニンは、NF-κBやCOX-2、iNOSなどの炎症性メディエーターの発現を抑制することで、強力な抗炎症作用を発揮する。この作用も受容体非依存的であり、高用量ほど効果が強くなる。
4. ミトコンドリア保護作用
- メラトニンはミトコンドリア内で高濃度に存在し、ミトコンドリア移行伝染孔（mtPTP）と相互作用することで、ミトコンドリアを保護する。この作用には受容体の飽和よりも高濃度（μMレベル）が必要である。
5. 重篤な病態に対する適用
- 敗血症やウイルス感染症など、生命を脅かす急性の病態では、メラトニンの高用量投与が正当化される。このような状況では、概日リズムの撹乱よりも、生命を守ることが優先される。
6. 優れた忍容性
- メラトニンは極めて毒性が低く、高用量でも重篤な副作用はほとんどない。
- ALSや敗血症の患者に高用量のメラトニンが投与され、良好な結果が得られている。
以上のように、超高用量のメラトニンは、受容体非依存的な作用（抗酸化、抗炎症、ミトコンドリア保護）を介して、低用量では達成できない強力な細胞保護効果を発揮すると考えられる。また、重篤な病態に対する適用や優れた忍容性も、高用量のメラトニンを支持する論拠となっている。
1. はじめに
メラトニンは、前臨床的にも臨床的にも、数多くの疾患や障害に対する保護薬として試験されてきた。これらの応用や前臨床実験は、時間生物としてのメラトニンの生理学的役割について、部分的なものでしかない。実際、研究の大半は、抗酸化作用という別の分野に焦点を当て、クロノバイオロジーの目的には意味のあるよりもかなり高用量を用いていた。クロノバイオロジーの側面と抗酸化作用の側面の間の相互関係が明らかになることもあるが、[1,2]、異なる用量の適合性は、依然として懸念と混乱の問題である。
メラトニンの時間生物学的役割は、古くから確立されている。メラトニンの主な分泌源は、哺乳類、鳥類、その他脊椎動物の松果体であり、松果体はこの化合物をサーカディアン様式で合成・放出し、夜間に顕著な最大値を示す。[3-6]。しかし、これは季節性の繁殖に優先的に関係するが、ヒトにとってはわずかな重要性しかない。[7]。哺乳類では、主に夜間に分泌されるメラトニンは、概日マスタークロックである視交叉上核（SCN）によって制御され、神経細胞結合を介して松果体に伝達される。[5,6,8]。さらに、メラトニンの生成は、SCNへの入力経路 [9,10]と松果体への入力経路 [11]によって調節される。この松果体から、メラトニンは循環系と、松果体陥凹部を経由して脳の第3脳室へと、さらに高濃度で放出される。[12-14]。何十年もの間、メラトニンの役割は、すべてではないにせよ、多くの臓器に「暗闇」というシグナルを伝達することにあると考えられてきた。[5,15,16]。これにより、概日マルチシレーターシステム内の望ましくない偏差が修正され、多様な概日リズムの内部同期と外部からの時間的合図との同調の両方に寄与している。[17,18]。このことはまた、メラトニンがSCNに直接作用し、概日リズムの位相をシフトさせることを示唆しており、この化合物のクロノバイオティックな役割としても知られている。[19-22]。循環中のメラトニンがクロノバイオティック作用の主な原因であると考えられてきたが、より最近の証拠によると、メラトニンは第三脳室に放出され、そこから隣接するSCNに直接作用するため、より重要である可能性がある。
しかしながら、これらの時系列生物学的考察は、重要な事実を無視している。すなわち、メラトニンは松果体のみで形成されるのではなく、他の、おそらくすべての器官でも形成されるという事実である。[25,26]。松果体以外の組織に存在する量は、まったく無視できるものではなく、むしろ松果体や循環における量を桁違いに上回っている。[25,27-29]。このことは古くからよく知られているが、多くの研究者はこの点を見逃している。それゆえ、「松果体がメラトニン合成の主な場所である」という誤った記述をよく目にする。実際、松果体は循環メラトニンの主な供給源に過ぎず、組織メラトニンは正常な条件下では、ほとんど放出されない。[25,30]。
メラトニンが体内の多くの場所で、松果体よりもはるかに多量に合成されるという事実は、メラトニンの生理学的役割を、クロノバイオティクスの側面を超えた形で定義する必要性に光を当てている。組織メラトニンの概日変動は、松果体や循環のそれよりもはるかに小さいか、あるいはほとんどないため、このことはより重要である[25,30,31]。メラトニンによるヒトの治療という点では、このことは、クロノバイオロジーを超えた別の応用分野を開くことになる。特に、外因性メラトニン投与による抗酸化保護の分野では有効である。詳しくは後述するが、酸化的損傷を防ぐために、はるかに高用量が適用されてきた。長年、極めて非生理的であると見なされてきたこのような治療法も、今では別の、より受け入れやすい方法で見ることができる。とはいえ、酸化的損傷に対抗するために高用量のメラトニンを薬理学的に投与することは、概日リズムの調整に支障をきたし、したがって身体の機能に望ましくない問題を引き起こすことが予想される。このような観点からは、投与量の議論と、組織損傷を防ぐための正当な高用量と、クロノバイオロジーの要求との秤量は、否定できない必要性のように思われる。
2. クロノバイオティクス治療の基礎受容体親和性、薬物動態、相反応曲線
哺乳類では、2つのGタンパク質共役受容体（GPCR）、MT1とMT2 [32,33]が、メラトニンの既知の受容体媒介作用のほとんどを決定している。それらの発現、調節、下流経路の詳細については、他で発表されている。[25,34-36]。一般に、受容体の親和性はリガンドの生理的レベルに対応する必要があり、リガンドの変動に応じてアップレギュレーションとダウンレギュレーションの両方を可能にするために、せいぜいリガンド濃度が中程度に上昇した範囲での半飽和度が必要である。メラトニンが血流を介して標的細胞に輸送される限り、半飽和度は血漿中の最大レベル（1nM）よりも低くなければならないことを意味する。実際、ヒトのMT1とMT2のpKi値は、研究によって多少の違いはあるが、ほとんどがそれぞれ10と9.5の範囲であることが判明している[37,38]。したがって、概日リズムや睡眠などの概日関連機能をリセットするには、0.1～1 nMの範囲のメラトニンの血漿レベルが必要である。投与量を計算するには、生物学的利用能も考慮しなければならない。生物学的利用能は、取り込み（投与経路による）、代謝破壊（特に肝初回通過代謝による排出）、体内分布によって制限される。代謝破壊と排泄の結果、通常経口投与される即時放出型メラトニン（1～3mg）の循環半減期はかなり短く、ほとんどが20～30分、時には45分の範囲である。[39,40]。しかし、クリアランスは投与量や投与経路によって異なる。投与量を10mgに増量した場合 [41]や、直腸投与や膣投与 [42]などの他の投与経路を試験した場合には、より長い半減期が報告されている。循環中のメラトニンの存在時間を長くするために、より高用量を使用することはもちろん可能であるが、一過性の受容体の過飽和が犠牲になる。このことが適切かどうかは、議論の的となっている。他のところで議論されているように [36]、過飽和になったGPCRはC末端が修飾されβ-アレスチンが結合するとインターナライズされる可能性がある。MT2では、いくつかのケースでインターナリゼーションが証明されたが、MT1の場合は、インターナリゼーションの証拠は弱いままであった[36]。
他の結合部位を介したMT1/MT2非依存的な作用も原理的には可能であるが、その関連性は医学的な文脈ではあまり検討されていない。さらに、頻繁に引用されてきたそのような作用のいくつかは、不確かなままであるか、あるいは否定されている。以前「メラトニン受容体MT3」として議論されたタンパク質は、酵素NRH:キノン酸化還元酵素2（NQO2;別名キノン還元酵素2、QR2）として同定された[43-45]。しかしながら、NQO2はメラトニンによって活性化されるのではなく、むしろ阻害され、既知のシグナル伝達経路を開始せず、メラトニンに十分特異的ではない。したがって、レセプターとして必要な基準を満たしていない。[25]。レチノイドオーファン受容体（ROR）、特にRORα、また他のスプライス変異体やホモログなどの転写因子は、多くの論文で核内メラトニン受容体と考えられていたが、妥当な濃度ではメラトニンと結合しないことが判明していた。[46-48]。メラトニン結合はまた、カルレティキュリンと2つの核タンパク質、そのうちの1つはカルレティキュリンと相同性を持つ [49]、さらにチューブリン [50,51]についても報告されているが、クロノバイオティック作用との関連を示す証拠は今のところない。この留保は、カルモジュリン（CaM）についても有効かもしれない。しかし、CaMとの親和性の観点から、その関連性が議論されている。[32]。CaMへの結合だけでは生理的な役割を果たすには不十分かもしれないが、Ca2+/CaM活性化酵素との結合によってコンフォメーションが変化すると、その親和性はかなり高くなるようである[53]。CaMを介したメラトニンの作用は、様々な細胞機能の概日変化に関与している可能性があるが、概日振動子の位相リセットに関与しているという証拠はない。クロノバイオティクスの効能に基本的に関連するもう一つの点は、概日周期内のタイミングに関するものである。生化学的シグナルを含むどのような時間的手がかりによる位相リセットも、投与時点に依存する。この依存性は通常、位相反応曲線（PRC）として表現される。このことは、概日周期内での位相変化の程度と方向として非常に重要である。PRCは通常、遅延部分と前進部分を含み、その間に実質的な変化が達成されないサイレントゾーンがある。メラトニンのPRCは、ヒト（図1）において、目の見える被験者と目の見えない被験者について決定されている[19,54-56]。PRCの詳細をよく見てみると、就寝時刻の約30分前にメラトニンを摂取するようにというよく読まれる推奨は、リセットには不十分なままであることがわかる。この時間帯に低用量のメラトニンを摂取すると、入眠を誘導することはできるが、概日時計をシフトさせることはできない。通常、概日基準点とされる薄明かりメラトニン入眠（DLMO）の概日位相は、一般的に概日時刻14時間（CT14）付近に見られるが、[22]、これは延長されたサイレントゾーン内にあり、位相シフトは起こらない（図1）。PRCの遅延部分は一般的に数時間後に始まり、CT22前後で最大値に達する。遅延から前進への変化を反映するCT2前後の遷移点の後、最大前進はCT6、すなわち早朝に観測される。これらの詳細から得られる教訓は、位相シフトを入眠 [22]と混同しないことである。後者も概日制御下にあり、SCNは睡眠誘導にも関与しているが、[57-60]。
注目すべきは、PRCの形態が用量依存的であることである。高用量になると、上昇したメラトニンの存在はPRCのより広い部分を覆い、異なる機能のセクションを統合する。例えば、就寝時に高用量を投与し、数時間以内に排出されない場合、上昇した血中濃度が遅延部分にまで及ぶと、相遅延を引き起こす可能性がある。しかし、より適切なタイミングで投与し、遅延相の途中でSCNの概日振動子に作用させれば、より効率的であろう。SCN内の異なる位相の統合の問題は、実際、高用量のメラトニンは低用量のメラトニンよりも同調能力が低いことにつながる[54,62]。同調の文脈では、同調シグナルの形態もその効力に関係することを考慮すべきである。他の文献 [22] で概説されているように、概日振動子は、シグナルの恒久的な高さとの関係を記述するパラメトリックなものよりも、急激な増加を特徴とするいわゆるノンパラメトリックなシグナルの方がより効果的であることに敏感である。メラトニンの場合、パラメトリックな指標は最終的に到達した濃度である。したがって、高濃度に向かってゆっくり増加するよりも、程度は中程度でもむしろ急激な増加の方が、より効果的である可能性がある。したがって、DLMOの前後に投与されたメラトニンの効果が遅延部分にまで及ぶのは、PRCの遅延部分の直前または開始時に投与された、より低用量ではあるがより適切なタイミングでの投与よりも悪いことが予想される。
図1 位相反応曲線（PRC）に従ったメラトニンによる位相リセット (A)： 低用量の即時放出メラトニンに対するヒトのPRCの模式図
この曲線は、0.25mgのメラトニンで得られたLewyらのデータに基づいている[26]。原理の理解しやすさを向上させるため、元のデータは省略されている。注目すべきは、このようなPRC曲線の位相シフトの程度（ここでは数時間の範囲）や他の詳細も用量依存的であることである。しかし、10mgのような高用量では、PRCの振幅は必ずしも増大せず、むしろ減少する可能性がある。[61]。PRCは、自発周期の位相がサーカディアン時間（CT）（1フリーランニングサイクル=24主観時間）を参照するフリーランニング条件下で決定される。リセット能力の影響は拘束条件下でも検出可能であり、最大値など概日リズムの顕著な特徴の位相位置の変化によって明らかになる。(B,C）： (B,C)：PRCの様々な位相におけるメラトニンの予測効果（自発周期が短い被験者（B）または長い被験者（C）、ただし明暗周期の同期条件下（黒棒：暗闇）。同調条件下では、時間はツァイトゲーバー時間（ZT）として標準化されている。12：12時間の明暗サイクルでは、ZT 0は光の入射に対応し、明暗サイクルがずれている場合は、ZTは暗期の中央に調整される。分かりやすくするために、午前中に最大となる想定リズムが描かれている。SCNのオシレーター遺伝子のリズムが望ましいが、ヒトのデータはない。他のヒトの細胞や組織における発振遺伝子のリズムも報告されているが、前臨床試験で、その位相が組織間で、時には強くずれることが示されており、適切ではない。
3. 組織と器官メラトニン
メラトニンの組織内濃度は、多くの症例で測定されているが、[26-30]、まだすべての臓器で測定されているわけではない。とはいえ、既存のデータは、組織メラトニンが基本的に重要であることを明確に示している。身体の様々な部位について利用可能なデータをすべて要約する代わりに、この洞察の重要な結果を取り上げることにする。ここ数年、特に重要視されているのは、ミトコンドリアにおけるメラトニン合成と、その結果生じる細胞質内だけでなくミトコンドリア小器官内のメラトニン濃度に関するものである。メラトニンのミトコンドリア形成は、細胞生物学的な仮説として最初に示唆された。[63]が、ネズミの卵母細胞 [64]で初めて実証され、より詳細にはラットの脳 [31]で実証された。メラトニンと軟骨内膜の関係の詳細と、植物分野における類似の知見については、文献を参照されたい。[67]. 特筆すべきことに、メラトニン濃度は脊椎動物の細胞の他のどのコンパートメントよりもミトコンドリア内で高いことが分かっている。[67,68]。ミトコンドリア内での合成に加え、メラトニンは、例えば静脈注射で外因的に投与された場合にも、これらのオルガネラに蓄積することができる。このことは、自由に動き回るラットにおいて、メラトニンを日中持続的に注入して夜間のレベルに到達させ、[3H]標識画分によってその分布を追跡したときに、確信をもって示された。[61]。注目すべきは、SARS-CoV2を含むウイルスによるミトコンドリアのハイジャックに関して、ミトコンドリアのメラトニン形成が最近になって現実味を帯びてきたことである。[69]。
組織メラトニンの重要性、ほとんどの臓器からの放出の乏しさ、ミトコンドリア-細胞質間の濃度勾配から、研究者たちは、以前からよく言われていた仮定、すなわち、すべての膜を容易に通過する自由に拡散する分子という仮定を否定せざるを得なくなった。この仮定は、メラトニンの両親媒性と人工脂質二重膜で得られたデータに基づいていた[70,71]。しかし、ほとんどの組織からの放出率が低いことから、メラトニンは細胞から出ることは妨げられるが、本当に簡単に細胞内に入るのかという疑問が生じた。[30]。もしこれが非受容体タンパク質によるメラトニンの封じ込めによるものでないとすれば、ほぼ自由な拡散は間違っているはずである。実際、メラトニンの細胞膜からの取り込みは、GLU/SLC2A（solute carrier 2A）タイプのトランスポーターによって促進されることが示されている。[72,73]。SLC2Aタンパク質はグルコースのトランスポーターとして知られており、血漿中濃度がかなり高いため、メラトニンと競合する可能性のある化合物である。したがって、メラトニンの取り込みに関与するSLC2Aサブフォームは、おそらくグルコースに対する親和性が低いと考えられる。少なくとも、一般的にユニポーターであるSLC2Aタンパク質が関与していれば、メラトニンの放出が乏しいにもかかわらず、メラトニンを取り込むことができる理由を説明できるだろう。細胞質からミトコンドリアへのメラトニンの取り込みは、PEPT1/2トランスポーターによるとされている。
ミトコンドリア内のメラトニン濃度が高いという知見を総合すると、細胞内レセプターの存在が問題となる。実際、ニューロンのミトコンドリア外膜にMT1が存在することが報告されている[31]。胃内皮細胞では、MT1とMT2の両方がミトコンドリア膜に存在することがわかった。[75]。もしミトコンドリアに存在するメラトニン受容体が細胞膜に存在するものと同じ親和性を持ち、この点で修飾による変化がないとすれば、メラトニンによる調節は循環中と同じ濃度範囲で行われなければならないことになる。メラトニンが細胞質または膜間腔からレセプターに入る限り、[76]、必要な補酵素が存在する合成部位であるミトコンドリアマトリックスからメラトニンが多量に放出されない限り、これは問題ではないかもしれない。しかし、例えば高用量のメラトニン投与によって受容体の飽和を超える濃度になった場合、MT1および/またはMT2を介した効果は、飽和に近いレベルの効果を超えることはできない。しかし、多くの研究では、飽和濃度をはるかに超えるはずの用量を用いている。このようなアプローチは、生理学的な調節の範囲を超えているように思われたため、長年にわたり、多くの研究者が疑問視してきた。
しかし、メラトニンはさらに重要な特性を示すため、こうした判断は早計だったかもしれない。例えば、メラトニンはミトコンドリア移行伝染孔（mtPTP）と相互作用し、開口阻害と開口時間の短縮を引き起こすが、[77-79]、この作用には受容体の飽和よりも高濃度（μMレベル[77]をやや下回る）が必要である。さらに、活性酸素種と直接相互作用する。[80-83]。もちろん、メラトニンによる抗酸化作用はフリーラジカルの消去に限定されるものではなく、受容体を介する他の様々な作用も含んでいる。[25,84,85]。しかし、スカベンジャーとしての特性は、受容体の飽和を超える桁違いの保護効果の増大を可能にする。実際、MT1/MT2ダブルノックアウトマウスでは、脳虚血による神経細胞損傷に対する抗酸化的保護が可能であることが証明されている[86]。高濃度メラトニンの有効性と有用性を支持するためには、この種のデータがもっと望まれる。
4. メラトニンの耐容性についての研究機関と研究者の対照的な判断
多くの研究者や臨床医の頭の中では、メラトニンは特に注意を要する薬剤として考えられているようである。このような意見にはいくつかの理由が考えられる。第一に、循環メラトニン濃度が低いことから、外因性投与によってこの濃度を超えてはならないように思われる。しかし、血中濃度を唯一の生理学的指標として考える場合、組織メラトニンの量が多いことは無視される。第二に、メラトニンが以前、避妊薬 [87,88]を含む生殖生物学を阻害する目的で治験的に使用されていたことが、明らかに懸念事項となっている。メラトニンは季節性繁殖動物では生殖を効果的に制御するが、[89-91]、非季節性繁殖動物であるヒトでは、プロラクチン分泌に若干の影響があるにもかかわらず [92]、それに匹敵する関連性は検出されていない。メラトニンの避妊活性は、合成黄体ホルモンであるノルエチステロンとの相乗作用によるものと考えられている。[87]。第三に、メラトニンの長期投与はヒト男性の精子数を減少させることが報告されているが、これはごく少数の個体でしか観察されなかった。[93]。このような懸念が総体的に、例えば睡眠改善という文脈で、メラトニンを治療に用いることを慎重に考えすぎる一因となっている。この決定は、ラメルテオン（8mg）やアゴメラチン（25mgまたは50mg）のような合成メラトニン作動薬の承認用量がはるかに高いのとは対照的である。もちろん、入眠潜時を短縮するためには、1mg以下の中等度のメラトニン投与で十分であるが、[22,96]、一晩中睡眠を維持するためには、 2mgや3mgといった承認用量では不十分である。睡眠維持の改善には、50mgや100mgといった高用量が示唆されている。[97]。50mgの用量が時折使用され、一定の成功を収めている。[98]。
概日調節の治療には低用量しか認められていないが、保護目的にはかなり高用量が使用されている（セクション5参照）。実際、十分な保護効果を得るためには、生理的濃度を超えるような高濃度のメラトニンが必要であった。メラトニンの顕著な忍容性は、ALS患者を対象とした研究で実証されており、1日300mgのメラトニンの座薬を最長2年間投与した。[99]。バイオアベイラビリティの点から、この用量は経口投与の同量よりも多いはずである。直腸投与は初回通過代謝による損失を減らすからである。[100,101]。さらに高用量の1g/日を皮膚科や内分泌科の患者に1カ月間投与したが、重篤な副作用はなかった。[102]。同様に、動物のウイルス性疾患や新生児の敗血症の治療に成功した様々な研究でも、高用量が適用された。投与量の換算によると、体重75kgの成人に対する推奨量は600mg/日であり、最大5回に分けて経口投与した。[100]。この用量は、COVID-19の炎症性サイトカインストームとその結果生じる凝固障害およびミトコンドリア障害に対抗するために提案された。[100]。他の論文でも、100-400mg [103]や約600mg [104]といった高用量が推奨されている。肝切除に関する研究では、メラトニンの安全マージンは、体重75kgの人で3750mg/日と高いことが決定された。[105]。これらのデータを総合すると、概日障害、睡眠障害、うつ病の治療薬として承認されている用量よりも、桁違いの高用量のメラトニンが可能であり、少なくとも、一過性の概日障害や内分泌不均衡の可能性よりも、患者の救命がはるかに重要な生命にかかわる状況下では、許容できることが明らかに示されている。
5. クロノバイオティック治療と非クロノバイオティック治療の根拠
メラトニンは多くの作用を発揮する単一の化合物に過ぎないが、様々な分野での作用をすべて同一視するのは間違いである。この意見は、主に様々な臓器に対する多面性 [25]を指しているのではなく、機能分野、特に概日調節、催眠作用、細胞保護に言及している。これらの分野の間に相互関係があることは間違いないが、用量とタイミングに関して区別することが重要であると思われる。
睡眠（睡眠導入も含む）は概日システムによって制御されているが、しかし、それだけに限定されているわけではない。特に、睡眠時間や睡眠の質が十分でないために生じるホメオスタシスによる睡眠への誘導 [96,106,107]や、感染症に伴う免疫学的な睡眠誘導を考慮する必要がある。[108,109]。もちろん、これらの異なる影響は重なり合い、相互に干渉し合うことさえある。[107,110,111]。さらに、メラトニンは概日リズムと免疫リズムの調節にも関与している。[25,110-113]。しかし、睡眠に対するメラトニンの作用は、一般的に概日系を介するものではない。いわゆるスリープゲートの開口は概日制御下にあるが、メラトニンによる睡眠誘導は必ずしも位相シフトと関連していない。[22]。これらの考察の結果として、概日マスタークロックやSCNが直接制御する機能に対する効果は、一見したところ、受容体飽和前後かそれよりやや低いメラトニンの低用量、すなわち1～3mgの経口投与で達成することができる。これは、他のMT1またはMT2を介する機能についても、同様に判断できるかもしれない。特に、入眠潜時の短縮には、1mg以下の低用量しか必要でないことが、経験的に示されている。[96]。
しかし、これらの結論には、いくつかの実際的な限界がある。そのひとつは、メラトニンの循環半減期の短さである。効果をより長く持続させたいのであれば、短時間作用型の製剤では十分ではないかもしれない。徐放性錠剤でさえ、十分満足できるものではないかもしれない。[60]。第二の限界は、PRCの見落とされがちな性質に起因する。第一に、メラトニンはDLMOの前後で位相シフトしにくい。[19,22]。したがって、位相シフトを行うには、セクション2で概説したように、PRCの遅延部分または前進部分でメラトニンを上昇させる必要がある。第2に、ヒトにおいてメラトニンによって達成される位相シフトの程度はかなり低く、通常の条件下では数時間の範囲にとどまる。しかし、(1)訓練された人、(2)例えば経時的な飛行によって、以前から位相がずれていた人、(3)例えば盲人など、訓練されていない人の位相シフトを望む条件を区別することは重要である。
条件(1)では、メラトニンによって可能な小さなシフトは、PRCに従って時間的に適切な適用を必要とする。短時間作用型製剤を就寝時間前後に適用する場合、投与量は遅延部分に及ぶのに十分な高さであるべきである。これは、患者のサーカディアン逸脱が自由行動期（=自発期）の短縮に起因する場合に、特に推奨される。このような状況は、うつ病性障害、特に双極性障害では珍しくなく、期間の短縮がズレにつながる。[114]。自由行動期が短縮すると、同調条件下では活動や他の身体機能の発現が早まる。したがって、周期の拡大は、それぞれの概日リズムの位相位置の正常化につながる。一見すると、活動・休息周期の短縮がなぜ問題になるのかわからないかもしれない。その説明は、概日多シレーター系の複雑さにある。概日多シレーター系は、SCN [17,115] への結合が異なる多数の末梢発振器から構成されており、そのため、解離し、内部非同期を引き起こす可能性がある。[17,114]。このような内部不整合は健康問題を引き起こすと考えられている。[116,117]。しかし、概日周期の逸脱もまた、自発周期の伸長のために存在し、同様に内的ずれや気分障害の原因となる。したがって、生理期間の延長によって引き起こされる双極性障害の患者には、生理期間の短縮が必要であり、これは前倒しシフトによって達成できる。このようなことは、夜間の終わりにPRCの先行部分にメラトニンを投与することで可能である。[19,22]。この場合、メラトニンの作用を延長する必要がないため、少量のメラトニンで十分である。さらに、メラトニンは鎮静作用があるため、朝から高用量は好ましくない。特筆すべきは、メラトニンは適切なタイミングを計れば、遅らせるシフトと進めるシフトの両方を起こすことができることである。この点で、よく処方される抗うつ薬であるリチウムは、自発期を拡大するため、自発期が短い場合には適しているが、自発期が長くなっている患者には逆効果である。[114]。したがって、双極性障害患者をメラトニンで治療する前に、生理期間の長さの逸脱を示す概日性の位相位置を決定することが強く推奨される。メラトニンは単なる抗うつ薬ではなく、そのクロノバイオティックな特性を考慮する必要がある。[114]。重要なことは、1回の位相シフトでは、逸脱した周期を永久に修正するには十分ではなく、反復が必要であるが、これはメラトニンのような耐容性の高い化合物では問題ない。
条件(2)の下では、メラトニンはリズムの再教育にうまく使われている。[20,21,118-120]。しかし、時差ぼけの治療に関する経験は、かなり多様なままであった。ある程度は、多くの個人における否定的な結果は、多くの場合、時間生物学的基礎を無視したことに関連していた。第一に、メラトニンのPRCは、経時的なフライトによる大きな位相のズレは、メラトニンの1回の投与では修正できず、せいぜいリズムを数時間ずらす程度であることを明確に示している。したがって、メラトニンは時差ぼけを即座に修正することはできないが、繰り返し投与することで適応を促進することができる。[118,119]。第二に、時差ぼけの治療を成功させるには、体内リズムを望ましい方向にシフトさせるために、PRCを考慮する必要がある。第三に、時差ぼけは、マルチシレーターシステム内の解離の結果の一部である。例えば、活動/休息サイクルは、体温のリズムから簡単に切り離すことができる。ヒトの活動/休息周期は、体温リズムよりもかなり広範な自発的周期（時には30時間以上）を示す。その結果、前者は後者よりも同調しやすい。筆者は個人的にこの違いを経験したことがある。経時的なフライトの2日後に活動リズムがほぼ完全に再調節されたのに対し、通常は夕方に見られる体温の最大値は、さらに数日間午前中にとどまった。メラトニンによって、マルチシレーターシステム内のいくつかの振動子が同調するという証拠はあるが、同調の具体的な速度に関する十分な情報はなく、このギャップを埋める必要がある。最後に、移動中とその後の新しい条件下で経験する明暗パターンも、適応の結果に寄与する。一般的に、(1)と(2)の条件では、光によるリセットまたは再同期化を常に考慮すべきである。これは、メラトニンと光を併用した治療にも利用でき、それぞれのPRCに従って、メラノプシンを発現している網膜神経節細胞による光の知覚を考慮した上で、適切な段階に適用する。[114]。
条件(3)の下では、光に鈍感な非訓練失明者は、もちろん、リセットに適した任意の望ましい段階で、メラトニンによって容易に治療することができる。メラトニンの有用性は、いくつかの症例で実証されている。[54,55,62,118]。ここでも、低用量で十分であり、セクション2で述べたように、10mgのような高用量は低用量よりも効率が悪い[62]。
低用量のメラトニンは、主に2つの目的、すなわち、(a) 気分療法を含む概日リズムのリセット、(b) 入眠の促進、に適用できる。しかし、完全な睡眠継続を達成するためには期待できない。このことは、少なくとも、睡眠がかなり困難な人、特に高齢者では明らかである。2mgや3mgといった従来用量のメラトニンを用いれば、睡眠時間や睡眠の質をある程度改善することはできるが、完全な睡眠維持という目標に到達したことは、事実上一度もない。[60,122-124]。この声明は、ラメルテオンのようにメラトニンよりいくぶん効率的なものもあるが、すべての合成メラトニン作動薬についても有効である。[60,69,125]。50mgや100mgのメラトニンのような高用量は、より効率的に睡眠維持をサポートすることが示唆されているが、[97]、十分に大規模な臨床研究ではまだ適用されていない。特にメラトニンの分泌が強く低下している患者への使用には、一晩中ほぼ放出されるような、かなり徐放性の製剤が考えられる。しかし、この可能性についても懐疑的な見方が残っているかもしれない。Weishauptらによる研究 [99]では、メラトニンを比較的ゆっくりと放出し、血中濃度をかなり持続的に上昇させる300mgのメラトニン坐薬を患者に毎日投与し、最長2年間治療したが、被験者の約半数のみが睡眠継続の改善を報告し、他の被験者には改善がみられなかった。このことから、治療された患者は重篤な疾患に罹患していたことがわかる。しかし、このことは、不眠症の研究におけるメラトニンの使用に関する、ほとんど解決されていない大きな問題、すなわち、特に高齢者や病気の被験者に見られる、治療が必要な睡眠障害の原因が特定されていないことにつながるはずである。これらの原因は、概日障害や松果体機能障害とは全く異なる可能性があり、おそらく多くの高齢者、特にいくつかの合併症を持ち、ポリファーマシーを持つ人々において、特定されないままになっている。
セクション4で述べたように、メラトニンは概日リズムの再調整や入眠促進に必要な濃度よりもはるかに高い濃度で使用することができる。しかし、このような治療によって長期間持続するレセプターの過飽和が引き起こされるとすぐに、このような用量で実質的な概日効果を期待することはできない。メラトニン作動性シグナル伝達が恒常的に亢進する場合、PRCの様々な部位が影響を受け、統合される可能性がある。しかし、恒常的な過飽和の結果、ヒトにおいて受容体の脱感作が起こるかどうか、またどの程度起こるかについては、まだ十分に研究されていない。一方、鎮静という点で観察される高濃度メラトニンによる作用には、メラトニンまたはその代謝産物であるN1-アセチル-5-メトキシキヌラミン（AMK）によるCaM介在性nNOS活性化の阻害など、MT1およびMT2活性化を超える作用が含まれる可能性がある。[126-128]。さらに、イオンチャンネルへの影響も考えられるが、そのほとんどはMT1またはMT2シグナル伝達に起因するものである。アプローチの多様性と用量反応に関する考察の欠如を考慮すると、この可能性に関する詳細な議論は時期尚早であろう。
長期間にわたる受容体の過飽和は、中枢および末梢の概日振動子に対するメラトニンの効果を消失させると考えられるが、これは概日振動子がメラトニンシグナル伝達サイクルの不在によって強い影響を受けることを意味しない。このことは、特にSCN発振器について言えることかもしれない。何らかの変化が完全に排除できないにせよ、概日振動子の持続的な循環は大いにあり得る。この点で、高用量、あるいは極めて高用量のメラトニンを投与することは、概日時計を著しく撹乱するという注意点としてとらえるべきではない。いずれにせよ、超高用量のメラトニンは通常、重篤な病気を治すため、あるいは生命を脅かす状態から患者を救うために適用される。そのような状況では、サーカディアン問題は後退しなければならない。
強い高用量は、概日調節やGPCRシグナル伝達以外のメラトニンの付加的特性、例えば、1μMよりわずかに低いところで半飽和状態になるmtPTPへの結合 [77]や、他の抗酸化物質が効かない濃度で効果を発揮するフリーラジカル消去作用を利用するために、特に適用される。最も破壊的な酸化フリーラジカルに対する高い親和性とは別に、メラトニンの2つの驚くべき特性を考慮しなければならない。第1に、これらの反応において、進行する酸化ラジカル反応連鎖を開始しない代謝物を形成すること [84,129]、第2に、ラジカルスカベンジャーカスケードを開始することである。このカスケードは、最初に4つの連続した反応について記述され、[130]、後に10の無毒化ラジカルにまで拡張された。[131]。
高濃度を必要とするこれらのラジカル解毒作用の関連性は、合成メラトニン作動薬の効力の限界にも光を当てている。メラトニンが持つ、プロオキシダント反応連鎖を起こすことなくフリーラジカルを効率的に消去するという有利な性質を示すものはない。このことは、インドール類似体についても明確に言及されているが、いくつかの非インドール作動薬は、消去作用が乏しいか、プロオキシダント代謝物を生成すると結論づけられる。[60,95,125]。さらに、メラトニンのような極めて高い忍容性を示すアゴニストは他には期待できない。
6. 結論
メラトニンは、驚くほど幅広い用量で、さまざまな目的に使用することができる。GPCRのMT1またはMT2に依存する作用に関しては、循環メラトニンの生理的範囲で半飽和の受容体親和性によれば、数mg、あるいは1mg以下の低用量で十分である。このことは、特に入眠の誘発や、概日リズムの位相シフトや生理周期の調節のようなクロノバイオティックな作用に当てはまる。これはまた、多くの臓器に関係する他の多くの生理機能の調節にも関係している。さらにこれは、例えば抗酸化酵素のアップレギュレーションや、MT1/MT2に依存する免疫機能の制御も含んでいる。これらの生理学的作用の多くは、必ずしも概日振動子系の変化とは関連していないが、メラトニンのこれらの作用は通常、リズム調節に対応している。この基本的な重要性は見落とされがちである。そのメッセージは、リズム機能への作用は概日振動子の変化と同一視できないということである。
この違いは、メラトニンのPRCを見れば特に明らかである。発振器の位相シフトは、特定のフェーズでのみ可能であり、その程度も重要な方向性も異なる。PRCのサイレントゾーンでは、メラトニンは発振器を実質的にシフトさせないが、暗闇を示すメッセージを伝達する可能性は十分にある[22]。その最も顕著な例が入眠誘導であり、これはサイレントゾーンでうまく機能する。
低用量のメラトニンに感受性のある生理学的パラメータがいくつかあるが、機能障害の場合には十分に改善されない。その一例が、睡眠維持に対するメラトニンの効果が比較的低いことである。これはある程度、循環中のメラトニンの半減期が短いことと関係している可能性があり、いくつかの研究者により結論が出され、長時間作用型のメラトニン作動薬や徐放性製剤が作られるようになった。総睡眠時間と睡眠の質の統計的に実証可能な改善は報告されているが、一晩中完全な睡眠が持続することは通常観察されていない。睡眠維持をさらに改善するための高用量（50mgまたは100mg）の提案と適用 [97,98] は妥当であると思われ、部分的には成功した。しかし、300mgの経腸投与などの最高用量でさえ、治療コホートの相当数の被験者において、完全な睡眠維持を保証するものではなかった。[99]。言い換えれば、メラトニンは単なる睡眠薬ではない。不眠症の病態生理学的原因は、睡眠を改善するすべての試みにとって重要である。このことは、合成メラトニン作動薬についても同様である。
しかし、メラトニンの高用量（最大600mg、または用量変換に従った動物での各用量）は、特に虚血、ウイルスまたは細菌感染、敗血症からの救済を含む抗酸化および抗炎症治療の目的で、うまく適用されている。[86,100,105,133-143]。死に至る可能性のある急性の病態から生命を守るという目的は、治療が概日系を乱すかどうかにかかわらず、高用量の使用を完全に正当化する。しかし、メラトニンを概日系の一構成要素とみなす限り、時計の乱れは思ったほど深刻ではないかもしれない。発振器が高濃度のメラトニン、つまり時計をずらしたり、周期をほんの数時間延ばしたりする化合物によって停止すると考える正当な理由はない。メラトニンには、高用量で反応性が高く有害な中間体を無毒化するという利点もあるが、これは合成メラトニン作動薬にはない性質である。さらに、メラトニンの最高の忍容性も評価されなければならない。
資金提供：本研究は外部資金援助を受けていない。
利益相反： 著者は利益相反がないことを宣言する。