昼夜节律紊乱增加卒中风险机制的研究进展

贾慧，王迪，所芮，卫馨雅，朱雨岚

1 昼夜节律紊乱

1.1 昼夜节律 自1729年Jean-Jacques de Mairan证明含羞草叶片的开合存在昼夜节律后，人类对生物体昼夜节律的研究逐步深入，昼夜节律系统是从单细胞生物到人类都高度保守的生物计时系统。分子时钟几乎存在于人体每个细胞中，包括视交叉上核（suprachiasmatic nucleus，SCN），由周期约24 h的转录-翻译反馈环路驱动，该环路中的蛋白质同启动子和增强子元件中的顺式元件结合，从而控制相关基因的表达。哺乳动物的昼夜节律起搏器在SCN，其中约有10 000个神经元各自表达分子时钟振荡，通过一套复杂的机制耦合、同步[1]。SCN神经元群体在夜间多为静息状态，在黎明开始发出动作电位，继之以稳健而缓慢的节奏在一天中持续发放[2]，分泌加压素、血管活性肠肽、转化生长因子α、生长抑素、钙结合蛋白等输出分子[3]，与SCN输出通路上目标神经核表面的受体结合同步外周时钟，通过下丘脑-垂体-肾上腺轴（hypothalamic-pituitary-adrenal axis，HPA）调节自主神经神经冲动的传出，如通过交感神经控制松果体褪黑激素的分泌，调节体温、睡眠-觉醒、代谢、内分泌、免疫系统等整个基因组的表达[4]。

下丘脑SCN是哺乳动物昼夜节律行为的主起搏器，一般被视为中央生物钟；除SCN外哺乳动物全身细胞均存在时钟基因及其蛋白质表达的节律性，且在体外培养时也不消失，表明非SCN细胞中也存在内源性昼夜节律振荡，视为外周生物钟[5]。

1.2.1 内源性昼夜节律紊乱 内源性昼夜节律紊乱表现为内在昼夜节律睡眠-觉醒调节机制障碍。内在昼夜节律睡眠-觉醒调节机制障碍是一类由昼夜节律计时系统/夹带机制改变，或内源性昼夜节律与外部环境之间不匹配引起的睡眠障碍[8]。

如果被允许在喜欢的时间睡觉，ASWPD和DSWPD患者均表现出正常的睡眠质量和时长，但与社会、家庭、职业、教育需求的时间冲突。ASWPD和DSWPD发生的原因可能包括遗传、环境、行为因素。N24SWD主要存在于缺乏光感的个体，视力正常的个体中也存在，可能与固有昼夜节律周期较长很难被24 h光-暗循环夹带有关。ISWRD发生的原因可能是中央昼夜节律起搏器紊乱或环境破坏，致使强授时因子的暴露减少，最常见于发育缺陷的儿童和患神经退行性疾病的成年人，这些人群常具有退化的SCN且缺乏自理能力[9]。

1.2.2 外源性昼夜节律紊乱 外在因素引起的昼夜节律紊乱是外源性因素如轮班、不规律的生活作息、跨时区旅行等使授时因子给予机体紊乱的环境信息从而导致昼夜节律系统的紊乱[10]。机体内部时钟受到授时因子调节，可同步于环境时间线索，这一过程称为夹带。光-暗循环、食物[11]、运动这3种授时因子信息分别通过视神经、弓状核和中缝核传入SCN，是目前认为最重要的3种授时因子。

2 昼夜节律紊乱对脑血管病危险因素的影响及其增加卒中风险的机制

内源性和外源性因素均可导致昼夜节律系统紊乱，而与此相关的糖尿病、高血压、血脂异常、慢性炎症状态、肥胖、早衰等脑血管病危险因素，会极大地加速卒中发展。

昼夜节律紊乱通常意味着机体处于紊乱/错位的光-暗、活动-休息、进食-禁食循环中。SCN内部有一套可以耦合其不同固有时相神经元的复杂结构，这套结构可以使神经元振子局部统筹的亚群在24 h的光-暗循环下保持同步。在一项将动物置于22 h光-暗循环的动物实验中，观察到实验动物的SCN腹外侧和背内侧之间时钟基因表达不同步、运动活动-睡眠-体温-褪黑激素相位不同步[12]。这可能是由于SCN亚群正常的时相耦联被扰乱，进而极大地影响行为和激素节律。类似现象在昼夜节律紊乱的人类研究中也有发现。

食物被认为是仅次于光-暗循环的授时因子，对中枢时钟的影响不明显，但可以影响外周的分子时钟。进食时间可以调节消化系统的生物钟，其改变可导致细胞和器官昼夜节律紊乱、功能失调，进而导致代谢失调。分子生物钟与代谢的关系已被科学界广泛认可，生物钟基因敲除小鼠很多特征与代谢综合征有关联，包括脂肪细胞肥大、脂肪肝、血脂异常、低胰岛素血症、高血糖症、肥胖；在人类研究中与入睡更接近的进食及19：00后进食高热量食物皆与肥胖相关，可能与外周生物钟紊乱有关。

许多代谢功能均存在昼夜节律性，包括调节胆固醇及其他脂质、葡萄糖和氨基酸的酶的表达和活性。昼夜节律紊乱还能通过肠道微生物群影响代谢综合征的发展，肠道微生物群被称为辅助性消化器官，在维持黏膜屏障完整性、食物消化吸收中均起到重要作用，存在昼夜变化，进食节律是主导调控因素，也受温度和褪黑激素影响。反之，微生物群也可以通过代谢产物的节律性影响宿主的胃肠道昼夜节律，微生物群的消融可以影响到宿主的生物钟基因表达。进食节律的相移可以影响血清葡萄糖水平，尤其是峰值的节律改变，可能是外周时钟调节的结果[13]。

褪黑激素的作用是使内部激素环境与外部光-暗循环同步，外部授时因子将环境信息传入到SCN，SCN输出信号至松果体调节褪黑激素的释放，所以褪黑激素可以作为内部时钟的指征，因此被视为内部昼夜节律系统紊乱的生物标志物。多项大规模临床队列研究结果均显示轮班工作者的褪黑激素水平降低、节律/峰值改变，睡眠/工作褪黑激素比例失调，睡眠中断、睡眠障碍症状增加[14]。由此可见处于不当的昼夜环境中会使身体内部昼夜节律系统紊乱。

牧师属于中产阶级，常常与上流社会阶层打交道。对于上流社会中没有继承权的人来说，成为一名牧师不失为一个好的选择，比如《德伯家的苔丝》中的亚雷和《理智与情感》中的爱德华。英国国教与旧贵族的联系在工业革命前十分紧密，宗教的封建化和世俗化也在不断加强。

生物钟核心成分破坏的动物模型表现为早衰、肥胖、高脂血症、低胰岛素血症、高血压、全身性炎症增加等，例如Bmal1-/-小鼠表现为高脂血症、肥胖、血压心率昼夜节律紊乱、早衰，骨髓细胞Bmal1-/-小鼠表现为全身性炎症增加，Cry1-/-小鼠、Cry2-/-小鼠表现为高血糖、高血压，为生物钟紊乱对能量稳态、脂质、葡萄糖代谢、免疫系统、血压、衰老的影响提供了证据。而因此所导致的葡萄糖-胰岛素代谢紊乱、高血压、血脂异常、免疫激活、肥胖、早衰等最终会增加卒中的风险[15-16]。

2.1 昼夜节律紊乱通过影响胰岛素-葡萄糖代谢增加卒中风险 糖尿病介导卒中发病的机制可能包括血管内皮功能障碍、早期动脉硬化增加、系统性炎症、毛细血管基底膜增厚[17]。

下丘脑SCN通过下丘脑室旁核的γ-氨基丁酸能神经元控制肝脏专用的交感神经前自主神经元（负责肝葡萄糖的产生）和胰腺专用的自主前副交感神经元（负责胰岛素的释放），调节胰岛素和血糖的昼夜节律波动[18]。此外，褪黑激素受体直接与糖原异生、胰岛β细胞信号通路、胰岛素抵抗相关联。

昼夜节律紊乱可能通过以下3种方式诱导胰岛β细胞衰竭：胰岛β细胞生长、增殖和存活率的减少和胰岛素分泌功能缺陷，由对氧化应激的敏感性增加而导致的β细胞损耗增加[19-20]。众所周知，胰岛β细胞衰竭在2型糖尿病的病理机制中处于中心地位。糖尿病可大大加速卒中的进展。昼夜节律紊乱可能是糖尿病的一项独立危险因素，各行业对轮班工作者的流行病学研究均显示糖尿病患病率增加[21-24]。

2.2 昼夜节律紊乱通过影响血压增加卒中风险 高血压可通过多种机制导致卒中，颅内血管管腔内高压会导致内皮和平滑肌功能的广泛改变，内皮压力增加导致血脑屏障通透性增加、局部/多灶性脑水肿。内皮损伤、血细胞-内皮相互作用改变导致局部栓子形成，出现缺血性病灶，纤维素样坏死可通过局灶性狭窄、闭塞导致腔隙性脑梗死，平滑肌和内皮退变易诱发颅内出血，此外，高血压会加速动脉粥样硬化的发展[25]。高血压与所有类型的卒中都显著相关[26]。

时钟基因是一系列编码分子时钟蛋白的基因，通过协调相关基因，调节钠平衡、醛固酮、肾血管张力进而调控血压[27]，动脉血压存在生理性昼夜节律，日间水平较高，夜晚水平较低，与血压调节系统（如交感神经活动、皮质醇、醛固酮等）的昼夜变化吻合。

昼夜节律紊乱可扰乱儿茶酚胺、血压生理节律[28]。夜间血压下降可能对人体血压调节非常重要。夜间血压异常的患者，表现为夜间高血压或非杓型血压，心血管疾病发病率和死亡率的风险显著高于常规门诊诊断的高血压患者[29]。迄今为止测试的几乎所有类型的抗高血压药物在晚上服用对24 h血压控制都有更好的效果。昼夜节律紊乱是高血压发病、恶化的重要危险因素[30-31]。而高血压在缺血性卒中和出血性卒中中均为最重要的危险因素之一。

2.3 昼夜节律紊乱通过影响脂代谢增加卒中风险 高脂血症可以通过内皮细胞损伤、氧化应激、炎症、引起神经元丢失等机制加剧缺血性损伤[32]。越来越多的证据表明，生物钟在哺乳动物的脂质稳态中发挥着重要作用，肝脏基因表达水平存在昼夜节律，Rev-Erb基因可通过调节SREBP基因的表达从而调节胆汁酸和胆固醇的生物合成。血浆中TG的水平按照昼夜节律模式振荡，在活动阶段达到最大值。在人类中，血浆TG水平出现了两个单独的峰值，第一个峰值较小，大约在醒后8 h，第二个峰值大约在醒后20 h。昼夜节律紊乱会导致第二个高峰的缺失。时钟基因突变的小鼠容易发生高三酰甘油血症。昼夜节律紊乱可造成脂代谢紊乱导致卒中风险增加。

2.4 昼夜节律紊乱通过影响免疫系统增加卒中风险 炎症介导卒中的可能机制包括炎症刺激导致脑血管易于形成血栓，以及免疫细胞在动脉粥样硬化早期血管壁累积和晚期活化导致斑块破裂、血栓形成等。

免疫系统的活动随着昼夜节律而变化，生物钟控制免疫系统可能使生物体能够预测活动、进食、感染、组织损伤的日常变化，从而允许免疫系统做好准备。在动物活动前后，感染及受伤风险较大，生物钟使免疫系统活性增强，相反，机体休息时则为免疫系统修复及再生期，这一时期可能为炎症的消退和组织的修复提供机会[33]。免疫细胞及免疫过程普遍受生物钟调节。

昼夜节律紊乱小鼠骨髓细胞学检查中单核细胞前体表现为炎症前表型、免疫细胞谱发生转变、血管炎症和氧化应激增加。血管壁中炎症细胞增加，表明循环白细胞可能与环境昼夜节律不同步，进而导致免疫细胞功能失调，骨髓免疫系统可能被激活，炎症和氧化应激继而诱发趋化因子配体2使单核细胞于损伤的内皮部位聚集，趋化因子配体2-趋化因子受体2轴在动脉粥样硬化中发挥重要作用，昼夜节律紊乱小鼠动脉粥样硬化数量、大小、严重程度均显著增加[34]。人类研究同样显示昼夜节律紊乱使免疫细胞、细胞因子昼夜节律发生变化，免疫参数之间节律不同步，卒中风险升高[35]。

2.5 昼夜节律紊乱通过影响体重增加卒中风险 肥胖介导卒中的可能机制包括破坏控制糖代谢和脂代谢的通路、引起低度慢性炎症、改变脑血管结构和反应性等。

昼夜节律系统与能量稳态系统相互作用、相互影响，昼夜节律系统可通过调节睡眠和进食、脂肪组织、肝脏和其他外周组织来调节代谢，反过来，肠源激素、营养物质可通过自主神经向SCN发出信号[36]。

瘦素抵抗在昼夜节律紊乱介导的肥胖中起关键作用。瘦素由白色脂肪组织产生，作用于下丘脑弓状核中的瘦素反应性神经元，活化后可以抑制食欲、刺激能量消耗，昼夜节律紊乱可以诱导野生型小鼠中枢瘦素抵抗[37]。此外，时钟基因还可通过调节与胆固醇代谢、氨基酸代谢、药物和毒素代谢、柠檬酸循环以及糖原和葡萄糖代谢有关的某些代谢酶和转运系统的表达及活性来调节代谢[38-40]。多项队列研究均显示轮班工人的超重和肥胖发生率增加，而肥胖在2型糖尿病、胰岛素敏感性、动脉粥样硬化性疾病的风险中起重要作用[41-42]。

2.6 昼夜节律紊乱通过影响衰老增加卒中风险 衰老介导卒中发生的机制包括心血管储备降低、儿茶酚胺反应性下降、心律失常频率增加、瓣膜退行性改变、血压（尤其是收缩压）升高、脑血流量减少、代谢改变等[43]。

昼夜节律紊乱可加速衰老的发生，关键时钟基因敲除（Clock-/-，Bmal1-deficient，Per1、2-/-，Cry1、2deletion）的小鼠均表现出早衰的特征，而衰老生物体SCN的节律性电活动减弱，其调控的许多基因和蛋白质发生相移和昼夜节律振荡幅度降低[16]，氧化和硝化反应、氧化应激的抵抗力减弱、慢性低度无菌炎症、线粒体功能障碍、蛋白质稳态丧失、祖细胞衰竭等导致血管老化[44]，衰老的微循环功能下降，结构稀疏，在白细胞黏附和趋化、胰岛素信号转导功能等方面也发生有害变化[45]，衰老血管内侧/平滑肌层胶原增加，最终导致动脉弹性下降和硬化、动脉粥样硬化斑块形成，从而加速卒中的发生。

3 总结与展望

虽然昼夜节律紊乱作为卒中发病危险因素的确切机制目前尚不明确[46-47]，但其对卒中危险因素的影响均已有多项大型前瞻性研究结论支持。昼夜节律紊乱对缺血性卒中发病的深远影响正在逐渐被揭开，目前基础医学方面的研究较多，临床类研究还有很多空白，内在昼夜节律睡眠-觉醒障碍对卒中影响的研究也有待开展。未来昼夜节律紊乱的干预有望成为缺血性卒中预防及防止复发有效且低成本的规范二级预防措施，其中褪黑激素信号、食欲素信号类药物已进入临床试验阶段，靶向时钟分子组件和关键调节因子的小分子调节剂正在研发中，另外生活方式的干预包括光疗法、限时摄食法治疗昼夜节律紊乱也在临床试验中[48]。长期的睡眠节律紊乱既可引发卒中，又可影响卒中患者的功能康复，导致预后不良，深入研究其病因及机制对卒中的防治意义重大。

【点睛】昼夜节律紊乱作为卒中发病危险因素的确切机制目前尚不明确，可能通过影响胰岛素-葡萄糖代谢、血压、脂代谢、免疫系统、体重、衰老增加卒中发病风险。