Tekst źródłowy: Melatonin for the treatment of sepsis: the scientific rationale – Ruben Manuel Luciano Colunga Biancatelli1,2, Max Berrill1,3, Yassen H. Mohammed4, Paul E. Marik1
Sepsa dotyka 49 milionów ludzi na całym świecie, co prowadzi do 11 milionów zgonów rocznie (WHO), a mimo dziesięcioleci badań, bardzo potrzebne są nowe inicjatywy. Według aktualnego piśmiennictwa, zaburzenia równowagi oksydacyjnej i dysfunkcja mitochondriów są częstymi zjawiskami występującymi u pacjentów z sepsą. Stany te mogą powodować niewydolność wielonarządową i śmierć.
Melatonina, obok tradycyjnie przypisywanej roli głównego hormonalnego regulatora rytmu okołodobowego, jest obiecującym lekiem uzupełniającym leczenie sepsy dzięki swoim właściwościom przeciwzapalnym, antyapoptotycznym i silnie antyoksydacyjnym.
Kilka zwierzęcych modeli sepsy wykazało, że melatonina może zapobiegać dysfunkcjom wielonarządowym i poprawić przeżycie poprzez przywrócenie funkcji mitochondrialnego łańcucha transportu elektronów (ETC), hamując syntezę tlenku azotu i zmniejszając produkcję cytokin.
Celem niniejszego artykułu jest przegląd aktualnych dowodów potwierdzających rolę melatoniny w przebiegu sepsy, przegląd jej profilu farmakokinetycznego oraz zwrócenie uwagi na praktycznie brak działań niepożądanych.
Podczas gdy dane kliniczne są ograniczone, proponuje się zastosowanie melatoniny jako leczenie wspomagające u pacjentów z ciężką sepsą i wstrząsem septycznym.
Melatonina wykazuje szerokie spektrum działania w różnych narządach organizmu, poprzez swoje właściwości przeciwzapalne, jako przeciwutleniacz i modulator układu odpornościowego. Dzięki wysokiemu profilowi bezpieczeństwa i brak działań niepożądanych, melatonina stała się obiecującym przedmiotem badań u krytycznie chorych pacjentów. Egzogenne podawanie melatoniny zostało ocenione pod kątem jej właściwości immunostymulujących, przeciwzapalnych i antyoksydacyjnych. Badano także jej wpływ na poprawę cyklu dobowego i architektury snu.
Skrót fizjologii melatoniny
Melatonina jest produkowana głównie w obrębie szyszynki, ale dodatkowe źródła melatoniny obejmują siatkówkę, płytki krwi, skórę, limfocyty, komórki szpiku kostnego, móżdżek i przewód pokarmowy (6,7).
W tkankach obwodowych, w tym w sercu i tętnicach, nadnerczach, nerkach, płucach, wątrobie oraz w limfocytach B i T stwierdzono obecność receptorów melatoniny (25)
Korzystny efekt stosowania melatoniny w sepsie
Wykazano na kilku modelach sepsy u zwierząt, że melatonina zwiększa ich przeżywalność i poprawia funkcjonowanie narządów (35-39). Mało jest jednak badań klinicznych potwierdzających tę tezę u ludzi dorosłych. W przeszłości badano działanie melatoniny na noworodkach i pacjentach pediatrycznych, które wykazały obiecujące wyniki przy podawaniu melatoniny w leczeniu sepsy (40-42).
Właściwości przeciwutleniające
Sepsa charakteryzuje się brakiem równowagi oksydacyjnej, z poziomem oksydantów i antyoksydantów zależnym od stopnia zaawansowania choroby (43-47). Wolne rodniki mogą prowadzić do uszkodzenia białka, lipidów, DNA (48) i wpływać na funkcjonowanie glikokaliksu (49).
Melatonina i jej metabolity mogą pochłaniać ROS/RNS, a ich działanie określane jest jako „kaskada pochłaniania wolnych rodników” (50). Melatonina ma przewagę nad innymi przeciwutleniaczami w zapobieganiu uszkodzeniom oksydacyjnym (51,52). Dzieje się tak ze względu jej wysokie stężenia w mitochondriach (53), a wraz z jej metabolitami (11,54,55) ma silne działanie antyoksydacyjne, co chroniąc mitochondria przed uszkodzeniami oksydacyjnymi. Melatonina bierze również udział w wewnątrz mitochondrialnej drodze SIRT3; SIRT3 jest deacetylazą histonową klasy 3, która chroni mitochondria przed stresem oksydacyjnym (56-58). Ponadto melatonina stymuluje syntezę innych enzymów antyoksydacyjnych, w tym peroksydazy glutationowej, reduktazy glutationowej, syntezy y-glutamylo-cysteiny, dehydrogenazy fosforanowej glukozy-6 i katalazy (12,13). Doświadczalne modele sepsy wykazały, że melatonina przywraca poziom glutationu (59). Melatonina obniża poziom aldehydu malonowego i ekspresji mieloperoksydazy w wątrobie, mózgu, płucach i nerkach oraz wykazała, że zmniejsza martwicę wątroby u zwierząt z objawami sepsy (38). Korzystne właściwości przeciwutleniające melatoniny opisano w procedurze podwiązania kątnicy i nakłuwania (CLP) stosowanego w celu wywołania wstrząsu septycznego oraz w niewydolności wątroby wywołanej podaniem lipopolisacharydu (LPS) (35,39,59).
Właściwości przeciwzapalne
Początkowa faza sepsy charakteryzuje się przesadną odpowiedzią prozapalną, prowadzącą do dysfunkcji narządów, a ostatecznie do śmierci. Melatonina ma znaczące właściwości przeciwzapalne i antyapoptotyczne (13,39,60-63), a w kilku modelach gryzoni wykazano obniżenie poziomu cytokin prozapalnych (35,38,64). W modelu szczurów z ostrym uszkodzeniem płuc wywołanym LPS, melatonina osłabiła zapalenie płuc; wiązało się to z obniżeniem ekspresji czynnika jądrowego kappa-ß p65 (NF-κB p65) i czynnika martwicy nowotworów-? (TNF-α), przy jednoczesnym zwiększeniu ekspresji interleukiny 10 (IL-10) o działaniu przeciwzapalnym (65). W zależności od dawki melatoniny, powodowała ona spadek poziomu TNF-α i interleukiny-6 (IL-6) w surowicy w trakcie sepsy wywołanej LPS (66). Osłabienie odpowiedzi cytokinowej wykazano również w mysim modelu sepsy leczonej melatoniną wewnątrzotrzewnową, gdzie melatonina istotnie zwiększała przeżywalność (39). W kilku modelach in vitro wykazano, że melatonina wyłączyła ekspresję NF-κB (67,68).
W modelu sepsy ludzkiej komórki śródbłonka żyły pępowinowej (HUVEC-C), melatonina – w zależności od dawki – hamowała ekspresję NF-κB oraz modulowała ekspresję IL-6 i IL-8 (69). Te przeciwzapalne efekty mogą być mediowane przez modulację kaskady zapalnej receptora TLR (70), redukcję stresu oksydacyjnego, hamowanie NF-κB lub zapobieganie apoptozie (71-74).
Zapobieganie dysfunkcji mitochondriów
Mitochondria odgrywają kluczową rolę w dysregulacji procesu redoks związanego z sepsą. Sepsę można określić jako odwracalną niewydolność bioenergetyczną spowodowaną dysfunkcją mitochondriów, która prowadzi do upośledzenia wykorzystania tlenu i hiperlaktatemii oraz kwasicy metabolicznej lub mleczanowej(75,76).
Ocena pośmiertna pacjentów z sepsą ujawniła uszkodzenie mitochondriów; w kardiomiocytach następuje ich utrata, zapaść i powstawanie wakuoli, a komórki nerkowe wykazują hialinozę i wakuolizację cewek (77). Dysfunkcja mitochondriów może być spowodowana wolniejszą dekarboksylacją pirogronianów wywołaną niedoborem tiaminy (78-81), a także fosforylacją i inaktywacją dehydrogenazy pirogronianowej, upośledzeniem łańcucha transportu elektronów (ETC), zaburzeniami mikrokrążenia nazywanymi „microcirculatory shunting” (82,83) oraz uszkodzeniami mitochondriów za pośrednictwem tlenku azotu (84) i ROS (85).
Nerki, serce i mózg są organami o największej gęstości mitochondriów i są najbardziej podatne na dysfunkcję mitochondriów wywołaną sepsą (86). W mysim modelu sepsy indukowanej LPS, melatonina zapobiega dysfunkcji mitochondriów poprzez zwiększenie stosunku ATP:O, zwiększenie aktywności kompleksu IV i przywrócenie wskaźnika kontroli oddechowej (RCI) – wskaźnika szybkości zużycia mitochondrialnego tlenu (37). Melatonina okazała się ponadto normalizować produkcję mitochondrialnego ATP u myszy septycznych (87), odwracając hamujące działanie LPS na kompleksy I i IV oraz przywracając potencjał błony mitochondrialnej (51,69,88).
Badanie zdolność melatoniny do odwracania uszkodzeń mitochondriów była dalej badana przez Zhang et al. w modelu sepsy mysiej (66). Autorzy ci wykazali, że melatonina przywraca potencjał błony mitochondrialnej, obniża poziom stresu siateczki endoplazmatycznej (ER) i hamuje proapoptotyczną aktywację kaspazy 12. W ich badaniach inhibicja ekspresji białka 31 związanego z receptorem B-komórkowym (BAP31), regulatora apoptozy komórek za pośrednictwem ER, została przywrócona przez melatoninę, prawdopodobnie poprzez szlak MAPK/ERK (66).
Wreszcie melatonina chroni mitochondria poprzez blokowanie nadmiernej ekspresji indukowanej syntazy tlenku azotu (iNOS), a następnie produkcji tlenku azotu (NO) (89).
Zapobieganie urazom wątroby
Ostra dysfunkcja wątroby jest poważnym powikłaniem sepsy prowadzącym do koagulopatii, zaburzonej homeostazy metabolicznej, pogorszenia stanu psychicznego i śmierci. Korzystne działanie melatoniny jest dobrze znane w przewlekłych chorobach wątroby (90-96). Melatonina ma właściwości hepatoprotekcyjne poprzez swoje szeroko rozpowszechnione receptory w wątrobie i zjawisko to zaobserwowano również u myszy pozbawionych receptorów melatoniny (97). Melatonina chroni wątrobę poprzez zmniejszenie produkcji NO w modelu endotoksemii (98). Jej właściwości przeciwutleniające zmniejszają peroksydację lipidów (38,59), poziom aldehydu malonowego (MDA) i zwiększają dysmutazę nadtlenkową (SOD) w wątrobie szczurów traktowanych LPS (99). Melatonina może przywrócić indukowaną przez LPS wątrobową redukcję receptora Pregnane X – regulatora transkrypcji genu – i CYP3A (100), który podobnie jak CYP450 jest zredukowany przez LPS (101,102). Mysi model niewydolności wątroby związanej z sepsą wykazał upośledzonie metabolizmu glukozy, zwiększony poziom transaminaz, IL-1ß, TNF-α i IL-6 oraz zahamowanie wyciszania regulatora informacji 1 (SIRT1) – kluczowego enzymu uczestniczącego w procesach zapalnych i metabolicznych, umożliwiającego przetrwanie komórkom (103 104) – oraz przetwornika sygnału i aktywatora transkrypcji 3 (STAT3) (105). Szczury przechodzące sepsę, leczone melatoniną wykazywały poprawę insulinooporności i glukoneogenezy wątroby, spadek poziomu enzymów wątrobowych, modulację cytokin zapalnych, wzrost SIRT1 i STAT3 oraz zmniejszenie śmiertelności; efekty te były antagonizowane przez EX527 czyli inhibitor swoisty SIRT1 (105). Ponad to, melatonina może zapobiegać apoptozie hepatocytów chroniąc myszy przed niewydolnością wątroby (106).
Zapobieganie kardiomiopatii septycznej
Dysfunkcja mięśnia sercowego w sepsie jest ściśle powiązana z gorszymi wynikami leczenia (107). Kardiomiopatia septyczna została określona jako „junctionopatia” (77), charakteryzująca się uszkodzeniem mitochondrium, stresem ER, upośledzeniem sprzężenia aktynowo-mozynowego, którego efektem jest zmniejszenie frakcji wyrzutowych, rzutu serca i niestabilnością hemodynamiczną (108). Kardiomiocyty wytwarzają receptory melatoninowe i badano wpływ tego procesu w kilku modelach sepsy mysiej związanej z LPS. W przypadku leczenia melatoniną miocyty wykazują zwiększony potencjał błony mitochondrialnej, obniżony poziom stresu ER oraz apoptozę za pośrednictwem kaspazy-12 (66). Melatonina była w stanie przywrócić ekspresję BAP31, co może zapobiec uszkodzeniu mitochondrialnego DNA (109) i apoptozie na drodze MAPK/ERK.
Zahamowanie ERK usunęło wpływ melatoniny na regulację BAP31, co dodatkowo wskazuje na jej związek z zachowaniem funkcji mitochondriów (66). Synteza mitochondrialnego NO, która prowadzi do dysfunkcji mitochondriów, jest neutralizowana przez podanie melatoniny (87,88,110-112). Kardiomiopatia septyczna indukowana przez LPS u myszy charakteryzuje się zmniejszeniem ekspresji SIRT1, zwiększeniem CK-MB i apoptozą poprzez aktywację kaspazy-3, co prowadzi do zmniejszenia frakcji wyrzutowych (113). Leczenie melatoniną poprawiło czynność serca, obniżyło stężenie CK-MB i przywróciło ekspresję SIRT1, co jest widoczne w modelach septycznego uszkodzenia wątroby (105). Myszy leczone melatoniną wykazywały zwiększoną autofagię, mechanizm chroniący kardiomiocyty podczas obciążenia (114 115) i poprawiający kurczliwość (116). W badaniach nad kardiomiopatią septyczną indukowaną przez LPS podkreślono, że kinaza 3 białka działająca na receptory (Ripk3) jest potencjalnym mediatorem aberracyjnej kaskady zapalnej odpowiedzialnej za dysfunkcję mięśnia sercowego wywołaną sepsą (117). Melatonina hamowała aktywność Ripk3, optymalizując bioenergetykę mitochondriów, modulując stres oksydacyjny ER oraz normalizując kardioochronne kaskady sygnalizacyjne (m.in. AKT, AMPK i ERK). Ripk3, po nadmiernej ekspresji, łagodzi kardioprotekcyjne działanie melatoniny (117). W hodowlach in vitro kardiomiocytów narażonych na uszkodzenie spowodowane niedotlenieniem/reoksygeneracją wykazano zahamowanie aktywności kinazy 2 p21 (Pak2), znanego jako głównego mediatora stresu ER i aktywności ERK (118). Melatonina umożliwiła cofnięcie skutków uszkodzenia wywołanego niedotlenieniem/reoksygeneracją i poprzez oś AMPK-Pak2 zahamowała kaspazę 12 oraz zapobiegła śmierci komórek (118).
Hamowanie produkcji tlenku azotu
Sepsa powoduje zwiększoną ekspresję indukowanych izoform cytozolowych i mitochondrialnych syntazy tlenku azotu (mtNOS i iNOS), które zwiększają poziom NO i kolejnych uszkodzeń mitochondriów (88 119 120). W eksperymentalnych modelach sepsy melatonina hamuje izoformy iNOS i mtNOS (51,88,98). Inhibicja iNOS obniża poziom NO, zapobiegając niewydolności narządów i śmierci (98). Ponadto melatonina może zwiększać aktywność kompleksów I i IV zapobiegając powstawaniu ROS i RNS oraz wzmacniając ETC (88,121). Dodatkowo melatonina obniża aktywność NOS poprzez zastosowanie kalmoduliny (18,19,122), która utrudnia aktywację kilku enzymów zależnych od wapnia, takich jak mtNOS i iNOS (88). N-acetylo-5-metoksy Kynurenamina (AMK), metabolit melatoniny, wykazała zwiększoną zdolność wiązania kalmoduliny oraz zmniejszania ekspresji nNOS (123).
Zapobieganie dysfunkcjom mózgu związanym z sepsą
Zaburzenia świadomości są jedną z głównych cech sepsy (124). Encefalopatia związana z sepsą występuje u około 50% chorych w stanie krytycznym (125 126). Wysoki wskaźnik zużycia tlenu w mózgu i względny niedobór antyoksydantów sprawia, że jest on bardzo podatny na stres oksydacyjny (127). ROS uszkadzają barierę krew-mózg, zaburzają oddychanie mitochondrialne i modyfikują układ tubulinowy (128). Zwiększona produkcja ROS sprzyja uwalnianiu glutaminianu, neuroprzekaźnika stymulującego, który zmienia ekspresję genów, przyspiesza kaskadę apoptotyczną i upośledza żywotność neuronów (129).
Mimo tego, że jest to częste powikłanie, nie ma obecnie testów diagnostycznych ani biomarkerów, które pomogłyby w rozpoznaniu i ocenie tego stanu (130). Pomimo braku biomarkerów encefalopatii septycznej w kilku badaniach oceniano rolę melatoniny w jej ograniczaniu (36 130). W mysim modelu sepsy wywołanym CLP, podawanie melatoniny ograniczało dysfunkcję bariery krew – mózg i obrzęk mózgu drogą SIRT-1 (130). Ponadto wykazano, że podawanie melatoniny normalizuje dysfunkcję neurobehawioralną poprzez ekspresję czynnika neurotroficznego pochodzącego z komórek glejowych mózgu w obrębie hipokampu (36).
Właściwości wzmacniające odporność
Wu i współpracownicy wykazali, że melatonina moduluje odpowiedź immunologiczną po procedurze CLP u szczurów, redukując IL-1ß, zmniejszając stopień naciekania polimorficzno-jądrowego, tłumiąc stres oksydacyjny i obniżając poziom NO (35). Melatonina zmniejsza produkcję IL-6 w modelu sepsy indukowanym LPS (37), hamując produkcję cytokin zależnych od stanu zapalnego, zapobiegając dysfunkcji mitochondriów i hamując aktywację NF-?B (69).
Regulacja rytmu dobowego
Zaburzenia snu i delirium mogą być przyczyną powikłań nawet u 60% pacjentów na oddziale intensywnej terapii (131). Dowody wskazują, że uwalnianie melatoniny przez pacjentów z zaburzeniami septycznymi jest głęboko upośledzone (5), jeśli nie zostanie całkowicie zniesione wraz z utratą normalnego rytmu dobowego (132,133). Dokładne mechanizmy stojące za tymi zjawiskami pozostają słabo poznane, wiadomo jednak że zmniejsza się ekspresja genów odpowiedzialnych za cykl dobowy we wczesnych stadiach sepsy (134). Może to wpływać na dzienną zmienność aktywności komórek odpornościowych, częściowo regulowanych przez rytm okołodobowy (135,136). Komórki te wykazują zależną od czasu ekspresję genów, co skutkuje zmianą poziomu transkrypcji w koncepcji określanej jako „circadian-gating” (137,138).
Poziomy melatoniny u krytycznie chorych
Nocne piki i dzienne stężenia w surowicy były znacznie obniżone u krytycznie chorych w porównaniu do normalnego zróżnicowania dziennego zdrowych osób (5,132,139-141).
Farmakokinetyka melatoniny
Melatonina doustna jest szybko wchłaniana z jelita cienkiego przez kinetykę pierwszego rzędu, przy czym tmax jest osiągany po około 30-45 minutach (142). Dostępność biologiczna melatoniny doustnej jest na ogół niska i wynosi od 3% do 33%. Niska biodostępność jest spowodowana przez znaczny metabolizm pierwszego przejścia w wątrobie. Eliminacja t1/2 trwa około 54 minut. Cmax i obszar pod krzywą (AUC) są bardzo zmienne, co można przypisać różnicom w absorpcji, dystrybucji, metabolizmie i/lub wydalaniu leku. Pacjenci z marskością wątroby wykazują zmniejszone tempo eliminacji i zwiększone stężenie melatoniny w osoczu. Zdrowym ochotnikom podawano dawki melatoniny doustnie (20, 30, 50 lub 100 mg) bez wykazanych działań niepożądanych (143).Czas półtrwania dla wszystkich dawek wynosił 52 minuty. Chociaż istnieją ograniczone dane farmakokinetyczne u pacjentów w stanie krytycznym (144 145), zgłoszono, że dawka doustna 3 mg osiągnęła szczytowy poziom średnio po 16 minutach, a eliminacja t1/2 trwała 94 minuty. W tym badaniu maksymalne obserwowane stężenie w surowicy wynosiło 11 040 pg/ml. Stężenia farmakologiczne utrzymywały się do 10 h po podaniu i nie zgłaszano u tych pacjentów nadmiernej senności w ciągu dnia.
Bezpieczeństwo podawania doustnego melatoniny
W przeglądzie 195 badań (146) oceniających efekty suplementacji melatoniną zgłoszono 11 działań niepożądanych wśród badanych pacjentów. Obejmowały one subiektywne nasilenie objawów (astma, bóle głowy, napady drgawek), przejściowe zawroty głowy i bóle głowy, senność poranną oraz bóle brzucha i pleców. W metaanalizie 50 badań oceniających skuteczność doustnej suplementacji melatoniną (od 1 do 20 mg) (147) prawie połowa z nich zgłaszała działania niepożądane, często przemijające, związane z podaniem w ciągu dnia, takie jak senność i zmęczenie. Jeden g/dzień doustnego podawania melatoniny w ciągu 30 dni (148) wskazywało „senność” jako potencjalne działanie niepożądane, bez istotnego statystycznie wpływu na różne parametry kliniczne (ciśnienie krwi, częstość akcji serca, EKG, skład chemiczny surowicy, analiza moczu). Trzy oddzielne badania badające stosowanie melatoniny podawanej dożylnie (1,25 mg/kg u pacjentów zdrowych, z padaczką i u Parkinsona (149), 10 mg/kg u wcześniaków i noworodków z posocznicą (150) oraz 100 mg u osób zdrowych (151) nie wykazały działań niepożądanych. W podwójnie ślepej próbie, kontrolowanej placebo, oceniającej przydatność 5-20 mg melatoniny podjęzykowej u pacjentów poddawanych ginekologicznym zabiegom chirurgicznym, również nie zgłoszono ani objawu zależnego od dawki, ani objawu niezależnego od dawki (152). Podaje się, że śmiertelna dawka 50 (LD 50) melatoniny jest nieskończona, co oznacza, że nie można podać wystarczająco dużej dawki melatoniny, by zabić zwierzę.
Podsumowując, melatonina jest niezwykle bezpieczna, ponieważ pozbawiona jest klinicznie istotnych działań niepożądanych.
Wnioski
Melatonina jest obiecującą terapią wspomagającą w przypadku sepsy, z kilkoma badaniami in vivo wykazującymi zapobieganie dysfunkcjom narządów i poprawę wyników (35-39). Jej korzystne działanie potencjalnie wynika z neutralizowania wolnych rodników, działania przeciwzapalnego, prawdopodobnej roli w przywracaniu funkcji mitochondriów oraz ochrony przed delirium i dysfunkcją mózgu. Kilka badań klinicznych badających zastosowanie melatoniny w populacji pediatrycznej wykazało obiecujące wyniki (40-42,150). Profil bezpieczeństwa i minimalne działania niepożądane melatoniny doustnej powinny zachęcać klinicystów do rozważenia zastosowania melatoniny jako terapii wspomagającej u pacjentów z ciężką sepsą i wstrząsem septycznym. Optymalna dawka melatoniny w leczeniu pacjentów z sepsą nie jest znana.
Obecnie prowadzonym badaniem klinicznym terapii antyoksydacyjnej, u chorych ze wstrząsem septycznym, jest ocena podaży 50 mg melatoniny w dawce nocnej (NCT03557229). Ostatnio do zmodyfikowanego protokołu hydrokortyzonu, kwasu askorbinowego i tiaminy (mHAT) autorzy artykułu dodali melatoninę w dawce 6 mg (godz. 21.00). Oczywiście konieczne są dalsze badania kliniczne w celu oceny tej bezpiecznej i niezwykle taniej interwencji w leczeniu sepsy.
