晝夜節律系統、睡眠與骨骼健康的關系研究進展

韓明慧 祁崢瑋 于幸 劉悅文

（上海健康醫學院康復學院，上海 201318）

全球范圍內骨代謝相關疾病導致了人們健康負擔的不斷加重。深入探索其發病機制并改善和擴大現有的防治方法和措施顯得尤為重要。晝夜節律生物鐘作為調控生物的生理和病理的重要一環。在骨骼中，晝夜節律生物鐘有助于協調骨骼的形成和吸收[1]。本文將簡要介紹晝夜節律系統、睡眠與骨骼健康三者之間的生理聯系，旨在幫助大家了解晝夜節律機制、睡眠與骨骼健康的最新研究情況，為后續的相關研究提供一定的理論依據。

1 內源性晝夜節律系統與骨代謝之間的生理聯系

1.1 生物鐘（時鐘）基因與骨代謝的關系

節律基因主要包括BMAL1（brain and muscle arnt-like 1，BMAL1）、時鐘循環輸出蛋白（circadian locomoter output cycle kaput，CLOCK）、周期基因家族（period，Per）（包括Per1、Per2和Per3）、隱花色素家族（cryptochrome，Cry）（包括Cry1和Cry2）、神經下游鐘基因-芳香烴受體核轉運蛋白-結合結構域家族（per-arnt-sim，PAS）結構域蛋白2等，其中BMAL1基因是機體生物鐘的核心部件，在長骨、造血干細胞乃至整個骨髓等外周組織和視交叉上核中均有表達，常與CLOCK基因形成二聚復合體后結合在Per或Cry基因的啟動子上進行調控，而Per或Cry轉錄翻譯后又起到抑制二聚體形成。由于BMAL1是機體生物鐘元件的核心，機體生物鐘元件的種類繁多，因而具有較高的研究的潛力和價值。

BMAL1在晝夜節律的調節中起著重要作用，參與骨骼形成的節律振蕩和細胞外基質表達是機體生理活動的重要調節因子，是調控骨髓間充質干細胞成骨分化的重要因子[2]。軟骨細胞、成骨細胞及破骨細胞對骨的完整性和功能性起重要作用。BMAL1的異常表達會影響骨代謝，反之骨代謝也會影響BMAL1的表達[3]。Takarada等[4]進行的一項動物實驗發現，時鐘基因BMAL1通過在小鼠成骨細胞中的表達來抑制破骨細胞生成。Tsang等[5]也發現，成年小鼠缺失BMAL1基因后呈現出低骨量表型。Yuan等[6]進行的研究則表明，時鐘基因CLOCK參與調節成骨和細胞凋亡。而Kim等[7]的研究發現時鐘基因Reverb α可能促進骨髓間充質干細胞的衰老，并在成骨后期起到負調控作用。

1.2 內源性晝夜節律系統對于骨在時間依賴成分下發揮的作用

骨轉換標志物（bone turnover markers，BTMs）在人類中顯示出晝夜節律[8]。體外研究證實了骨中的時鐘基因表達，并表明該外周組織具有內源性的晝夜節律[9]。骨形成生化標志物節律性的一般形態和時間與骨吸收生化標志物節律性相似，但幅度和調控途徑不同[10]。骨形成生化標志物一般形態的時間節奏性與骨吸收生化標志物相似，但振幅和監管途徑不同。骨鈣素是成骨細胞主要在礦化過程中產生的一種蛋白，用于反映成骨細胞的活動。骨鈣素表現出一致的節律性，與骨吸收生化標志物相似，在凌晨達到高峰[11]。骨轉換標志物與骨鈣素具有晝夜節律性變化可進一步研究與骨細胞的關系。不僅僅是骨轉換標志物和骨鈣素，或許還有其他因素具有晝夜節律變化，從而對骨細胞活動生物節律性的研究具有積極意義。

骨細胞的節律穩定性可能反映了它們各自的功能或細胞譜系是來源于造血干細胞的破骨細胞，還是來源于間充質干細胞的成骨細胞[12]。動物時鐘基因敲除（knockout，KO）模型表明，時鐘基因和晝夜生理的改變是如何有可能改變骨轉換和骨骼表型。整體成骨細胞特異性BMAL1 KO小鼠具有低的骨密度表型，其原因是骨吸收（和形成）水平更高，成骨細胞分化減少[13]。相反，破骨細胞特異性BMAL1 KO小鼠由于減少骨吸收而具有高的骨密度表型。外周（而非中央）時鐘基因，特別是成骨細胞BMAL1，是由于破骨細胞的抑制功能而被提出的骨吸收調節因子[14]。

由此可見，內源性晝夜節律系統對于骨在時間依賴成分下有重要作用，缺乏某些晝夜節律基因可能會對骨量造成影響，這種影響不一定是負面的，若對骨的晝夜節律進行更進一步研究，加深對骨吸收生化標志物與骨形成生化標志物的理解，或許能對骨的恢復有積極意義。

2 夜班工作相關的晝夜節律紊亂以及骨質疏松、跌倒和骨折風險之間的相關性

BTMs的晝夜節律可能對終生保持最佳骨骼健康很重要。夜間工作中出現的睡眠和晝夜節律紊亂可能會潛在地破壞骨骼生理并損害骨骼健康。夜班工作內在地改變了睡眠周期，通常導致休息不足和縮短睡眠時間，從而破壞晝夜節律或睡眠功能[15]。對人類和其他動物的研究表明，夜班工作及其相關的睡眠和晝夜節律紊亂可能有害骨骼健康，并增加跌倒的風險[16]。

2.1 夜班工作與低骨密度、骨折的關系

Kim等人[17]的一項針對韓國年輕（平均年齡36.4歲）人群的研究發現，在白天以外時間工作的人，尤其是夜班的人，腰椎和全髖關節的骨密度更低。輪班工人骨折的風險增加。護士健康研究在8年隨訪后發現，與從未上過夜班的女性相比，上過20多年夜班的女性發生髖部和手腕骨折的風險更高。此外，Kim等人在韓國全國健康和營養檢查調查中報告，非白天工作患者自我報告骨折（股骨、手腕或脊柱）的比例比白天工作患者高了近2倍（2.1%比1.2%），雖然這種差異在傳統的統計截止點上沒有統計學意義（P=0.06），但差異的大小可能具有臨床意義。而在NHANES隊列中，中年男性和女性輪班工作者與非輪班工作者的骨密度沒有差異[18]。夜班工作較白天工作骨折風險明顯地增加，這種風險或許是長期性不可逆的，潛移默化影響機體。

2.2 睡眠與骨密度的關系

有研究表明，20～40歲人群低骨密度發生率和睡眠障礙發生率顯著低于40歲以上人群，40～60歲人群與60歲以上人群的低骨密度發生率和睡眠障礙發生率的差異無統計學意義；男性人群低骨密度發生率和睡眠障礙顯著低于女性[19]。279例絕經后婦女各部位及總平均骨密度與體質指數與規律運動呈正相關，平均骨密度與睡眠時間、睡眠效率呈正相關，與年齡、絕經年齡及飲酒則無明顯相關性，與臥床時間、深睡時間、淺睡時間也無明顯相關性。線性回歸分析結果顯示，規律運動、睡眠效率是絕經后婦女的雙上肢、雙下肢、髖骨、腰椎及總平均骨密度水平的影響因素[20]。根據相關研究，女性似乎更容易受到睡眠障礙的影響，從而影響骨密度。男性與女性之間的差異是否是由于機體自身節律基因的差異導致還有待進一步檢驗。

2.3 晝夜節律紊亂與摔倒的關系

睡眠和晝夜節律紊亂會導致嗜睡并降低對環境危害的警覺性，這可能會增加摔倒和骨折的風險[21]。此外，醒來后表現出來的急性機能障礙（睡眠慣性）和延長的睡眠失眠癥都會降低體位的穩定性和平衡性，增加跌倒的風險。另外，失眠與跌倒的風險增加有關，預測顯示失眠癥狀的負擔越重，老年人2年內跌倒的風險就越大。睡眠時間與睡眠周期改變或許潛移默化地對骨造成損害，從而增加了發生低骨密度、跌倒與骨折的風險。此外，與之相對應的節律基因具體變化有待進一步研究[22]。

3 晝夜節律中藥物與骨骼的關系

3.1 咖啡因與骨骼健康

含咖啡因飲料的攝入可能限制了其他富含鈣（如牛奶）或更多骨中性（如水）飲料的攝入量，或者因為其中含有可能影響骨骼健康的其他物質（如磷、多酚、酸、糖）[23]。關于咖啡因在骨骼健康中的作用已有一些流行病學研究，結果不一，部分有沖突的數據可能是由于人口的差異研究（年齡、性別、更年期狀態），隨訪時間以及不同的混雜飲食和適當的統計調整所導致的。造成結果不一的這些因素包括咖啡因的來源（咖啡、蘇打水、茶）、不同地區咖啡果的加工過程及對平均飲用量的假設[24]。

3.2 褪黑素與骨骼健康

褪黑素廣泛存在于動物、植物、真菌中[25]。目前認為褪黑素可以通過多個途徑調節骨的代謝。它對成骨細胞和破骨細胞都有生物學作用[26]。褪黑素在夜班工人中含量較低，通常作為一種非處方補充藥物用于治療時差反應和失眠，因此需要特別注意[27]。在大量的人體及動物實驗的證實下，短期使用褪黑素，即便是在極高劑量下也是安全的，沒有研究表明外源性褪黑素可以引起嚴重的不良反應，有實驗結果表明長期服用褪黑素僅產生輕微的不良反應。因此，褪黑素在臨床應用中是相對安全的。總之，褪黑素在骨質疏松方向上的治療前景還有待進一步去發掘[28]。除此之外，褪黑素還被研究證實與青少年特發性脊柱側彎、牙周發炎等口腔疾病有關[29-30]。咖啡因和褪黑素都會對晝夜節律系統產生一定影響，從而影響骨骼健康，更多一些影響晝夜節律系統的藥物應當被研究其與骨骼健康的相關性。

4 總結與展望

內源性晝夜節律系統所含有的晝夜節律基因，BTMs和動物時鐘基因KO模型的日變化表明晝夜節律對骨代謝和骨骼健康很重要，一些流行病學研究支持推斷夜班工作導致睡眠中斷和晝夜節律失調，與骨密度降低和骨折風險增加，這種風險是潛移默化的。使用藥物治療晝夜節律障礙是否會影響骨骼健康，增加骨折風險或者治療骨質疏松，還有待進一步的研究確認。此外，根據上述文獻，保持良好作息規律和晝夜節律對維持骨骼健康乃至機體健康有積極意義。對于夜班工人如何進一步減少晝夜顛倒對身體造成損害這一問題的思考：首先，需要更多的研究來揭示睡眠和晝夜節律紊亂是如何對骨細胞之間信息傳遞造成的影響；其次，睡眠時間和睡眠階段與骨骼健康之間的因果關系需使用客觀的睡眠測量和標準化的骨量和質量評估；另外，如果BTMs節律性使用預期的休息/活動周期（通過內源性晝夜節律控制）來調節骨代謝，這種節律是否是對行為變化的響應。對于睡眠和晝夜節律障礙影響骨密度和跌倒/骨折風險的機制，以及年齡、性別和身體組成對睡眠/晝夜節律-骨骼關系的影響還有待進一步的研究。