論文：抗酸化物質としてのメラトニン：評価は低いが成果は高い（2016）

要旨

メラトニンは、非常に多くの状況下において、酸化ストレスの軽減に並外れた効果を発揮する。 活性酸素や活性窒素種の直接的な解毒、抗酸化酵素を刺激する一方、抗酸化酵素の活性を抑制することによる間接的な解毒などである。

これらのよく知られた作用に加え、メラトニンはフェントン/ハーバー・ワイス反応に関与する遷移金属をキレートすることも報告されている。 ミトコンドリアでの高濃度を含むメラトニンの細胞内分布は、おそらく酸化ストレスと細胞アポトーシスに抵抗する能力を助けている。

メラトニンがミトコンドリアを標的とした抗酸化物質として分類されるべきであることを示唆する信頼できる証拠がある。 酸化的損傷とそれに伴う生理的衰弱を防ぐメラトニンの能力は、特に脳（脳卒中）と心臓（心臓発作）における多くの実験的虚血／再灌流（低酸素／再酸素化）研究でよく証明されている。

メラトニンは、その抗ラジカル機構を介して、有害な処方薬や乱用薬物であるメタンフェタミンの毒性も軽減する。

実験的知見によれば、メラトニンは治療抵抗性のがんを様々な治療薬に対して感受性にし、その複数の抗酸化作用により、特に様々な老化関連疾患や非人間的状態の遅延や治療に役立つ可能性がある。

メラトニンは、多くのヒト臨床試験において、酸化ストレス、炎症、細胞アポトーシスと闘い、組織機能を回復させるために効果的に使用されてきた。その有効性は、より広範なヒト臨床試験での使用を支持している。 メラトニンの極めて高い安全性プロファイルも、この結論を後押ししている。

メラトニンについて報告されている広く多様な有益な機能を考慮すると、これらは、この古代の分子のより根本的で、まだ同定されていない基本的作用の単なるエピフェノメナ（副次的現象）であるかもしれないというのが、著者らの現在の感触である。

1 はじめに メラトニンとアイデアの進化

1 特に、過去15年以内の決定的な研究により、メラトニンは抗炎症、抗酸化、抗老化、概日リズム調節など、幅広い機能に関連している。 メラトニンが発見される以前、松果体を摘出した動物2–4で行われた初期の観察がきっかけである可能性が高い、5、6このインドールアミンは当初、生殖への影響についてテストされた。7–9これは、松果体とメラトニンリズムを媒介とする光周期の変化が、光に敏感な種の季節的な生殖能力を明確に制御しているという発見につながった。10–12。

季節ごとの繁殖は、最も好都合な季節に若鳥を確実に出産させ、若鳥の生存率と種の存続の可能性を高めるため、最も重要である。 経済的に発展した地域の屋外環境では当たり前のことである夜間の人工照明の導入が、この不可欠な年間サイクルに悪影響を及ぼすことが、最近オーストラリアで発表された論文で報告された。 13 比較は、夜間に人工的な光のない森林地帯に生息するワラビーと、人工的な光が蔓延する近隣の都市部に生息するワラビーについて行われた。 夜間に光害を目撃したワラビーでは、循環メラトニンレベルが抑制され、出産が遅れた。 これらの結果は、夜間の光が夜間のメラトニン信号の振幅と持続時間を妨害することがよく知られている14, 15 ことを考えれば、まったく予想できたことである。10、16この発見は、季節繁殖する野生動物を光害にさらすことの危険性も示している。 というのも、多くの野生種が都市部の住民とうまく同居しており、光害が広まっているからである。 繁殖サイクルは、ワラビーや他の種が夜間に人工的な光にさらされたときに経験するいくつかの代謝障害のひとつに過ぎないのかもしれない。 例えば、ある種のガンの発生頻度を増加させたり、脊椎動物の総抗酸化能力を低下させたりしているかもしれない。

メラトニンが同定される以前から、松果体の光学顕微鏡観察によって、その形態が動物がさらされる明暗環境に依存することが示されていた。17、18 これらの著者はいずれも、動物が短日にさらされる間の松果体細胞の細胞学的変化は、推定される合成活性の上昇と一致していると指摘している。 このことは、松果体の生理機能が光周期によって影響を受ける可能性を示唆している。 しかし、これらの顕微鏡的観察が、メラトニンの暗所依存性合成に関連する研究を正当化する根拠として用いられたかどうかは、松果体メラトニン産生が明期：暗期周期の暗期に限定されることが記録された報告の序文には明示されていない（Fig.19–21）。

図1 松果体メラトニンによる合成と放出の夜間の上昇は、血液と脳脊髄液（CSF）中のメラトニンの概日リズムを駆動する。 日中、中枢の概日リズム発振器（視交叉上核にある体内時計、すなわちSCN）は、視神経の網膜視床下経路を介して、高度に特殊化した内因性光受容性網膜神経節細胞（ipRGC）からの神経メッセージを受け取り、SCNが松果体にメラトニン産生を増強するよう信号を送るのを阻止する。 夜間にipRGC（特に可視光の青色波長に敏感）からの抑制信号が解除されると、SCNは上頚神経節（SCN）を中継する中枢および末梢の交感神経系の多シナプス経路を介して松果体に連絡し、メラトニン合成装置をアップレギュレートする。 松果体はメラトニンを直接第3脳室CSFに放出し、そこで血中よりも大きな振幅のメラトニンリズム（この図には示されていない）を発生させる。私たちの考えでは、血中のメラトニン周期よりもむしろCSFリズムがSCNの活動を調節している。 血中に放出されたメラトニンは、生体のあらゆる細胞にアクセスし、おそらくこれらの細胞の概日遺伝子に影響を与える。 さらに、松果体由来のメラトニンは、複数の臓器で数多くの機能（そのいくつかを右下のボックスに表にしてある）を持ち、重要な分子を病態生理から守っている。 松果体由来のメラトニンに加えて、多くの（おそらくすべての）細胞で産生されるメラトニンも、それが合成される細胞（オートクライン作用）や隣接する細胞（パラクライン作用）において、同様の有益な作用を持つ。

当初、メラトニン合成の速度制限酵素はヒドロキシインドール-O-メチルトランスフェラーゼ（HIOMT）であると推論されていたが、現在はN-アセチルセロトニンメチルトランスフェラーゼ（ASMT）として知られている酵素である。22–24しかし、N-アセチルトランスフェラーゼ（NAT）の活性に顕著な概日リズムがあることが発見された、 セロトニンをアセチル化してN-アセチルセロトニンを形成する酵素である25の活性に顕著な概日リズムがあることが発見された。 26 最近では、セロトニンをメラトニンに変換する酵素イベントの順序が常に正しいかどうかという問題を提起している。27 少なくともいくつかの植物種では、セロトニンはまずメチル化されて5-メトキシトリプタミンになり、その後アセチル化されてメラトニンになるのではないかと感じている。 さらに、植物では、メラトニンは最終生成物ではなく、むしろその後2-ヒドロキシメラトニンにヒドロキシル化される中間体である可能性がある。

松果体の交感神経末端の本質的な性質が、その生化学と生理学にとって重要であることを確認するための重要な研究は、23, 29 カッパースの綿密な形態学的研究によって推進された；30 彼は、松果体が上頚神経節に位置する神経周囲から豊富な後神経節性交感神経入力を受けていることを示した。 23, 29 松果体または上頚神経節の外科的除去によるメラトニンの喪失は、松果体のすべての既知の機能を排除する。 しかし、1965年の報告では、（HIOMT活性の上昇によって判断される）メラトニン合成は上頚神経節切除後に実際に増加したと主張されている。31 上頚神経節が外科的に切除されると、松果体の変性した神経末端から蓄積されたノルエピネフリンが放出され、松果体合成活性が一過性に上昇するため、このような間違いが生じたのかもしれない。32 メラトニンは、その発見以来、松果体の分泌産物であることは否定されなかったが、松果体の主要な分泌物として常に宣伝されていたわけではない。 メラトニンよりもむしろ、松果体組織から抽出された多くのペプチド、そのほとんどは構造的に同定されることはなかったが、下垂体-性腺軸に対する松果体の作用を媒介する原因物質であるとされた。33–36 著者らの知る限りでは、松果体由来のいかなる種類の調節ペプチドも存在すると信じているグループは1つしかない。37、38これらのペプチドが松果体から放出されることは検証されていない。 これらの神話的なペプチドが存在するとしても、メラトニンが示す多様な機能、例えば抗酸化物質としての機能については検証されたことがない。38 これは疑わしいようで、この観察には独立した研究室での確認が必要である。

メラトニンは当初、松果体で発見されたため、この分子は脊椎動物の松果体組織に特有なものだと推測された。 しかし、実際はそうではなかった。 メラトニンの特徴が明らかにされてから10年も経たないうちに、メラトニン形成酵素（HIOMT）も網膜でクエイ21、39、そして少し遅れてカーディナリ（Cardinali）とロスナー（Rosner）によって発見された。40 脊椎動物の網膜にメラトニンが存在することは、哺乳類以外の脊椎動物の視床上部に側眼の網膜を思わせる構造があることから、おそらく大きな驚きではなかったはずである。41 この構造は第三の目（または頭頂眼）と呼ばれてきた。 いくつかの絶滅した四足動物では、視床上部の第三の眼は網膜のように組織され、光を知覚し、その後、活動電位を中枢神経系に伝達することができると考えられていた。 側眼の網膜メラトニンは、松果体におけるメラトニンのような概日リズムを示すが、哺乳類の眼のメラトニン形成細胞はこの産物を血液中に排出しない。 網膜のメラトニンリズムはドーパミン代謝と網膜時計の機能に影響を与えるが、42 おそらく、脳脊髄液（CSF）のメラトニンサイクルが視交叉上核（SCN）を調節するのとよく似ている。43–45 哺乳類の松果体と、そこから進化した第三の目（または関連する構造）には、他にも共通する特徴がある。46、47である。

松果体と網膜に加えて、脊椎動物の多くの器官がメラトニンを産生する。 これはおそらく、消化器系の大部分での生成によって最もよく例証される48 49 では、その合成が1日周期を示すことは知られていない。50 メラトニンの24時間リズムを示すかもしれない1つの非神経器官は、51 ハーデリアン腺である； これらの大きな器官の機能は謎のままである。52, 53 ハーデリアン腺のメラトニンサイクルが松果体摘出によって中断されるのか、それとも明暗サイクルに反応して変化するのかについては意見が分かれている。54 他の末梢臓器と同様に、ハーデリアン腺は全身循環にメラトニンを寄与しない。

脊椎動物の血清中のメラトニンの濃度は、200 pg/mLを超えることはめったにない暗闇の中でさえ、常に稀に見るほど低い（pg/mLの範囲）とされてきた。 Dauchy et al.による最近の発見55 は、日中は低強度の人工光（太陽光とは強度も波長も似ていない）の下で維持され、夜間は相対的に暗闇になる動物やヒトで測定されたこれらの値は、夜間の振幅に関する真のメラトニン周期を表していない可能性があることを示唆している。 この研究では、色素沈着した雌雄のヌードラットを青く着色したポリカーボネート製ケージで飼育した場合、夜間のメラトニンのピークが、透明なポリカーボネート製ケージで飼育したラットに比べて最大で7倍高くなることを発見した（図）。2）。血清メラトニン値は夜間に150 pg/mLまで上昇するのではなく、青色着色ケージで飼育したラットではピーク濃度が血清1000 pg/mLまで上昇した。 したがって、昼間の光のスペクトル含量［この場合、青色波長（450-495 nmol/L）に富む光］は、その後の夜の血清メラトニンのピークの振幅に大きな影響を与えた。 検討はしなかったが、この誇張された上昇は、松果体によるメラトニンの合成と放出の増加に関連していると考えられ、おそらく他の体液、例えば髄液、そしておそらく体細胞においても、メラトニンが比例して上昇することに関連していた。

図2 12:12の明暗サイクル（18:00から6:00まで暗黒）で6週間飼育した色素沈着ヌード雄ラットの24時間血漿メラトニンリズム。 動物はポリカーボネート製透明ケージ（赤の点と線）またはポリカーボネート製青色着色ケージ（青の四角と線）で飼育された。 室内の照明条件は両群とも同じで（光量300ルクス、125 μW/cm2）、夜間は絶対暗黒とした。 透明なケージで飼育されたラットの血漿メラトニンの夜間の平均増加量は昼間の9.6倍であったのに対し、青く着色されたケージで飼育された動物の夜間の平均増加量は55.3倍であった。 明らかに、青色波長（450-495 nmol/L）を豊富に含む光を日中に経験したラットは、血漿メラトニン濃度の夜間の上昇がはるかに大きかった。 推測では、動物が日中に青色濃縮光を目撃した場合、松果体メラトニンの合成と放出が暗闇の間に促進される。 可能性が低いのは、日中の青い光が夜間の肝メラトニン代謝を遅らせたということだろう。 赤と青の*は有意差を示す。 データはわかりやすくするために二重プロットしてある。 データポイントは平均値±1 SD。 Dauchy et al.より55 許可を得て掲載。

日中に青色を多く含む光を浴びると、夜間の最大メラトニン濃度が明らかに高まるが、循環メラトニン濃度を最大に抑制するのは夜間の青色光曝露でもあるため、これらの知見は特に興味深い。56 後者の反応は、主に固有光感受性網膜神経節細胞（ipRGC）によって媒介される。ipRGCは、青色光の波長に特に敏感なメラノプシンという独特の光色素を含んでいる。57, 58 昼間にipRGCによって検出された青色波長の光が、その後の夜におけるメラトニンのピークの誇張と関連して機能しているかどうかを調べる必要がある。

Dauchy et al.によって報告された知見にはもう一つ意味がある。55 このグループは、腫瘍成長に対する生理的濃度（1 nmol/L）のメラトニンの抑制作用に関する雄弁な研究を発表してきた歴史がある。59–61彼らはまた、メラトニンの腫瘍抑制作用が、よく特徴付けられたMT1膜メラトニン受容体によって媒介されることを示した。61 この受容体のKdは、日常的にさらされる1 nmol/Lのメラトニン濃度と一致している。62 もしメラトニンの夜間の上昇が当初考えられていたよりもかなり大きいのであれば、新たに記載されたメラトニン濃度は受容体のKdを超える可能性があり、おそらくそのダウンレギュレーションにつながり、がん抑制という点では抑制反応を媒介できなくなるであろう。 しかしそのようなことはなく、メラトニンの値が高いほど、前立腺腫瘍の成長に対して実際に大きな抑制効果を示した。55 Dauchyらによって報告された、非常に上昇した循環メラトニン濃度が、MT1およびMT2膜レセプターの機能に影響を及ぼすことが判明するかどうかは、さらなる実験が待たれる。 異なる体液中のメラトニン濃度の非常に大きな違い（血液レベル対髄液63や胆汁64）を考慮すると、異なる場所の受容体は通常、著しく異なるレベルのインドールアミンにさらされている。

日中の青色光55下で飼育されたラットにおける夜間の循環メラトニン濃度の顕著な上昇に関するデータは、腫瘍増殖の抑制以上の意味を持つ。 フリーラジカル消去作用によって酸化ストレスを軽減するメラトニンの能力は、その濃度に直接関係している。 メラトニンの濃度が高いほど、フリーラジカルを消去する抗酸化物質の分子数が多くなり、酸化的損傷やそれに関連する疾病が減少する。 松果体摘出による生涯にわたるメラトニン不足は、メラトニンのリズムが保たれている松果体欠損ラットに見られる分子損傷の量と比較して、晩年における酸化的組織損傷の量を増加させる。65 このことから、Dauchy et al.によって観察されたような高濃度のメラトニンは、55 一般的に受け入れられている低振幅のリズムよりも、酸化的損傷をより大きく軽減することが期待される。

メラトニンの生産は脊椎動物に限らず、バクテリア、66 単細胞など、調査されたすべての生物に存在する、67 無脊椎動物、68 、69 および維管束植物。70–72これらの種のどれもが松果体を持たず、単一の細胞のみで構成されているものもある。 このことを考えると、メラトニンと脊椎動物の松果体との関連は偶然の産物であり、松果体が明暗周期に依存した概日的にメラトニンを産生するためには、光の知覚を担う器官、すなわち側眼からの神経情報によって調節されなければならないという事実によって必要とされたのかもしれない。 ほとんどの非脊椎動物種では調べられていないが、メラトニンの24時間リズムは渦鞭毛藻Gonyaulax polyedra、73 やいくつかの植物で報告されている、74 メラトニンの機能の少なくとも1つは、それが発見されたすべての種で保存されている。75–78。

2 抗酸化物質としてのメラトニン： フリーラジカルとの戦い

2.1 戦いの準備：メラトニンの生理的武器

79 このプロセスに関するその後の報告では、メラトニンが2つのフリーラジカルを消去する際に生成される新規のメラトニン代謝物、環状-3-ヒドロキシメラトニン（c3OHM）も同定された。80 この発見後まもなく、in vitro81, 82 およびin vivoの両方で行われた一連の研究が行われた、83–87は、メラトニンがヒト細胞を含む分子、細胞、組織に対する酸化的損傷を鎮める能力を文書化した。88, 89 それ以来、 それ以来、メラトニンが酸素中心ラジカルや有毒な活性酸素種（ROS）90–95 を直接消去し、主要な細胞高分子に対する酸化的変異を減少させる能力を確認する多くの報告がある。96–102 メラトニンとその代謝産物のこれらの直接的なフリーラジカル消去作用は、多くの総説にまとめられている、103–105 で要約されているので、ここでは詳しく説明しない。

1990年代半ばのその他の開発により、メラトニンは酸化的障害に対する効果的な対抗手段としてさらに進歩した。 直接的なフリーラジカルスカベンジャーとしての発見から2年以内に、メラトニンはグルタチオンペルオキシダーゼやグルタチオンレダクターゼなどの抗酸化酵素を刺激することがわかった。106–111 さらに、メラトニンはグルタチオンの合成をアップレギュレートする、112–114 非常に効果的な内在性抗酸化物質であり、古典的なフリーラジカルスカベンジャーと相乗して組織や体液の還元力を改善する。115, 116 メラトニンのこのような間接的な抗酸化機能により、この分子はフリーラジカルによるダメージを制限する重要な内因性因子であることがさらに強調された。 最後に、メラトニンは窒素ベースの毒性物質、すなわち一酸化窒素とペルオキシナイトライトアニオンを中和することが判明した。119, 120 ヒト血液の総抗酸化能を昼夜両方の内因性メラトニン濃度と比較したところ、これらのパラメーターは正の相関があることがわかった（図）。121 この相関は、薬理学的レベルのメラトニンだけでなく、同様に生理学的濃度も、有害なフリーラジカルからの保護を提供する可能性が高いことを文書化したものである。122 この相関は、薬理学的なレベルだけでなく、生理学的な濃度も同様に、有害なフリーラジカルからの保護を提供する可能性があることを証明している。

図3 血液中のメラトニンの日中および夜間のレベルは、ヒトの生涯を通じて、この体液の総抗酸化状態（TAS）と相関している。 加齢に伴い、夜間のメラトニン濃度は低下し、それに伴いTSA濃度も低下する。 この発見は、血液中の生理的レベルのメラトニンが、その媒体のフリーラジカル消去能を高めることを示している。 Benot et al.より121 許可を得て引用。

上で指摘したように、メラトニンがスカベンジャーとして機能するとき、結果として生じる産物のひとつが代謝産物c3OHMである。 抗酸化能力を試験したところ、c3OHMはその下流の代謝物と同様に、ラジカル解毒123、124にも機能することが証明された、 N-acetyl-N-formyl-5-methoxykynuramine (AFMK) and N-acetyl-5-methoxykynuramine (AMK), 125–130 in what has been defined as melatonin’s antioxidative cascade.126 したがって、メラトニンの第一世代、第二世代、第三世代の代謝物はすべて、優れたラジカルスカベンジャーであることが証明されている。131、132このカスケードによって、メラトニンは最大10個のラジカル生成物を中和できることが予想され、1個の酸化分子を無害化する古典的なフリーラジカルスカベンジャーとは対照的である。 メラトニンは植物にも存在するので、51, 52 その機能は、これらの生物におけるラジカルスカベンジャーでもある。133–137。

メラトニンの酸化的損傷を抑制する能力に関連するものとして見過ごされがちな、もう一つの潜在的に重要な作用は、重金属と結合する能力である。 1998年、吸収ボルタンメトリーを評価手段として用いて、Limson et al.は138、メラトニンがメタロチオネインとは異なり、アルミニウム、カドミウム、銅、鉄、鉛、亜鉛と結合することを報告した。 メラトニンとこれらの金属との相互作用は、濃度に依存することがわかった。 メラトニンは鉄(III)と鉄(II)の両方をキレート化し、鉄(II)はヒドロキシラジカルを生成するフェントン反応に参加する。 鉄がタンパク質、例えばヘモグロビンに結合している場合、メラトニンはオキシフェリル（FeIV-O）ヘモグロビンのような共有結合性の高い鉄を鉄（III）に戻し、それによってタンパク質の生物学的活性を再確立する。 これは、メラトニンが毒性の高いヒドロキシルラジカルに遭遇したときの還元作用に似ている。 特に脳では、メタロチオネインは遷移金属との結合に関してはあまり重要な役割を果たしていない。 メタロチオネインはタンパク質であるため、メタロチオネインが遷移金属と形成する結合は、金属が生成するフリーラジカルによって損傷を受ける。 それに比べ、メラトニンは生成したフリーラジカルを中和し、ダメージを軽減する。 このことは、前述のようにメタロチオネインが金属との結合に果たす役割が低下している脳では、特に重要かもしれない。 我々は最近、血液中の濃度に比べて髄液中のメラトニン濃度が高いことが、脳を酸化ストレスから特別に保護する可能性について議論した。43, 63, 139 脳では、メラトニンは、その直接的な消去活性と間接的な抗酸化作用に加えて、遷移金属の主要な結合体としてメタロチオネインに取って代わったか、補ったのかもしれない。

Parmarら140 は、肝ホモジネート中の銅を介した脂質過酸化を減少させるメラトニンの能力を調査することによって、これらのオリジナルの観察を熟読した。 この研究では、メラトニンは、脂質の過酸化を開始するのに十分な毒性を持つラジカルを直接消去することによって、脂質の損傷を減少させた可能性がある。さらに、電気化学的研究では、メラトニンがCu(II)とCu(I)の両方に結合することがわかった。 これらの作用が、肝脂質の酸化を抑えることにつながったのであろう。 Parmarらによる報告から間もなくして、140 Mayo et al.141 は、Cu(II)/H2O2 への曝露によるタンパク質損傷がメラトニンによって緩和されることを示したが、Gulcin et al、142 の比較調査では、メラトニンはα-トコフェロールや合成抗酸化剤であるブチル化ヒドロキシブチルアニソールやブチル化ヒドロキシトルエンよりも、このイオンのFe(II)キレート活性が高いことがわかった。 メラトニンはまた、Al(III)、Zn(II)、Cu(II)、Mn(II)、Fe(II)とアミロイドβペプチドとの相互作用を著しく減少させた。

メラトニンの金属封鎖活性に関する最新の研究では、Galano et al.が144 メラトニンの銅封鎖能力と、その代謝物であるc3OHM、AFMK、AMKの銅封鎖能力を調べた。 このグループは、銅が最適な細胞生理学に不可欠である一方、高濃度になると、ヒドロキシルラジカルを発生させるフェントン／ハーバー・ワイス反応に関与することを指摘した。 また、銅が不足すると、細胞質抗酸化酵素である銅スーパーオキシドジスムターゼ（CuSOD）の合成が減少するため、抗酸化防御プロセスが損なわれる。 さらに、アルツハイマー病を含むいくつかの神経疾患145、 146 パーキンソン病、147, 148 ハンチントン病、149 や肝弁膜変性症（ウィルソン病）150, 151 は、銅や他の金属の過負荷によって特徴づけられる。 これらの状態のいくつかに関連した分子損傷は、銅イオンの過剰による酸化促進作用の結果であると思われる。 このことを考えると、銅のレベルを細胞の必要量に合わせて調節することが重要である。 メラトニン、c3OHM、AFMK、AMKの協同キレート能を密度関数理論の枠組みで比較したところ、メラトニンだけでなく、その代謝物も銅イオンと結合すると安定な錯体を生成することが報告された（Fig.4）144 2つのメカニズムがモデル化された。これらは、直接キレート機構（DCM）と結合脱プロトン化キレート機構（CDCM）である。 生理的条件下では、CDCMがCu(II)キレートの主要な経路であると予測された。 メラトニンおよびその代謝物は、Cu(II)をキレートし、Cu(II)/アスコルビン酸混合物中で誘導された酸化ストレスを完全に抑制した。 同様に、メラトニン、c3OHM、AFMKは、ハーバー・ワイス反応の初期段階を阻止し、その結果、酸化力の強いヒドロキシルラジカルの生成を抑制した。 これらの知見に基づいて、Galano et al.144 は、メラトニンはフリーラジカル消去カスケードの初期分子である他に、152 は、Fig. 4. これらの有害なイオンをキレートするメラトニンの能力が結果的に重要であるかもしれない生物で起こる金属触媒による分子損傷に関連した総説が最近発表された。

図4 メラトニンとその代謝物のフリーラジカル消去カスケード（縦）と金属キレート化カスケード（横）。 図の右側に示したキレート構造は、最も多く存在すると予測されるものである。 予測された錯体形成のメカニズムとして最も可能性が高いのは、脱プロトン化-キレート化結合機構（CDCM）である。 Galano et al.144 より許可を得て引用。

すでに述べた手段に加えて、おそらく他のさまざまな要因が、メラトニンが生物の総酸化負荷を軽減するのを助けているのだろう。 図 5に要約されているように、メラトニンは多くの有害な反応性分子を中和するだけでなく、生成されるROS/RNSの量を決定する多種多様な酵素の活性も調節する。 さらに、メラトニンやその代謝産物が酸化的損傷を減らすのに高い効果を発揮するのには、おそらく生理学的・代謝的要因が関係している。 例えば、メラトニンはミトコンドリアの呼吸鎖からの電子の漏れを制限し、スーパーオキシドアニオンラジカルに還元される酸素分子を少なくすると報告されている。154 メラトニンの抗炎症作用は、炎症反応が一般的にフリーラジカルの発生を伴うことを考えると、間接的にフリーラジカルによるダメージを軽減する155一方、概日リズムを強化するメラトニンの能力も、クロノディスラプションが酸化分子の産生を高めるため、少ない酸化プロセスを助ける。156

図5 この図は、酸化ストレスを軽減するメラトニンの複数の作用をまとめたものである。 赤い部分は、メラトニンによって中和されることが示されている活性酸素（ROS）と活性窒素種（RNS）、および抗酸化カスケードの過程で形成される代謝物を示している。 青い領域は、ラジカルの発生を引き起こすか、不活性な生成物に代謝されるため、細胞の酸化還元状態に影響を与える酵素を特定する。 前者はメラトニンやその代謝産物によってアップレギュレートされ、後者はダウンレギュレートされる。 グルタミルシステインリガーゼは、重要な細胞内抗酸化物質であるグルタチオンの形成を誘導する。 黒い部分は、フリーラジカルを消し去り、酸化ダメージを軽減する能力という点で、メラトニンを助ける特徴を挙げている。

2.2 ミトコンドリアを標的とした抗酸化物質メラトニン

ミトコンドリアは、ATPの生成を含む特定の重要な機能のために特別に設計されている。通常の好気性細胞では、酸化的リン酸化が生成されるATP全体の95％を効率的に生産する。 通常の好気性細胞では、生成される全ATPの95％が酸化的リン酸化によって効率よく生産される。この重要な仕事を遂行する一方で、ミトコンドリアは酸素ベースの毒性種、すなわち活性酸素157, 158 を生産する主要な場所でもあり、その大部分は、これらの小器官に回復不能な損傷を与え、ATP生産を著しく損なう前に無毒化されなければならない。 実際、老化の主要な理論、すなわちミトコンドリア理論では、細胞、臓器、そして生物の老化の原因として、これらのオルガネラの損傷を挙げている。159–161 ミトコンドリアの酸化的損傷は、多くの深刻な病態や老化の中心であるため、従来の抗酸化剤は、これらの病気を予防したり、老化に伴う退行過程を遅らせたりするのに役立つはずである。 162–166病気や老化の進行に影響を及ぼすために、常用されている抗酸化剤の適用が成功したという証拠は驚くほど少ない。

従来の抗酸化物質が活性酸素に関連した疾患の重症度を改善できなかった理由の一つは、フリーラジカルの産生が最大であるミトコンドリアに抗酸化物質が集中できなかった結果かもしれない。 従って、ミトコンドリアをターゲットにした抗酸化剤を開発することが価値ある戦略であるように思われた。これが実行され、ミトコンドリアの損傷とその結果生じるアポトーシスを減少させるのに効果的であることが示された。167–169 一例として、ミトコンドリアでの高濃度を達成するために、内因性補酵素Q10のユビキノン部分を親油性のトリフェニルホスホニウムカチオン（TPP）と結合させた。170 TPPをQ10と結合させることで、MitoQと呼ばれる分子が細胞膜とミトコンドリア膜を速やかに通過し、ミトコンドリア・マトリックス中に、共役していない抗酸化物質の最大数百倍の濃度で蓄積するようになった（Fig. 6). トコフェロール（ビタミンE）もまた、ミトコンドリアマトリックスに標的化するという点で、同程度の成功を収めてTPPと共役している。170 MitoQとMitoEはどちらも、共役していない形の抗酸化物質によってもたらされるものより、フリーラジカル損傷に対するミトコンドリアの保護が改善されている。171, 172, 168, 173、 174 MitoQもMitoEもミトコンドリアマトリックスで再利用されるため、局所的な分子損傷を最小限に抑える効果が高まる。175。

図6 ミトコンドリアを標的とした抗酸化物質MitoEとMitoQの構造。 メラトニンは内因性に産生される分子であり、MitoQやMitoEと比較した場合、炎症や酸化ストレスから保護する相対的な能力から、ミトコンドリアに蓄積することが可能であると考えられる。 MitoQとMitoEは、ミトコンドリアを標的とした合成抗酸化物質である。 それぞれQ10とトコフェロールのユビキノン部分がトリフェニルホスホニウムカチオンと共役して生成される。 MitoEとMitoQはミトコンドリア内に高濃度で蓄積する。 メラトニンは、酸化的損傷と炎症を抑えるのに、MitoEやMitoQと同じくらい、場合によってはそれ以上に効果的である（図参照）。

Lowesら176 は、炎症と酸化ダメージの軽減において、2つのミトコンドリア標的抗酸化物質MitoQとMitoEとメラトニンの相対的効果を比較した。 分子レベルでの殺戮を起こすために、最悪のシナリオが用いられた。 雄の成体ラットに尾静脈からリポ多糖（LPS）とペプチドグリカン（PepG）を投与し、大規模な酸化ダメージを誘発した。 その後まもなく、同じ経路でMitoQ、MitoE、メラトニンのいずれかを投与した。 5時間後、血漿と組織のサンプルが採取された。 著者らは、ミトコンドリア呼吸の維持、酸化ダメージの軽減、炎症性サイトカインレベルの抑制の改善に関して、3種類の抗酸化剤の保護作用はほぼ同等であると述べた。 さらに、アラニントランスアミナーゼとクレアチニンの血漿レベルは3つの抗酸化剤投与群間で統計学的な差がなかったことから、各抗酸化剤は臓器生理の生化学的パラメーターの維持においてほぼ同様の保護作用を示した。 肝タンパク質カルボニルおよび酸化脂質に関するデータは、Fig. 7に要約されている。 この図のデータから、これらのパラメータに関連する最も効果的な抗酸化物質は、このグループの動物における損傷分子の平均値が低く、より均一な阻害を考えると、メラトニンであることが明らかであるように思われる。

図7 プラセボを投与した対照ラットと、酸化障害を誘発するために有毒細菌のリポ多糖（LPS）とペプチドグリカン（PepG）を投与した動物における肝タンパク質カルボニル（A）と血漿脂質ヒドロペルオキシド（B）の濃度。 LPS＋PepG投与ラットの一部には、合成ミトコンドリア標的抗酸化物質MitoEまたはMitoQ、あるいは内因性抗酸化物質メラトニンも注入した。 これらの抗酸化物質はそれぞれ、酸化的に損傷した肝タンパク質と血漿脂質を有意に減少させたが、メラトニンが最も効果的であったようである。 P値はLPS + PepG対照群に対する相対値である。 Lowes et al.176 から再描画し、承認を得た。

LPSとPepGの組み合わせは、哺乳類の防御機構にとって非常に攻撃的な挑戦であり、この研究では、メラトニンは合成ミトコンドリアを標的とした抗酸化物質と同等かそれ以上に攻撃に対処した。176 これらの知見の主要な意味は、メラトニンは内因性ミトコンドリア標的抗酸化物質として分類されるべきであるということである（図 6）。 これは、報告されているように177, 178 肝ミトコンドリアのメラトニン濃度が血漿中よりもはるかに高いこと、およびミトコンドリアが細胞内メラトニン合成の場であるかもしれないという提案と一致するだろう。179 ミトコンドリアでの位置づけは、メラトニンの強力な抗酸化活性の重要な側面かもしれない。 ミトコンドリアはしばしば大量のフリーラジカルを発生させる主要な場所であるため、これらのオルガネラの還元電位を維持することは重要である。 敗血症と敗血症性ショックの間に起こる猛烈なダメージに対抗できる薬剤を同定するプログラムであるSurviving Sepsis Campaignを考慮すると、180 メラトニンは治療パラダイムの重要な構成要素であることが証明されるかもしれない。 使用された3つの抗酸化物質のうち、Lowesら176 は報告の最後に、メラトニンは敗血症のヒトに起こる分子損傷と死亡率に抵抗する最も利用しやすい薬剤かもしれないと述べている。

2.3 抗酸化剤としてのメラトニン：虚血再灌流研究からの証拠

メラトニンが、一時的に酸素の豊富な血液を奪われ、その後酸素の豊富な血液で再灌流された組織において、主要分子の酸化的破壊と細胞の死滅を克服することを確認する多くの報告が発表されている。 低酸素血症（虚血）と再酸素血症（再灌流）の両方において、激烈なレベルの活性酸素/活性酸素（ROS/RNS）が生成され、必須分子を破壊し、細胞の機能と生存の両方を損なう分子の残骸の蓄積につながる。181, 182 このような損傷を抑制するためのメラトニンの絶え間ない探求は、多くの臓器の虚血／再灌流（IR）中に、その抗酸化能が記録されていることに由来する（図 8 ）。

図8 低酸素・再酸素化（虚血・再灌流）が脳卒中中の脳や心臓発作中の心臓に及ぼす影響の一部を図式化したもの。 低酸素／再酸素化を経験した臓器では、同様の変化が起こる。 大量の活性酸素（ROS）と活性窒素種が、低酸素状態と再灌流状態の両方で発生する。 これらの毒性物質は、それまで隔離されていたカルシウム（Ca2+ ）の細胞質への放出を開始し、ミトコンドリアを損傷してシトクロムc（Cyt c）の放出を可能にする。 放出されたCyt cはアポトーシスカスケードを活性化する。 低酸素／再酸素化はまた、NF-kBの放出と核内への移行を伴う炎症反応と関連している。 この結果、ケモカインやサイトカインの合成が活性化され、活性酸素の産生が増大する。 メラトニンには、活性酸素によるダメージを軽減する複数の作用がある。これらの作用には、直接的なフリーラジカルの消去、抗酸化酵素の刺激、遷移金属のキレート化などが含まれる。 これらの作用の結果、メラトニンは細胞のアポトーシスと組織の損失を抑制し、それによって損傷を受けた臓器の機能を部分的に維持する。

どのようなIR事象も常に深刻であるが、それが脳（脳卒中）や心臓（心臓発作）に及ぶと、特に重大で、しばしば生命を脅かす。 脳卒中や心臓発作から生還しても、神経行動学的あるいは生理学的な結果はしばしば衰弱し、持続し、生活の質を損なう。 IRのエピソードによって引き起こされる損傷を予防したり、有意に減少させることができる分子を同定することは、科学界の大きな関心事である。183, 184

表 1は、メラトニンが脳と心臓のIR損傷と闘うために効果的に使用された数多くの研究のいくつかを要約したものである。 表に見られるように、脳の局所への血液供給を一時的に遮断するために使用される最も一般的なげっ歯類モデルは、中大脳動脈閉塞（MCAO）であり、関連する神経損傷に対抗するために使用されるメラトニンの通常用量は4-10 mg/kg体重（BW）である。 このモデルは、ヒトがしばしば経験する局所的な脳卒中を代表するものであり、興味深い。

表1. 実験的および臨床的な脳虚血・再灌流障害（脳卒中）および心臓虚血・再灌流障害（心臓発作）におけるメラトニンの有益な効果を示す、発表された報告の一部（他にも多数ある）の結果の要約である。 ほとんどの研究は、実験モデルとしてげっ歯類を用いて行われた。

• MCAOは中大脳動脈閉塞。

ClinicalTrials.govには登録されていないが、一過性の虚血と再灌流に伴う心機能の障害を克服するためのメラトニンの使用に関する最も最近の、そして最も魅力的な研究は、Dwaich et al.202 彼らは、冠動脈バイパス手術の5 日前に10または20 mgのメラトニンを男女の患者（各治療群15人）に経口投与したところ、この治療から得られた生理学的配当はかなりのものであった。 手術の24時間後、心拍数の減少を伴う心臓駆出率（心エコーで測定）の有意な増加がみられた（メラトニンを投与しなかった15人の手術患者と比較して）。 さらに、血漿中の心筋トロポニン1、インターロイキン1β、誘導性一酸化窒素合成酵素（iNOS）、カスパーゼ3がメラトニン治療により有意に減少した。 メラトニン20 mgを投与された患者では、インドール10 mgを投与された患者に比べ、改善が大きかった。 Dwiach et al.の結果202 は、メラトニン投与が心筋傷害（駆出率およびトロポニン1で測定）を抑制し、炎症反応（IL-1β）を制限し、酸化ストレス（iNOS）を減少させ、アポトーシス（カスパーゼ3）の程度を停止させることを示した。 測定された反応は、投与されたメラトニンの用量によって異なったので、インドールの高用量投与や別の経路（例えば、手術中の点滴）による投与は、心臓パラメーターをさらに改善する可能性がある。 そのような研究が進められていることを期待したい。

メラトニンが酸素欠乏とそれに続く酸素回復によって生じる脳損傷を抑制する価値を証明するために、IR研究では梗塞容積から細胞損傷の分子マーカーに至るまで、多種多様なエンドポイントが測定された。 研究の大半は、メラトニンの保護作用のかなりの部分は、直接的な消去作用か、他のフリーラジカル中和活性を促進する間接的な機能によるものであると結論している。 ある報告では、脳に広く分布しているMT1およびMT2膜受容体をブロックしても、203 メラトニンの細胞損傷を抑制する能力は阻害されなかったと述べている。186 しかしながら、MT3（キノン還元酵素、 細胞質解毒酵素204） や核結合部位（ROR、RZR205 ）がメラトニンの神経保護作用の一部を媒介しなかったという可能性を排除するものではない。

低酸素とメラトニンの使用に関連したヒトの研究の数は明らかに限られている。 Fulia et al.193は、80 mgのメラトニン（各10 mgを8回投与）を生後6 ；メラトニンを投与しなかった窒息新生児10人中3人が死亡したのに対し、メラトニンを投与した窒息新生児10人中0人が死亡した）。 これは、メラトニンが低酸素の期間から脳を保護したという直接的な証拠ではないが、この器官は酸素欠乏206 に対して特に敏感であり、メラトニンは容易に血液脳関門を通過する；207 したがって、外因的に投与されたメラトニンは、低酸素症によって脳が受けた酸化還元不均衡の一部を緩和したと考えて差し支えない（図）。 8).

Aly et al.の報告194 は、ヒト新生児におけるメラトニンの神経保護作用について、より直接的に語っている。 この前向き研究では、5日間の低体温療法とメラトニンの経腸投与を組み合わせることで、低酸素性虚血性脳症（HIE）に罹患した新生児の数多くの酸化的パラメータを減少させた。 神経学的エンドポイントとしては、低体温メラトニン治療を受けた新生児では発作が少なく、磁気共鳴画像法を用いて可視化された白質障害も少なかった。 194。

ST上昇型心筋梗塞（STEMI）から心臓を保護するためのメラトニンの使用は、Dominguez-Rodriguezらのグループにとって大きな関心事であった。208–210 抗酸化剤としてのメラトニンの安全性と有効性、そしてSTEMI患者の心臓障害を媒介するフリーラジカルの関与が、MARIA試験のデザインと根拠となった。211 このグループは212-214など215である、 216 は、原因が何であれ、メラトニンを使って活性酸素／RNSによる心臓障害を克服した文献報告の要約を発表している。

脳卒中や心臓停止による神経学的損傷は、身体的・精神的衰弱につながるさまざまな生理学的、神経行動学的、認知的後遺症を残す。 これらの壊滅的な状態を抑えるためには、酸化/ニトロソ化ストレス、炎症、グルタミン酸興奮毒性など、いくつかの損傷プロセスを標的にしなければならない。217 これらのプロセスのそれぞれは、メラトニンによって調節される。 本明細書で論じたように、メラトニンは、酸素や窒素ベースの毒性反応物質によって引き起こされる分子の殺戮と戦うという点では、利用可能な最良の分子のひとつである。 さらに、その抗炎症作用はよく説明され、メカニズム的にも定義されており、218、219、破壊的なフリーラジカルを伴うグルタミン酸毒性はメラトニンによって否定される。220, 221 実験的研究で測定したところ、メラトニンをIRエピソードと同時に投与した場合、脳卒中に伴う長期的な神経行動障害の重症度が低下することも示されている。222, 223 IR中のメラトニンの保護作用に関与する分子の詳細の多くは、最近の報告で解明されている。224, 190, 225–227 などである。

ここでは、これらの臓器における低酸素／再酸素化はしばしば悲惨な結果をもたらすため、IRから生じるメラトニンの神経保護作用と心臓保護作用に重点が置かれた。 しかし、メラトニンがIRを受けたときに形態的・機能的完全性を維持した臓器は、これらだけではない。 発表された報告によると、肺、228–230 肝臓、231–233 腎臓、234 膵臓、235 腸、236 膀胱、237、238海綿体、239 骨格筋240、 241 脊髄、242、 243 や幹細胞244 もメラトニンによって保護されている。 メラトニンがそうであることが示されたように、ある分子がある臓器で赤外線損傷を制限するならば、すべての臓器でそうなるだろうと予想される。 培養中の幹細胞は低酸素状態に陥ることがあり、これは移植時にも起こる。 内因性に産生される無毒性の分子が、幹細胞を損傷や死から守ってくれることは、幹細胞移植の頻度が高まっていることを考えると、非常に重要なことである。

2.4 抗酸化物質としてのメラトニン：臓器移植研究からの証拠

臓器移植は、末期臓器不全に苦しむ人々にとって貴重な治療法である。 移植臓器の成功を損なう数多くの要因の中には、免疫不耐性や低酸素／再酸素化によるアポトーシス／壊死細胞死がある。245, 246 この後者の点に関して、IR媒介細胞傷害の軽減におけるメラトニンの有効性に関する情報は、移植手順に関連している。 この分子は、臓器保存に伴う低酸素症や、移植後に組織が再灌流される際の再酸素化から移植臓器を保護するのに有用であろう。 この目的に対するメラトニンの有用性は、Viaretteらによって最初に認識された。247 この研究では、肝臓をラットより単離し、University of Wisconsin（UW）またはCelsiorの保存液に4℃で20時間浸漬した。 その後、肝組織を、メラトニン（25、50、100、200 μmol/L）の有無にかかわらず、Krebs Henseleit bicarbonate（KHB）緩衝液で灌流した。 肝臓をメラトニンで灌流すると、胆汁産生量（Fig. 9）と胆汁中のビリルビン量が用量反応的に上昇した。 どの用量のメラトニンでも、肝ATPレベルは同程度に上昇した。 肝と胆道の濃度はともにメラトニンの投与量に比例して上昇した。 著者らは、灌流液にメラトニンを添加することにより、より健康な肝細胞が増え、移植された肝臓の生存率が向上する可能性が高まったと結論づけた。

図9 メラトニンは移植用に準備された肝臓からの胆汁産生を改善する。 手術で摘出した肝臓をウィスコンシン（A）またはセルシオ（B）の保存液で洗浄した。 その後、4℃で20時間保存した。 その後、メラトニン（100 μmol/L）を含むKrebs-Henseleit緩衝液、またはメラトニンを含まない緩衝液で灌流した。 メラトニン（実点）は、メラトニンで灌流しなかった肝臓（中空点）のものと比較して、有意に（*P<.05）胆汁の流れを改善した。 Viaretti et al.より247 許可を得て掲載。

その後の研究で、248 このグループは、メラトニン（100 μmol/L）を含むか含まない温かいKHB溶液で灌流した低温保存肝臓のその場での活性酸素レベルを組織化学的に調べた。 低温保存はUW保存液またはセルシオ保存液で行った。 再灌流培地中にメラトニンが存在すると、肝細胞における活性酸素産生の組織化学的証拠が減少し、細胞の形態もより正常に維持された。

移植用の肝臓の多くは脂肪症であり、そのため移植すると機能不全に陥りやすい。 Zaouali et al.は249 メラトニンが脂肪肝の機能も改善するかどうかを調べるため、上記と同様の研究を行った。 脂肪肝と非脂肪肝をそれぞれ肥満ラットと痩せザッカーラットから得て、メラトニン(100 μmol/L)の有無にかかわらず、UWまたはInstitute Georges Lopez(IGL-1)溶液中で、4℃で24 時間保存し、その後、生体外で常温再灌流(37℃で2 時間)を行った。 いずれの肝タイプにおいても、メラトニンはトランスアミナーゼの放出を低下させ（損傷肝細胞の減少を示す）、胆汁分泌を改善し、ブロモスルホフタレインのクリアランスを促進し、血管抵抗の減少を引き起こした。 これらの効果は、観察された酸化ストレスの減少やサイトカイン放出の低下と一致していた。 このことは、臓器保存液にメラトニンを使用することで、移植後の臓器の機能が改善される可能性を示唆している。 また、メラトニンが脂肪肝の機能を回復させたという事実は、メラトニンで治療すれば、中程度の損傷を受けた肝臓でも移植に成功する可能性があることを示唆している。

臓器移植におけるメラトニンの有用性に関して最も徹底的な調査を行ったのは、ブタで膵臓移植を行ったGarcia-Gilら250 である。 この研究では、2種類の抗酸化剤、すなわちメラトニンとアスコルビン酸（AA）の有効性が比較された。 これらの抗酸化剤は、手術中および術後7 日間、ドナーおよびレシピエントのブタに静脈内投与され、臓器移植前にはUW保存液にも添加された。 メラトニンは移植片の生存期間（25 日）を、コントロール（8 日）またはAA処理（9 日）のブタからの移植片の生存期間（9 日）に比べて延長するのに非常に有効であることが証明された（図 10）。 メラトニンはまた、膵臓組織の脂質過酸化の指標（マロンジアルデヒドと4-ヒドロキシアルケナール）に対してより大きな抑制効果を示した。 さらに、メラトニンは移植後早期の血清中のブタの主要急性相タンパク質/インター-α-トリプシンインヒビター重鎖4（PMAP/ITIH4）を減少させた。 あらゆる指標から、メラトニンの有益性はAAのそれを上回り、臨床試験を含む追加移植研究において、この重要な分子のテストを示唆するものである。 臓器移植におけるメラトニンの有用性に関する知見が最近見直され、251、252、また別の報告では、卵巣移植におけるメラトニンの使用も示唆された。253

図10 ブタにおける膵十二指腸移植片の生存期間。 無処置の対照ブタは術後12 dまでに移植片を拒絶した（実線）。 アスコルビン酸（太い破線）は、自家移植片を対照ブタのものより延長させなかった。 メラトニン処理（点線）は膵十二指腸移植片の生存期間を有意に延長した。 各グループには8頭のブタが含まれていた。 Garcia-Gil250 より許可を得て引用。

2.5 抗酸化物質としてのメラトニン：毒性薬物研究からの証拠

病気の治療薬は、その費用対効果の比率に基づいて承認される。 多くの場合、薬には生理学的に重大な副作用があるが、その副作用が与えるダメージよりもベネフィットの方が大きいと推定される場合、認可される。 このような薬物の副作用の中には、そのダメージが生命を脅かすまでに進行するものもある。 多くの場合、薬物が引き起こすダメージは、フリーラジカルの発生を頂点とする細胞内の分子プロセスの結果であり、酸化ストレスと細胞の機能不全を引き起こす。 このため、10年以上前に私たちは、有毒な薬物はメラトニンと一緒に摂取することで、関連するフリーラジカルによるダメージを軽減できるという考えを導入した。254、255 メラトニンは処方薬の効能を妨げることは発見されておらず、例えばドキソルビシンなど、毒性によって薬の使用が制限されている場合、メラトニンと併用すれば、より高い効能でより多くの量を使用できる可能性がある。255

コレステロールを低下させるスタチンは、世界で最も広く処方されている薬剤の一つであり、その副作用はよく知られている。 スタチン使用のよく知られた副作用には筋肉痛やミオパシーがあり、時にこれらは横紋筋融解症に進行し、256 機能不全や死に至ることもある深刻な結果である。 さらに、横紋筋融解症は急性腎不全、電解質異常、播種性血管内凝固、その他の悪影響を引き起こす可能性がある。257 スタチンの常用によるその他の潜在的な悪影響には、血清アミノトランスフェラーゼ値の上昇、258 認知障害がある、259 および新規発症糖尿病と呼ばれるもので、まれではあるが、高齢の患者は後者の合併症のリスクが高いかもしれない。260

スタチン使用による各副作用にはフリーラジカルの産生が関与している可能性が高く、メカニズム的には特に最も深刻な合併症である横紋筋融解症がそうである。 この退行性筋疾患の原因は複雑であるが、最終的に共通する経路は、筋細胞の筋小胞体とミトコンドリアにおける遊離イオン化Ca2+の大きな増加を伴う。261 遊離Ca2+の増加は、ミトコンドリアの損傷、ATP産生の減少、フリーラジカルの発生に至る下流事象を引き起こし、さらなる損傷と機能不全を引き起こす。262 腎臓のレベルでは、損傷したサルコメアから放出されたミオグロビンが、急性腎不全につながる腎臓ミトコンドリアの酸化的損傷および機能不全を誘発する263 。

本明細書で繰り返し述べているように、メラトニンはスタチンの副作用の主要因である酸化ストレスに対する強力な保護因子である。 さらに、メラトニンは細胞内の遊離Ca2+の動きを制御する。264–266 スタチンの有用性と安全性を潜在的に改善するために、これらの著者らは、メラトニンがこれらの非常に広く使用されているコレステロール低下薬の毒性を阻止する能力があるかどうかを決定するために、実験的研究と臨床試験の両方を実施するよう促した。

メラトニンとスタチン系薬剤を同じ報告書で検討した研究は数少ない。 アトルバスタチンはコレステロールを低下させるだけでなく、内皮細胞を保護する作用があり、関節硬化症の発症を遅らせる。 このスタチンは血管拡張をもたらす内皮性一酸化窒素合成酵素（eNOS）の発現を促進する。 メラトニンは内皮レベルでも有益な作用を持つため、Dayaubら267 は、細菌性LPSでインキュベートしたヒト臍帯静脈内皮細胞（HUVEC）に対するメラトニンとアトルバスタチンの相乗効果を試験した。 メラトニンとアトルバスタチンの併用は、単独よりも高いeNOS蛋白発現を誘導した。 メラトニンは、スタチンではなく、予想通りの抗酸化作用を示したが、薬剤を併用すると、LPSに対する保護作用はさらに改善した。 これらの所見は、LPSによって進行した炎症に関連する酸化ストレスを軽減しながら、アトルバスタチンに有益な効果をもたらすメラトニンの能力と一致している。

スタチン系薬剤には、ostatic作用、抗細動および除細動の可能性など、さらなる利点があると報告されている。 メラトニンは、実験的研究において、乳がんに対するピタバスタチン268 とプラバスタチン269 のがん抑制作用を誇張することがわかった。 270 これらの知見は、スタチンとの併用療法としてのメラトニンの精査を支持するものである。

メタンフェタミンは一般的な乱用薬物である。 この毒素は、口腔内の歯肉と歯根膜を破壊するだけでなく、271 中枢神経系にさらに深刻な影響を及ぼす。272、273 メタンフェタミンの毒性には酸化ストレスが関与しているというのが一般的な見解である。274 このため、ゴビトラポン率いるグループは、メラトニンがこの薬物の脳への影響を改善できるかどうかをテストすることになったようである。275 in vitroの研究で、彼らはメラトニンがメタンフェタミンに誘発されたオートファジー、276 炎症を軽減することを示した、277 および海馬前駆細胞死278 を抑制し、脳微小血管内皮細胞の血液脳関門の完全性を保つ。279 また、研究者らはin vivo研究を行い、メラトニンがメタンフェタミンで治療したマウスの神経細胞ネスチン、ダブルコルチン、β-IIIチューブリンの変化を防いだと報告している（図 11）。280この毒性薬物はまた、神経細胞の窒素活性化プロテインキナーゼを抑制し、N-メチル-D-アスパラギン酸受容体サブユニットNR2AとNR2Bの発現を変化させた。 マウスとリポソームメラトニン製剤を用いて、Nguyen et al.は281 、メラトニンがメタンフェタミンに関連した神経細胞損傷を減少させる主要な標的のひとつが、PKC-δ遺伝子の阻害によるものであることを発見した。 このことは、マウスをメタンフェタミンで治療したときに起こるミトコンドリア機能障害、アポトーシス、ドーパミン作動性変性からメラトニンを保護する能力を説明することができる。

図11 メラトニン(100 μmol/L)を添加しない/添加したメタンフェタミン(METH)(500 μmol/L)の(A)ネスチン、(B)ダブルコルチン(DCX)、(C)BIIIチューブリン、(D)グリア線維酸性タンパク質に対する培養中の神経細胞の表現型への影響。 * および**は、対照群と比較してそれぞれP<.05またはP<.01を示し、#はMETH群と比較してP<.05を示す。 Ekthuwapranee et al.278より許可を得て引用。

2.6 抗酸化物質としてのメラトニン：考えるための材料

米国をはじめとする多くの国では、飲酒や喫煙が許されている。 これらの習慣は、毎年何十万人もの人々の生活の質を低下させている。 すでに逼迫している医療費に大きく貢献し、その使用は多くの人間を早死にさせる。 しかし、その使用は支持されている。 これとは対照的に、メラトニンのような内因的に生成される分子は、少なくとも実験的にはアルコール摂取の毒性を軽減する（図）。 ；12）282、283、タバコの煙、284、285は容易ではなかった。

図12 (A）メラトニン（10-6 mol/L）がアルコール＋オレイン酸処理したHepG2肝細胞のみ（b）における脂質蓄積（オイルレッドO染色で評価）を減少させたことを示す組織学的証拠；（a）は未処理の対照細胞。 (B）メラトニンによる脂質蓄積の用量反応抑制。 C）肝細胞におけるトリグリセリドの用量反応抑制。 O、オレイン酸、A、アルコール。 未処理の対照細胞に対して##P<.01; **P<.01; 未処理の対照細胞に対して*P<.05およびP<.01アルコール処理細胞（BおよびCの両方で左から2番目のヒストグラム）。 Rui et al.より283 許可を得て掲載。

メラトニンに対してよく言われる批判のひとつに、慢性的な使用による潜在的な悪影響がわかっていないというものがある。 上述したように、メラトニンは、バクテリアから人間、植物まで、おそらく絶滅した生物も生きている生物も、あらゆる生物の代謝装置の構成要素である。286 メラトニンがこれらの種の寿命を通じて継続的に内因的に生成されているにもかかわらず、人類と他のすべての種は何とか生き延びてきた。したがって、少なくとも生理的濃度では、メラトニンは長期的に「試験」されてきた。 もちろん、薬理学的なレベルでは、まだ明らかになっていない悪影響があるかもしれない。 しかし、発表されているデータの大半は、メラトニンが高い安全性を持っていることを示すものであり、その有益な作用を検証した論文も多い。 メラトニンの長期使用による影響を明らかにする試験については、ヒトへの使用が承認されている毒性の高い薬剤が数多くあることに留意すべきである。 さらに、少なくともいくつかのケースでは、メラトニンは正常細胞254、287、288におけるこれらの薬理学的薬剤の毒性を軽減する一方で、従来の化学療法剤のがん殺傷作用（下記も参照）を増強する。254、289–291しかし、メラトニンはこれらの薬物や化学療法剤と併用することは認められていない。

膠芽腫は一般的で致命的な脳腫瘍であり、急速に周囲の組織に浸潤する。 抵抗性の膠芽腫細胞は、アポトーシスシグナル伝達カスケードを促進する死受容体リガンドであるTRAILにはあまり反応しない。292 しかしながら、A172およびU87ヒト膠芽腫細胞の治療のためにTRAILをメラトニンと併用したところ、アポトーシス細胞死はTRAIL単独によるものよりも大幅に誇張された（図）。 13).13 その結果に基づいて、著者らは、観察された効果は、死受容体5（DR5）レベルの上昇をもたらすAkt活性化を減少させるプロテインキナーゼcの調節に関連していると提唱した；同時に、併用治療は、抗アポトーシスタンパク質であるBcl-2とサバイビンの濃度を減少させた。 293 このような差のある反応のため、アポトーシスに対するメラトニンの効果は文脈特異的であると定義されている。

図13 メラトニンは2つのヒト神経膠腫細胞株、すなわちA172とU87をTRAIL媒介アポトーシスに感作する。 (A）メラトニン（1 mmol/L、24 時間）は、メラトニンの後にTRAIL（100 ng/mL）を添加して処理した両方のタイプの神経膠腫細胞のアポトーシスを大幅に増加させた。 アポトーシスはアネキシンV結合アッセイを用いて評価した。 *P<.05 vs 未処理の対照；#P<.05 vs TRAIL単独。 (B）汎カスパーゼ阻害剤であるZVAD-fmkは、両方のタイプの神経膠腫細胞において、メラトニン/TRAIL併用治療のアポトーシス効果を減少させた。 ZVADはメラトニンの4 時間前に添加した。 細胞生存率はMTTアッセイを用いて決定した。 *P<.05 vs 未処置対照；#P<.05 vs TRAIL単独。 (C）メラトニン／TRAIL併用処理後のカスパーゼ切断のウェスタンブロット。 Martin et al.292 より許可を得て引用。

膠芽腫細胞を用いたMartinら292 の発見は孤立した観察ではない。 294 このように、ユーイング癌細胞は、ビンクリスチンまたはイホスファミド治療とメラトニンを併用すると、非常に誇張されたアポトーシス反応を示す。 この場合も、主要な作用は外因性アポトーシス経路に関与しているようで、治療を併用するとカスパーゼ3、8、9とBidが顕著に増加する。 また、これらの細胞では、アポトーシス誘導を助けると思われるフリーラジカル産生がかなり増加した。 104 このこともまた、メラトニンの作用の文脈特異性を指摘している。

電離放射線に対して中程度の感受性を示す培養ヒト乳がん細胞は、生理的濃度のメラトニンで1週間処理すると、放射線治療に対する感受性が高まった。295、296これらの細胞の分子生物学的研究から、癌細胞の感受性上昇は、二本鎖DNA切断とエストロゲン生合成に関連するタンパク質の制御に関係する多くの細胞内プロセスに関与していることが示された。 ヒト肺腺がん細胞（SK-LV-1）でも同様の研究が行われ、メラトニンが化学療法であるシスプラチンに対する感受性を高めることが示された。297 この場合、細胞増殖の低下はS期の細胞周期停止によって媒介された。

生体内でも、メラトニンは化学療法に対するがん細胞の感受性を変化させる。 乳がんの中には、化学療法剤であるドキソルビシンに耐性を示すものがある。 Xiangら60 は、無胸腺ヌードラットで増殖しているMCF-7ヒト乳がん細胞は、1日の暗期（12：12LDサイクルの動物）が夜間の内因性メラトニンのピークを減少させる光強度で汚染されると、より速く増殖することを示した（Fig. 14). 逆に、メラトニンの夜間上昇を可能にする夜間の暗闇を経験したラットでは、腫瘍の発症までの潜時、腫瘍の退縮、腫瘍代謝の低下が観察された。 さらに、夜間に暗闇にさらされたラットで成長した腫瘍は、ドキソルビシンに対する感受性が大幅に上昇した。 著者らは関連論文で、夜間に光害にさらされたラットで増殖した腫瘍の代謝は、夜間に暗闇にさらされたラットの代謝とは著しく異なることを報告している。 結論は、夜間の光によるクロノディスラプションとメラトニン抑制が、ドキソルビシンに対する腫瘍の感受性低下を説明するというものである。

図14 ドキソルビシン（DOX）のMCF-7（ER α+）乳房腫瘍異種移植片の増殖および退縮に対する効果12:12の明暗サイクルに曝露した無胸腺系ヌード雌性ラットにおいて、夜間の薄明照射（dLEN）または薄明期間中にメラトニンを補充したdLENで暗黒期間を汚染した。 (A)dLEN照明スケジュールに曝露し、無処置（赤三角）またはDOX（青菱形）、またはdLENに曝露しメラトニンを補充（黒三角）、またはdLENに曝露しメラトニンとDOXを併用（逆三角形）したラットの推定腫瘍重量（腫瘍測定値に基づく）。 LD12:12＋dLEN（B）またはLD12:12＋dLENでメラトニンを補充したラット（C）の腫瘍の写真。 パネル（D）および（E）は、dLEN＋メラトニン（D）またはdLEN＋希釈液（D）で飼育した動物における、腫瘍移植後45 日後の動物の腫瘍を示す。 * は腫瘍の位置を示す。 Xiang et al.より60 許可を得て掲載。

メラトニンとがんとの関連に関する集合的なデータは、メラトニン自体ががん細胞において本質的な細胞毒性作用を持つ一方で、59、61ことを示している、 298–300また、ある種のがんを従来の治療法に対して感作し、正常細胞における化学療法の毒性を軽減する、つまりこれらの薬剤の副作用を軽減する。 この後者の作用により、化学療法を高用量で行うことが可能になり、がんを殺す活性が高まる可能性が高い。 全体として、この情報は臨床腫瘍医にとって興味深いものであろう。この情報が単に発表された文献の中に滞留しないことが著者らの望みである。 治療薬に対するがん細胞の感受性を変化させるメラトニンの能力に関する発表されたデータを考慮すると、薬剤に鈍感になった細菌がメラトニンにさらされれば、おそらく再び感受性を示すだろうと想像するのは興味深い。

すでに述べたように、医薬品を承認する際の主な考慮事項は、その費用対便益比である。 有害性の高い薬物であっても、その使用から得られる利益が、それが引き起こす生理的障害を上回ると判断されれば、その使用が承認される可能性がある。 メラトニンを評価するために同じ公式を使用すると、データは、最悪のシナリオの下では、最小と思われる潜在的な負の副作用をはるかに上回るその利点を圧倒的に支持している。

メラトニンは約20年前から一般に販売されており、公表されている販売数からすると、数万人が定期的に服用している可能性がある。 メラトニンの常用による深刻な副作用の報告はほとんどなく、もし副作用が強ければ、個人は “ハエのように落ちていく “だろう。 もしメラトニンと同じような効能を持つ特許取得済みの分子が産業界にあれば、おそらく何年も前に試験され、大規模な長期使用が承認されていただろう。 すでに医薬品として認可されている特許取得済みのメラトニン類似物質が数多くあるが、それらは自然界には存在しないため、常に薬理学的用量で投与されている。 長期的に毒性を示す可能性は、メラトニンよりも高いと考えるのが妥当だろう。 限られた臨床試験で有益性が示された、あるいは実験的証拠が説得力のあるものについては、（治療法がほとんどない）重篤な疾患に対するメラトニンの長期投与試験を行うべきである。 例としては、アルツハイマー病、301–303 パーキンソン病に対するメラトニンの予防能力などがある、304–306 多発性硬化症、307、308骨粗鬆症、309–311糖尿病、メタボリックシンドローム、312–315 敗血症、316–318 癌、319–321 熱帯病、322–325 ヘビおよび線虫毒、326–329 など。 場合によっては、メラトニンはこれらの症状に対する治療薬というよりも、むしろ予防作用の観点から、より強く考慮されるべきである。

最後に、2014年に西アフリカでエボラ出血熱が流行した際、2つのグループが独自に、罹患者の生存率を向上させるために、この疾患の進行を遅らせるためにメラトニンを使用することを提案した。330, 331 我々の出版物では、この恐ろしい状態に対してメラトニンを使用することを提案した科学的根拠を強調した。 エボラウイルス病は、重度の炎症、凝固障害、内皮破壊を特徴とし、332 LPSを介した敗血症による変化とは似て非なるもので、メラトニンによる治療が成功している。333、334メラトニンの抗炎症作用についても多数の報告がある。335–337メラトニンのもう一つの特徴は、内皮障害を軽減する能力である。338、339やや説得力に欠けるかもしれないが、凝固障害に対するメラトニンの有利な効果も報告されている。340 Anderson et al.331 は、Tan et al.330 Anderson et al.331 はまた、メラトニンがエボラウイルスの複製を阻害するヘムオキシゲナーゼをアップレギュレートすることにも言及している。

最近のウイルス禍はジカウイルスである。341 一般的にウイルス感染に対するメラトニンの拮抗作用に基づき、342–345 そして、 エボラ出血熱と同様、ジカ熱に対する治療法はほとんどないため、おそらくメラトニンもこのウイルス感染と闘うために考慮されるべきである。

3 エピローグと展望

メラトニンは非常に大きな生理学的足跡を残しており、そのメカニズムのいくつかが図に示されている15。 この分子の影響を受けない臓器や細胞はないだろう。 この報告書に要約されているように、メラトニンには、損傷を受けると細胞の最適な機能が損なわれ、しばしばアポトーシスやネクローシスによる細胞の崩壊をもたらす、重要な細胞要素の酸化的破壊によって引き起こされる細胞内の混乱を抑えるのに、非常に有効な作用が数多くある。 メラトニンは、その抗酸化物質としての能力において、古くから遍在するこの分子の本来の機能であったと提唱されている。 メラトニンは非常に複雑な抗酸化防御システムの要のようである。

図15 メラトニンの複数の分子作用の一部で、酸化ダメージを軽減する効果がある。 メラトニンは、受容体非依存性の作用により、ROS/RNSを直接消去し（左図）、ミトコンドリアの損傷とアポトーシスのカスケードを減少させる。 メラトニンはまた、細胞質キノン還元酵素（MT3）に作用してフリーラジカルを除去し、酸化的損傷を軽減する。 受容体を介した作用は右側にまとめられている。 メラトニンは膜受容体（MT1/MT2）を介して作用し、転写活性を増加させるイベントのカスケードを刺激する。これは抗酸化酵素のアップレギュレーションとプロ抗酸化酵素のダウンレギュレーションをもたらし、また有害サイトカインの合成を減少させる。 また、メラトニンはカルモジュリンと結合し、一酸化窒素の産生を調節する。 最後に、これらの作用のいくつかは核結合部位（RoR-αとRZR）にも関与している可能性がある。 図提供：ニコラ・ロバートソン博士

酸化ストレスに抵抗する安定性に加えて、メラトニンは非常に多くの本質的な分子メカニズムを持っている（図 15）。 しかしながら、メラトニンの作用の結果として通常測定されるものは、まだ同定されていない最も基本的な本質のエピフェノメナにすぎないかもしれない。 約60年前の発見以来、メラトニンは非常に多様な作用を示すため、346 調節因子の調節因子、347 生理学の精製因子、347 精神安定剤として指定されてきた、348 マルチタスク分子349 自然界で最も万能なシグナル、156 などである。 最近では、生物学的なヒッグス粒子とさえ分類されている。350 という言葉は、この独創的な物質を実際に最もよく特徴付けているかもしれない。 メラトニンの基本的な機能はまだ解明されていない、あるいは、あまり堅苦しくない言葉で言えば、”煙は見えても火は見えない “というのが著者たちの現在の見解である。

われわれの考えでは、メラトニンが生物医学研究の最前線にないのは残念なことである。 メラトニンは臨床レベルではそれなりの支持を得ているが、毒性が低く、多くの病態生理学的状態において高い有効性を示すことから、医学や獣医学の分野ではもっと一般的に試験・使用される分子となるはずである。 確かに、この総説の目的のひとつは、メラトニンがヒトや動物の病気の予防や治療薬として有用である可能性が高いという点で、メラトニンにもっと注目が集まることを強く促すことであった。