ADはAβの凝集を特徴とし、その凝集は脳内のシナプス消失、酸化ストレス、ミトコンドリア機能障害と関連している [32、 43,44,45,46,47]. 例えば、アミロイド凝集体は主にAβ42からなり、Aβ40よりもアミロイド原性が高く、溶解度が低い[48, 49] 。 アミロイド凝集体は、膜に結合したアミロイド前駆体タンパク質（APP）が、βセクレターゼ（βサイトAPP切断酵素、BACE）によって組織化され、γセクレターゼによってさらに進行する一連のタンパク質分解切断を受けることで形成される［50］。 βセクレターゼ触媒による切断は、可溶性APPβとC99（APPの膜結合断片）を産生する［50］。 その後、γセクレターゼがC99に作用し、神経細胞の外部と内部の両方でAβを放出する [50]。 対照的に、非アミロイド生成経路は、より活性の高いαセクレターゼ触媒によるAPPの切断（例えば、ADAM-10とADAM-17）によって特徴付けられ、可溶性APPαを神経細胞膜から脳の間質空間に放出する。 これによって、C末端膜に結合したαセクレターゼ由来のフラグメントC83の産生が開始され、γセクレターゼによる酵素的切断がさらに進むと、p3の濃度が上昇する［50］。 γセクレターゼとは無関係にβセクレターゼとαセクレターゼによってAPPが切断される第3の経路も非アミロイド形成性であり、14-16アミノ酸長のAβが分泌される [51] 。
アミロイドプラーク形成の従来のモデルでは通常考慮されないが、メラトニンはいくつかの経路と交差している。 例えば、メラトニンは非アミロイド原性プロテアーゼであるADAM10とADAM17のアップレギュレーションを介して、培養神経細胞や非神経細胞 [52] におけるβAPPのαセクレターゼ切断を刺激することが分かっている。 また、これらの細胞株でαセクレターゼ阻害剤を存在させると、メラトニンによるαセクレターゼ依存的な非アミロイド形成経路の活性化が阻害される［52］。 神経変性過程を研究するモデルとして認知されているSH-SY5Y細胞を用いた研究 [53]では、メラトニンはアミロイド生成βセクレターゼの発現に対して抑制効果を示す [54]。 αセクレターゼの活性の上昇と同時にβセクレターゼの活性が低下することは、メラトニンを投与するとADの散発性およびトランスジェニック動物モデルの脳においてAβレベルが低下する理由を部分的に説明しているかもしれない［55,56,57］。 Aβペプチドは松果体によるメラトニンの産生を有意に減少させることが示されており[58]、これらの関係の双方向性が強調されていることも注目に値する。
メラトニンは、グリコーゲン合成酵素キナーゼ-3β（GSK3β）を含む、ニューロンの膜結合型APPの修飾に関与する酵素の活性を調節するようである。 GSK3βは、脳で顕著に発現するセリン・スレオニンキナーゼであり、αセクレターゼの活性を低下させると同時にβセクレターゼの活性を増強し、それによってAβの細胞内・細胞外レベルを増幅させる [59, 60] 。 ADのマウスモデルにおいて、メラトニンはGSK3β活性を低下させたが [61]、この効果はSH-SY5Y細胞 [62]での所見から示唆されるように、潜在的にメラトニン受容体MT1に依存している。 高血糖を誘導するために高濃度のグルコースにさらされたSH-SY5Y細胞を用いると、グルコースセンシングの障害は、リン酸化プロテインキナーゼB（pAkt）/GSK-3βシグナル伝達経路の活性化をもたらし、BACEとAβ42の発現を増加させるが、この効果はメラトニンによる前処理によって逆転させることができる［62］。 さらに、メラトニンは、細胞外および細胞内のAβ分解を触媒する重要なプロテアーゼであるインスリン分解酵素（IDE）への影響を介して、アミロイドクリアランスに影響を与える可能性がある [63]。 IDEは、糖尿病モデルマウスにおいて、GSK3βのCNS活性の上昇と同時に存在量の減少を示す[64]。 重要なことに、メラトニンと金属イオンキレーターであるトリエンチンとの共有結合で合成されたメラトニン・トリエンチンと呼ばれる化合物は、マウスADモデルにおいてIDEの発現を上昇させる能力を示し、APP/プレセニリン1マウスの脳においてAβ沈着と神経変性が減少した[65]。
メラトニンの抗アミロイド生成作用に寄与するもう一つの機序は、脳からのAβクリアランスの亢進に関係している可能性がある。 アストロサイトは、脳実質と、毛細血管、太い動脈、静脈を含む血管周囲腔との界面に位置し[66]、Aβの酵素分解やBBBにおけるAβの排出輸送体のアップレギュレーション[67]などのメカニズムを介して、脳からのAβの除去に一役買っている。 マウスの神経芽細胞腫細胞（Neuro-2a細胞）を用いた研究では、メラトニンが転写因子EBの発現を増大させる可能性が示唆されている [68]。 この転写因子はリソソーム生合成のマスターレギュレーターとして働き、それによってアストロサイトによるAβのオートファゴソーム-リソソームクリアランスを促進する［69］。
メラトニンは、低密度リポタンパク質受容体関連タンパク質1（LRP1）の発現をアップレギュレートすることによって、Aβクリアランスにさらなる影響を及ぼすかもしれない［70］。 このトランスポーターは、アストロサイトへのAβの取り込みと、BBBでの脳からのAβの排出の両方において重要な役割を果たしている可能性がある [71]。 アポリポタンパク質E（ApoE）は、細胞表面レセプターと相互作用してリポタンパク質の取り込みを促進するタンパク質であり [72] 、LRP1依存性のアストロサイトへの細胞取り込みにおいて可溶性Aβと競合することにより、脳からの可溶性Aβのクリアランスを妨げると仮定されている [73] 。 その結果、この競合が脳内でのAβ凝集の可能性を高め、最終的にプラークの形成につながる。 注目すべきことに、apoEを過剰発現させたトランスジェニックADマウスモデルから培養したアストロサイトを用いた研究では、メラトニンがこのタンパク質のAβ凝集促進活性を逆転させることが示された [74]。 リスク変異体であるAPOE4の対立遺伝子を2つ持つAD患者は、この変異体の対立遺伝子を1つしか持たない患者と比較して、脳脊髄液（CSF）メラトニンレベルが約半分であるという観察[75]は、APOE4/4キャリアが外因性メラトニンの補充から特に恩恵を受ける可能性があることを示唆している。
アストロサイトクリアランスへの影響に加えて、メラトニンはリンパ管クリアランスを促進することによって、脳内のAβの負担を軽減する可能性がある。 脳における変異型APPの過剰発現が特徴的なトランスジェニックADマウスモデルTg2576において、メラトニンを投与すると、脳Aβの減少傾向と同時に、頸部および腋窩リンパ節におけるAβレベルの上昇傾向が見られた［76］。 図 2は、メラトニンの抗アミロイド生成作用を説明するメカニズムの要約である。
図2：アルツハイマー病におけるアミロイドβ産生とクリアランスのメラトニン調節
アミロイド生成促進経路では、膜結合型アミロイド前駆体タンパク質（APP）がβ-セクレターゼ（BACE）とγ-セクレターゼによって組織化されたタンパク質分解切断を受け、神経細胞内と脳間質液中のアミロイドβ（Aβ）濃度が上昇する。 まずα（ADAM）によって酵素的に切断され、次にγセクレターゼによって切断されると、Aβは産生されない。 βセクレターゼとαセクレターゼによって協調的に切断されると、14-16アミノ酸長の短いAβ断片が形成されるが、これらは親水性が高く、アミロイド形成カスケードの一部ではない。 自己組織化によって可溶性のAβオリゴマー（Aβos）が形成され、興奮毒性によって神経細胞のシグナル伝達を阻害し、（ミクログリアの活性化などによって）酸化ストレスを誘導することが知られており、神経変性の過程を悪化させる。 Aβosはさらに集合してフィブリルを形成することができ、これはAβプラークの主要な構成要素である [254, 255] 。 メラトニンの抗アミロイド生成ポテンシャルを解き明かす、およびAβ毒性に対するメラトニンの神経保護メカニズムで概説したように、メラトニンはAPPを非アミロイド生成経路に向かわせるが、これはグリコーゲン合成酵素キナーゼ-3β（GSK3β）活性を抑制することによって達成される可能性がある。 これは、例えば膜結合型メラトニン受容体1の活性化など、様々なメカニズムによって達成される。 GSK3βは、アミロイド生成促進経路を促進することが知られているキナーゼである。 その結果、メラトニンは脳内のAβ負荷を軽減する。 メラトニンはまた、Aβのクリアランスを増加させる可能性もある。 例えば、メラトニンを投与すると、脳間質液からアストロサイトへの可溶性Aβタンパク質の取り込みに決定的な役割を果たす低密度リポタンパク質受容体関連タンパク質1（LRP1）などのトランスポーターがアップレギュレートされることが示されている。 アストロサイトへの取り込みにおいてAβと競合することが認められているアポリポタンパク質E（ApoE）を過剰発現させた動物モデルにおいて、メラトニンはAβの負荷を軽減することが示されているが、これはおそらくLRP1のアップレギュレーションによって達成されたものであろう。 メラトニンはまた、興奮毒性や酸化ストレスなど、Aβが脳細胞に及ぼす悪影響に関与するプロセスを緩和することも示されている。
Aβ毒性に対するメラトニンの神経保護メカニズム
Aβカスケード仮説の現在のバージョンによると、Aβの拡散性オリゴマー型（Aβオリゴマー、Aβos）は、Aβの最も病原性の高い毒性型である [31]。 Aβosは、ニューロン上の細胞表面受容体に結合すると、シグナル伝達を破壊し、N-メチル-D-アスパラギン酸（NMDA）受容体依存性のCa2+流入の増加を通じて、細胞内Ca2+シグナル伝達の持続的な遮断につながる[77]。 Ca2+依存性の興奮性亢進は、ミトコンドリア機能障害やアポトーシスを含む様々なメカニズムを通じて、細胞損傷や細胞死に寄与する可能性がある [78]。 ラットモデルでは、メラトニンはNMDA受容体の活性化と、それに続くNMDA受容体を介した線条体ニューロンへのCa2+進入の阻害を示し、保護的な役割の可能性を示唆した [79]。 しかしながら、メラトニンはまた、ラットの海馬において用量依存的にNMDA受容体サブユニット2Aと2Bをアップレギュレートすることが示されている [80]。
興奮毒性に加えて、Aβオスは酸化ストレスによって脳細胞に傷害を与える。 具体的には、Aβは金属イオンと結合する能力を持っており、それによってこれらの金属の酸化還元活性を促進する [81,82,83] 。 さらに、Aβのオリゴマー型はニューロンにおける酸化ストレスを増加させる可能性がある [84, 85] 。 例えば、ラットの全脳から単離されたミトコンドリアは、Aβosにさらされると、より多くの活性酸素種（ROS）を産生する［86］。 Aβosが酸化ストレスに関与するもう一つのメカニズムは、脳に常在する自然免疫細胞であるミクログリア [87] 上のToll様受容体4（TLR4）の活性化に関与する。 TLR4の活性化は、活性酸素の産生増大を含むミクログリアにおける様々な炎症性プロセスを誘発する [88]。
Aβosによって引き起こされる酸化ストレスの高まりの結果として、脳細胞に発現するCa2+透過性チャネルである一過性受容体電位メラスタチン2が開く [89]。 これが長引くと、神経細胞への過剰なCa2+流入 [78]による神経細胞の機能障害や損傷のリスクが高まる。 さらに、エスカレートした酸化ストレスはGSK3βを活性化する [90]、 Aβレベルの上昇 [60]（メラトニンの抗アミロイド生成能を解き明かすの項を参照）や微小管関連タンパク質タウのリン酸化亢進 [91、 92]（タウ病態に対抗するメラトニンの可能性参照）。 メラトニンは、活性酸素と活性窒素種（RNS）を強力に消去することで知られており [93]、両親媒性の生化学的性質により脳細胞に効果的に浸透することができる [94]。 したがって、酸化ストレスの軽減は、メラトニンがAβosの毒性作用から脳細胞を保護する新たなメカニズムとして機能する［95］。
アミロイドとタウ病理の蓄積に加えて、ADは免疫反応を伴う。 Aβを含む病態の蓄積は、脳内のミクログリアの活性化を引き起こす [96] 。 活性化されたM1（または炎症性）ミクログリアは、炎症性遺伝子のアップレギュレーション、炎症性サイトカインの放出、活性酸素の発生を含む炎症カスケードの一部であり、長期的な条件下では、AD脳で観察される神経炎症に寄与する可能性がある [97]。 さらに、M1ミクログリアはしばしば貪食活性の低下と関連しており、ミクログリアがAβosやプラークを除去する効果も低くしている可能性がある [98]。 逆に、M2表現型は一般的に抗炎症性であると考えられており、貪食活性の増強と関連しているため、ADやその進行のリスクを低下させる可能性がある [99]。 この文脈において、骨髄系細胞に発現するトリガー受容体2（TREM2）は、M2ミクログリアの表現型を促進する上で主要な役割を果たしている可能性がある［99］。 その結果、TREM2の機能欠如は以前からADのリスク上昇に関連している [100]。 注目すべきことに、脳内のM1ミクログリアの有病率を増加させることが知られている虚血性脳卒中障害によって誘発された神経炎症動物モデルで示唆されたように、メラトニンによる前処置は、ミクログリアの炎症性遺伝子（例えば、誘導性一酸化窒素合成酵素）の発現をダウンレギュレートする一方で、TREM2の発現をアップレギュレートした [101] 。
メラトニンの抗アミロイド生成ポテンシャルを解き明かすとAβ毒性に対するメラトニンの神経保護メカニズムのセクションで概説した証拠は、メラトニンが抗アミロイド生成特性を示し、Aβoの神経毒性作用を緩和し、それによって潜在的にADの発症リスクを低下させたり、進行を遅らせたりすることを示している。 これらの知見は、主に動物実験や細胞株を用いた実験から得られたものであることを強調しておく必要がある。 現在のところ、メラトニンがヒトのAβ負荷に与える影響を調べた研究は発表されていない。
メラトニンのタウ病態に対する可能性
微小管を安定化させるタウタンパク質は、神経細胞の細胞骨格に不可欠な構成要素である微小管の組み立てと安定化において重要な役割を担っている [102] 。 正常な生理学的条件下では、タウは単に2-3個のリン酸基を持つだけである。 しかし、ADのようなタウオパチーや冬眠状態では、タウはグリコーゲンGSK3β、サイクリン依存性キナーゼ5（CDK5）、プロテインキナーゼA（PKA）[103]などの様々なプロテインキナーゼによってリン酸化される、 およびプロテインキナーゼA（PKA） [103,104,105] によって触媒され、7-10個のリン酸基が過剰に蓄積される [106] 。 タウが過剰リン酸化されると、微小管の集合と安定性をサポートする能力が低下し、その結果、結合していないタウのレベルが増加し、（リソソームで分泌または分解されなければ）もつれに凝集する可能性がある [107] 。 この崩壊は、ADや他のタウオ病で観察される神経変性過程において極めて重要な役割を担っている [108, 109] 。 高リン酸化タウとタングルの発生は、Aβ単独と比較して、シナプス機能障害や認知機能低下（軽度認知障害やAD認知症への転換を含む）とより密接に関連している [110,111,112] 。
動物実験や細胞株実験から明らかなように、メラトニンはタウのリン酸化亢進を抑制することが期待されている。 例えば、メラトニンの腹腔内前処置は、ラットのイソプロテレノール（β受容体アゴニスト）誘発タウのリン酸化亢進を予防した［113］。 ラットの内因性メラトニン産生を薬理学的に阻害した別の研究では、タウのリン酸化亢進が観察された。 この効果は、メラトニン欠乏動物にメラトニンを補充すると逆転した［114］。 加齢に伴うタウ病態を示すトランスジェニックマウスモデルにおいて、メラトニン投与はタウのリン酸化亢進を効率的に減少させた［115］。 さらに、メラトニンはNFTの数を有意に減少させ、大脳皮質と海馬における神経細胞の損失を減弱させた［115］。 SH-SY5Y細胞を水銀にさらすと、9時間にわたってタウのリン酸化が2倍に増加したが、メラトニンで12時間前処理すると、この遷移金属によるタウのリン酸化が効果的に減少した［116］。 最後に、ラットにおいて、海馬の錐体ニューロンでタウのリン酸化亢進を誘導するワートマニン（真菌の代謝産物）の投与は、メラトニンの前投与によって部分的に減弱させることができ [117, 118] 、メラトニンの治療的役割の可能性を強調している。
図 3に描かれているように、タウのリン酸化亢進に対するメラトニンの抑制効果の根底には、様々なメカニズムがあると考えられる。 GSK3β活性を増加させることが知られている高血糖 [119] にさらされた神経芽細胞腫SH-SY5Y細胞では、メラトニンは、おそらくメラトニン受容体の活性化 [62] を介して、GSK3βシグナル伝達経路に対して阻害効果を発揮した。 GSK3βは微小管関連タンパク質タウのリン酸化亢進における重要なキナーゼとして機能し、神経細胞の機能障害と変性に寄与している [91, 92] 。 GSK3β活性の刺激は酸化ストレスにさらされることで起こりうる [90]。 神経細胞内では、酸化ストレスは、過リン酸化タウやAβの細胞内蓄積によって誘発されるミトコンドリア機能障害に由来する可能性がある [84, 120] 。 さらに、脳間質Aβとミクログリアとの相互作用 [87, 88] や遷移金属への曝露 [81,82,83] も、神経細胞における酸化ストレスの一因となる。 したがって、メラトニンがホルモンとしても抗酸化剤としても働くという二重の能力を持っていることは、ニューロンにおけるGSK3β駆動性のタウのリン酸化亢進に対抗できる可能性がある。 注目すべきことに、メラトニンは、GSK3βによるタウのリン酸化亢進のトリガーとして知られているラットモデル [121] [122, 123] のPKA活性も低下させた。 さらに、メラトニンはマイクロRNAのアップレギュレーションを通して、CDK5のようなタウの過リン酸化に関与する他のキナーゼの活性を低下させた [115]。
図3：アルツハイマー病におけるタウの過剰リン酸化と神経原線維のもつれ形成を抑制するメラトニンの役割
神経細胞の構造的完全性に重要な微小管関連タンパク質であるタウは、アルツハイマー病（AD）において高リン酸化を受け、リン酸化タウの蓄積と神経原線維変化（NFT）の形成につながる。 このリン酸化亢進は、微小管形成を支えるタウの能力を低下させ、神経細胞におけるNFTの発生に寄与する。 さらに、NFTとリン酸化亢進したタウは、主にミトコンドリアの機能障害を通じて、神経細胞の酸化ストレスを誘発する。 酸化ストレスはまた、グリコーゲン合成酵素キナーゼ-3β（GSK3β）、サイクリン依存性キナーゼ5（CDK5）、プロテインキナーゼA（PKA）など、タウの過リン酸化に関連するキナーゼを活性化する可能性がある。 神経細胞に作用する酸化ストレスの増大は、アミロイドβ（Aβ）に駆動され、toll-like receptor 4（TLR4）を介したミクログリアの活性化、あるいは脳間質液中の遷移金属との相互作用によっても生じ、活性酸素種（ROS）と活性窒素種（RNS）を豊富にもたらす。 タウ病態に対抗するメラトニンの可能性で明らかにしたように、メラトニンは、ADの動物モデルと細胞株実験の両方で実証されたように、タウのリン酸化亢進を緩和する有望な可能性を示している。 メラトニンは、その強力な抗酸化力によって、酸化ストレスによって誘発されるタウのリン酸化亢進に関与するプロテインキナーゼの活性化を阻害する可能性がある。 さらに、このホルモンはメラトニン受容体1の活性化を介してGSK3βの活性を低下させ、別の抗タウ生成作用を示す。 メラトニンはさらに、タウの過剰リン酸化に対抗する酵素の活性化に関与する。 例えば、タウを脱リン酸化する役割が認められているホスファターゼ2A（PP2A）の活性を上昇させ、タウの機能回復に重要なペプチジル-プロリル-シス-トランス異性化酵素NIMA-Interacting 1（Pin1）のレベルを上昇させる。
メラトニンの影響は、タウのリン酸化亢進の抑制に関与する様々な酵素にまで及んでいる。 例えば、ラットを用いた研究では、メラトニンがホスファターゼ2A [114]の活性をアップレギュレートすることによってタウの病態を抑制する可能性が示唆されており、この酵素は微小管関連タンパク質であるタウ [124]を脱リン酸化する役割が認められている。 さらに、SH-SY5Y細胞では、メラトニンはタウのリン酸化と凝集を緩和することが示されているPeptidyl-Prolyl cis-trans Isomerase NIMA-Interacting 1（Pin1）[125]のレベルを増加させた[126]。 Pin1の欠損は、加齢に依存したタウのリン酸化亢進と神経変性に関連している [126]。
記載された知見は主に細胞株研究および動物実験に由来するものであるが、軽度認知障害患者約80人を対象とした最近の臨床研究では、メラトニンの補充がヒトにおいても抗タウ原性を示す可能性があることが示唆されている。 特に、この研究では、体重1kgあたり0.15mgのメラトニンを毎日夕方に6ヵ月連続で投与された患者は、プラセボを投与された患者と比較して、タウタンパク質のCSFレベルを示したことが明らかになった[127]。
メラトニンとインスリンの交差点
インスリンは、主に膵臓のβ細胞によって合成されるホルモンであるが、脳に到達すると、AD病態に関与するプロセスに対抗する顕著な効果を示した [33]。 脳内インスリンシグナルの増強は、認知機能の健常者とAD患者の両方において認知機能を増強した [128, 129] 。 さらに、インスリンは海馬ニューロンにおけるAβosに対するシナプスの脆弱性を緩和するのに重要な役割を果たしている [130, 131] 。 これを支持する研究として、インスリンまたはインスリン感作薬による治療が、神経細胞におけるタウのリン酸化亢進を効果的に減少させたことが示されている [132, 133] 。 逆に、トランスジェニックマウスで観察されたように、脳内インスリンの欠乏は、おそらくGSK3β活性の増加による、タウのリン酸化の増加と関連していた [134]。
重要なことに、メラトニンの補充は、高脂肪食によって誘導された脳インスリン抵抗性を示す高齢ラットの海馬において、タウの過剰リン酸化と同様に、酸化ストレスを緩和し、Aβの蓄積を妨げる能力を実証している [135]。 メラトニンがインスリン産生β細胞の生存と機能を高めるという発見 [136]は、メラトニンがインスリンシグナル伝達を調節する役割を果たしているという考えをさらに裏付けるものである。 特に注目すべきは、β細胞におけるメラトニンシグナル伝達が、ストレス応答c-Jun N-末端キナーゼの活性化を減少させるという発見である [136] 。 この経路は、ADにおける脳インスリン抵抗性の誘導において極めて重要な役割を果たすことが知られている [131]。 メラトニンが脳のインスリンに影響を及ぼす可能性をさらに裏付けるものとして、ラットの研究では、メラトニンが膜結合受容体に結合すると、インスリン受容体へのインスリンの結合によって通常活性化される脳の細胞内経路（例えば、AKTのセリンリン酸化）を開始できることが示された [137]。
動物実験によって示されているように、インスリンは松果体におけるメラトニン合成の促進においても重要な役割を果たしている可能性がある。 インスリンは、ラットの松果体において、ノルエピネフリンを介したメラトニン産生を促進することができる[138]。 さらに、インスリンはメラトニン合成に不可欠な前駆体であるトリプトファンの脳への輸送を促進する[139]。
これらの証拠を総合すると、ADを緩和するメラトニンの能力には、脳を含む全身のインスリン経路の調節が関与している可能性がある。 しかしながら、慢性的なメラトニン治療による膵臓からのインスリン分泌の減少による血漿グルコース濃度の持続的な上昇、特に睡眠期を超える場合 [140] は、AD病態を改善するメラトニンの可能性を損なう可能性があることに注意する必要がある [141, 142] 。
酸化ストレス-メラトニンによる影響と緩和
酸化ストレスは、活性種（例えば、活性酸素やRNS）の産生と身体の抗酸化防御との間の不均衡によって特徴づけられる [143] 。 脳では、長期にわたる酸化ストレスが、AD病態において極めて重要な役割を果たす様々な病理学的プロセスを開始する。 酸化ストレスに対する神経細胞の反応は、GSKβ3を活性化し、膜に結合したAPPをアミロイド生成促進経路へと導く可能性がある（メラトニンの抗アミロイド生成ポテンシャルを解き放つの項および図 2を参照）。 その結果、細胞内および細胞外のAβが増加する。 GSKβ3はまた、タウのリン酸化亢進を触媒し（タウ病態に対抗するメラトニンの可能性の項および図. 3を参照）、NFTのリスクを上昇させる。 長引く酸化ストレスはまた、神経細胞におけるアポトーシス [144] と神経炎症 [145] を誘発する可能性があり、どちらもAD患者の脳に共通する特徴である [146, 147] 。 その結果、長引く酸化ストレスに対抗することが、AD病態に関連する複数のプロセスを緩和する有望な戦略として浮上してきた。
中枢神経系の酸化ストレスにおいて、メラトニンは驚くほど重要な役割を果たしている。 強力な非酵素的抗酸化物質およびフリーラジカルスカベンジャーとして知られるメラトニンは、その特徴的な化学構造により、受容体とは無関係にフリーラジカルを中和するユニークな能力を持っている [93]。 この本質的な機能により、メラトニンは活性酸素とRNSを直接無害化することができる [93] 。 両親媒性の生化学的特性 [94] を利用して、メラトニンはBBBを通過するだけでなく、脳細胞やミトコンドリアを含む脳細胞小器官へのアクセスも獲得する。 この二重の能力により、メラトニンは細胞内外で機能する強固な非酵素的抗酸化物質として位置づけられる［93］。
さらに、メラトニンは脳内の金属イオンをキレート化することで、間接的にフリーラジカルと闘う[148]。 また、一酸化窒素合成酵素のような酸化促進酵素の活性を調節する一方で、抗酸化酵素の活性を高める、 149,150,151,152 など）。 外傷性脳損傷のマウスモデルから得られた注目すべき知見は、影響を受けた脳領域における酸化ストレスの増加と関連し[153]、ADの危険因子と考えられている[154]、 メラトニンの投与は、核赤血球2関連因子2（Nrf2）[155]142の発現を高めることを強調している。 酸化還元感受性転写因子であるNrf2は、多くの抗酸化遺伝子の転写において極めて重要である。 Nrf2のダウンレギュレーションは、AD病態における酸化ストレスの促進に関与している［156］。
神経細胞のアポトーシスも酸化ストレスを誘発する [157]。 神経細胞死はミクログリア [158]を活性化し、より多くの活性種の産生と炎症性サイトカイン [159]の放出につながる。 メラトニンは、ADのげっ歯類モデルや様々な脳細胞タイプにおいて、アポトーシスの開始に関与する重要なシグナルの発現を阻害することが示されている。 これには、プロアポトーシスタンパク質であるBaxや、アポトーシスの重要な酵素であるカスパーゼ-3が含まれる［160,161,162,163,164 ］。
特筆すべきことに、Aβプラークを持つTg2576マウスを用いた研究では、14ヵ月齢から投与を開始したが、血漿中のメラトニン濃度が上昇しても、酸化的障害の緩和には有意な影響が見られなかった[165]。 しかし、アミロイドーシスのトランスジェニック・マウス・モデルでは、生後4ヶ月から投与した場合、酸化ストレスに対抗するのに有効であることがわかった[166]。 これらの知見は、メラトニンの抗酸化作用が、病気の初期により治療的意義があることを示唆している。
メラトニン-概日性の盾
事実上、体内のすべての細胞は強固な概日パターンを示し、一日を通して様々な細胞プロセスのタイミングを調整している [167]。 概日リズムの定義についてはBox 2を参照のこと。 ニューロン、ミクログリア、アストロサイトなどの脳細胞も概日リズムを守る [168,169,170] 。 脳細胞時計の同期を確実にするために、松果体［171］によるメラトニンの放出を含む様々なメカニズムが働く。
AD患者では、メラトニンの調節と産生を支配する経路が影響を受けている可能性がある。 例えば、AD患者では、固有光感受性網膜神経節細胞数の減少が観察されている [172]。 さらに、この疾患では、視交叉上核（SCN）のニューロンの構造的および機能的喪失の証拠がある [40, 173] 。 SCNは視神経交差部の上方に位置し、睡眠と覚醒のタイミングを調節する上で極めて重要な役割を果たしている [174]。 松果体に影響を及ぼす神経変性は、年齢をマッチさせた非認知症の対照群と比較して、AD患者で観察されるメラトニンレベルの低下に寄与するさらなる要因である可能性がある［175］。
網膜-SCN-松果体軸の機能障害に由来する、脳細胞における概日リズムの乱れは、ADで一般的に観察される神経行動症状と神経変性過程の両方に寄与している可能性がある。 例えば、多くのAD患者は、休息-活動リズムの分断 [176] 、日暮れ時（午後遅くまたは夕方早くに繰り返される混乱や興奮を特徴とする） [177] 、睡眠および覚醒維持の障害 [178] などの行動症状を示す。 さらに、概日リズムの乱れは、最近の動物実験で示されているように、AD発症に関与する神経変性過程を促進するかもしれない。 例えば、マウスの脳でコア時計遺伝子Bmal1を欠失させると、脳と神経細胞傷害の確立されたマーカーであるアストロサイトが活性化し、シナプスも変性した[179]。 質量分析によって、Bmal1ノックアウトマウスでは、神経細胞膜の脂質過酸化のマーカーが3倍増加し、神経細胞の酸化ダメージの高まりを反映していることが明らかになった [179]。 神経細胞における酸化ストレスの増加は、部分的には酸化還元防御遺伝子の発現低下に起因していた [179]。 アミロイドーシスモデルマウスを用いた別の研究 [180] では、コア時計遺伝子Bmal1の誘導可能な全器官欠失によって概日時計機能が破壊され、これらの動物はより高い海馬Aβプラーク負荷を蓄積した。 さらに、脳内のBmal1の欠失は、apoEの発現を誘導し（例えば、Aβのアストロサイトクリアランスを阻害する[73）、概日リズムの乱れが脳内のAβ負荷をどのように増加させるかを解明する可能性がある。
脳間質液のタウ濃度は、ヒトでは休息-活動周期の活動期に2倍近く高くなることが報告されているが [8]、我々の知る限りでは、概日障害を模擬した中核的な時計遺伝子の欠失がタウのリン酸化亢進の増加につながるかどうかを調べた研究はないことは注目に値する。 このような知識のギャップにもかかわらず、外因性メラトニンによる治療、あるいは内因性メラトニン分泌の回復を目指した介入のいずれかが、概日リズムの乱れによって引き起こされる神経変性過程を緩和する可能性があるという、もっともらしい仮説を立てることができる。
Box2 概日リズム
サーカディアンリズムは、ラテン語のcirca diem（「約1日」を意味する）に由来し、光や食物摂取などの繰り返し起こる環境的な合図によって駆動される、およそ24時間のサイクルに関係している。 このような周期は、ほとんどの生理的プロセスに同期しており、内因性リズムを構成している。 松果体から分泌されるメラトニンは、概日リズムの調節に重要な役割を果たしている。 その分泌は明暗サイクルの影響を受け、様々な生物学的活動を昼夜サイクルに同調させることに貢献している。
BBBの完全性と機能性の保護におけるメラトニンの役割
BBBは、内皮細胞、周皮細胞、毛細血管基底膜、アストロサイト末端からなる非常に複雑な構造である [181] 。 その主な役割は、脳組織への必須栄養素の輸送を促進しながら、有害物質の脳への侵入を防ぐという、重要な防御機構としての役割を果たすことである［181］。 しかし、進行した老化、末梢の炎症、脳アミロイド血管症などの因子はBBBの完全性を損なう可能性がある [182, 183] 。 BBBの機能不全は、神経細胞の変性と認知機能の低下を促進し、Aβの蓄積と神経炎症物質や他の分子の脳への浸潤を促進する条件を作り出す可能性がある [184]。 この混乱は、ADを含む様々な神経疾患の発症に関与していると仮定されている[185]。
メラトニンは、いくつかのメカニズムを通じて、血液脳関門（BBB）の損傷を緩和する有効性を示している。 研究によると、メラトニンは受容体を活性化し、特にラットの脳内皮細胞におけるメタンフェタミン誘発毒性において、BBB機能に極めて重要なP-糖タンパク質トランスポーター活性を高めることが示されている [186] 。 さらに、メラトニンは、これらの細胞の受容体を介してニコチンアミドアデニンジヌクレオチドリン酸オキシダーゼ2を阻害することにより、メタンフェタミンの損傷からBBBを保護する［187］。 BBBに対するメラトニンの保護作用は、様々な実験モデルでも確認されている。 例えば、新生児ラットモデルでは、メラトニンは興奮毒性によるBBBの損傷を効果的に減少させた［188］。 同様に、一過性の局所脳虚血を受けた若いマウスでは、メラトニンはBBBに対して有意な保護効果を示した［189, 190 ］。
BBBを強化するメラトニンの可能性には、クローディン-5、ゾヌラ・オクルーデンス-1、オクルーディング［191 ］を含むタイトジャンクションタンパク質のアップレギュレーションが関与しているようであり、これらは血流中の有害物質から脳を保護するのに役立っている［192 ］。 さらに、メラトニンは、ウイルス侵入の受容体として働くアンジオテンシン変換酵素2を妨害することによって、BBBの完全性と機能を維持するのを助けるかもしれない。 メラトニンとメラトニン作動性化合物を毎日注射すると、アンジオテンシン変換酵素2依存性の重症急性呼吸器症候群コロナウイルス2の脳へのウイルス侵入が有意に減少することが示されている [193] 。 このウイルスはAD患者のAβ神経毒性と酸化ストレスを悪化させることが示されているので、この減少は重要である［194］。 メラトニンはまた、BBBの完全性を損なうことで知られる酵素であるマトリックスメタロプロテアーゼ（MMP）を制御する [195]。 ヒト胃腺がん細胞株では、メラトニンはMMP活性を低下させた [196]。 さらに、BBBの透過性を高めるためにリポ多糖で処理した高齢マウスにおいて、メラトニンはBBBの内皮細胞でAMP活性化プロテインキナーゼを活性化した [197] [198]。
まとめると、これらの知見は、様々な実験モデルにおいてBBBを保護し、ダメージを軽減するメラトニンの役割を強調するものである。 BBBの完全性を維持し、神経学的悪化を防ぐ治療薬としての可能性が強調された。
メラトニンとリンパ系機能
脳の老廃物除去における睡眠の役割については、10年以上前から研究されており、最近の研究では、メラトニンがリンパ系機能に関与している可能性が示唆されている。 CSFはクモ膜下腔で発生し、脳動脈周囲腔を通過し、脳実質の間質液と混合し、最終的に脳静脈周囲腔を通って排出される[199]。 このことを示した最初の研究はマウス [14]であったが、ヒトの研究 [200]でもこれらの所見は裏付けられた。
脳のクリアランス機構として機能するリンパ系は、日中に脳の間質液に蓄積する可溶性Aβを含む潜在的に有害な老廃物の除去を助ける [2, 21, 201, 202] 。 このプロセスの中核にあるのは、血管周囲腔を包むアクアポリン-4を発現するアストロサイトである［203］。 動物実験では、脳から老廃物を排出するリンパ系の効率性が強調されており、特に夜間の睡眠中[14]に効果がピークに達し[204]、高血圧の動物モデルでは効果が減少している[205]。 しかし、リンパ系に対する睡眠の重要性は、すべての調査によって確認されているわけではない [206]。
メラトニンは、低体温を誘導し、眠気を促進することによって、様々な細胞に生物学的な夜のシグナルを送ることに関与しているが [207, 208] 、動物実験によると [209] 、覚醒促進神経ペプチドであるオレキシンの放出を低下させる可能性がある。 睡眠中のオレキシンレベルの上昇は、マウスの脳におけるAβ病態の増加と関連しており[2, 210]、おそらくリンパ系の効力が低下するためであろう[211]。 高血圧患者におけるエビデンスは、メラトニンが夜間血圧を下げることを示唆している [212, 213] 。 これらの効果は、メラトニンで治療された認知症患者において観察された潜在的な睡眠増強効果 [214] とともに、就寝時間近くにメラトニンを補充することで、リンパ球系のクリアランス機能が増強されるかもしれないという仮説に説得力のある根拠を与えている。 この仮説を裏付けるように、慢性的な予測不可能な軽度ストレスモデルマウスでは、メラトニンがアクアポリン-4の分極を効果的に回復させ、このモデルで観察されたリンパ系の障害を改善することが実証された [215] 。 それでもなお、メラトニンがAβとタウの脳内濃度を低下させるグリムパチーシスシステムの有効性を高めることができるかどうかを調べるためには、健常者と軽度認知障害またはADの両方を含む臨床試験が必要である。
動物モデルから臨床試験へ：認知機能改善におけるメラトニンの期待
ADの動物モデルにおいて、メラトニンは空間記憶を改善し、認知機能障害を緩和することが期待されている。 例えば、D-ガラクトースと塩化アルミニウムによって誘導された散発性ADマウスモデルにおいて、メラトニンは短期空間記憶を有意に改善した。 この改善は、記憶関連遺伝子であるcAMP-responsive element-binding proteinとbrain-derived neurotrophic factorの海馬発現の増加と関連していた[216]。
294匹の動物を含む9つの研究の系統的レビューとメタアナリシスは、メラトニンがADモデルにおいて学習能力を有意に改善し、記憶障害を修正することを実証した [217]。 これは、脱出潜時の短縮、標的四分円での滞留時間の増加、モリス水迷路試験におけるプラットフォームの位置の横断回数増加によって証明された。 メラトニンは、老化関連および代謝性ADモデルにおける学習能力の増強と、毒素誘発ADモデルにおける記憶障害の修正に最も効果的であった。
発育中のラットを用いた研究では、メラトニンがサーチュイン1/ミトフシン2/プロテインキナーゼRNA様小胞体キナーゼシグナル伝達経路を通じてイソフルラン誘発小胞体ストレスを抑制することにより、空間学習と記憶障害を緩和できることも示されている[218]。
認知に対するメラトニンのポジティブな効果も、高齢者やAD患者を含む様々なヒトのコホートで報告されている。 22のランダム化比較試験のメタアナリシスでは、12週間以上のメラトニン治療を受けたAD患者は、特に軽度のAD患者において、Mini-Mental State Examinationのスコアの改善を示したことが強調されている[219]。 さらに、地域在住の高齢者1,105人を対象とした横断研究では、生理的メラトニン濃度が高いほど、抑うつ症状とは無関係に、抑うつ気分や認知障害の有病率が低いことが明らかになった [220]。
26人の健康な高齢者を対象とした二重盲検プラセボ対照パイロット研究では、毎晩1mgのメラトニンを4週間摂取した被験者は、プラセボを摂取した被験者と比較して、カリフォルニア言語学習テスト-干渉下位テストの成績が向上したことが明らかになった [221] 。 さらなる研究では、健康な若い男性において、メラトニンがストレス下で符号化された対象物の認識記憶の精度を高めることが実証され、ストレス時の中枢神経系の処理における役割と記憶の統合を調節する可能性が示された [222]。
血液透析を受けている人を対象とした研究では、就寝前に3mgのメラトニンを6週間摂取したところ、認知機能が有意に改善し、モントリオール認知評価スコアが介入群では21.19点から24.27点に上昇したのに対し、対照群では22.15点であった[223]。 さらに、平均年齢70歳の52人の認知機能的に健康な成人を対象とした研究では、習慣的な就寝の6時間前にメラトニン濃度が高くなることと、海馬容積-AD病態の影響を受けやすく、記憶機能に不可欠な部位-との間に正の相関があることが明らかになった [224, 225] 。 最後に、約20,000人のAD患者を含む50の無作為化プラセボ対照試験のデータを組み込んだネットワークメタ解析により、6～12ヵ月にわたるメラトニン（≦3mg/日）の投与が認知機能の改善と関連することが示された［226］。
動物実験とヒト実験の両方から得られた証拠は、メラトニンが認知機能を改善し、ADに伴う認知機能障害を緩和する治療薬として大きな可能性を持っていることを示唆している。
メラトニンの可能性を引き出す：観察研究と臨床試験からのエビデンス
高齢者におけるメラトニンの使用は、時間の経過とともに増加している。 米国では、65歳以上の睡眠障害に対するメラトニン使用の有病率は、1999年の0.6％から2018年には2.1％に増加し、英国でも同様に増加している。 メラトニンは、特に他の睡眠補助薬と比較した場合、安全な薬物であるように思われるが、若年成人と比較して高い吸収率を示す高齢者においては、依然として研究が不十分である [227]。
ヒトにおける観察研究では、数は限られているが、ADにおけるメラトニンの役割を支持する興味深い証拠が得られている。 特に、24時間メラトニンレベルの低下やメラトニンリズムの乱れ（内因性の主要なメラトニン放出が1日の明暗サイクルの暗期と同期しない）を示す研究は、ADリスクの上昇と相関している。 特に、UK Biobankコホートの約276,000人の参加者を対象とした研究では、24時間のメラトニンレベルを低下させることが認められている恒常的な夜勤労働 [41]は、9年間の追跡調査期間中、AD発症リスクが1.5倍高いことと関連していることが明らかになった [42]。 さらに、視覚喪失がAD診断の縦断的リスク上昇と関連し、寿命の早い時期に視覚喪失が起こるとリスクが高くなるという観察 [228]は、ヒトの脳の健康を最適化するために内因性メラトニンのリズムを明暗サイクルに合わせることの潜在的重要性を強調している。
臨床研究では、AD患者の髄液中のメラトニン濃度は、年齢をマッチさせたADでない対照群と比べて数倍低いことが示されている [75, 229] 。 さらに、AD患者におけるCSFメラトニン濃度の低下は、より重症度の高い疾患と相関している［229］。 しかし、この減少が松果体からの放出の減少によるものなのか、ホルモンの分解の増加によるものなのか、あるいは両方の因子の組み合わせによるものなのかは依然として不明である。
オランダの約200人の老人ホーム入居者（平均年齢86歳、87％が認知症）を対象とした臨床試験から得られた知見は、毎日夕方にメラトニン（2.5mg）を摂取し、平均15ヵ月にわたって日中に明るい光を浴びるというレジメンの潜在的な有益性を浮き彫りにしている[214]。 この治療法は、AD患者によくみられる症状である興奮行動の減少 [230] と睡眠の改善と関連していた。 しかし、いくつかの研究では、AD患者の睡眠に対するメラトニンの効果を見つけることができなかった [231, 232] 。 この不一致は、より遅い病期におけるAD関連の傷害によるものかもしれず、認知症発症前に開始される臨床試験の必要性を強調している。 もう1つの可能性は、特にメラトニン受容体の発現低下に関連する遺伝子多型を持っている場合、患者がメラトニンに反応しにくいことである [233] 。
上述のように、AD関連メカニズムに対するメラトニンの影響を検討する研究の大部分は、細胞株や動物モデルを用いて行われてきた。 インビボで脳の病態を測定できるADのバイオマーカー（ポジトロン断層撮影による神経画像、CSF、血漿バイオマーカー分析を含む）が利用可能であることを考慮すると、メラトニンの使用と関連したADバイオマーカーを測定する高齢成人を対象とした研究が必要である。 有害事象のリスクが低く、ADに関連する病態に影響を与える可能性が高いことから、ADを対象としたメラトニンの追加研究が正当化されると思われる。
結論
ADは、世界的な健康および経済上の大きな課題であり [234, 235] 、効果的な治療的介入と予防戦略の緊急の必要性が強調されている。 抗酸化物質およびホルモンとしての二重の役割が認められているメラトニンは、AD病態を緩和するための有望な候補として浮上している。 本総説では、特にその高い生物学的利用能、フリーラジカルに対抗する能力、神経保護作用および慢性療法的特性を考慮し、AD予防および潜在的なAD管理におけるメラトニンの潜在的意義を強調した。
しかしながら、AD治療にメラトニンを取り入れるには、さらなる研究が必要である。 いくつかの動物実験では、メラトニンによるAβ産生の減少が示唆されているが [55, 56] 、すべての所見がこの傾向と一致しているわけではない。 ADのマウスモデル（Tg2576）において、より低用量のメラトニン（1.5mg/kg/日）を投与したところ、非投与の動物と比較して脳のAPP免疫反応性に有意な変化はみられず[165]、有効な用量を決定する必要性が強調された。 この文脈では、閉塞性睡眠時無呼吸症候群患者における呼吸困難の悪化、炭水化物を多く含む食事と一緒に摂取した場合の血糖コントロール障害など、用量依存的な副作用を考慮する必要がある、 特に高齢者では、眠気による夜間の転倒リスクの増大が必須である [236,237,238] 。 監督されていない薬物使用、サプリメントにおける表示と実際のメラトニン含有量の不一致、薬物動態の変化（即時放出型製剤と徐放型製剤）等の課題は、医師の監督と厳格な製品規制の必要性を強調している [239, 240] 。
肯定的な面では、メラトニンの入手のしやすさ、手頃な価格、潜在的な有益性から、メラトニンは有望な介入であり、さらなる試験が必要である。 AD認知症患者集団と無症候性AD前臨床患者集団の両方を対象とした研究、およびバイオマーカー試験が、実用化に向けて残されたギャップを解決するために必要である。 ペプチド、タンパク質およびホルモンは、嗅神経および三叉神経に沿った輸送および拡散を介して経鼻投与されると脳に直接到達することができるため [241] 、今後の研究では、経鼻メラトニンがAD発症リスクのある人の脳内メラトニン濃度を増加させるための実行可能な治療選択肢となり得るかどうかを検討すべきである。 注目すべきことに、メラトニン経鼻投与は、概念実証研究 [242] において、睡眠を改善する有効性が証明されている。
