昼夜节律与神经退行性疾病研究进展

申佩 游咏 田绍文

昼夜节律是由下丘脑视交叉上核(suprachiasmatic nucleus，SCN)内源性生物钟调控产生的生理和行为周期，约24 h。昼夜节律系统调控机体诸多生理过程，如睡眠觉醒周期、新陈代谢、炎性反应与氧化应激的基因转录等[1]。在中枢神经系统中，动物研究表明昼夜节律紊乱可导致神经炎性反应、氧化应激和神经元死亡[2]，提示昼夜节律与中枢神经系统相关疾病之间有着密切联系。在阿尔茨海默病(Alzheimer disease，AD) 、帕金森病(Parkinson disease，PD)和亨廷顿病(Huntington disease，HD)等神经退行性疾病中均发现了昼夜节律系统失稳现象。其中昼夜节律紊乱最常见的表现形式为睡眠觉醒周期紊乱。大量研究发现，在神经退行性疾病的早期阶段即可出现睡眠觉醒周期紊乱，并且其不仅是以疾病的临床症状表现出来，更可能是直接加速疾病进展的因素。本文将对昼夜节律系统进行简要概述，并分别探讨相关神经退行性疾病与昼夜节律之间的相关性，以期为研究相关疾病提供新视角。

1 昼夜节律系统

昼夜节律是内源性生物钟振荡产生的生理和行为周期，约为24 h，调控机体睡眠、摄食、体温、激素水平和许多其他生物过程的节律。SCN是昼夜节律起搏器，接收来自视网膜和其他脑区的信息，并在细胞、分子、组织，甚至行为水平上通过神经和体液信号与外界环境同步，其中最重要的是环境光[3]。SCN的结构和功能改变可能是昼夜节律系统紊乱以及相关神经退行性疾病发生发展的神经生物学基础。在AD患者中常出现昼夜节律功能障碍，并且患者生活质量显著降低。同样，昼夜节律紊乱也常作为PD和HD的非运动特征表现出来。

昼夜节律受一组核心钟基因调节，包括3个PER基因(PER1、PER2和PER3)、CLOCK基因、BMAL1基因，以及两个植物隐花色素基因同系物(CRY1和CRY2)[3]。几乎所有外周组织以及SCN以外的脑区中均有自主生物钟。这些自主生物钟受各自不同的昼夜节律同步影响，可能受SCN直接或间接调控。

2 AD与昼夜节律

AD的临床特征是慢性进行性认知功能下降，主要是以近事记忆减退为主，并伴有失语、失用和执行功能障碍[4]，除了进行性认知功能下降外，昼夜节律障碍——特别是睡眠障碍也是AD的突出特征，并可能与AD病理改变有着密切联系。

AD患者及健康老年者因老龄化均会出现昼夜节律周期紊乱，但前者表现的更为明显和严重，主要表现睡眠潜伏期增加、睡眠维持困难、慢波睡眠减少、白天嗜睡增加等[5]，且这些变化会随着疾病持续时间而变得更加严重，最终可导致昼夜睡眠模式的逆转。有研究者将睡眠剥夺作为一种慢性应激的范式，发现能促进AD进展，合理的睡眠管理可能是预防或延缓AD发展的有效措施[6]。Ooms等[7]研究结果显示，志愿者在经睡眠剥夺后再给予充足的睡眠补偿者的脑脊液中淀粉样蛋白42(Aβ42)水平较未予睡眠补偿者下降6%。该研究表明慢性睡眠剥夺可导致大脑中Aβ42逐渐积累，从而导致AD的发生发展。

有研究表明，AD的病理改变伴随着SCN神经元变性。Swaab研究团队的研究表明AD患者有SCN萎缩，包括体积缩小和总细胞数减少[8]。另有研究发现SCN神经元中血管活性肠肽(vasoactine intrestinal peptide，VIP)、精氨酸加压素(arginine vasopressin，AVP)的表达是维持昼夜节律功能正常的关键[3]。在AD临床前阶段及AD患者中，其AVP水平以及VIP水平均显著降低[9]，提示临床前AD及AD患者均可能通过引起SCN内VIP及AVP神经元的丧失或功能障碍而影响生物钟功能，这些改变与昼夜节律紊乱有关[10]。AD患者核心钟基因表达紊乱，如BMAL1启动子甲基化水平被干扰或Aβ干扰影响核心钟基因正常表达[11]，但其具体机制尚未阐明。

褪黑素作为生物钟系统中的经典标志物，在昼夜节律方面受到了广泛的关注。众所周知，褪黑素的合成、分泌受到黑暗刺激和光的抑制。健康者在入睡后2～3 h开始出现褪黑素分泌的高峰[12]。AD患者疾病早期阶段褪黑素分泌节律即出现了紊乱[12]。关于认知和褪黑素的研究中发现，轻度认知障碍患者褪黑素分泌时间明显早于认知功能正常组[13]。尸检研究中发现AD患者脑脊液中褪黑素水平显著降低[14]，此外，Swaab团队研究表明，晚期AD患者中SCN神经元褪黑素受体1 (melatonin receptor 1，MR1)的表达也显著降低[8]。

总体而言，AD患者中昼夜节律紊乱特别是睡眠觉醒周期紊乱突出，睡眠觉醒周期影响Aβ以及褪黑素的动态变化，而Aβ以及褪黑素失稳又可进一步加重睡眠觉醒周期。因此，昼夜节律紊乱与AD之间是双向联系、相互影响的。

3 PD与昼夜节律

PD是继AD后第二大常见的神经退行性疾病。PD的主要特征是黑质内多巴胺能神经元变性，临床表现主要包括震颤、运动迟缓、僵直和步态障碍。Willis等[15]研究团队的研究均表明PD患者中昼夜节律功能受损。多巴胺是昼夜节律系统中非常重要的神经递质，其代谢和信号活动与生物钟密切相关[3]。

睡眠障碍是PD最常见的非运动症状，但睡眠障碍的病因是多因素的，包括PD相关运动症状对睡眠的影响，抗PD药物的副作用，以及调节睡眠的中心区域如中缝核和蓝斑的神经变性等[16]。PD患者睡眠质量差、白天嗜睡的主要原因是多巴胺失稳[17]，该变化对生活质量产生不良影响，且可能加速PD痴呆的发展。在一项多中心的横向研究中，研究人员发现87%的PD患者出现白天过度嗜睡[18]。Leak[19]发现快速眼动睡眠障碍常先于PD临床表现10～15年出现。PD患者夜间出现运动症状，如震颤、僵硬和运动障碍，可能导致苏醒、入睡困难等。PD患者服用多巴胺能药物，特别是睡前服用左旋多巴导致血浆中多巴胺水平升高亦可能影响夜间睡眠[20]。

多巴胺系统与昼夜节律之间存在相互作用。一方面，SCN区中的昼夜节律基因可调节多巴胺的合成，酪氨酸羟化酶是多巴胺合成的限速酶，其受钟基因Clock基因调控[21]。其次，Clock也可能在转录后水平影响腹侧被盖区的多巴胺能活动。另一方面，多巴胺被认为以受体依赖的方式调节某些钟基因[21]。多巴胺可以通过增强环磷酸腺苷(cAMP)反应元件结合蛋白合成和磷酸化来上调Clock/Bmal复合物转录活性[22]。Korshunov等[21]发现多巴胺D2受体激动剂能抑制Clock和PER1基因的表达，而多巴胺D1受体激动剂可增强PER1、Clock和BMAL1的表达。

褪黑素参与睡眠调节。Fertl等[23]发现PD患者褪黑素分泌时相较健康对照组提前，进一步研究发现，褪黑素分泌时相提前可能受多巴治疗引起的中枢神经多巴胺能效应影响。Ortuo-Lizarn等[24]研究PD昼夜褪黑素谱，发现具有左旋多巴相关运动并发症的PD患者日间褪黑素分泌量增加。此外，Bolitho等[25]的研究表明分泌增加的褪黑素可导致夜间睡眠延迟。换言之，多巴胺可能导致褪黑素合成与睡眠觉醒循环之间的解耦联，这可能是左旋多巴治疗PD患者时出现睡眠障碍加重的主要原因。

综上，在PD患者中，出现昼夜节律紊乱是多因素的，既可是疾病的表现形式，亦可是相关治疗药物的副作用，这些均表明PD患者体内多巴胺失稳与昼夜节律有着密切联系。

4 HD与昼夜节律

HD是常染色体显性遗传病，致病基因为IT15基因(interesting transcipt 15)，其基因编码区内的三核苷酸CAG重复序列拷贝数异常增多，常在中年时发病[26]，临床表现主要包括痴呆、精神异常、舞蹈症、睡眠障碍以及昼夜节律紊乱等。

HD患者中60%有中重度睡眠障碍，主要表现为入睡困难和白天瞌睡[27]。HD患者睡眠障碍与抑郁、认知能力、执行功能表现相关[28]。对于HD患者目前尚无有效的特效药，治疗睡眠障碍不仅可以改善HD患者睡眠质量，还可以缓解抑郁症状并改善生活质量。HD患者中睡眠障碍可先于运动障碍发生，在对38例致病基因携带者进行睡眠监测中发现其快速动眼睡眠阶段θ波幅度下降水平较健康对照者显著降低，且睡眠障碍与认知、情感障碍的发展呈正相关，且在睡眠障碍后不久开始出现运动症状[28]。在对HD患者进行睡眠监测中发现，睡眠多导图显示异常，包括支离破碎和不规则的睡眠阶段，没有明确界限的睡眠周期和长时间的觉醒阶段[27]。临床经验及流行病学与实验资料均显示HD患者的昼夜节律系统受到影响，但患者的数据有限。这种数据的缺乏可归因于普通人群中HD发生率相对较低。此外，HD患者的睡眠障碍往往得不到重视，可能由于患者本身或家属对睡眠问题的忽视，以及睡眠障碍本身缺乏可洞察性。

SCN功能障碍是HD患者出现昼夜紊乱的核心。在R6/2小鼠HD模型中，SCN和其他脑区核心钟基因转录的节律性被破坏，并表明生物钟的缺失是由于SCN的内在回路的改变所致[29]。HD患者中SCN两种调节关键神经肽的AVP和VIP神经元数量明显减少，AVP和VIP mRNA表达水平及褪黑素受体MR1和MR2神经元数目不变，提示SCN中相关神经元改变可能导致HD患者睡眠和昼夜节律紊乱[30]。其他因素可能包括HD患者下丘脑神经肽食欲素表达减少和组胺能系统改变，两者对睡眠/觉醒状态的调节均具有相当重要的意义[30]。部分患者食欲素减少可能是由SCN中VIP减少引起的，因为下丘脑外侧区含有食欲素的神经元被来自SCN的VIP神经纤维所支配[31]。

有关HD与褪黑素的研究报道认为，HD患者昼夜节律及褪黑素总体水平与运动功能障碍相关[27，32]。HD临床前期患者血清褪黑素水平开始出现降低，在临床期患者出现显著性地降低，且在临床前期以及临床期的HD患者中，褪黑素分泌时间较健康对照组更易改变[32]。在HD患者中所观察到褪黑素水平下降或分泌延迟的确切机制尚不清楚，但可能与SCN中的进行性神经元功能障碍有关。同样，褪黑素受体激动剂通过MR1和MR2受体可以有效地重置SCN的昼夜节律性[33]。MR1和MR2受体的表达变化似乎表明褪黑素水平在HD患者中并没有降低，仅由于SCN的昼夜节律输出改变而改变了褪黑素分泌的昼夜节律[33-34]。

总之，HD是常染色体显性遗传病，其与昼夜节律及睡眠障碍之间的因果关系，为研究和确定大脑的病变结构和功能退化与临床特征之间的因果关系创造了独特的机会。临床上的纵向研究可以帮助阐明昼夜节律系统和睡眠行为在正常生理过程中以及在HD中的作用。

综上，昼夜节律系统调控着生理和行为过程，并使其同步。越来越多的证据表明，昼夜节律在神经退行性疾病中出现了紊乱。AD、PD和HD三种常见神经退行性疾病均出现了与昼夜节律功能障碍相关的表现，当昼夜节律系统出现异常时不仅可能影响睡眠和觉醒的调节，而且还会影响精神状态、认知和运动等相关功能。但昼夜节律与神经退行性疾病之间的因果关系尚未明了。今后，在关于相关疾病过程中昼夜节律功能和其疾病表现的纵向研究，包括关于对AD、PD、HD高危人群的前瞻性研究等，可能对于回答这个问题非常重要。无论昼夜节律紊乱是神经退行性疾病的原因还是后果，针对这些疾病的昼夜节律紊乱作为干预的一个点都可能为治疗提供新视野。因此，昼夜节律系统可能成为神经退行性疾病的一个新的诊断和治疗靶点。