肝细胞昼夜节律告诉我们 为什么服药时间很重要

人类肝细胞遵循自己的昼夜节律，调节药物代谢和感染。

　　

人类的健康结果经常显示出每日的变化。例如，早上接种疫苗可能比下午接种疫苗更能引发有效的免疫反应同样，人们在一天中的某些时间更容易受到感染。这种可变性是由调节基因表达振荡的生物钟精心安排的。在细胞和实验动物中进行的实验表明，在疫苗反应和感染中起作用的肝脏显示出大量这种依赖于昼夜节律的基因表达影响肝功能。肝脏内源性时钟通过调节葡萄糖和脂质代谢，在维持肝脏稳态中发挥着重要作用。药物在肝脏中的药代动力学——包括药物化合物的分布、摄取、代谢和消除——是由受生物钟控制的转录因子调节的。然而，药物代谢和免疫反应的某些方面是人类独有的，由于缺乏实验系统而难以研究。

巴斯德研究所的寄生虫学家Liliana Mancio-Silva说：“我们知道肝脏有自己的昼夜节律，独立于我们大脑的中央时钟。”人类肝细胞的自主昼夜节律调节肝脏药物代谢和炎症反应。“我们想知道我们是否可以在体外模拟肝脏的昼夜节律振荡。”Mancio-Silva与麻省理工学院的生物医学工程师Sangeeta Bhatia合作开发了一种体外人类肝脏模型，他们在《科学进展》杂志上描述了这一模型。在表征他们系统中的肝细胞时，研究人员确定了受昼夜节律控制的药物代谢和感染易感性的基因。该模型模拟了肝脏的昼夜节律，为研究人员提供了一个平台，研究昼夜节律基因对人类肝脏功能的影响，并改善药物开发。

研究人员从个体捐赠者那里获得肝细胞，并将它们与提供结构支持的成纤维细胞一起培养，建立并表征了一个体外肝脏实验系统——通过调整培养条件来表达生物钟基因BMAL1，研究小组构建了能持续10周同步昼夜节律振荡的原代人肝细胞系统。通过生成这些肝细胞随时间的基因表达谱，作者证明了它们的转录状态在24小时内是动态的，发现有380多个基因循环表达，其中大多数基因与药物代谢、炎症和免疫反应有关。

细胞色素P450 3A4 （CYP3A4）是这些循环表达的基因之一，它编码细胞色素P450家族中的一种药物代谢酶，这种酶负责人类大约四分之三的药物代谢反应。他们发现CYP3A4酶活性呈波浪状发生，这表明药物的药代动力学可能因一天中的时间而异。为了验证这一点，研究小组用降脂药物阿托伐他汀，或非甾体镇痛药对乙酰氨基酚处理肝细胞。这些药物在高剂量时对肝脏有害，因为它们被CYP3A4代谢成有毒的副产物。在处理过的细胞中，他们观察到较高水平的CYP3A4与较高的细胞死亡相关，这表明通过优化给药时间可以将药物的不良影响降到最低。

Mancio-Silva和团队继而使用体外系统来研究昼夜节律基因如何影响肝脏的免疫和感染。他们发现，干扰素——人体的抗病毒因子，刺激了表现出振荡表达模式的基因子集。当研究小组将肝细胞暴露于引起疟疾的寄生虫恶性疟原虫时，他们观察到，当调节免疫反应的基因下调时，细胞更容易受到感染。这一观察结果并没有让Mancio-Silva感到惊讶。“我们知道疟疾有昼夜节律成分。”传播疟疾的蚊子叮咬人类，并在人类免疫反应下调的夜间传播寄生虫。这些发现不仅告诉了研究人员如何更好地管理抗疟疾药物治疗，而且还强调了实验生物学家在研究肝脏时必须将时间作为一个因素来考虑。“这些结果也让我们对所使用的肝脏模型充满信心，”Mancio-Silva说。“我们可以真实而忠实地再现人类肝脏。”

索尔克生物研究所（Salk Institute for Biological Studies）的时间生物学家萨奇达南达·潘达（Satchidananda Panda）没有参与这项研究，他说：“（这些结果）是20年来预测的顶峰。”他指出，研究人员之前已经在小鼠身上展示了药物代谢基因的循环表达，“但没有真正的实验表明细胞色素P450基因的活性是否在人类肝脏中循环。”“这篇论文的技术突破是使人类肝细胞存活10周，”这使得Mancio-Silva和她的团队首次证明了人类体内药物代谢酶的活性是周期性的。然而，他也同时指出，该系统持续浸泡在葡萄糖中，这并不能模仿生理上发生的禁食-进食循环。尽管如此，这是研究人员对人类肝脏昼夜节律系统最接近的概括。探索CYP3A4以外的药物代谢基因的昼夜节律控制对未来的研究很重要。