Melatonin ist ein natürliches körpereigenes Hormon, das der Körper selbst herstellt und für den Schlaf eine wichtige Rolle spielt. Es wird größtenteils aus der Aminosäure Tryptophan in der Zirbeldrüse und in den Darm ansässigen enterochromaffinen Zellen gebildet. Die Produktion und Freisetzung von Melatonin im Gehirn ist dabei stark von der Tageszeit abhängig. Ähnlich wie Serotonin übt Melatonin einen Einfluss auf den zirkadianen Schlaf-Wach-Rhythmus aus.

Die EFSA (Europäische Behörde für Lebensmittelsicherheit) hat für Melatonin zwei Health Claims zugelassen: Melatonin trägt dazu bei, die Einschlafzeit zu verkürzen und es trägt zur Linderung der subjektiven Jetlag-Empfindung bei.

Im Allgemeinen besitzt Melatonin eine einschläfernde und beruhigende Wirkung. Dabei wird die Produktion von Melatonin im Gehirn bei beginnender Dunkelheit und vermindertem bläulichen Tageslicht angeregt. Im Laufe der Nacht steigt die Melatonin-Konzentration dann um rund 300 Prozent an, erreicht in der Tiefschlafphase um 3 Uhr morgens ihr Maximum und fällt in Abhängigkeit von der morgendlichen Dämmerung langsam wieder ab. Allerdings nimmt mit zunehmendem Alter die Ausschüttung von Melatonin sukzessive ab. Häufige Folgen hiervon sind altersbedingte Ein- und Durchschlafstörungen.

Da der erwachsene Mensch im Schnitt  täglich zwischen 0,1 mg und 0,9 mg Melatonin produziert, wird dieser Bereich als physiologische Dosis bezeichnet. Mengen, die über diesem Bereich liegen, werden als pharmakologische Dosen bezeichnet. Bei Einschlafstörungen beträgt die empfohlene Tagesdosis von Melatonin meist zwischen 0,5 bis 2 mg, bei Jetlag für 2 bis 5 Tage nach der Ankunft. Melatonin sollte dreißig bis sechzig Minuten vor dem Schlafengehen eingenommen werden; einige Studien haben jedoch gezeigt, dass es bis zu vier Stunden vorher eingenommen werden kann und wirksam ist. Eine Dosierung von 0,5 mg Melatonin erzielt Blutwerte, die denen von jungen Menschen ähneln. Dosierungen im Bereich von 2 – 5 mg erzielen Höchstwerte, die 10-fach oder 100-fach über denen von jungen Menschen liegen können. Bei Schlafstörungen ist eine Dosis von 0,5 – 1 mg daher absolut ausreichend. Dies imitiert den physiologischen zirkadianen Rhythmus von Melatonin und vermeidet einen lang anhaltenden Blutspiegel über physiologischem Niveau.

Abgesehen vom Alter kann die Melatoninproduktion auch durch Krankheiten, Ernährung, Umweltfaktoren wie helles Licht in der Nacht, Medikamenteneinnahme und Lebensstil beeinflusst werden. In der heutigen Zeit sind vor allem Menschen von einem Melatonin-Ungleichgewicht betroffen, die unter Jetlag leiden, in Schichten arbeiten, nachts häufig künstliches Licht nutzen (z. B. durch Handys, Computer oder LED-Beleuchtung), oder deren innerer Tag-Nacht-Rhythmus durch Umwelt- oder jahreszeitliche Veränderungen gestört wird.

Zahlreiche Studien haben die in den letzten Jahrzehnten gewonnenen Erkenntnisse über die Rolle von Melatonin bei der antioxidativen Abwehr, der Verringerung von oxidativem Stress und bei entzündungshemmenden Prozessen untermauert. Melatonin ist ein hocheffizientes Antioxidans – ein einziges Melatoninmolekül kann mehrere (~10) reaktive Sauerstoff- und Stickstoffspezies durch einen Kaskadenmechanismus abfangen. Darüber hinaus hat Melatonin die doppelte Fähigkeit, auf rezeptorunabhängige und rezeptorabhängige Prozesse einzuwirken. Diesen Studien zufolge besitzt Melatonin die Fähigkeit, entzündungsfördernde Prozesse zu blockieren, die auf die Cyclooxygenase (COX-2) einwirken, und den programmierten Zelltod (Apoptose) in abnormen Zellen zu fördern, was es theoretisch zu einem wünschenswerten Therapeutikum bei Alterskrankheiten („inflammaging“) wie Krebs machen würde. Die doppelte Wirkung von Melatonin kann pro-oxidative Enzyme (z. B. Xanthinoxidase) hemmen und gleichzeitig die kritischen antioxidativen Enzyme wie Superoxiddismutase (SOD), Glutathionperoxidase (GPX) und Katalase (CAT) verstärken, was zu einem besseren Schutz der Zellen führt und die Immunabwehr und die metabolischen Entgiftung des Körpers unterstützt.

Insgesamt steht die altersbedingte Abnahme der endogenen Melatoninproduktion in Zusammenhang mit Krankheiten und Funktionsstörungen. In-vitro- und In-vivo-Studien belegen die schützende Wirkung von Melatonin gegen mitochondrienbedingte Schäden bei Bluthochdruck und Fettleibigkeit, was darauf hindeutet, dass die zusätzliche Ergänzung von Melatonin in späteren Jahren eine wirksame therapeutische Maßnahme bei solchen altersbedingten Erkrankungen sein könnte.

Da Melatonin an der Steuerung des zirkadianen Rhythmus beteiligt ist, reguliert es auch die Ausschüttung weiterer Hormone und steuert damit lebensnotwendige Körperfunktionen. So besteht auch eine Beziehung zwischen Melatonin und dem Immunsystem. Dies beruht auf der fast ubiquitären Verteilung von Melatoninrezeptoren auf die Immunzellen und ihre Synthese durch das Immunsystem. Über kombinierte Mechanismen, die hauptsächlich die Modulation von Zytokinen und die Produktion von oxidativem Stress beinhalten, beeinflusst Melatonin sowohl die angeborenen als auch auf die spezifischen Reaktionen des Immunsystems. Zudem wirkt Melatonin auch stark entzündungshemmend. Es hilft, einen Teil der Schäden zu verhindern oder rückgängig zu machen, die entstehen, wenn das Immunsystem das eigene Gewebe angreift. Insgesamt könnte Melatonin unter basalen oder immunsupprimierten Bedingungen als Immunstimulans wirken und einen voraktivierten Zustand für eine effektivere frühe Immunantwort gegen externe Stressoren wie Viren und Parasiten bereitstellen.

Im Zusammenhang mit COVID-19 spielen vor allem die antientzündlichen Eigenschaften von Melatonin eine wichtige Rolle. Die Infektion mit dem Corona Virus und ihre Replikation führt zur Entstehung von Oxidationsprodukten und oxidativem Stress in den betroffenen Zellen. Zudem kommt es zu einer stark erhöhten Konzentration entzündungsfördernder Zytokine (Zytokinstürme). Melatonin reduziert die Bildung proinflammatorischer Zytokine und wirkt über Sirtuin-1 (SIRT1) einer Polarisierung der Makrophagen in Richtung einer Proinflammation entgegen. Zudem führt Melatonin zu einer Unterdrückung der Aktivierung von NF-κB bei ARDS und reguliert die NF-κB-Aktivierung in den T-Zellen und im Lungengewebe herab. Die stark antioxidativen Eigenschaften führen zu einer erhöhten Produktion antioxidativer (z. B. Superoxid-Dismutase) und einer Hemmung von prooxidativen Enzymen. Daher könnte Melatonin bei der Behandlung von COVID-19-induzierten Lungenentzündungen, ALI (akuten Lungenschäden) oder ARDS (akuten Atemnotsyndrom) einen hohen adjuvanten Nutzen haben.