Введение

В марте 2020 г. Всемирной организацией здравоохранения была объявлена пандемия COVID-19 в связи с распространением коронавируса SARS-CoV-2, вызывающего тяжелый острый респираторный синдром [1]. COVID-19 характеризуется высоким уровнем смертности и затрагивает все население мира [2]. Вирус поражает дыхательную систему, вызывает воспалительный шторм [1] и неконтролируемый окислительный стресс [2]. Мелатонин представляет собой многофункциональный гормон, синтезируемый и секретируемый главным образом шишковидной железой. Мелатонин является мощным антиоксидантом с иммуномодулирующим и противовоспалительным действием [1]. Мелатонин доступен, является недорогим фармакологическим препаратом, имеет высокий профиль безопасности [3]. Воспаление, а также повышенный уровень окислительного стресса снижают доступность триптофана для серотонинергических и мелатонинергических путей [4]. Уровень мелатонина значительно снижается с возрастом, что тесно связано с окислительным повреждением и митохондриальной дисфункцией и ассоциируется с рядом возрастных заболеваний [5]. Дефицит мелатонина может предрасполагать пациентов с расстройством аутистического спектра к развитию COVID-19 [6]. В связи с этим возникает особый интерес к исследованию эффектов мелатонина и механизмов его действия при COVID-19 и возможности его применения в лечении и профилактике данного заболевания.

Цель исследования — проведение обзора данных литературы для определения эффекта и перспектив использования мелатонина как вспомогательного препарата при COVID-19.

Материал и методы

Использованы базы данных PubMed, eLIBRARY.ru, MEDLINE, EMBASE. Период поиска — с 20 января по 27 апреля 2021 г. Поисковые запросы осуществлялись по ключевым словам «мелатонин», «COVID-19», «коронавирус», «SARS-CoV-2», «воспаление», «цитокиновый шторм». Был проведен анализ 70 источников литературы, для подготовки статьи отобрано 32 работы. В обзор включены статьи, объясняющие взаимосвязь эффектов мелатонина и сопряженных механизмов гуморальной регуляции при развитии COVID-19.

Результаты

Патогенез респираторной инфекции COVID-19

SARS-CoV-2 проникает в клетки хозяина посредством связывания своего белка-шипа с рецептором ангиотензинпревращающего фермента 2 (ACE2) на поверхности многих типов клеток. Это взаимодействие активируется мембраносвязанной сериновой протеазой 2 (TMPRSS2) и фурином. ACE2 и TMPRSS2 экспрессируются в альвеолярных эпителиальных клетках II типа, слизистой оболочке носа, бронхиальных секреторных клетках, а также энтероцитах [7, 8]. Наиболее характерные признаки COVID-19 включают лихорадку, повреждение легких с развитием кашля и одышки [8, 10]. Информационное агентство России ТАСС по подсчетам на основе данных Росстата сообщает о 5,1%-й летальности пациентов от коронавирусной инфекции в июне 2021 г. Терминальная стадия заболевания ассоциируется с высоким уровнем лактата, интерлейкина-6 и с лимфопенией [11]. У больных COVID-19 отмечены неврологические осложнения, включающие аносмию, инсульт, энцефалопатию, делирий, менингит и судороги, а также психические нарушения [12], в том числе спутанность сознания, забывчивость, неспособность сосредоточиться, усталость [12]. При тяжелом течении COVID-19 повышается риск развития бактериальных и грибковых инфекций: Streptococcus, Klebsiella pneumoniae, Haemophilus influenzae, Mycoplasma pneumoniae, Aspergillus, Candida и Cryptococcus [13]. Кроме того, тяжелая форма COVID-19 связана с высоким уровнем внеклеточных гистонов (активаторов Toll-подобных рецепторов TLR2, TLR4 и инфламмасомы NLRP3), эластазы нейтрофилов (активатора TLR4) и циркулирующей свободной ДНК (активатора TLR9) [13].

При COVID-19 возникает альвеолярный и интерстициальный отек легких вследствие повышения проницаемости эндотелиальных и альвеолярных эпителиальных барьеров легочных капилляров, что приводит к гипоксемии и регионарной альвеолярной гипоксии [14]. Гипоксия играет центральную роль в развитии воспаления и активации эндотелия: клетки адаптируются к гипоксии, активируя индуцируемые гипоксией факторы HIF-1 и HIF-2, которые, в свою очередь, индуцируют экспрессию ряда генов, способствующих энергетическому обмену и клеточному метаболизму [15]. Экспрессия HIF-1α в альвеолярных эпителиальных клетках усиливает воспаление легких посредством ядерного фактора каппа B (NF-κB) [15]. Таким образом, выраженная гипоксемия приводит к серьезным и часто необратимым функциональным нарушениям жизненно важных органов, в связи с чем основной задачей лечения больных с острой дыхательной недостаточностью на фоне COVID-19 является обеспечение достаточной оксигенации организма [16].

Развитие цитокинового шторма

Апикальная сторона эпителия дыхательных путей населена специализированным подмножеством альвеолярных макрофагов. Макрофаги работают в тесном взаимодействии со слоем эпителиальных клеток для поддержания нормального функционирования легких за счет фагоцитоза апоптотических клеток и клеточного мусора, а также для поддержания гомеостаза сурфактанта [17]. Таким образом, альвеолярные макрофаги являются первым типом иммунных клеток, с которыми сталкиваются респираторные вирусы [17].

Активная репликация SARS-CoV-2 вызывает пироптоз клетки-хозяина и высвобождение вирусных нуклеиновых кислот и провоспалительных цитокинов [18]. Они распознаются рецепторами пневмоцитов и резидентных альвеолярных макрофагов, которые запускают выработку провоспалительных цитокинов и хемокинов, включая интерлейкины (IL)-1β, IL-6, IL-8, гранулоцитарно-макрофагальный колониестимулирующий фактор (GM-CSF), фактор некроза опухли α (TNFα), интерферон-γ, индуцируемый интерфероном белок 10 (IP-10/CXCL10), моноцитарный хемотаксический фактор 1 (MCP-1/CCL2), макрофагальный воспалительный белок 1α (MIP-1α/CCL3) и макрофагальный воспалительный белок 1β (MIP-1β/CCL4) [18]. При этом моноциты, CD4⁺-Т-клетки, CD8⁺-Т-клетки, нейтрофилы и NK-клетки рекрутируются в паренхиму легких и интерстиций [18]. Системный иммунный ответ включает в себя не только активацию пути NF-κB, ответственного за выработку предшественников некоторых из этих цитокинов, включая про-IL-1β, но и активацию инфламмасомы NLRP3, которая, в свою очередь, участвует в синтезе IL-1β и IL-18 через активацию каспазы-1, 7, 8 [12]. Считают, что у пациентов с COVID-19 тяжесть заболевания коррелирует с повышением уровня IL-6 в сыворотке крови. Интересно, что IL-6 может активировать серин-треониновую протеинкиназу mTOR зависимым или независимым от сигнального белка и активатора транскрипции STAT3 образом [19].

Макрофаги, инфицированные вирусом SARS-CoV-2, переводят свой метаболизм с окислительного фосфорилирования митохондрий на цитозольный гликолиз для синтеза АТФ (эффект Варбурга) [12]. Таким образом, макрофаги становятся высокогликолитическими, что облегчает репликацию SARS-CoV-2. Вирус запускает выработку активных форм кислорода (АФК), которые индуцируют стабилизацию HIF-1α и, следовательно, способствуют гликолизу. HIF-1α-опосредованные изменения метаболизма моноцитов при инфекции SARS-CoV-2 ингибируют Т-клеточный ответ и снижают выживаемость эпителиальных клеток [8].

Переход к аэробному гликолизу позволяет иммунным клеткам стать высокофагоцитарными, повысить выработку АТФ, усилить и обеспечить процесс анаболизма для ускорения клеточной пролиферации и увеличения синтеза цитокинов [10].

Эффекты мелатонина при COVID-19

Полагают, что мелатонин вырабатывается и в митохондриях [10]. В здоровом макрофаге пируват попадает в митохондрии (см. рисунок), где преобразуется в ацетил-кофермент А (ацетил-КоА) под действием пируватдегидрогеназного комплекса (ПДК). Ацетил-КоА расходуется на функционирование цикла трикарбоновых кислот (ЦТК) и, соответственно, окислительное фосфорилирование (ОФ). Ацетил-КоА является вторым субстратом для фермента арилалкиламин-N-ацетилтрансферазы (AANAT), ограничивающего скорость синтеза мелатонина из серотонина. Это позволяет мелатонину регулярно вырабатываться в здоровых макрофагах. Мелатонин функционирует внутриклеточно и высвобождается в межклеточное пространство, а не в кровь. При развитии COVID-19 в митохондриях макрофагов активируется киназа пируватдегидрогеназы (киназа ПД) через молекулы HIF-1α, mTOR (см. рисунок). Киназа ПД инактивирует ПДК путем фосфорилирования, прекращается синтез ацетил-КоА и АТФ в митохондриях (см. рисунок, крестик). Митохондриальная выработка мелатонина также прекращается, клетка лишается необходимого антиоксиданта, иммуномодулятора и противовоспалительного агента. Это способствует развитию цитокинового шторма [10, 20].

Рис. Метаболизм глюкозы в здоровом макрофаге и в активированном COVID-19 макрофаге (схема [10] с авторской модификацией по [9, 21]).

AANAT — арилалкиламин-N-ацетилтрансфераза; АСМТ — ацетилсеротонин-O-метилтрансфераза; АФК — активные формы кислорода; КоА — кофактор А; киназа ПД — киназа пируватдегидрогеназы; МТХ — митохондрии; N-АС — N-ацетилсеротонин; ОФ — окислительное фосфорилирование; ПВЦ — провоспалительные цитокины; ПДК — пируватдегидрогеназный комплекс; ПФП — пентозофосфатный путь; ЦТК — цикл трикарбоновых кислот; HIF-1α — индуцируемый гипоксией фактор 1α; mTOR — протеинкиназа серин-треониновой специфичности.

Fig. Glucose metabolism in unaffected macrophage and in COVID-19 activated macrophage (scheme [10] with author’s modification according to [9, 21]).

AANAT — arylalkylamine N-acetyltransferase; ACMT — acetylserotonin-O-methyltransferase; АФК — reactive oxygen species; KoA — cofactor A; киназа ПД — pyruvate dehydrogenase kinase; MTX — mitochondria; N-AC — N-acetylserotonin; ОФ — oxidative phosphorylation; ПВЦ — proinflammatory cytokines; ПДК — pyruvate dehydrogenase complex; ПФП — pentose phosphate pathway; ЦТК — tricarboxylic acid cycle; HIF-1α — hypoxia-inducible factor-1α; mTOR — serine/threonine protein kinase.

Учитывая вышеизложенное, использование дополнительного мелатонина в качестве лечения COVID-19 оправданно. Экзогенный мелатонин восстанавливает аэробный гликолиз, подавляя как HIF-1α, так и mTOR, тем самым возобновляя активность ПДК и позволяя синтезировать ацетил-КоА, который также обеспечивает локальную выработку мелатонина [10]. Функционально восстановленный мелатонин, генерируемый митохондриями, в сочетании с экзогенным мелатонином способствует уменьшению цитокинового шторма, а также его разрушительных последствий, тем самым облегчая течение COVID-19 [10].

Мелатонин превращает провоспалительные гликолитические макрофаги М1 в противовоспалительные макрофаги М2, которые используют митохондриальное окислительное фосфорилирование [12]. Это связано с подавляющим эффектом мелатонина на регуляцию HIF-1α [12].

Мелатонин является ингибитором инфламмасомы NLRP3 [2, 13, 21], а также TLR2, TLR4, TLR9 [13]. H. Wu и соавт. [22] предложили схему обратной связи TLR2 и мелатонина: TLR2 индуцирует активацию инфламмасомы NLRP3 и ингибирует экспрессию ацетилсеротонин-О-метилтрансферазы (АСМТ), блокируя превращение 5-гидрокситриптамина в мелатонин, что приводит к снижению уровня мелатонина и, соответственно, к потере его ингибирующего действия на TLR2.

Другой возможный благоприятный эффект мелатонина при вирусной инфекции связан с его эффективным связыванием и ингибированием кальмодулина [22]. Кальмодулин регулирует поверхностную экспрессию и удержание ACE2 в плазматической мембране, а ингибиторы кальцийсвязывающего белка усиливают высвобождение эктодомена ACE2, уменьшая ассоциацию между кальмодулином и ACE2 [23]. Таким образом, мелатонин может быть классифицирован как непрямой ингибитор сцепления ACE2—SARS-CoV-2 [23].

Мелатонин рекомендуют использовать в профилактике и лечении нарушений сна и делирия при COVID-19 [24], а также при минимальных когнитивных нарушениях [12]. Полагают, что совместное применение витамина D и мелатонина может быть использовано в борьбе с инфекцией SARS-CoV-2 [2]. Число положительных результатов лабораторного теста на SARS-CoV-2, подтвержденного методом полимеразной цепной реакции (ПЦР), было на 28% меньше у пациентов, принимавших мелатонин [7].

Применение и дозы мелатонина при COVID-19

Терапевтическая ценность мелатонина изучена в ряде исследований, в которых мелатонин использовался в дозе 2—5 мг/сут [12]. Наша исследовательская группа имеет большой опыт изучения эффектов мелатонина в контексте патофизиологии дыхательной системы и коморбидных состояний [21, 25—27]. В результате наших исследований установлено, что диссомнические нарушения, низкая антиоксидантная защита, низкий уровень сурфактантного белка D (SP-D), высокая активность провоспалительной системы и низкая активность противовоспалительной системы у пациентов с хронической обструктивной болезнью легких (ХОБЛ) обусловлены в том числе низким уровнем мелатонина [25]. Необходимо отметить, что у больных ХОБЛ повышена экспрессия рецептора ACE2 в легких, что может способствовать большей предрасположенности к COVID-19 [28].

Считается, что для изменения внутриклеточного уровня мелатонина необходимы дозы вещества, значительно превышающие дозы препарата, используемые в качестве хронобиотика [29]. Аллометрические расчеты, полученные в результате исследований на животных, указывают на прогнозируемые цитопротективные дозы мелатонина для человека в диапазоне 40—100 мг/сут, которые редко применяют в клинической практике [12]. При этом безопасность приема мелатонина в дозах до 10 мг доказана [24]. Дозы препарата, которые превышают обычно применяемые, также оказались безопасными, например при лечении пациентов с боковым амиотрофическим склерозом, которые получали либо 60 мг/сут до 13 мес, либо 300 мг/сут сроком до 2 лет. В фазе I исследования переносимости и фармакокинетики доз мелатонина 20 мг, 30 мг, 50 мг и 100 мг у здоровых добровольцев не было замечено побочных эффектов после перорального приема мелатонина, кроме легкой преходящей сонливости без изменения режима сна [29].

При использовании в контексте вызванного вирусами цитокинового шторма высокие дозы мелатонина, разделенные на несколько приемов, могут быть подходящими для оптимизации его противовоспалительной эффективности. Так, в серии случаев 10 больных COVID-19 с пневмонией отмечено, что прием мелатонина (36—72 мг/сут, разделенных на четыре приема) связан с сокращением продолжительности пребывания в больнице, смертности и потребности в искусственной вентиляции легких без каких-либо существенных побочных эффектов [30, 31]. Предложен потенциальный терапевтический алгоритм использования мелатонина у пациентов с COVID-19: от 3 до 10 мг за 30—60 мин до сна для пациентов с высоким риском и пожилых людей и до 40 мг для медицинских работников [3, 32].

Клинические исследования мелатонина, проводимые на настоящий момент

В соответствии с информацией, размещенной на сайте https://www.clinicaltrials.gov, на конец апреля 2021 г. запланировано и проводится более 9 клинических исследований, посвященных возможному применению мелатонина в лечении и профилактике COVID-19.

Так, например, на базе университета La Paz (Мадрид, Испания) проводится рандомизированное плацебо-контролируемое исследование MeCOVID по изучению эффективности мелатонина в профилактике COVID-19 у медицинских работников. Планируется обследовать 450 здоровых сотрудников государственных и частных учреждений здравоохранения в возрасте 18—65 лет с высоким риском инфицирования SARS-CoV-2, ранее не болевших COVID-19, с отрицательным ПЦР-тестом на SARS-CoV-2 и не имеющих симптомов COVID-19 на момент рандомизации. Планируется назначать 2 мг мелатонина на ночь в течение 12 нед.

На базе Нью-Йоркского университета в Буффало проводится рандомизированное двойное слепое плацебо-контролируемое клиническое исследование безопасности и эффективности мелатонина у взрослых пациентов с подозрением на COVID-19 (в течение 72 ч с момента появления симптомов COVID-19) в амбулаторных условиях. Будет оцениваться безопасность назначения мелатонина перорально по 10 мг 3 раза в день в течение 14 сут — по совокупной частоте серьезных нежелательных явлений, кумулятивной частоте нежелательных явлений 3-й и 4-й степени и/или по прекращению либо приостановке приема мелатонина (по любой причине). Кроме того, исследование направлено на оценку клинической эффективности мелатонина по сравнению с плацебо по частоте госпитализации, выраженности симптомов COVID-19 и смертности. Конечная цель состоит в том, чтобы определить, могут ли противовоспалительные и антиоксидантные свойства мелатонина способствовать уменьшению тяжести и предотвращению прогрессирования легкой формы COVID-19.

В Иране проводится рандомизированное двойное слепое плацебо-контролируемое клиническое исследование противовоспалительного (путем ингибирования инфламмасомы NLRP3) эффекта мелатонина при назначении в дозе 9 мг в течение 7—9 сут. В исследование планируется включить 55 больных в возрасте 16—100 лет с подтвержденным методом ПЦР или РКТ грудной клетки COVID-19, у которых имело место снижение SpO₂ ниже 93%, снижение систолического артериального давления ниже 100 мм рт.ст. или более 30 мм рт.ст. от изначального.

В Кливленде (США) планируется рандомизированное двойное слепое контролируемое клиническое исследование эффективности модулятора эстрогеновых рецепторов торемифена в комбинации с мелатонином у взрослых пациентов с легкой формой COVID-19. Планируется включить 390 больных обоего пола в возрасте старше 18 лет. Предполагаемые дозы лекарственных препаратов: 100 мг мелатонина перорально в 1—2-й дни (40 мг утром и 60 мг вечером), 60 мг в 3—14-й дни (20 мг утром и 40 мг вечером); 60 мг торемифена внутрь ежедневно с 1-го по 14-й день. В исследовании будет оцениваться динамика клинических признаков и симптомов (лихорадки, одышки, кашля, усталости), а также любые неблагоприятные события по сравнению с плацебо в течение 30 сут.

В Ланкастере (Пенсильвания, США) планируется двойное слепое плацебо-контролируемое исследование, целью которого является оценка влияния мелатонина и витамина С на симптомы и исходы у пациентов с новой коронавирусной инфекцией (COVID-19). Предполагается оценить эффективность вышеуказанных препаратов у 150 больных в возрасте старше 50 лет.

Заключение

Воспаление, а также повышенный уровень окислительного стресса снижают доступность триптофана для серотонинергических и мелатонинергических путей. При развитии COVID-19 в митохондриях макрофагов прекращается синтез мелатонина, клетка лишается необходимого антиоксиданта, иммуномодулятора и противовоспалительного агента, что способствует развитию цитокинового шторма. Мелатонин является мощным антиоксидантом с иммуномодулирующим и противовоспалительным действием. Мелатонин является ингибитором инфламмасомы NLRP3, Toll-подобных рецепторов TLR2, TLR4, TLR9 и может быть классифицирован как непрямой ингибитор сцепления ангиотензинпревращающего фермента 2 и SARS-CoV-2. Экзогенный мелатонин восстанавливает аэробный гликолиз, подавляя индуцируемый гипоксией фактор HIF-1 и серин-треониновую протеинкиназу mTOR, возобновляя активность пируватдегидрогеназного комплекса и позволяя синтезировать ацетил-кофермент А, который также обеспечивает локальную выработку мелатонина. Терапевтическая ценность мелатонина изучена в диапазоне 2—5 мг/сут. Однако аллометрические расчеты, полученные в результате исследований на животных, указывают на прогнозируемые цитопротективные дозы мелатонина для человека в диапазоне 40—100 мг/сут, которые редко используются в клинической практике. Тем не менее определена эффективность и переносимость высоких доз мелатонина (от 36 до 72 мг/сут в четырех разделенных дозах препарата) в дополнение к стандартной и/или эмпирической терапии пневмонии при COVID-19. Кроме того, мелатонин может применяться как эффективное средство при минимальных когнитивных нарушениях, характерных для последствий COVID-19.

Очевидно, что мелатонин является перспективным вспомогательным препаратом для терапии новой коронавирусной инфекции (COVID-19) и ее осложнений.

Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.

The authors declare no conflicts of interest.