综述：干细胞的 “神秘时钟”：解锁昼夜节律，开启再生医学新大门

为明确干细胞中昼夜节律的存在及作用，研究人员开展相关主题研究。结果发现其存在争议但有应用潜力，将其融入临床或可提升干细胞再生医学疗效。推荐阅读，助您了解该领域前沿进展，把握科研新方向。

　　

在生物的奇妙世界里，有一种神秘的 “内在时钟”，掌控着生命活动的节奏，它就是昼夜节律（circadian rhythm）。早在 1729 年，人们就发现含羞草即使在没有光照的情况下，也会有规律地进行自我维持的运动循环，这一有趣的现象开启了对昼夜节律的探索之旅。2017 年，Jeffrey C. Hall、Michael Rosbash 和 Michael W. Young 因对昼夜节律分子机制的开创性研究，荣获诺贝尔生理学或医学奖。至此，昼夜节律的神秘面纱被逐渐揭开。人们发现，几乎身体里的每一个细胞都有这种昼夜节律，大量外周组织中的基因也呈现出昼夜表达模式。在哺乳动物体内，视交叉上核（SCN）作为 “总指挥官”，维持着大约 24 小时的周期，协调着各个组织的生物钟。

然而，在干细胞这个特殊的 “小世界” 里，昼夜节律的存在却充满争议。一些研究表明，在多种胚胎细胞系中，著名的时钟基因并没有表现出振荡现象。将分化的细胞重编程为诱导多能干细胞（iPSCs）时，昼夜振荡也会被打乱，这似乎暗示着昼夜时钟调节器是在细胞分化过程中逐渐成熟的。但另一方面，干细胞又表现出振荡的代谢活动和增殖速率，这又让人猜测，难道在胚胎阶段，干细胞就已经有昼夜节律了？这种矛盾的现象让科学家们十分困惑，也激起了他们强烈的探索欲望。毕竟，如果能搞清楚干细胞的昼夜节律，就能更好地利用干细胞进行治疗，这对于再生医学来说，无疑是一个巨大的突破。于是，一场关于干细胞昼夜节律的研究 “大战” 就此拉开帷幕。

为了揭开干细胞昼夜节律的神秘面纱，研究人员在《Stem Cell Research & Therapy》期刊上发表了名为 “Circadian rhythm in stem cells: implications for regenerative medicine” 的论文。经过一系列深入的研究，他们发现，虽然干细胞的昼夜节律存在争议，但越来越多的证据支持其存在。而且，将昼夜节律融入临床应用，有可能提高基于干细胞的再生医学的治疗效果。这一发现就像在黑暗中点亮了一盏明灯，为再生医学的发展指明了新的方向。

在这场探索之旅中，研究人员运用了多种技术方法。他们通过生物发光研究，观察时钟基因的振荡情况；利用基因表达分析技术，探究不同状态下基因表达的差异；还进行了细胞功能检测，监测干细胞的增殖、代谢等活动变化。这些技术就像研究人员手中的 “秘密武器”，帮助他们一步步深入了解干细胞的昼夜节律。

研究结果可谓是精彩纷呈。首先是 “分子时钟机制”。昼夜节律的转录 - 翻译反馈回路（TTFL）是个复杂而精妙的系统，它包含核心回路和稳定回路。在核心回路中，CLOCK 和 BMAL1 蛋白就像两个 “勤劳的小工匠”，它们结合到 Period（PER1 - 3）和 Cryptochrome Circadian Regulator（CRY1/2）基因的 E - box 增强子元件上。随后转录产生的 PER 和 CRY 蛋白进入细胞核，抑制 CLOCK/BMAL1 的活性，形成一个负反馈循环，就像一个精密的齿轮系统，一环扣一环，使得整个周期大约为 24 小时。而在稳定回路中，CLOCK/BMAL1 又会诱导核受体 REV - ERBα/β 和视黄酸相关的孤儿受体（RORα/β）的表达，它们之间相互竞争、相互协作，共同维持着昼夜节律的稳定。除了这个核心机制，转录后和表观遗传修饰也对昼夜节律有着重要影响。比如，PER2 的磷酸化可以增强它与 CRY 的结合，促进核转运并防止降解；SUMOylation 修饰 BMAL1，能增强它的转录激活和泛素依赖的降解。另外，还有一种非经典的昼夜节律途径 —— 氧化还原过程。研究发现，在人类红细胞（没有 DNA）和蓝藻中，即使没有转录，也能维持昼夜节律。在哺乳动物中，SCN 组织切片中 FAD 和 NADP 的氧化还原状态振荡，能调节 SCN 神经元的兴奋性。这一系列发现让我们看到了昼夜节律调控的复杂性和多样性。

接着是 “干细胞中的昼夜时钟”。这部分的研究结果充满了矛盾和惊喜。一方面，有研究表明干细胞中似乎不存在昼夜节律。比如，在小鼠胚胎干细胞（ESCs）的生物发光研究中，没有检测到昼夜节律，而且在分化过程中，时钟基因的振荡才被诱导出来。将分化细胞重编程为 iPSCs 时，昼夜振荡被破坏，同时胚胎和分化状态下，昼夜核心回路中的基因表达有很大差异。在分子层面，小鼠 ESCs 中 c - MYC 和 DNA 甲基转移酶 1（DNMT1）的破坏会阻碍时钟发育，KPNA2 的失调会导致 PER 蛋白在细胞质中积累，影响时钟发育。但另一方面，也有许多证据支持干细胞存在昼夜节律。大多数干细胞，像间充质干细胞（MSCs）、红细胞造血干细胞（HSCs）等，都有自己的周期，有的是 24 小时，有的是 12 小时或 18 小时。一些干细胞，如表皮干细胞，还能与大脑的中央时钟 “通信”，调节组织稳态。干细胞的增殖活动和释放速率也会随着昼夜节律波动，胚胎干细胞的代谢，如葡萄糖摄取和葡萄糖转运蛋白（GLUT）表达，也呈现出振荡现象。而且，研究还发现，转录对于细胞活动的昼夜振荡并非必需，可能存在非经典的调控途径。不过，研究干细胞的昼夜节律面临着诸多挑战。干细胞的异质性是个大问题，不同类型的干细胞，甚至同一组织内的干细胞，振荡模式都不一样。细胞间的相互作用和微环境也会对昼夜节律产生影响，比如癌症干细胞在单层培养时往往会失去节律。另外，干细胞在分化的不同阶段，时钟基因的振荡模式也会发生变化。

然后是 “昼夜时钟的临床应用”。昼夜节律与大脑中的多种疾病发病过程密切相关。例如，缺血性中风在夜间发作时，缺血核心体积比白天发作时更大，这是因为昼夜节律会影响血脑屏障（BBB）的完整性和缺氧信号。丛集性头痛和阿尔茨海默病的日落综合征也都表现出昼夜变化。利用昼夜节律可以优化治疗效果。通过调整治疗方案与昼夜节律同步，也就是 “时辰疗法”，可以提高疗效。比如，高血压在白天更严重，所以早上服用降压药更合理。同时，考虑到肠道中流出转运体的昼夜振荡会影响药物的肠吸收，以及昼夜生物标志物的波动需要不同的参考范围来提高诊断准确性，调整医院环境促进昼夜同步也能改善治疗效果。在干细胞治疗方面，昼夜节律同样有着重要作用。干细胞治疗是治疗多种神经系统疾病的有前景的方法，不同时间收获的干细胞，其疗效可能不同，干细胞移植的时间也会影响治疗结果，因为宿主的免疫活动有昼夜变化。此外，细胞外囊泡（EVs）的释放速率、大小和内容物也有昼夜变化，所以 EVs 的收获时间也很关键。研究人员还尝试使用昼夜节律同步剂来增强干细胞的昼夜活动，像地塞米松能激活多种干细胞系中时钟基因的振荡，福司可林在体细胞中有效，但在人类 iPSCs 中只能诱导时钟输出 DBP 的振荡。不过，使用这些同步剂也存在风险，可能会增加肿瘤发生的风险。

最后是 “推进干细胞昼夜节律治疗应用的关键研究”。为了更好地将干细胞昼夜节律应用于治疗，还有几个关键问题需要研究。一是要深入了解干细胞基本功能，如细胞运动和分裂的昼夜节律，以及它们在未成熟和分化状态下与微环境的相互作用。二是要确定特定核心时钟基因，如 BMAL1 和 PER 在干细胞中的直接因果关系，通过基因沉默和上调研究来明确它们的作用。三是在明确昼夜节律及其途径后，探索在不同昼夜阶段进行干细胞治疗的效果，比如研究 “活跃” 和 “不活跃” 干细胞在疾病模型（如缺血性中风）中的移植效果，优化干细胞收获和移植的时间，以提高治疗效果。

总的来说，这项研究意义重大。昼夜节律在身体的生理活动中起着至关重要的作用，它与疾病发病机制的关系复杂而微妙。发现干细胞中的昼夜节律，为优化干细胞治疗提供了新的思路。然而，目前的研究还只是冰山一角，未来还需要进一步研究干细胞的振荡活动，阐明其潜在的分子机制和输出，比较不同时间点干细胞治疗的结果。相信在科学家们的不断努力下，干细胞昼夜节律的奥秘将被彻底揭开，基于干细胞的再生医学也将迎来新的春天，为更多患者带来希望。