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Melatonin: Physiological effects in humans - 19/05/15

Doi : 10.1016/j.neuchi.2015.03.002 
B. Claustrat a, , J. Leston b
a Inserm, U846 and Hormone Laboratory, Biology Centre, Hospices Civils de Lyon, Groupement Hospitalier Est, 59, boulevard Pinel, 69677 Bron, France 
b Neurosurgical Unit, Neurological Hospital Pierre Wertheimer, Hospices Civils de Lyon, 59, boulevard Pinel, 69677 Bron, France 

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Abstract

Melatonin is a methoxyindole synthesized and secreted principally by the pineal gland at night under normal light/dark conditions. The endogenous rhythm of secretion is generated by the suprachiasmatic nuclei and entrained to the light/dark cycle. Light is able to either suppress or synchronize melatonin production according to the light schedule. The nycthohemeral rhythm of this hormone can be evaluated by repeated measurement of plasma or saliva melatonin or urine sulfatoxymelatonin, the main hepatic metabolite. The primary physiological function of melatonin, whose secretion adjusts to night length, is to convey information concerning the daily cycle of light and darkness to body structures. This information is used for the organisation of functions, which respond to changes in the photoperiod such as the seasonal rhythms. Seasonal rhythmicity of physiological functions in humans related to possible alteration of the melatonin message remains, however, of limited evidence in temperate areas under field conditions. Also, the daily melatonin secretion, which is a very robust biochemical signal of night, can be used for the organisation of circadian rhythms. Although functions of this hormone in humans are mainly based on correlations between clinical observations and melatonin secretion, there is some evidence that melatonin stabilises and strengthens coupling of circadian rhythms, especially of core temperature and sleep-wake rhythms. The circadian organisation of other physiological functions depend also on the melatonin signal, for instance immune, antioxidant defences, haemostasis and glucose regulation. The difference between physiological and pharmacological effects of melatonin is not always clear but is based upon consideration of dose and not of duration of the hormone message. It is admitted that a “physiological” dose provides plasma melatonin levels in the same order of magnitude as a nocturnal peak. Since the regulating system of melatonin secretion is complex, following central and autonomic pathways, there are many pathophysiological situations where melatonin secretion can be disturbed. The resulting alteration could increase the predisposition to disease, add to the severity of symptoms or modify the course and outcome of the disorder. Since melatonin receptors display a very wide distribution in the body, putative therapeutic indications of this compound are multiple. Great advances in this field could be achieved by developing multicentre trials in a large series of patients, in order to establish efficacy of melatonin and absence of long-term toxicity.

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Résumé

Le rôle physiologique de la glande pinéale est assimilé à celui de la mélatonine. La mélatonine est un composé methoxyindole synthétisé et secrété principalement par la glande pinéale pendant la nuit dans les conditions normale d’alternance lumière obscurité. Le rythme endogène de sa sécrétion est généré par les noyaux suprachiasmatiques de l’hypothalamus et entraîné par l’alternance lumière obscurité. Selon le schéma d’administration, la lumière inhibe ou synchronise la production de mélatonine. Le rythme nycthéméral de cette hormone peut être appréhendé par son dosage dans des prélèvements multiples sanguins ou salivaires ou le dosage dans les urines de la 6-sulfatoxymelatonine, le principal métabolite hépatique. La fonction physiologique de la mélatonine, dont la durée de la sécrétion s’ajuste à celle de la nuit, est d’apporter à l’organisme, au cerveau en particulier, l’information sur le cycle lumière/obscurité. Cette information est utilisée dans la régulation de fonctions qui répondent aux changements de la photopériode, en particulier les rythmes saisonniers chez les animaux photopériodiques. Dans l’espèce humaine, des modifications de fonctions saisonnières n’ont pu être reliées à une modification de la sécrétion de mélatonine aux latitudes de la France dans les conditions naturelles. Par contre, la sécrétion journalière de mélatonine participe à l’organisation des rythmes circadiens. Bien que l’implication physiologique de cette hormone repose essentiellement sur des corrélations entre observations cliniques et sécrétion, il existe des données qui montrent que la mélatonine stabilise et renforce le couplage des rythmes circadiens, en particulier les rythmes de température et veille-sommeil. L’organisation d’autres fonctions physiologiques dépend aussi du message mélatonine, par exemple les défenses immunitaires et anti-oxydantes, la régulation de l’hémostase et de la glycémie. La différence entre effets physiologiques et pharmacologiques de la mélatonine n’est pas claire mais repose sur des considérations de dose et non de durée du message hormonal. Il est admis qu’une « dose physiologique » de mélatonine conduit à des concentrations circulantes du même ordre de grandeur qu’un pic nocturne naturel. Étant donné la régulation complexe de la sécrétion de mélatonine, impliquant à la fois des voies centrales et le système nerveux autonome, de nombreuses situations pathologiques peuvent présenter une sécrétion de mélatonine perturbée. Cette perturbation peut constituer une prédisposition à une maladie, contribuer à l’aggravation des symptômes, ou modifier leur évolution. En raison de la très large distribution des récepteurs à la mélatonine, ses indications thérapeutiques potentielles sont nombreuses. Des progrès significatifs dans ce domaine pourraient être apportés par le développement d’essais cliniques contrôlés incluant des grandes séries de patients, afin d’établir l’efficacité thérapeutique de la mélatonine et son absence de toxicité à long terme.

Le texte complet de cet article est disponible en PDF.

Keywords : Melatonin, Human, Circadian rhythms, Physiology, Pathophysiology

Mots clés : Glande pinéale, Mélatonine, Humain, Rythmes circadiens, Physiologie


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Vol 61 - N° 2-3

P. 77-84 - avril 2015 Retour au numéro
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  • Anatomy of the pineal region applied to its surgical approach
  • E. Simon, A. Afif, M. M’Baye, P. Mertens
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  • Is pineal melatonin released in the third ventricle in humans? A study in movement disorders
  • J. Leston, C. Harthé, C. Mottolese, P. Mertens, M. Sindou, B. Claustrat

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