編譯 | 小白薯

眾所周知，2017 諾貝爾生理或醫學獎頒發給了三位美國遺傳學家傑弗裡·霍爾（Jeffrey C. Hall）、邁克爾·羅斯巴什（Michael Rosbash），以及邁克爾·楊（Michael W. Young），以表彰他們在發現果蠅生物節律分子機制方面的貢獻。而在此前，醫學界真正將生物節律——作為第四維度的時間——考慮在疾病治療的臨床應用卻並不廣泛，它的重要性似乎一直被科學家和醫生有所忽略。隨著近些年來的研究和發現，生物節律正在成為提高藥物療效和減少藥物毒性的關鍵因素。事實上，已經有很多研究證據表明，某些藥物在不同的時間用藥的藥效大不相同，有些適合白天用藥，有些在夜晚則比在白天更有效。這表明，靶細胞的生物學規律將決定組織器官一天的特定時間對藥物的反應，從而調節藥效。因此，生物節律的時間因素是時候成為轉化醫學研究中不可或缺的一部分了。

近日，瑞典Karolinska Institutet的Barbara Canlon教授在Cell Metabolism雜誌上發表觀點文章Medicine in the Fourth Dimension，討論了疾病與生物節律的關係。其中Michael Rosbash與Michael Young也是該文章的合作者。

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一、人日夜節律的差異

過去幾十年，儘管科學家對於模式生物中的生物鐘分子機制有了很深的認識，但是生物節律基礎研究與臨床應用之間還有很長的距離。要想跨越基礎研究和臨床之間的這條鴻溝，就必須要在醫療實踐中整合晝夜節律生物學元素【1】。

許多研究表明，生物節律對於疾病的影響十分重大。例如，許多研究表明心臟病在早晨發生的概率更大，其原因可能是由於心血管的日/夜波動，如受血壓和心率的晝夜變化所影響【2-5】。還有研究表明，心臟手術等對身體傷害嚴重程度受時間的影響也比較大。具體而言，與早晨相比，下午進行手術的風險顯著降低【6】。同樣對齧齒動物的研究也證明了這種現象的存在。

有趣的是，在心肌細胞生物鐘被破壞的動物中，齧齒動物心臟損傷的晝/夜波動就會不存在【7】。此外，在醫院的環境中，生物節律過程會被一些在白天或夜晚的常規活動中斷，包括照明、藥物喚醒、夜間腸外營養的遞送（包括與日常食慾和消化週期不同的階段），以及與藥物代謝酶表達同步的藥物輸送。這些事件中的每一個都代表著內部和外部時間之間的衝突。類似地，熬夜或用藍光屏閱讀可能使固有的晝夜節律週期與自然光週期失去同步

【8】。隨著年齡的增長，這種情況導致神經退行性等的患病風險大大增加【9】。

晝夜節律病理跡象包括在特定時間出現的異常狀況，例如夜間哮喘【10】和黎明時的葡萄糖峰值【11】。我們肯定比較熟悉的是，在學習認知上也存在時間變化，也有足夠多的證據證明這些現象，比如認知上存在的晝夜控制【12】、記憶力【13】和情緒變化【14】在不同時間段的表現不一樣。

此外，不同的工作時間和工作狀態也與某些特定疾病風險增加相關，包括代謝、心血管、炎症和腫瘤疾病【15】。輪班制工作會導致晝夜節律混亂，引起精神狀態紊亂和一些不良的習慣，如壓力增加、進食習慣改變、吸菸、情緒變得容易焦慮或不穩定。抑鬱症是與生理鍾紊亂相關的疾病之一，表現為深度睡眠障礙和清晨早醒等【16】。這種現象是由節律功能障礙引起的：“睡眠—覺醒”週期紊亂是嚴重抑鬱症的主要症狀，睡眠障礙反過來又是導致抑鬱症和其他情緒障礙的主要危險因素。例如，患有季節性情感障礙（seasonal affective disorder，SAD）—一種與冬季極度縮短的日照期相關的情緒障礙，該疾病改變了暗期褪黑激素的水平並且表現出變化的晝夜節律週期。通過“生物鐘學療法（chronobiological therapy）”可以緩解SAD症狀

【17】

事實上，或多或少所有成功的情緒障礙治療似乎都會與晝夜節律的調節相關，比如節律穩定，甚至重置內部生物鐘時間等，即使有時候這些對於治療不一定是必要的，但也絕對是有幫助的。當我們生了病去醫院看病時，不管大病小病，醫生一定會提醒我們要好好休息，規律生活。在現代社會中，世界上80％的人口現在會在夜間暴露在光線下【18】；20％的歐洲人和29％的美國工人從事倒班制的工作，這些行為使他們更容易出現節律紊亂和疾病。

因此，生物鐘對我們的健康至關重要。雖然許多研究人員最初從基礎科學角度研究晝夜節律，但越來越多的研究揭示節律紊亂會導致許多疾病，並讓我們不堪重負。因此，晝夜節律研究已不僅僅是生物學研究的重要領域，它也將對未來的臨床研究產生重大影響。另外，已經報道的這些研究也強調了現在正是將時鐘/節律分子生物學應用於人類健康的絕佳時機。

奧沙利鉑（Oxaliplatin）：生物鐘學如何破解時間之謎

藥物開發是一項複雜的科研活動，需要根據受試者確定潛在新藥的推薦劑量，而不論時間、性別、年齡、生活方式或並存病症。在這方面，製藥公司長期以來一直試圖通過提高I期、II期和III期臨床試驗的成功率來改善從動物模型到人類的轉化途徑。然而，儘管有最佳的藥代動力學/藥效學（pharmacokinetics/pharmacodynamics，PK/PD）、靶特異性、組織可用性和精心的患者試驗組選擇，但許多藥物仍然不能從臨床前試驗走到最後的認證【19】。

即使上市後，有些藥物也會因不良反應而被下架或撤市【20,21】。雖然有許多因素（例如：排卵週期長度、低LDL膽固醇或壽命）導致將藥物從齧齒動物研究轉化為人類應用的失敗，但晝夜節律因素也可能與此類失敗有關。比如夜間動物的臨床前研究是否是在最合適的時間測試藥物？對人類的測試是否沒有考慮時間安排？或者是根本不考慮時間或節律的相關因素？

奧沙利鉑是一種由於忽略生物鐘效應而有可能被放棄臨床應用的藥物之一。奧沙利鉑是目前廣泛用於治療結腸癌的鉑類抗癌藥，在全球範圍內被廣泛認可和使用。但是在1990年，法國知名製藥公司Rhone-Poulenc-Rorer的I期臨床試驗中

【22】，因為它的過量毒性被停止使用。後來，該藥物被出售給剛剛建立的瑞士製藥集團Debiopharm，他們想通過時間藥理學建立奧沙利鉑的安全性和有效性。小鼠的毒性和功效研究【23】為臨床試驗中需要考慮到時間因素提供了指導【24】。

最終，臨床I期和臨床II期試驗中，在考慮了晝夜節律的時間調節規律後，發現該藥物在16:00時達到峰值遞送效率，也確定了它的藥物的安全性【25】。在隨後的大型II期臨床試驗中，奧沙利鉑提供了其在結直腸癌中臨床療效的首次證明，在這個過程中，研發人員充分考慮了“時間調節遞送過程”在其中扮演的角色【26】；這一發在隨機III期試驗中也得到了充分證實【27】。因此，在奧沙利鉑的開發與應用過程中，通過整合時間藥理學，最終確定了最佳時間的藥物遞送，將不利影響做到了最小化同時將治療功效做到了最大化。這個案例是唯一一個有充分記錄的例子——差點由於缺乏對晝夜節律方面的考慮誤導了後續開發。但先前的失敗是一個突出的例子，它強調了臨床前和臨床研究人員應當好好考慮晝夜節律時間對於醫學研究和疾病治療的緊迫性。這些都應被考慮到新藥開發的臨床階段、以及新療法的臨床試驗之中。

二、節律系統：進化保守性與生理學相關性

解讀果蠅生物鐘分子機制的三位科學家獲得了2017年諾貝爾生理學或醫學獎。雖然他們主要研究對象是果蠅，但是生物鐘機制在動物中非常保守【28】，只是，在哺乳動物中許多組分存在多個拷貝，這增加了該系統在哺乳動物中的複雜性和冗餘性【29,30】

PERIOD蛋白（PER）似乎在所有動物的核心生物鐘中具有相同的結構和功能，儘管其響應的環境信號功能在不同的物種中不同【30】。比如，果蠅和小鼠PER蛋白存在少許差異【31】，但產生節律的基本分子機制高度相似。此外，這種生物節律的時鐘機制在專門的大腦區域（例如，果蠅中的輔助髓質[AME]和哺乳動物下丘腦的視交叉上核[suprachiasmatic nucleus，SCN]）中具有活性，與感光系統、激素系統具有緊密的解剖學和功能連接【32】。昆蟲和哺乳動物的主時鐘具有神經調節功能，並使用多種神經肽作為信號分子

【33】。昆蟲和哺乳動物主時鐘都影響行為節律，並通過體液因子和外周自主神經系統的組合連接到外周時鐘。

在哺乳動物中，SCN與外周器官之間的關係已經確立。為了調整其節律，SCN從視網膜接收信息【34】，通過自主神經支配與其他時鐘通信，調節全身，如體溫、激素信號和進食消化過程【35】。SCN可以通過神經肽直接影響行為和外周節律【36】，也可以通過自主神經間接支配控制外周時鐘。例如，SCN通過室旁核影響肝臟中的葡萄糖穩態或腎上腺分泌糖皮質激素【37】。此外，來自心臟、腎臟、胰腺、肺和甲狀腺的生物鐘也受自主神經連接控制。另外，由休息和活動週期調節的進食和體溫節律是調節肝臟、胰腺、心臟和腎臟的環境因素【38】。

節律基因的鑑定以及這些基因介導的細胞過程，可以很好地解釋個體神經元如何自主振盪。雖然個體神經元隨晝夜週期性振盪的能力現已得到很好的證實【39】

，但是對於動物個體，尤其是高等動物個體來說，幾乎所有的生物鐘行為都是組織內部和組織之間協同自主振盪的結果。有趣的是，節律單元之間的通信會賦予該組織的新屬性。例如，中央節律神經元之間的同步導致編碼和存儲日長的能力，這提供了關於季節的信息，這是許多生物體中生物鐘的主要任務【32】。

這些能力並不在單神經元水平存在。此外，哺乳動物的節律中心也受到外部環境—主要是光等的影響，並且它還可以整合來自其他腦區和外周器官的信號。這些信號都以重要的方式改變了節律中心的特性，這種信號信號不僅提供了適應性，而且提供了穩定性和精確性。

節律中心的鑑定提供了基礎“構建模塊”，可以讓人們瞭解單個神經元內的分子反饋環路如何與其他神經元中的類似機制相互作用。該信息產生神經元網絡，既具有基本分子振盪器的性質，也具有與其他神經元相互作用而產生的性質【32】。顯然，理解分子、細胞和神經組織的多個層次生物學節律，對於將人類晝夜節律生物學的轉化將是極其重要的。

三、轉化醫學面臨的挑戰

由於實際原因和工作日的安排，研究人員通常是在白天進行實驗，但這種設計在使用實驗室齧齒動物時會產生特殊的問題。最常見的區別是顯而易見的：小鼠和大鼠都是夜間活動的動物。

事實上，美國國家生物醫學研究協會（National Association for Biomedical Research in the US）報告說，小鼠和大鼠佔用了研究用所有實驗動物的95％。小鼠和大鼠在夜間活動，並且在夜間具有高代謝率、活躍的行為和高度警覺性；但人類是晝行的，恰好相反，人類在白天才具有更高的活躍性。因此，研究過程中的主要問題是：大多數使用齧齒動物的研究人員通常在白天進行實驗，而這時是相當於的小鼠的生理學夜間時期，與人類的夜間相對應，但是病人通常在夜間是不會給藥的，這是當今研究面臨的問題與障礙。當研究人員試圖將臨床前研究結果轉化到人類試驗時，夜間齧齒動物和人類之間的這些基本生物學差異可能構成嚴峻的挑戰。結果，可能導致轉化的失敗，或者錯過某些重要的成果轉化。

齧齒動物的白天與人類的白天

在實驗過程中，大多數行為和代謝實驗表現出強烈的時間依賴性，例如學習【40】或葡萄糖耐量測試【41】，而這些變化對於實驗方案的設計又是重要的考慮因素。然而，動物與人在這方便的差異至少在兩個方面變得更加微妙和難以評估。

首先，多數齧齒動物是多相睡眠（polyphasic sleepers）：雖然睡眠大部分時間都會在白天，但是齧齒動物也會在夜間以及沒有外界干擾的時候頻繁出現短暫的睡眠和覺醒【42】。晝夜節律系統和睡眠穩態是緊密相連但又是相對獨立的兩個驅動系統，其中晝夜節律驅動的覺醒是獨特的、具有時間性的，它可以驅動穩態睡眠系統，以鞏固睡眠和覺醒之間的一天24小時節奏【43】。

因此，儘管睡眠在分子機制和突觸行為這兩個方面具有高度保守性，但“睡眠壓力”的影響難以評估。此外，也許由於正常的睡眠頻率，齧齒動物一般會有個4小時的強迫覺醒，這跟人類更長時間的睡眠覺醒相當。其次，齧齒動物一般會頻繁地進食以維持代謝，這使得實驗室中長時間的禁食變得不自然。因此，典型的食物剝奪條件代表輕度飢餓，單日禁食可導致體重下降高達20％

【44】。

同樣，溫度的變化會導致進食行為發生巨大變化。研究表明，保持在33℃的小鼠比保持在20℃的小鼠少吃50％，小鼠保持在11℃會比室溫的小鼠多吃37％的食物【45】。總體而言，在相當於動物的睡眠階段進行實驗可能會對其生理學，和將其研究結果轉化為人類的能力產生重大影響。

夜間與白天節律系統對比

最近，遠古的哺乳動物活動模式被發現和重建。數據表明，由於在中生代早期哺乳動物（夜間活動）和恐龍（白天活動）之間的時間分隔，哺乳動物經歷了一個夜間瓶頸（nocturnal bottleneck）【46】。哺乳動物的晝行活動出現在恐龍滅絕後的新生代。隨著這種變化，在晝夜哺乳動物中出現了一些適應性，以優化其生理休息—活動的週期。從理論上講，可能存在三種不同類型的適應。首先是分子鐘的改變，使其由適應夜間改變為適應白天；其次，輸入傳感器的改變，使得它們以此前相反的方式影響分子鐘機制；第三，時鐘信號的解釋可能是相反的，這可以使生理途徑進行適當調節。

實驗表明，夜行和晝行動物的代謝活動節律相似【47】。在分子水平上，節律基因的表達在兩類動物中表現出相同的相位，並且都是光依賴的【48】。同樣，它們對夜間感知的光的行為反應也是相似的【49】。然而，在SCN神經元、腦節律基因和外周組織中，可能的節律目標因子的節律性在夜行和晝行動物中顯示相反的階段，例如生長因子α（TGFα）【50】。此外，激素（如糖皮質激素，瘦素和生長素釋放肽）和代謝物（葡萄糖和遊離脂肪酸）在夜行和晝行齧齒動物中也表現出相反的循環階段【51】。

然而，有證據表明，夜行和晝行哺乳動物的生物鐘輸入途徑不同。例如，晝行物種樹鼠（Tupaia）在恆定的黑暗條件下顯示出心律失常【52】，而夜間小鼠在這些相同的條件下是正常的節律性和自由奔跑的活動。然而，在恆定的強光條件下，情況會逆轉：夜間齧齒動物會變得心律失常，而晝行樹鼠則表現出強勁、有節奏的自由活動狀態

【52】。

與核心時鐘階段相似，夜行和晝行物種之間的差異可能來自細胞和神經網絡水平而不是遺傳水平。解剖學研究觀察到，在晝行動物中，經典的光感受器在光反應中比在夜間動物中的發揮了更重要的作用【53】。光抑制和光活化細胞之間的比例在兩種動物之間不同，則表明它們的光輸入機制不同【54】。總的來說，適應晝夜性似乎也可能包括SCN上游的途徑。

上述觀察結果與最近對狒狒神經和外周組織中晝夜轉錄組的研究分析基本一致【50】。晝行狒狒和夜間小鼠之間的比較顯示，除了SCN之外，大多數時鐘基因的峰值相位在可比較的組織之間是相反的。實際上，在所有哺乳動物物種中，松果腺是不依賴於夜間或晝行活動的組織器官，僅在夜間分泌褪黑激素【55】。這種現象在外周組織是多樣且自主的。研究表明，小鼠、大鼠甚至人類中的外周器官（但不是SCN）的時鐘相位受餵養—禁食週期循環的支配作用，表明食物的攝取是外周器官的主要同步器

【56】。胰島素信號傳導驅動時鐘蛋白PER的合成，以在攝食時間內引導晝夜節律【57】。

這些可以解釋在夜行和晝行物種之間，存在外周振盪器受餵食時間活動影響的循環模式。然而，所有物種在SCN和外周器官之間保持著恆定相位關係。如上所述，齧齒動物SCN將光信號整合到自主分子和電子振盪中，而自發分子和電子振盪又通過神經和體液途徑傳遞到身體。儘管糖皮質激素將SCN信號傳遞給外周時鐘，但是反饋信號可以在沒有SCN的情況下，依賴胰島素和IGF-1【57】傳送到外周時鐘【58】。因此，考慮到夜間物種中SCN和外周時鐘與晝行物種相比的相反相位關係，開發與人類生物鐘相關的模式生物，用於疾病治療可能是非常有用的。

生理節律藥代動力學（Circadian Pharmacokinetics）

在齧齒動物睡眠期間進行的實驗操作不僅會影響結果向臨床應用的轉化，而且由於藥代動力學的變化，在一天的不同時間施用藥物也會導致各種結果。藥物的藥代動力學受其物理化學特性和吸收、分佈、代謝及排洩（absorption, distribution, metabolism, and excretion，ADME）等特性的支配。早在20世紀80年代，科學家就對藥代動力學、時間藥代動力學的潛在晝夜節律調節進行了綜述

【59】，並研究了涉及ADME不同方面因素的節律生物學調節問題。

已經利用實驗齧齒動物和人類進行過試驗的數百種化合物，它們的ADME特性有可能都受到晝夜變化的影響【60】。在某種程度上，它們受到晝夜休息活動模式的影響，例如進餐時間、睡眠—覺醒週期和身體活動等，所有這些都可以調節血壓和血流。從影響程度來講，不僅取決於給藥途徑和排洩途徑，還取決於胃pH和胃腸動力的晝夜節律調節，這些都會影響藥物的吸收。相比之下，血流和毛細血管灌注同樣影響藥物從胃腸道的吸收，分佈到組織和靶器官，甚至通過腎臟中的腎小球濾過率排洩【61】。最近的研究表明，血腦屏障的異質物外排也受到晝夜節律的調節，這可能影響針對大腦的藥物治療的反應【62】。

總之，晝夜節律調節對給定藥物的ADME性質（以及時間藥代動力學的相關性）產生影響，在很大程度上取決於化合物在吸收、分佈和吸收過程中與轉運蛋白相互作用的程度，以及代謝過程。

因此，給定藥物的藥代動力學可能根據其遞送當天的時間不同而不同，這一方面尚未在臨床研究、藥物開發、監管機構註冊或醫學和藥學實踐中進行系統檢查。應特別注意的是一些窄譜的治療藥物，或藥效學效應與血漿或組織水平之間的相關性，它們都可能很大程度上受到生物鐘調節【63】。並且，所有這些參數在不同的模式生物中都可能存在很大差異。

藥物功效不僅取決於藥物的藥代動力學，還取決於生物鐘調節基因的內部狀態，這反過來將決定靶細胞的敏感性，和在一天的特定時間內對藥物的吸收途徑。

治療疾病的時間藥理學顯示，當給藥時間適當時，功效可以得到改善，副作用也會減少。例如，與下午相比，早晨流感疫苗接種的抗體水平較高【64】。接受吲哚美辛（indomethacin）緩釋劑治療髖關節或膝關節骨性關節炎的患者，在早晨給藥後意外發生率升高33%，而晚上給藥則為7％。在主要是夜間疼痛或早晨疼痛的受試者中，晚上給藥的止痛和抗炎作用最有效【65】。

在哮喘兒童中，晚上服用茶鹼緩釋劑可以達到最大的給藥功效

【66】。在腫瘤學中，奧沙利鉑（oxaliplatin）、5-氟尿嘧啶（5-fluorouracil）和亞葉酸鈣（leucovorin）藥物經常聯合用於治療轉移性結直腸癌，當遵循藥物的時間調節後，在以恆定的速度持續5天實驗中，僅在14％的患者中產生嚴重的粘膜毒性，與接受“標準”輸注的患者為76％的比例相比顯著降低【27】。一項涉及842例轉移性結直腸癌患者的三項國際隨機試驗的分析進一步證明，三藥物的“時間療法”計劃顯著提高了男性（而不是女性）的總體生存率【67】。

這些結果引發了進一步的臨床前和臨床研究，旨在提供可靠和實時的晝夜節律計時度量系統，以個性化時間治療策略。根據患者的自身條件，這種晝夜節律生物標誌物評估顯然是定製時間療法的必要條件。此外，在對1,077名癌症患者進行的彙總分析中，與可靠性相比，晝夜節律中斷的病例與生存率和生活質量的降低相關，這一發現支持了為患者開發時鐘生物學靶向療法的需求【61】。

幾項大型研究強調了治療的晝夜節律時間與過敏、風溼病、睡眠、心血管和惡性疾病的臨床耐受性和/或療效的相關性

（表1）。值得注意的是，大多數藥物在晚上給藥時顯示出更大的功效。相反，糖皮質激素顯示出相反的效果，在早晨具有更大的功效。例如，將類風溼性關節炎的標準潑尼松（prednisone）治療與晚上攝入慢性替尼龍片進行比較，該片劑在清晨自動釋放藥物，遵循時間節律釋放片劑使中位關節僵硬度緩解率提高22％，而標準潑尼松治療則為0.4％【68】。

值得注意的是，大多數靶向晝夜節律相關基因的暢銷藥物，半衰期短於6小時。因此，給藥時間對半衰期短的藥物至關重要【69】。短半衰期化合物的一個例子是阿司匹林，其靶向生物鐘調控的基因（如：PTGS1，也叫 COX1），並且在夜間以低劑量遞送方式調節血壓【70】。因此，時間藥理學和晝夜節律生物標誌物研究現在正在塑造精確和個性化醫學時代的慢性病時間療法【61】。

四、提高藥物試驗臨床結果的潛在解決方案

a.對臨床前研究的時間和模型的考慮

如上所述，將基礎研究結果轉化為臨床的關鍵難點來自對齧齒動物進行的臨床前研究。通過顛倒齧齒動物的明暗週期可以很容易地糾正齧齒動物和人類之間的生物鐘不匹配問題，從而消除科學家在夜間進行實驗的必要性。那麼另外的解決方案是將晝行齧齒動物納入臨床前藥物測試嗎？也不一定。這種設計即使在一天的不同時間測試藥物，也很難測試得到它們各自的最佳療效和減少毒性的時機，因為這些結果不僅取決於藥物代謝和目標的節律性，而且還取決於模式生物中藥劑反應的讀數。

或許疾病模型才是測試藥物的最強有力的論據，而不是它的晝夜性。不過，也有一些晝行齧齒動物的數量（例如，蒙古沙鼠[Meriones unguiculatus]，智利八齒鼠 [Octodon degus]，非洲尼羅河草鼠[Arvicanthis niloticus]和羚羊地松鼠[Ammospermophilus leucurus]）可供選擇，它們作為藥物開發的實驗模型的價值值得探索

【71】。更簡單和自然的方法是在正常齧齒動物（小鼠和大鼠）的住房環境中逆轉或改變光暗循環，以便在白天進行實驗工作而沒有與相位相關的影響。例如，從10:00到20:00關燈，僅允許動物看護人在早晨光照下完成飼養任務，而其它動物實驗在黑暗中進行【72】。許多測試表明夜行動物的夜間行為和認知能力更強【73】。

齧齒類動物的強直性疼痛敏感性在白天最大【74】。還可以使用具有獨立光暗循環的隔離式外殼，或自動化動物時間生物學設施，其中的光暗時間可以通過計算機編程【75】。在這樣的動物設施中，應避免意外的光汙染（例如來自走廊）或可能帶來動物節奏的噪音。另一種解決方案是在沒有人為干預的情況下使用自動化系統在夜間收集數據，其中夜視鏡或相機可以提供在黑暗中進行實驗的手段。

在控制動物的晝夜週期並考慮臨床前藥物治療的時間時，另一種改善治療效果的方法是針對節律系統。分析表明，許多生物鐘調節基因與疾病基因高度相關

【69】。許多（但不是全部）節律調節基因在阿爾茨海默病、精神分裂症和唐氏綜合症等疾病中發生突變，並參與神經衰變。其他節律相關疾病包括肥胖症、2型糖尿病和癌症等。衰老導致生物節律基因的轉錄組重編程，使其在器官中受到差異調節【76】。鑑於生物鐘調節大多數人體生理學【77】，其中大約一半的人類蛋白質編碼基因受生物鐘調節（包括藥物轉運蛋白，代謝酶和靶標）【78】。因此，直接靶標生物鐘調節基因對於疾病的治療或許更讓人感興趣。

抑制或增強目標生物鐘系統。鑑於基本的晝夜節律機制是轉錄/翻譯激活和抑制的反饋環，對生物鐘功能的任何抑制基本上阻止了朝向一個極端或另一個極端的機制。另一方面，增強晝夜節律可能為包括癌症在內的治療提供優雅的“無傷害”機制【79】。

例如，在一項研究中，擾亂的生物鐘功能導致從非酒精性脂肪肝病（NAFLD）向纖維化和癌症的進展【80】。這種變化通過節律基因的遺傳破壞得到了加強。再比如，通過增強BMAL1/CLOCK或抑制REV-ERBα活性來改善節律功能可以改善結果。據報道，與早晨相比，下午接受心臟手術的患者的主要心臟不良事件發生率較低。與早晨人類心肌中REV-ERBα的高表達一致，在小鼠睡眠—覺醒過渡時使用選擇性拮抗劑（SR8278）阻斷REV-ERBα的功能，可保護小鼠免受心肌損傷

【6】

利用晝夜節律。隨著臨床前研究人員對生物鐘調節生理機制的新發現，這些機制中的每一種都為治療提供了潛在的干預點。我們也可以舉出很多例子說明生物鐘基因參與疾病的調節。例如，生物鐘蛋白以許多不同方式相互作用以控制藥物代謝和運輸。GLUT2是一種溶質載體和藥物轉運蛋白，在小鼠和人體中具有高振幅的時鐘調節作用。

在疾病治療過程中，在合適的時間添加鏈脲黴素、化學治療劑和GLUT2底物可顯著降低其毒性。在夜間用CCR2拮抗劑RS102895治療動脈粥樣硬化可減少病變的形成，而白天治療無效【5】。數百種其他藥物代謝酶、轉運蛋白和藥物靶標也是時鐘調節的，許多具有高振幅調節功能。這些知識可用於改善現有藥物的作用，但也納入新候選藥物的試驗中。

不依賴於生物鐘系統的基因表達調節。最後，另一種可能性是開發靶向時鍾蛋白的治療藥物，而不管它們的生物鐘功能如何。實際上，全面的ChIP-seq研究表明CRY1和CRY2等單個節律蛋白可能與其他節律蛋白無關，而是與非晝夜節律性啟動子相關【81】，並且，可能影響這些節律蛋白的藥物能以不依賴於時鐘系統的方式影響著這些基因的轉錄產生。因此，時鐘蛋白靶向藥物也可以發揮與疾病相關、但不依賴於生物鐘節律的轉錄效應。

理解生物鐘節律的重要性

條件誘變已經闡明瞭個體組織生物鐘在整個睡眠—覺醒週期的不同時間對體內平衡的貢獻。當控制一天中的時間、營養狀態（例如，禁食或餵養）和發育年齡時，不同器官的局部節律將合成代謝和分解代謝過程分配到一天中的不同時間【82】。

有些領域我們仍然瞭解不多，比如特化的起搏器節律神經元和星形膠質細胞，它們是如何在能量平衡、睡眠、情緒、學習和記憶中涉及的通路中的保持聯繫和穩定的。由於生物鐘是穩健且相互關聯的，因此其中的挑戰是：動物中個體因素的擾動可能導致另一分支的補償性上調，遺傳策略必須控制這種代償性基因調控環帶來的影響。

例如，在實驗設計中，研究人員可能會考慮在自由運行條件下監測行為和生理終點，或使用基於細胞的模型，包括來自不同組織的三維器官【83】，這些組織缺乏複雜的調節網絡，但是臨床前的應用必須將個體實驗推進到底。推進完整晝夜節律的概念及其在哺乳動物生物體中的作用，仍然是繪製生物鐘在人類健康中作用的關鍵目標。

五、結論

有明確證據表明晝夜節律機制參與調節了眾多的疾病，但研究人員對其在臨床前和臨床研究中的重要性的認識卻很少。本文重點介紹了夜間齧齒動物在睡眠時間進行實驗時遇到的障礙，以及這種實驗設計如何影響到向人類的轉化。我們提倡使用生物節律知識進行臨床前研究的範式轉換，以便通過考慮藥物動力學、目標和疾病的晝夜節律狀態來適當地制定治療干預措施（圖1）。考慮一天中的生物鐘療法可以顯著改善臨床試驗成功率。在試驗或者臨床中，睡眠—覺醒週期必須在治療方案中得到充分考慮。另外一種新方法是開發和利用針對時鐘系統的藥物。

最後，為了加速這個領域的發展，資助機構需要更大的投入。與此同時，製藥和生物技術公司應將現有的晝夜節律知識應用於其藥物開發渠道。甚至學校開設相關課程，對相關生物學知識的傳播也會起到很大的作用，使該領域有源源不斷的生力軍。總之，是時候認真對待“時間”了（It is time to take time seriously）！

原文鏈接：

https://doi.org/10.1016/j.cmet.2019.06.019

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參考文獻

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