昼夜节律与急性心肌梗死研究进展

尚白雪，丁家望，朱胜奎

(三峡大学第一临床医学院 宜昌市中心人民医院心内科，湖北 宜昌443003)

随着经济的发展以及人民生活方式的提升，我国近年来冠心病发病率呈现上升趋势，据第五次卫生服务调查显示，我国城乡居民冠心病患病率为10.2‰，60岁以上老年人患病率为27.8‰，且冠心病病死率呈逐年升高趋势[1]。急性心肌梗死(acute myocardial infarction，AMI)是冠心病致死和致残的主要原因，是中老年人群的常见致死疾病[2]。尽管高脂血症、肥胖、糖尿病、高血压、吸烟是AMI公认的危险因素，但越来越多的证据表明，昼夜节律紊乱在很大程度上促进了AMI的发生、发展[3]。研究发现，AMI在凌晨至上午12点最易发生，呈一定的时间规律性，且清晨发生心肌梗死损伤面积及程度更重，可能与心肌细胞在睡眠-觉醒过渡期间对缺血再灌注损伤耐受性较差有关[4]。心血管系统中存在外周时钟，时钟基因参与心血管系统的生理和病理生理变化，包括心率、血压、代谢、血管张力、肥厚反应等的昼夜变化[5]。既往动物研究发现，小鼠生物钟基因Per2敲除可保护其免受缺血再灌注损伤，并在小鼠冠状动脉左前降支结扎后维持较小的梗死面积[6]。因此，时钟基因在小鼠心肌梗死后缺血再灌注损伤过程中发挥重要作用。在人类心脏组织中，时钟基因的转录表现出明显的时间依赖性，时钟基因峰值与谷值的表达与心血管事件的发生时间一致[7]。现就昼夜节律与AMI发生发展的研究进展予以综述。

1 昼夜节律与生物钟基因

生物钟存在于所有哺乳动物细胞中，由复杂的自调节转录-翻译反馈环组成，各分子反馈环路间相互作用导致钟控基因的节律表达，最终导致各基因编码蛋白质组和细胞功能的振荡[8]。哺乳动物的生物钟包括中央钟和子钟。中央钟由光控制，光在视网膜中转换成神经脉冲，然后通过视网膜下丘脑束传递至下丘脑视交叉上核，下丘脑视交叉上核通过神经和体液信号的结合将信息传递给身体其他部分，以此来调节机体活动[9]。中央钟负责自主神经系统活动的昼夜节律变化，导致生理参数(包括血管阻力、动脉压力、心排血量和心率)的变化以及皮质醇和儿茶酚胺等各种激素的分泌[10]。时钟控制基因的节律转录具有组织特异性，哺乳动物外周组织中约10%的基因受生物钟调节[11]。

生物钟主要反馈环路的核心时钟元件由芳基碳氢化合物受体核易位体样蛋白1(brain and muscle Arnt-like protein-1，BMAL1)、昼夜运动输出周期蛋白(circadian locomotor output cycles kaput，CLOCK)、隐花色素(cryptochrome，CRY)1和CRY2、昼夜节律蛋白同源物(period，PER)1、2和3组成[12]。另一条反馈环路的核心时钟元件包括视黄酸相关孤儿核受体(retinoid-related orphan nuclear receptors，ROR)α、RORβ和孤儿核受体Rev-Erbα。在24 h周期开始时，BMAL1和CLOCK形成一个复杂的异二聚体，CLOCK/BMAL1异质二聚体通过与时钟基因PER和CRY的增强子元件(E-box)位点相结合，激活PER和CRY的转录和翻译(正反馈)；PER和CRY在细胞质中积累，形成异质二聚体并转移至细胞核，反过来抑制CLOCK/BMAL1的转录活性，从而抑制编码基因的转录(负反馈)，整个过程构成一个约24 h的负反馈循环[13]。在第2条反馈环路中，CLOCK/BMAL1异质二聚体同时驱动核受体Rev-Erbα和RORα的转录，反过来分别抑制或激活BMAL1的转录[14]。由这两条反馈环路形成的反馈调节，产生类似于24 h的生物钟周期节律。

2 昼夜节律与AMI的临床联系

近年来，生物节律紊乱与AMI受到广泛的关注与研究。流行病学调查发现，轮班工人AMI的发病率高于白天正常工作的工人，且发病与年龄或吸烟史无关，表明昼夜节律紊乱是导致AMI发病的重要因素[15]。Kawachi等[16]在一项针对美国护士的研究中也发现，心血管事件风险随着轮班工作时间的延长而增加。另一项多中心研究发现，AMI的发病时间具有明显的昼夜节律周期性，发病高峰在上午6时至中午[17]，可能与清晨交感神经张力增强，冠状动脉阻力增高后患者心肌供氧减少有关[18]。研究表明，清晨肾上腺素能活动的增加以及纤溶酶活性的增加参与了心肌梗死的昼夜节律调节[19]。据报道，溶栓治疗急性ST段抬高型心肌梗死(ST-segment elevation myocardial infarction，STEMI)在白天(10：00～22：00)疗效最好[20]。近年来，经皮冠状动脉介入治疗(percutaneous coronary intervention，PCI)术已成为冠心病的首要治疗手段。Assali等[21]发现，18:00～8:00间行PCI术的STEMI患者院内病死率显著增加。新加坡对全国6 710例STEMI患者的分析发现，午夜至凌晨6时出现症状STEMI患者行PCI术后，患者心肌梗死面积增大，且心力衰竭发生率显著增高[22]。同时，针对阿拉伯国家2 909例STEMI患者的类似研究显示，症状出现时间与住院病死率存在显著相关性，经多变量调整后相关性仍显著[23]。因此，昼夜节律变化可能影响急性冠状动脉事件的发生率和严重程度以及手术成功率。

3 生物钟基因在AMI发生发展中的可能机制

3.1生物钟基因与自噬 自噬是一个高度保守的进化过程，主要作用是在细胞应激过程中调控蛋白质降解和细胞器的更替。自噬过程始于自噬体的形成，在自噬体中，其内容物与溶酶体融合而降解，溶酶体通过氨基酸和其他细胞营养素的释放，进行能量生产[24]。细胞自噬能为细胞提供能量，并促进细胞的自我更新[25]。自噬参与调节多种心血管疾病，然而，自噬过度活化会导致心肌细胞对毒性环境的适应能力降低[26]。AMI发生后，再灌注前缺血早期启动自噬，通过为细胞提供能量以及抑制细胞凋亡来保护心肌，而再灌注时延迟激活自噬导致心肌细胞损伤[27]。深入理解昼夜节律调节、自噬与心血管功能之间的联系，可能会减少心肌梗死后心肌损伤程度，并且改善心肌梗死后的治疗。20世纪 70年代初，Pfeifer[28]通过显微镜观察到自噬性空泡在大鼠中遵循日变化模式，首次提出了自噬与昼夜节律调节间存在显著相关性。在随后的研究中发现，心脏自噬性液泡的体积和数值密度遵循日变化模式，在傍晚时分达到峰值，随后开始下降[29]。这些研究表明，昼夜节律依赖性自噬在外周组织和器官修复中发挥关键作用。因此，保持睡眠时间对于正常的生理过程至关重要。

在哺乳动物细胞内，多种转录因子可以在转录水平对自噬基因进行调节，而这些转录因子受到节律性调控。CCAAT增强子结合蛋白β在细胞分化和代谢中起着重要作用，研究证实，当体内CCAAT增强子结合蛋白β基因敲除后，细胞自噬的表达失去昼夜节律[30]。在动物研究中，小鼠肝脏特异性Bmal1基因敲除后，自噬调节节律紊乱，且自噬基因CCAAT增强子结合蛋白β的表达显著降低[31]。以上研究说明，生物钟以基因调节方式控制自噬基因的转录调节。

AMP活化的蛋白激酶(adenosine monophosphate-activated protein kinase，AMPK)是一种腺嘌呤核糖核苷酸依赖的蛋白激酶，可触发不同的分解代谢途径，包括葡萄糖摄取和氧化代谢。研究发现，AMPK从功能上联系自噬和昼夜节律的反应途径，在心肌细胞中，AMPK激活的unc-51样激酶1对自噬和线粒体稳态的启动至关重要[32]。在小鼠肝细胞中，AMPK活性遵循昼夜节律，与生物钟基因CRY1蛋白表达一致，AMPK的激活可以破坏CRY蛋白的稳定性和正常的节律性振荡，此外，AMPK通路紊乱的小鼠外周时钟活动显著受损[33]。AMPK调控代谢相关基因循环表达的能力提示自噬机制与昼夜节律密切相关。因此，更好地理解昼夜节律调节、自噬和心血管功能之间的联系，可以改善心肌梗死后的治疗手段。

3.2生物钟基因与血管炎症 研究证实，动脉粥样硬化易损斑块破裂造成的冠状动脉闭塞性血栓是 AMI发作的病理基础，血管炎症在AMI的发生、发展过程中发挥了重要作用[34]。生物钟对哺乳动物先天性免疫和适应性免疫的激活起重要作用[35]。时钟基因CLOCK/Bmal1是昼夜节律机制的核心组成部分，在调节血管炎症、心脏代谢、收缩功能、基因和蛋白质节律等方面发挥作用[36]。磷脂酰肌醇-3-激酶/蛋白激酶B信号通路广泛参与了动脉粥样硬化的形成过程，包括血管内皮细胞增生、病理性新生血管生成、血管炎症细胞聚集等[37]。近年来，小鼠心肌细胞培养证实，生物钟基因CLOCK在调控蛋白激酶B信号通路中发挥重要作用[38]。在随后的研究中，Nguyen等[39]发现，Bmal1基因敲除小鼠Ly6Chi单核细胞昼夜节律性紊乱，小鼠局部和全身性慢性炎症反应增强。作为炎症总开关，阻止炎症信号通路中的关键分子核因子κB能显著抑制细胞因子、组织因子和基质金属蛋白酶的产生，因此阻止核因子κB活化对控制血管炎症反应极为重要[40]。研究发现，时钟蛋白CRY1与腺苷酸环化酶结合后可以抑制环腺苷酸产生，因此缺乏时钟蛋白CRY1可导致细胞环腺苷酸水平升高和蛋白激酶A 活化增强，进而诱导S276残基处p65的磷酸化，增强核因子κB蛋白活化[41]。动物研究发现，生物钟基因Rev-Erbα敲除小鼠血清白细胞介素-6、肿瘤坏死因子-α、CC趋化因子配体2、CC趋化因子配体5和CXC趋化因子配体1水平节律性振荡消失[42]。因此，时钟蛋白可以通过对炎症相关细胞因子/趋化因子的调控来节律性地调节炎症反应[43]。综上，生物钟基因在血管炎症中发挥重要的调节作用，这可能为AMI的发病机制提供重要思路。

3.3生物钟基因与凋亡 细胞凋亡是细胞程序性死亡的一种形式，包括外在死亡受体途径和内在线粒体调节途径。在AMI和缺血再灌注发生过程中，心肌细胞大多以凋亡形式死亡[44]。凋亡激活通常涉及一系列复杂的细胞触发机制。通常，活性氧类是由线粒体以及缺血损伤时的还原型烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸氧化酶和单胺氧化酶产生。在分子水平上，凋亡的特征是活化胱天蛋白酶，尤其是胱天蛋白酶-3、胱天蛋白酶-6和胱天蛋白酶-7[45]。虽然细胞凋亡在早期缺血时被激活，但在再灌注时却被放大，可能与线粒体激活有关[46]。缺血过程中细胞内稳态的破坏导致细胞损伤，这些破坏在钙稳态中尤为明显，钙稳态在凋亡过程中缺血再灌注介导的胱天蛋白酶活化和坏死过程中线粒体通透性转变孔的开放中发挥着重要作用[47]。因此，内质网和线粒体内钙离子的释放可能是细胞发生凋亡和坏死的一个关键触发因素[48]。另外，细胞凋亡受到昼夜节律调控，在小鼠小肠的研究中发现，小肠细胞在辐照后发生的凋亡具有昼夜节律依赖性，诱导细胞凋亡的高峰时间在上午，夜间开始下降[49]。

3.4生物钟基因与心肌缺血再灌注损伤 近年来，随着PCI术等再灌注治疗手段的不断普及，心肌梗死病死率明显降低，但再灌注后心肌缺血再灌注损伤仍不容忽视。心肌梗死后心肌损伤的程度与缺血损伤发生的时间直接相关，在凌晨1点时发生再灌注心肌损伤更重[5]。再灌注损伤是由于线粒体内膜通透性转变孔的开放，导致线粒体损伤，进而引发心肌细胞死亡，可能在某种程度上，转变孔的开放存在昼夜节律波动[50]。心肌缺血的实质即细胞缺氧，缺氧诱导因子(hypoxia inducible factor，HIF)-1α是碱性螺旋-环-螺旋PAS结构域转录因子，在低氧条件下被磷酸化，从而实现核转位；在细胞核中，HIF-1α与芳烃核转位酶或HIF-1β形成异二聚体，并与多种基因启动子区域中的缺氧反应元件结合，包括调节内皮生长的血管内皮生长因子和调节细胞凋亡的基因[51]。研究发现，生物钟基因PER2和HIF-1α的结合特性具有同源性，时钟基因PER2能以剂量依赖性方式减弱血管内皮生长因子诱导的低氧反应，可能机制是PER2与HIF-1α结合后，阻断核转位并阻止HIF-1α诱导的血管内皮生长因子转录[52]。时钟基因在AMI患者血运重建过程中仍发挥重要的调节作用，因此，对生物钟基因研究的进一步深入，可能为防治心血管疾病提供重要的理论依据。

4 小 结

昼夜节律生物钟在心血管的病理生理学机制中起着重要作用。在心血管系统中生物钟广泛存在，心率、体温、血压、新陈代谢和激素水平等均呈昼夜节律性波动。此外，心肌梗死的发生、发展和预后与生物钟密切相关。更好地了解AMI基于生物钟的分子机制对治疗方法的改进起着重要作用。总之，在AMI的治疗中，时间是一个至关重要的考虑因素。昼夜节律知识的转化应用对患者有益，既可以通过选择治疗时间来最大限度地达到预期效果，也可以将不良事件的发生率降到最低。随着生物钟基因与昼夜节律影响冠心病发生发展机制的逐步阐明，调节生物钟基因的表达将有望改善AMI患者的治疗和生存。