生物節律與腦卒中的研究進展

龔 艷綜述, 葉 明審校

機體內調節生物節律的系統稱之為生物鐘，在哺乳動物中，調控生物節律的中樞位于下丘腦的視交叉上核(Suprachiasmatic nucleus,SCN)，并且大多數細胞中均存在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，進食行為和活動節律等[1]。目前認為人體生物節律的調控主要與時鐘基因轉錄-翻譯形成的反饋回路有關[2]。雖然該回路受許多基因和蛋白調控，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，生物鐘不僅具有調控生物節律的生物功能，而且參與調節人體大部分的生理系統。然而時鐘基因表達異常以及生物鐘網絡破壞所導致的生物節律紊亂常常是疾病發生的重要標志[3]，其中包括動脈粥樣硬化、心腦血管疾病等。

腦卒中是全球導致人類死亡的首要原因，也是造成殘疾的主要原因[4]。雖然前期關于腦卒中的病因及治療等相關研究已取得較大進展，但仍缺乏臨床有效的治療措施。前期流行病學研究表明，臨床流行病學研究發現生理失調、輪班工作、倒時差、工作日和周末的活動變化或晝夜節律的睡眠-覺醒異常等都會增加腦卒中患病的風險[5]，并且發現晝夜節律紊亂會加快動脈粥樣硬化的發展，并且影響腦卒中患者的預后，而腦卒中患者體內也發現時鐘基因的表達異常[6]，上述研究表明生物節律紊亂與腦卒中的發生機制及臨床預后等多方面 具有十分密切的聯系。本文就生物節律與腦卒中的最新研究進展作一綜述，為進一步開發腦卒中新的治療方法提供思路。

1 生物節律紊亂與腦卒中的發生

臨床流行病學研究表明，腦卒中的發生具有明顯的晝夜節律性，其中在早晨6時到中午12時腦卒中的發生率較其他時間段明顯升高，該現象已被國內外較多研究所證實[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制，但二者均具有24 h發病的雙峰模式，其中一個高峰時期為早晨，另外一個則為傍晚[8]。腦卒中和其他表現出晝夜模式的疾病類似，在24 h內的白天進行日常活動以及夜間睡眠是生物學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生，并且可對腦卒中的疾病嚴重程度和疾病進展產生影響。研究顯示腦梗死患者發病時的臨床癥狀以及梗死核心區域與晝夜節律密切相關[10]。對于腦出血而言，研究發現發病時間在白天6點至中午12點的腦出血和蛛網膜下腔出血的患者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律紊亂可直接導致的腦血管病的危險因素增加，但目前關于生物節律紊亂與腦卒中發生的具體機制尚不明確。

臨床流行病學研究顯示心腦血管事件的發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生高峰時期[12]，這可能與人體生物鐘的晝夜生理特點有關[13]。我們從夜間到白天轉換過程中，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點左右達到最高，并且我們的體溫也會升高，直到下午后半段時間達到最高峰[14]。另外許多人體代謝性和激素類指標24 h內的峰值大部分集中在早晨的前半段時期。研究顯示，炎癥細胞因子及促進血栓形成因子達峰值的時間常與腦卒中發病的高峰時期一致，其中包括以及炎癥細胞因子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生關系十分密切。目前關于生物節律紊亂參與腦卒中發生的相關機制研究，進一步從生物節律角度探索腦卒中新的治療方法。

2 生物節律紊亂與腦卒中后神經細胞功能障礙

腦卒中具有復雜的臨床機制，其中缺血組織的最初反應主要是由血流中斷引起氧氣供應不足和葡萄糖代謝異常所引起。神經細胞的線粒體功能和ATP調節均表現有明顯的晝夜節律性，其中在組織水平，大腦對缺血的反應依賴于腦卒中發作的時間，而在細胞水平上，研究發現神經血管單元的所有類型的細胞功能均受生物節律的影響。神經元易受興奮性毒性和氧化應激損傷，這兩種途徑都受到生物節律的影響和調節。研究顯示谷氨酸受體及轉運體作用機制以及氨基丁酸介導皮質抑制的特異性調節機制均與生物鐘晝夜節律有關[16,17]。在腦損傷小鼠模型中，發現細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]。研究發現，基因敲除后晝夜節律Bmal1基因后會導致細胞抗氧化損傷的防御能力下降，從而增加細胞和組織功能損傷的易感性[19]，同時Bmal1時鐘基因也參與調控神經元細胞的凋亡和自噬。雖然神經血管功能的變化有待進一步研究，但需注意臨床前神經保護劑實驗在動物實驗中干預時期需與人類活動時期相一致[19]。

除了神經元功能受生物節律調節，神經膠質細胞功能也可能受晝夜節律的影響。研究發現時鐘基因Bmal1可對星形膠質細胞ATP釋放和ROS清除功能進行直接調控[20]。研究提示時鐘基因表達缺失的狀態下，星形膠質細胞和神經元將增加氧化應激的易感性[21]。另外，對于腦卒中，血管的晝夜節律調節是非常重要的，例如大腦動脈靜息張力表現為24 h周期 晝夜節律性特征[22]。在腦出血小鼠模型中還發現，睡眠-覺醒模式紊亂可誘導小膠質細胞的活化從而加重炎癥反應的病理過程[23]。

因此，對于腦卒中而言，生物節律在調節神經細胞功能方面起重要作用，在未來進行神經細胞功能的保護或修復方面的研究中需考慮到晝夜節律生物學因素，同時進行相關分子機制研究，進一步為腦卒中的治療提供新的策略。

3 腦卒中的晝夜節律生物學指標

腦卒中患者存在晝夜節律紊亂的現象，而這種晝夜節律生物學可以使用多種循環、成像和生理學指標進行評估。目前關于腦卒中的大多數晝夜節律研究都集中在腦卒中是否會擾亂節律時鐘分子表達及其對生理功能的影響[5]。隨著研究不斷進展，近年來已有研究開始關注晝夜節律生物學是否對腦卒中病理生理過程產生影響，以及如何通過調節晝夜節律來達到治療的效果，目前常用的生物學節律指標主要包括皮質醇、褪黑素和PAI-1[15,24,25]，其中褪黑激素是測定內源性晝夜節律期的金標準[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]。研究也發現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，皮質醇的節律性在腦卒中發病后經常表現為消失[25]。然而，褪黑激素或皮質醇是否能夠識別晝夜節律失調風險的高危患者以及是否可準確預測腦卒中后的晝夜節律紊亂的變化[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]和外周血單個核細胞核心時鐘基因表達等來進一步評估晝夜節律性[31]。從臨床轉化的角度，希望通過晝夜節律生物標志物有助于評估和判斷腦卒中的發生時間、疾病進展以及臨床預后。

晝夜節律生物標志物也可為藥物治療提供優化給藥提供依據。研究顯示，PAI-1可在內源性生物節律控制下，在清晨達到峰值，并可被Per2、Bmal1時鐘基因進行調節[15]。另外研究發現，PAI-1表達水平的晝夜節律性變化可能會影響腦梗死患者對溶栓治療的反應性，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為入院時PAI-1水平較低[15]。然而，晝夜節律因素是否會影響rt-PA的治療效果，仍需進一步的研究來明確。

生物標記物也可能有助于進行腦卒中疾病進展和臨床預后評估的相關研究。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記物[32]，可進行探討腦卒中患者在 1 d中出現的時間因素對組織損傷的影響。此外，晝夜節律生物標志物也有助于識別腦卒中患者是否存在晝夜節律紊亂。最后，還需要更多的研究來證實晝夜節律生物標志物與療效的關系，從而為腦卒中患者制定個體化的治療方案提供理論依據。

4 生物節律在腦卒中治療中的展望

腦卒中發生過程中的晝夜節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才有助于取得最佳的治療效果。晝夜節律對體內的分子和細胞機制產生重要的影響，提示某些治療途徑需在特定時間才能發揮靶向的治療作用。因此，在進行相關研究時需考慮到這些機制。另外，在進行腦卒中神經保護治療試驗的動物實驗時需調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，臨床卒中進展和治療反應是否存在晝夜節律性，以及是否受生物節律的調控，還需要多中心前瞻性研究來明確。

人體生物節律的調控主要受時鐘基因調控，因此，將通過調節時鐘基因表達從而將生物鐘的相位調整為1 d中的某一時段或生理節律的某一特定階段可能具有一定的治療效果。通過調控腦內的時鐘分子表達，使之功能狀況類似于下午或晚上的狀態，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現損傷的時間的不同，缺血性卒中的反應也存在差異，其中上調BMAL1表達，可減輕的神經元損傷、梗死體積、腦腫脹的程度，并且改善神經功能和增加神經元存活[10]。目前針對生物鐘晝夜節律的干預大多數是在腦卒中事件發生后才可以開始，然而腦卒中發生之后開始干預可能也具有一定的治療效果。近期研究發現，利用小分子調節劑，如Rev-Erbα抑制劑，在心臟損傷前進行干預，可以使生物鐘調整為有益的狀態，進一步可緩解動物模型的心臟損傷程度。近年來，作用于晝夜節律的相位、振幅和周期的化合物已逐漸出現，希望在不久的將來可以對腦卒中進行時鐘基因的生物治療[34]。

結合目前的研究證據，生物節律對腦卒中的影響是目前相關領域的研究熱點，腦卒中的發生發展和結局均與生物鐘有關，生物鐘相關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。對晝夜節律因素進行轉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揮治療效果。另外，也可以通過對時鐘分子干預來減少生物鐘紊亂對我們日常生活和疾病的影響。因此，在開發治療腦卒中藥物時需考慮藥物本身的節律因素。研究顯示可通過晝夜節律效應模型的檢測可指導發病到發病的轉化預測，其中包括患者發病的時間和治療干預時間對臨床療效差異性的檢測[35]，需進一步對生物節律如何影響卒中進展、臨床療效、預后等放方面進行相關研究，更好地理解晝夜節律生物學對腦卒中的發生發展、治療反應、恢復和預后的影響，可為臨床制定個體化治療方案和設計臨床試驗方案提供理思路。

目前關于生物節律與腦卒中的臨床轉化方面還存在一定的挑戰，主要包括以下幾方面：首先，目前大多數的研究結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，雖然生物鐘的調節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行局部和自主地反饋調節，并且局部的穩態信號通路可以影響外周組織中晝夜節律時鐘基因的表達和生物學功能[1]，因此，外周生物鐘在調節各個組織器官的功能中具有重要的作用[36]，并且在研究生物節律對心血管疾病的影響時需要明確區分中樞時鐘和外周時鐘的具體作用。另外，建議利用細胞類型特異性基因敲除小鼠進行相關研究。另外進行晝夜節律相關研究時，需考慮組織收取時間對實驗結果的影響，并且需詳細記錄研究過程中的具體實驗操作時間及干預時間。再次，需注意人類和實驗動物本身晝夜節律是存在差異的，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，異質性相對較大，很難根據每個患者的時間類型來確定個體化的臨床治療方案，仍需要進行多中心大樣本量的研究才能確定晝夜節律變化對研究結局的影響。

綜上所述， 生物節律及時鐘基因表達異常可影響腦卒中的發生、病理生理過程、治療效果以及臨床預后。生物節律可能作為治療腦卒中的新靶點，可為開發治療腦卒中的新型療法提供思路。目前生物節律在治療腦卒中的臨床轉化方面還存在一定的挑戰，需要繼續加深和擴大我們對腦卒中晝夜節律機制的理解，未來需對研究生物節律紊亂參與腦卒中發生的分子機制進行深入研究， 以進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。