生物节律与脑卒中的研究进展

龚 艳综述, 叶 明审校

机体内调节生物节律的系统称之为生物钟，在哺乳动物中，调控生物节律的中枢位于下丘脑的视交叉上核(Suprachiasmatic nucleus,SCN)，并且大多数细胞中均存在24 h振荡周期波动的生理特征,这些具有周期波动的生理生化功能主要包括睡眠/觉醒周期，进食行为和活动节律等[1]。目前认为人体生物节律的调控主要与时钟基因转录-翻译形成的反馈回路有关[2]。虽然该回路受许多基因和蛋白调控，包括Bmal1、Clock、Period(Perl/Per2/Per3)、Cryptochrome(Cryl和Cry2)和Reverb等。目前越来越多的研究表明，生物钟不仅具有调控生物节律的生物功能，而且参与调节人体大部分的生理系统。然而时钟基因表达异常以及生物钟网络破坏所导致的生物节律紊乱常常是疾病发生的重要标志[3]，其中包括动脉粥样硬化、心脑血管疾病等。

脑卒中是全球导致人类死亡的首要原因，也是造成残疾的主要原因[4]。虽然前期关于脑卒中的病因及治疗等相关研究已取得较大进展，但仍缺乏临床有效的治疗措施。前期流行病学研究表明，临床流行病学研究发现生理失调、轮班工作、倒时差、工作日和周末的活动变化或昼夜节律的睡眠-觉醒异常等都会增加脑卒中患病的风险[5]，并且发现昼夜节律紊乱会加快动脉粥样硬化的发展，并且影响脑卒中患者的预后，而脑卒中患者体内也发现时钟基因的表达异常[6]，上述研究表明生物节律紊乱与脑卒中的发生机制及临床预后等多方面 具有十分密切的联系。本文就生物节律与脑卒中的最新研究进展作一综述，为进一步开发脑卒中新的治疗方法提供思路。

1 生物节律紊乱与脑卒中的发生

临床流行病学研究表明，脑卒中的发生具有明显的昼夜节律性，其中在早晨6时到中午12时脑卒中的发生率较其他时间段明显升高，该现象已被国内外较多研究所证实[7]。脑卒中的类型包括缺血性卒中和出血性卒中，虽然二者具有不同的病理生理机制，但二者均具有24 h发病的双峰模式，其中一个高峰时期为早晨，另外一个则为傍晚[8]。脑卒中和其他表现出昼夜模式的疾病类似，在24 h内的白天进行日常活动以及夜间睡眠是生物学研究的一个重要考虑因素[9]。目前有大量研究显示不仅生物钟可影响脑卒中的发生，并且可对脑卒中的疾病严重程度和疾病进展产生影响。研究显示脑梗死患者发病时的临床症状以及梗死核心区域与昼夜节律密切相关[10]。对于脑出血而言，研究发现发病时间在白天6点至中午12点的脑出血和蛛网膜下腔出血的患者30 d死亡率是明显增加的[11]。目前虽然已有大量研究提示生物节律紊乱可直接导致的脑血管病的危险因素增加，但目前关于生物节律紊乱与脑卒中发生的具体机制尚不明确。

临床流行病学研究显示心脑血管事件的发生常常在觉醒时期多见，尤其在清晨到中午之前，这段时间是心脑血管发生高峰时期[12]，这可能与人体生物钟的昼夜生理特点有关[13]。我们从夜间到白天转换过程中，同时伴随日常活动的增加，这时我们的心率将会增加，大概在下午1点左右达到最高，并且我们的体温也会升高，直到下午后半段时间达到最高峰[14]。另外许多人体代谢性和激素类指标24 h内的峰值大部分集中在早晨的前半段时期。研究显示，炎症细胞因子及促进血栓形成因子达峰值的时间常与脑卒中发病的高峰时期一致，其中包括以及炎症细胞因子TNF-α以及血小板激活和纤溶酶原激活物抑制剂-1(Plasminogen Activator Inhibitor-1，PAI-1)等[15]。因此，生物钟与脑卒中的发生关系十分密切。目前关于生物节律紊乱参与脑卒中发生的相关机制研究，进一步从生物节律角度探索脑卒中新的治疗方法。

2 生物节律紊乱与脑卒中后神经细胞功能障碍

脑卒中具有复杂的临床机制，其中缺血组织的最初反应主要是由血流中断引起氧气供应不足和葡萄糖代谢异常所引起。神经细胞的线粒体功能和ATP调节均表现有明显的昼夜节律性，其中在组织水平，大脑对缺血的反应依赖于脑卒中发作的时间，而在细胞水平上，研究发现神经血管单元的所有类型的细胞功能均受生物节律的影响。神经元易受兴奋性毒性和氧化应激损伤，这两种途径都受到生物节律的影响和调节。研究显示谷氨酸受体及转运体作用机制以及氨基丁酸介导皮质抑制的特异性调节机制均与生物钟昼夜节律有关[16,17]。在脑损伤小鼠模型中，发现细胞外谷氨酸和门冬氨酸受体水平具有显著的时间依赖性[18]。研究发现，基因敲除后昼夜节律Bmal1基因后会导致细胞抗氧化损伤的防御能力下降，从而增加细胞和组织功能损伤的易感性[19]，同时Bmal1时钟基因也参与调控神经元细胞的凋亡和自噬。虽然神经血管功能的变化有待进一步研究，但需注意临床前神经保护剂实验在动物实验中干预时期需与人类活动时期相一致[19]。

除了神经元功能受生物节律调节，神经胶质细胞功能也可能受昼夜节律的影响。研究发现时钟基因Bmal1可对星形胶质细胞ATP释放和ROS清除功能进行直接调控[20]。研究提示时钟基因表达缺失的状态下，星形胶质细胞和神经元将增加氧化应激的易感性[21]。另外，对于脑卒中，血管的昼夜节律调节是非常重要的，例如大脑动脉静息张力表现为24 h周期 昼夜节律性特征[22]。在脑出血小鼠模型中还发现，睡眠-觉醒模式紊乱可诱导小胶质细胞的活化从而加重炎症反应的病理过程[23]。

因此，对于脑卒中而言，生物节律在调节神经细胞功能方面起重要作用，在未来进行神经细胞功能的保护或修复方面的研究中需考虑到昼夜节律生物学因素，同时进行相关分子机制研究，进一步为脑卒中的治疗提供新的策略。

3 脑卒中的昼夜节律生物学指标

脑卒中患者存在昼夜节律紊乱的现象，而这种昼夜节律生物学可以使用多种循环、成像和生理学指标进行评估。目前关于脑卒中的大多数昼夜节律研究都集中在脑卒中是否会扰乱节律时钟分子表达及其对生理功能的影响[5]。随着研究不断进展，近年来已有研究开始关注昼夜节律生物学是否对脑卒中病理生理过程产生影响，以及如何通过调节昼夜节律来达到治疗的效果，目前常用的生物学节律指标主要包括皮质醇、褪黑素和PAI-1[15,24,25]，其中褪黑激素是测定内源性昼夜节律期的金标准[26]。研究显示，与健康受试者相比，急性脑卒中患者夜间血液和尿液中的褪黑激素水平是明显降低的[24,25]。研究也发现脑卒中后失眠症患者的血液中褪黑激素水平同样处于较低的水平[27]。另外，皮质醇的节律性在脑卒中发病后经常表现为消失[25]。然而，褪黑激素或皮质醇是否能够识别昼夜节律失调风险的高危患者以及是否可准确预测脑卒中后的昼夜节律紊乱的变化[28]，目前尚不明确。未来的研究还可能通过检测血液中的脂肪酸[29]、其他代谢物[30]和外周血单个核细胞核心时钟基因表达等来进一步评估昼夜节律性[31]。从临床转化的角度，希望通过昼夜节律生物标志物有助于评估和判断脑卒中的发生时间、疾病进展以及临床预后。

昼夜节律生物标志物也可为药物治疗提供优化给药提供依据。研究显示，PAI-1可在内源性生物节律控制下，在清晨达到峰值，并可被Per2、Bmal1时钟基因进行调节[15]。另外研究发现，PAI-1表达水平的昼夜节律性变化可能会影响脑梗死患者对溶栓治疗的反应性，与溶栓未再通的脑梗死患者相比，溶栓后血管再通的患者表现为入院时PAI-1水平较低[15]。然而，昼夜节律因素是否会影响rt-PA的治疗效果，仍需进一步的研究来明确。

生物标记物也可能有助于进行脑卒中疾病进展和临床预后评估的相关研究。研究显示，利用成像测量如半暗带和核心体积和血液中轴索损伤标记物[32]，可进行探讨脑卒中患者在 1 d中出现的时间因素对组织损伤的影响。此外，昼夜节律生物标志物也有助于识别脑卒中患者是否存在昼夜节律紊乱。最后，还需要更多的研究来证实昼夜节律生物标志物与疗效的关系，从而为脑卒中患者制定个体化的治疗方案提供理论依据。

4 生物节律在脑卒中治疗中的展望

脑卒中发生过程中的昼夜节律差异性提示脑卒中治疗可能存在特定的时间窗，因此，尽可能选择最佳治疗时机才有助于取得最佳的治疗效果。昼夜节律对体内的分子和细胞机制产生重要的影响，提示某些治疗途径需在特定时间才能发挥靶向的治疗作用。因此，在进行相关研究时需考虑到这些机制。另外，在进行脑卒中神经保护治疗试验的动物实验时需调整啮齿类动物的实验时间，需与临床试验中患者的作息时间相匹配[33]。然而，临床卒中进展和治疗反应是否存在昼夜节律性，以及是否受生物节律的调控，还需要多中心前瞻性研究来明确。

人体生物节律的调控主要受时钟基因调控，因此，将通过调节时钟基因表达从而将生物钟的相位调整为1 d中的某一时段或生理节律的某一特定阶段可能具有一定的治疗效果。通过调控脑内的时钟分子表达，使之功能状况类似于下午或晚上的状态，这可能是探索新的治疗措施的方向之一。研究显示在缺血性脑梗死中发现损伤的时间的不同，缺血性卒中的反应也存在差异，其中上调BMAL1表达，可减轻的神经元损伤、梗死体积、脑肿胀的程度，并且改善神经功能和增加神经元存活[10]。目前针对生物钟昼夜节律的干预大多数是在脑卒中事件发生后才可以开始，然而脑卒中发生之后开始干预可能也具有一定的治疗效果。近期研究发现，利用小分子调节剂，如Rev-Erbα抑制剂，在心脏损伤前进行干预，可以使生物钟调整为有益的状态，进一步可缓解动物模型的心脏损伤程度。近年来，作用于昼夜节律的相位、振幅和周期的化合物已逐渐出现，希望在不久的将来可以对脑卒中进行时钟基因的生物治疗[34]。

结合目前的研究证据，生物节律对脑卒中的影响是目前相关领域的研究热点，脑卒中的发生发展和结局均与生物钟有关，生物钟相关研究可为寻找脑卒中治疗新方法提供思路，深入研究脑卒中潜在的时钟分子机制可有助于寻找新的治疗策略。在治疗脑卒中时，时间是一个重要的考虑因素。对昼夜节律因素进行转化研究有助于为患者制定治疗方案时，通过选择最佳的治疗时间来最大限度地发挥治疗效果。另外，也可以通过对时钟分子干预来减少生物钟紊乱对我们日常生活和疾病的影响。因此，在开发治疗脑卒中药物时需考虑药物本身的节律因素。研究显示可通过昼夜节律效应模型的检测可指导发病到发病的转化预测，其中包括患者发病的时间和治疗干预时间对临床疗效差异性的检测[35]，需进一步对生物节律如何影响卒中进展、临床疗效、预后等放方面进行相关研究，更好地理解昼夜节律生物学对脑卒中的发生发展、治疗反应、恢复和预后的影响，可为临床制定个体化治疗方案和设计临床试验方案提供理思路。

目前关于生物节律与脑卒中的临床转化方面还存在一定的挑战，主要包括以下几方面：首先，目前大多数的研究结果是基于全时钟基因敲除小鼠而不是组织特异性基因敲除小鼠。其次，虽然生物钟的调节中枢位于下丘脑视交叉上核，但外周组织器官可对生物钟进行局部和自主地反馈调节，并且局部的稳态信号通路可以影响外周组织中昼夜节律时钟基因的表达和生物学功能[1]，因此，外周生物钟在调节各个组织器官的功能中具有重要的作用[36]，并且在研究生物节律对心血管疾病的影响时需要明确区分中枢时钟和外周时钟的具体作用。另外，建议利用细胞类型特异性基因敲除小鼠进行相关研究。另外进行昼夜节律相关研究时，需考虑组织收取时间对实验结果的影响，并且需详细记录研究过程中的具体实验操作时间及干预时间。再次，需注意人类和实验动物本身昼夜节律是存在差异的，在类似的光线输入下，人类和啮齿类动物即使存在部分相同的生物钟组成成分，但可能却表现出相反的活动-休息周期以及不同的睡眠-觉醒模式。最后，由于临床研究中混杂因素相对较多，异质性相对较大，很难根据每个患者的时间类型来确定个体化的临床治疗方案，仍需要进行多中心大样本量的研究才能确定昼夜节律变化对研究结局的影响。

综上所述， 生物节律及时钟基因表达异常可影响脑卒中的发生、病理生理过程、治疗效果以及临床预后。生物节律可能作为治疗脑卒中的新靶点，可为开发治疗脑卒中的新型疗法提供思路。目前生物节律在治疗脑卒中的临床转化方面还存在一定的挑战，需要继续加深和扩大我们对脑卒中昼夜节律机制的理解，未来需对研究生物节律紊乱参与脑卒中发生的分子机制进行深入研究， 以进一步探索以生物钟为靶点的脑卒中治疗方法，为脑卒中患者提供新的治疗策略。