生物節(jié)律與腦卒中的研究進(jìn)展

龔 艷綜述, 葉 明審校

機(jī)體內(nèi)調(diào)節(jié)生物節(jié)律的系統(tǒng)稱之為生物鐘，在哺乳動物中，調(diào)控生物節(jié)律的中樞位于下丘腦的視交叉上核(Suprachiasmatic nucleus,SCN)，并且大多數(shù)細(xì)胞中均存在24 h振蕩周期波動的生理特征,這些具有周期波動的生理生化功能主要包括睡眠/覺醒周期，進(jìn)食行為和活動節(jié)律等[1]。目前認(rèn)為人體生物節(jié)律的調(diào)控主要與時鐘基因轉(zhuǎn)錄-翻譯形成的反饋回路有關(guān)[2]。雖然該回路受許多基因和蛋白調(diào)控，包括Bmal1、Clock、Period(Perl/Per2/Per3)、Cryptochrome(Cryl和Cry2)和Reverb等。目前越來越多的研究表明，生物鐘不僅具有調(diào)控生物節(jié)律的生物功能，而且參與調(diào)節(jié)人體大部分的生理系統(tǒng)。然而時鐘基因表達(dá)異常以及生物鐘網(wǎng)絡(luò)破壞所導(dǎo)致的生物節(jié)律紊亂常常是疾病發(fā)生的重要標(biāo)志[3]，其中包括動脈粥樣硬化、心腦血管疾病等。

腦卒中是全球?qū)е氯祟愃劳龅氖滓?，也是造成殘疾的主要原因[4]。雖然前期關(guān)于腦卒中的病因及治療等相關(guān)研究已取得較大進(jìn)展，但仍缺乏臨床有效的治療措施。前期流行病學(xué)研究表明，臨床流行病學(xué)研究發(fā)現(xiàn)生理失調(diào)、輪班工作、倒時差、工作日和周末的活動變化或晝夜節(jié)律的睡眠-覺醒異常等都會增加腦卒中患病的風(fēng)險[5]，并且發(fā)現(xiàn)晝夜節(jié)律紊亂會加快動脈粥樣硬化的發(fā)展，并且影響腦卒中患者的預(yù)后，而腦卒中患者體內(nèi)也發(fā)現(xiàn)時鐘基因的表達(dá)異常[6]，上述研究表明生物節(jié)律紊亂與腦卒中的發(fā)生機(jī)制及臨床預(yù)后等多方面 具有十分密切的聯(lián)系。本文就生物節(jié)律與腦卒中的最新研究進(jìn)展作一綜述，為進(jìn)一步開發(fā)腦卒中新的治療方法提供思路。

1 生物節(jié)律紊亂與腦卒中的發(fā)生

臨床流行病學(xué)研究表明，腦卒中的發(fā)生具有明顯的晝夜節(jié)律性，其中在早晨6時到中午12時腦卒中的發(fā)生率較其他時間段明顯升高，該現(xiàn)象已被國內(nèi)外較多研究所證實[7]。腦卒中的類型包括缺血性卒中和出血性卒中，雖然二者具有不同的病理生理機(jī)制，但二者均具有24 h發(fā)病的雙峰模式，其中一個高峰時期為早晨，另外一個則為傍晚[8]。腦卒中和其他表現(xiàn)出晝夜模式的疾病類似，在24 h內(nèi)的白天進(jìn)行日常活動以及夜間睡眠是生物學(xué)研究的一個重要考慮因素[9]。目前有大量研究顯示不僅生物鐘可影響腦卒中的發(fā)生，并且可對腦卒中的疾病嚴(yán)重程度和疾病進(jìn)展產(chǎn)生影響。研究顯示腦梗死患者發(fā)病時的臨床癥狀以及梗死核心區(qū)域與晝夜節(jié)律密切相關(guān)[10]。對于腦出血而言，研究發(fā)現(xiàn)發(fā)病時間在白天6點至中午12點的腦出血和蛛網(wǎng)膜下腔出血的患者30 d死亡率是明顯增加的[11]。目前雖然已有大量研究提示生物節(jié)律紊亂可直接導(dǎo)致的腦血管病的危險因素增加，但目前關(guān)于生物節(jié)律紊亂與腦卒中發(fā)生的具體機(jī)制尚不明確。

臨床流行病學(xué)研究顯示心腦血管事件的發(fā)生常常在覺醒時期多見，尤其在清晨到中午之前，這段時間是心腦血管發(fā)生高峰時期[12]，這可能與人體生物鐘的晝夜生理特點有關(guān)[13]。我們從夜間到白天轉(zhuǎn)換過程中，同時伴隨日常活動的增加，這時我們的心率將會增加，大概在下午1點左右達(dá)到最高，并且我們的體溫也會升高，直到下午后半段時間達(dá)到最高峰[14]。另外許多人體代謝性和激素類指標(biāo)24 h內(nèi)的峰值大部分集中在早晨的前半段時期。研究顯示，炎癥細(xì)胞因子及促進(jìn)血栓形成因子達(dá)峰值的時間常與腦卒中發(fā)病的高峰時期一致，其中包括以及炎癥細(xì)胞因子TNF-α以及血小板激活和纖溶酶原激活物抑制劑-1(Plasminogen Activator Inhibitor-1，PAI-1)等[15]。因此，生物鐘與腦卒中的發(fā)生關(guān)系十分密切。目前關(guān)于生物節(jié)律紊亂參與腦卒中發(fā)生的相關(guān)機(jī)制研究，進(jìn)一步從生物節(jié)律角度探索腦卒中新的治療方法。

2 生物節(jié)律紊亂與腦卒中后神經(jīng)細(xì)胞功能障礙

腦卒中具有復(fù)雜的臨床機(jī)制，其中缺血組織的最初反應(yīng)主要是由血流中斷引起氧氣供應(yīng)不足和葡萄糖代謝異常所引起。神經(jīng)細(xì)胞的線粒體功能和ATP調(diào)節(jié)均表現(xiàn)有明顯的晝夜節(jié)律性，其中在組織水平，大腦對缺血的反應(yīng)依賴于腦卒中發(fā)作的時間，而在細(xì)胞水平上，研究發(fā)現(xiàn)神經(jīng)血管單元的所有類型的細(xì)胞功能均受生物節(jié)律的影響。神經(jīng)元易受興奮性毒性和氧化應(yīng)激損傷，這兩種途徑都受到生物節(jié)律的影響和調(diào)節(jié)。研究顯示谷氨酸受體及轉(zhuǎn)運體作用機(jī)制以及氨基丁酸介導(dǎo)皮質(zhì)抑制的特異性調(diào)節(jié)機(jī)制均與生物鐘晝夜節(jié)律有關(guān)[16,17]。在腦損傷小鼠模型中，發(fā)現(xiàn)細(xì)胞外谷氨酸和門冬氨酸受體水平具有顯著的時間依賴性[18]。研究發(fā)現(xiàn)，基因敲除后晝夜節(jié)律Bmal1基因后會導(dǎo)致細(xì)胞抗氧化損傷的防御能力下降，從而增加細(xì)胞和組織功能損傷的易感性[19]，同時Bmal1時鐘基因也參與調(diào)控神經(jīng)元細(xì)胞的凋亡和自噬。雖然神經(jīng)血管功能的變化有待進(jìn)一步研究，但需注意臨床前神經(jīng)保護(hù)劑實驗在動物實驗中干預(yù)時期需與人類活動時期相一致[19]。

除了神經(jīng)元功能受生物節(jié)律調(diào)節(jié)，神經(jīng)膠質(zhì)細(xì)胞功能也可能受晝夜節(jié)律的影響。研究發(fā)現(xiàn)時鐘基因Bmal1可對星形膠質(zhì)細(xì)胞ATP釋放和ROS清除功能進(jìn)行直接調(diào)控[20]。研究提示時鐘基因表達(dá)缺失的狀態(tài)下，星形膠質(zhì)細(xì)胞和神經(jīng)元將增加氧化應(yīng)激的易感性[21]。另外，對于腦卒中，血管的晝夜節(jié)律調(diào)節(jié)是非常重要的，例如大腦動脈靜息張力表現(xiàn)為24 h周期 晝夜節(jié)律性特征[22]。在腦出血小鼠模型中還發(fā)現(xiàn)，睡眠-覺醒模式紊亂可誘導(dǎo)小膠質(zhì)細(xì)胞的活化從而加重炎癥反應(yīng)的病理過程[23]。

因此，對于腦卒中而言，生物節(jié)律在調(diào)節(jié)神經(jīng)細(xì)胞功能方面起重要作用，在未來進(jìn)行神經(jīng)細(xì)胞功能的保護(hù)或修復(fù)方面的研究中需考慮到晝夜節(jié)律生物學(xué)因素，同時進(jìn)行相關(guān)分子機(jī)制研究，進(jìn)一步為腦卒中的治療提供新的策略。

3 腦卒中的晝夜節(jié)律生物學(xué)指標(biāo)

腦卒中患者存在晝夜節(jié)律紊亂的現(xiàn)象，而這種晝夜節(jié)律生物學(xué)可以使用多種循環(huán)、成像和生理學(xué)指標(biāo)進(jìn)行評估。目前關(guān)于腦卒中的大多數(shù)晝夜節(jié)律研究都集中在腦卒中是否會擾亂節(jié)律時鐘分子表達(dá)及其對生理功能的影響[5]。隨著研究不斷進(jìn)展，近年來已有研究開始關(guān)注晝夜節(jié)律生物學(xué)是否對腦卒中病理生理過程產(chǎn)生影響，以及如何通過調(diào)節(jié)晝夜節(jié)律來達(dá)到治療的效果，目前常用的生物學(xué)節(jié)律指標(biāo)主要包括皮質(zhì)醇、褪黑素和PAI-1[15,24,25]，其中褪黑激素是測定內(nèi)源性晝夜節(jié)律期的金標(biāo)準(zhǔn)[26]。研究顯示，與健康受試者相比，急性腦卒中患者夜間血液和尿液中的褪黑激素水平是明顯降低的[24,25]。研究也發(fā)現(xiàn)腦卒中后失眠癥患者的血液中褪黑激素水平同樣處于較低的水平[27]。另外，皮質(zhì)醇的節(jié)律性在腦卒中發(fā)病后經(jīng)常表現(xiàn)為消失[25]。然而，褪黑激素或皮質(zhì)醇是否能夠識別晝夜節(jié)律失調(diào)風(fēng)險的高?；颊咭约笆欠窨蓽?zhǔn)確預(yù)測腦卒中后的晝夜節(jié)律紊亂的變化[28]，目前尚不明確。未來的研究還可能通過檢測血液中的脂肪酸[29]、其他代謝物[30]和外周血單個核細(xì)胞核心時鐘基因表達(dá)等來進(jìn)一步評估晝夜節(jié)律性[31]。從臨床轉(zhuǎn)化的角度，希望通過晝夜節(jié)律生物標(biāo)志物有助于評估和判斷腦卒中的發(fā)生時間、疾病進(jìn)展以及臨床預(yù)后。

晝夜節(jié)律生物標(biāo)志物也可為藥物治療提供優(yōu)化給藥提供依據(jù)。研究顯示，PAI-1可在內(nèi)源性生物節(jié)律控制下，在清晨達(dá)到峰值，并可被Per2、Bmal1時鐘基因進(jìn)行調(diào)節(jié)[15]。另外研究發(fā)現(xiàn)，PAI-1表達(dá)水平的晝夜節(jié)律性變化可能會影響腦梗死患者對溶栓治療的反應(yīng)性，與溶栓未再通的腦梗死患者相比，溶栓后血管再通的患者表現(xiàn)為入院時PAI-1水平較低[15]。然而，晝夜節(jié)律因素是否會影響rt-PA的治療效果，仍需進(jìn)一步的研究來明確。

生物標(biāo)記物也可能有助于進(jìn)行腦卒中疾病進(jìn)展和臨床預(yù)后評估的相關(guān)研究。研究顯示，利用成像測量如半暗帶和核心體積和血液中軸索損傷標(biāo)記物[32]，可進(jìn)行探討腦卒中患者在 1 d中出現(xiàn)的時間因素對組織損傷的影響。此外，晝夜節(jié)律生物標(biāo)志物也有助于識別腦卒中患者是否存在晝夜節(jié)律紊亂。最后，還需要更多的研究來證實晝夜節(jié)律生物標(biāo)志物與療效的關(guān)系，從而為腦卒中患者制定個體化的治療方案提供理論依據(jù)。

4 生物節(jié)律在腦卒中治療中的展望

腦卒中發(fā)生過程中的晝夜節(jié)律差異性提示腦卒中治療可能存在特定的時間窗，因此，盡可能選擇最佳治療時機(jī)才有助于取得最佳的治療效果。晝夜節(jié)律對體內(nèi)的分子和細(xì)胞機(jī)制產(chǎn)生重要的影響，提示某些治療途徑需在特定時間才能發(fā)揮靶向的治療作用。因此，在進(jìn)行相關(guān)研究時需考慮到這些機(jī)制。另外，在進(jìn)行腦卒中神經(jīng)保護(hù)治療試驗的動物實驗時需調(diào)整嚙齒類動物的實驗時間，需與臨床試驗中患者的作息時間相匹配[33]。然而，臨床卒中進(jìn)展和治療反應(yīng)是否存在晝夜節(jié)律性，以及是否受生物節(jié)律的調(diào)控，還需要多中心前瞻性研究來明確。

人體生物節(jié)律的調(diào)控主要受時鐘基因調(diào)控，因此，將通過調(diào)節(jié)時鐘基因表達(dá)從而將生物鐘的相位調(diào)整為1 d中的某一時段或生理節(jié)律的某一特定階段可能具有一定的治療效果。通過調(diào)控腦內(nèi)的時鐘分子表達(dá)，使之功能狀況類似于下午或晚上的狀態(tài)，這可能是探索新的治療措施的方向之一。研究顯示在缺血性腦梗死中發(fā)現(xiàn)損傷的時間的不同，缺血性卒中的反應(yīng)也存在差異，其中上調(diào)BMAL1表達(dá)，可減輕的神經(jīng)元損傷、梗死體積、腦腫脹的程度，并且改善神經(jīng)功能和增加神經(jīng)元存活[10]。目前針對生物鐘晝夜節(jié)律的干預(yù)大多數(shù)是在腦卒中事件發(fā)生后才可以開始，然而腦卒中發(fā)生之后開始干預(yù)可能也具有一定的治療效果。近期研究發(fā)現(xiàn)，利用小分子調(diào)節(jié)劑，如Rev-Erbα抑制劑，在心臟損傷前進(jìn)行干預(yù)，可以使生物鐘調(diào)整為有益的狀態(tài)，進(jìn)一步可緩解動物模型的心臟損傷程度。近年來，作用于晝夜節(jié)律的相位、振幅和周期的化合物已逐漸出現(xiàn)，希望在不久的將來可以對腦卒中進(jìn)行時鐘基因的生物治療[34]。

結(jié)合目前的研究證據(jù)，生物節(jié)律對腦卒中的影響是目前相關(guān)領(lǐng)域的研究熱點，腦卒中的發(fā)生發(fā)展和結(jié)局均與生物鐘有關(guān)，生物鐘相關(guān)研究可為尋找腦卒中治療新方法提供思路，深入研究腦卒中潛在的時鐘分子機(jī)制可有助于尋找新的治療策略。在治療腦卒中時，時間是一個重要的考慮因素。對晝夜節(jié)律因素進(jìn)行轉(zhuǎn)化研究有助于為患者制定治療方案時，通過選擇最佳的治療時間來最大限度地發(fā)揮治療效果。另外，也可以通過對時鐘分子干預(yù)來減少生物鐘紊亂對我們?nèi)粘Ｉ詈图膊〉挠绊?。因此，在開發(fā)治療腦卒中藥物時需考慮藥物本身的節(jié)律因素。研究顯示可通過晝夜節(jié)律效應(yīng)模型的檢測可指導(dǎo)發(fā)病到發(fā)病的轉(zhuǎn)化預(yù)測，其中包括患者發(fā)病的時間和治療干預(yù)時間對臨床療效差異性的檢測[35]，需進(jìn)一步對生物節(jié)律如何影響卒中進(jìn)展、臨床療效、預(yù)后等放方面進(jìn)行相關(guān)研究，更好地理解晝夜節(jié)律生物學(xué)對腦卒中的發(fā)生發(fā)展、治療反應(yīng)、恢復(fù)和預(yù)后的影響，可為臨床制定個體化治療方案和設(shè)計臨床試驗方案提供理思路。

目前關(guān)于生物節(jié)律與腦卒中的臨床轉(zhuǎn)化方面還存在一定的挑戰(zhàn)，主要包括以下幾方面：首先，目前大多數(shù)的研究結(jié)果是基于全時鐘基因敲除小鼠而不是組織特異性基因敲除小鼠。其次，雖然生物鐘的調(diào)節(jié)中樞位于下丘腦視交叉上核，但外周組織器官可對生物鐘進(jìn)行局部和自主地反饋調(diào)節(jié)，并且局部的穩(wěn)態(tài)信號通路可以影響外周組織中晝夜節(jié)律時鐘基因的表達(dá)和生物學(xué)功能[1]，因此，外周生物鐘在調(diào)節(jié)各個組織器官的功能中具有重要的作用[36]，并且在研究生物節(jié)律對心血管疾病的影響時需要明確區(qū)分中樞時鐘和外周時鐘的具體作用。另外，建議利用細(xì)胞類型特異性基因敲除小鼠進(jìn)行相關(guān)研究。另外進(jìn)行晝夜節(jié)律相關(guān)研究時，需考慮組織收取時間對實驗結(jié)果的影響，并且需詳細(xì)記錄研究過程中的具體實驗操作時間及干預(yù)時間。再次，需注意人類和實驗動物本身晝夜節(jié)律是存在差異的，在類似的光線輸入下，人類和嚙齒類動物即使存在部分相同的生物鐘組成成分，但可能卻表現(xiàn)出相反的活動-休息周期以及不同的睡眠-覺醒模式。最后，由于臨床研究中混雜因素相對較多，異質(zhì)性相對較大，很難根據(jù)每個患者的時間類型來確定個體化的臨床治療方案，仍需要進(jìn)行多中心大樣本量的研究才能確定晝夜節(jié)律變化對研究結(jié)局的影響。

綜上所述， 生物節(jié)律及時鐘基因表達(dá)異?？捎绊懩X卒中的發(fā)生、病理生理過程、治療效果以及臨床預(yù)后。生物節(jié)律可能作為治療腦卒中的新靶點，可為開發(fā)治療腦卒中的新型療法提供思路。目前生物節(jié)律在治療腦卒中的臨床轉(zhuǎn)化方面還存在一定的挑戰(zhàn)，需要繼續(xù)加深和擴(kuò)大我們對腦卒中晝夜節(jié)律機(jī)制的理解，未來需對研究生物節(jié)律紊亂參與腦卒中發(fā)生的分子機(jī)制進(jìn)行深入研究， 以進(jìn)一步探索以生物鐘為靶點的腦卒中治療方法，為腦卒中患者提供新的治療策略。