JCI：心脏代谢的生物钟调节
昼夜节律的进化使生物体内在的生理功能互相协调，以应对环境的不同变化，而这种协调的重要性体现在心脏代谢的紧密时间控制上。代谢产物的水平、代谢通量和对营养物质的反应在一天中都有着其自己特有的昼夜节律，虽然这些节律受到行为(摄食/禁食、觉醒/睡眠周期)和神经体液变化的影响，但最近的研究表明，在组织和细胞水平上存在内在的生物钟调节。生物钟通过核心生物钟、外周生物钟和效应器组成复杂的网络，从而达到对心脏代谢进行复杂的时间控制，然而这也与环境因素密切相关。生物钟的预期和适应性为心脏功能提供了最大的优势。昼夜节律紊乱或去同步化都会导致心脏代谢紊乱，这种情况不仅发生在轮班工人身上，在现代社会的大多数人身上也会发生。在这篇综述中，作者描述了心脏代谢节律的相关发现，并讨论了昼夜节律的复杂调节和昼夜节律紊乱的后果。作者也深入剖析了心脏代谢中的时间生物学对临床转化以及发展新的时间疗法策略的重要意义。
心脏由于对能量的需求需要不停地跳，但这一代谢需求受制于诸多24小时周期的因素影响，比如身体活动、摄食/禁食状态和神经激素的调节等等。因此，最佳的心脏性能需要高度的代谢灵活性。在我们机体内中枢生物钟和外周生物钟协同作用，使心脏能够预测能量需求，而不仅仅是对代谢需求做出简单的反应。在这篇综述中，作者讨论了心脏节律性的代谢过程和机制，以及当心脏中的代谢节律紊乱后所带来的病理生理后果。
核心生物钟是一组转录因子(TFs)，它们会形成一个复杂的相互联系的反馈回路，这些TFs的合成和降解大约需要24小时。接下来作者对核心生物钟的分子机制做了详细的介绍。核心生物钟分子对代谢的节律性输出至关重要，核心生物钟基因功能的缺失会导致节律性表型或周期表型的消失。除了胚胎干细胞外，几乎所有的细胞都有生物钟，而中枢生物钟指的是下丘脑的视交叉上核即SCN。中枢生物钟接收来自视网膜的光信号，并将神经和激素信号传递给大脑的其他部分和其他组织器官。其他组织和细胞中的分子时钟称为外周生物钟。外周生物钟接收来自中枢生物钟的神经和激素信号，并和中枢生物钟相互同步保持一致；其也可以接收局部组织器官信号，并在与中枢生物钟不同步的情况下自主发挥功能（图1）。在这篇综述中，作者主要讨论了外周生物钟的功能及主要的实验研究包括心脏的体外研究和心脏特异性的生物钟突变。
图1 昼夜节律的基本概念
(A)中央生物钟存在于下丘脑的视交叉上核(SCN)中，接收视觉输入信号并向其他外周组织(如心脏)发送神经激素信号。外周组织(如心脏)中的分子钟被称为外周生物钟，它会被来自中枢生物钟和其他的外部刺激(如饮食和锻炼)被诱导。(B)正常的节律可能因周期、相位或振幅的变化或这些变化的任何组合而发生紊乱。(C)白天的节律开始于授时因子时间(ZT)0，这是由开灯时间定义的。在光照期，昼行动物(包括人类)活动，夜行动物休息；相反的情况发生在黑暗阶段。当提到活动期和静息期时，我们描述的是被研究物种相同的生物阶段和过程。
昼夜节律传统上指不受外部信号影响的约为24小时的节律。相比之下，“日节律”的用法更为宽泛，指的是任何一种24小时节律，其可能不是由核心生物钟直接调节的，而是对周期性刺激的一种反应。昼夜节律由三个关键参数包括周期、相位和振幅(图1B)。核心生物钟定义了周期，这是地球生命进化的结果。相位通常与授时因子(ZT)有关。Zeitgeber在德语中是“时间给予者”的意思，可以指任何与24小时节律行为同步的环境信号。ZT0现在具体指的是在大多数实验中设置的开灯起始时间。由于人类是白天活动的，而实验啮齿类动物模型(小鼠和大鼠)是夜间活动的，因此，光照与黑暗的对比常常令人困惑。为此作者在本文使用的“活动期”与“静息期”的描述，以期更好的理解相关研究内容(图1C)。
1. 心脏代谢的昼夜节律
图2 啮齿动物心脏代谢的昼夜节律
在光照期，小鼠处于休息状态，心脏的主要过程是脂肪分解、蛋白质合成和自噬，这代表了一个“重塑和修复”的阶段。在黑暗期，小鼠处于活跃状态，心脏的主要过程为葡萄糖摄取、糖酵解氧化、糖原分解、氨基酸分解代谢、活性氧清除等，代表“分解代谢”阶段。核心生物钟因子Bmal1在ZT0处达到峰值，在ZT12处达到最低点。
虽然哺乳动物的心脏会利用很多物质作为能量，但脂肪是其主要的能量来源。事实上，健康成人心脏在休息时70%的能量来自脂肪酸氧化(FAO)和酯化脂肪酸(FAs)(如甘油三酯)，它们是人类心脏脂质的主要来源。虽然血浆脂肪酸浓度随膳食而变化，但脂肪酸分解代谢并不以昼夜节律方式进行。因为FAO也不是由工作负荷或燃料供应的变化所改变。相比之下，WT小鼠心肌甘油三酯(TG)水平表现出日节律，并在睡眠觉醒转换(ZT0)时达到峰值。为了排除神经体液因素的影响，研究人员对体外的心脏进行灌注，结果表明脂质分解和TG合成均呈现日节律，在活动期(ZT18)中间有一个波谷，在ZT6有一个波峰。然而，净TG合成也在ZT18处出现峰值，表明节律性脂质分解是心肌净TG合成和TG水平日节律的驱动因素。同时，多种TG代谢酶相关基因均呈节律性表达如Dgat2、Agpat2和Hsl(编码激素敏感性脂肪酶)。尽管其RNA水平没有节律，但脂质分解限速酶脂肪甘油三酯水解酶(ATGL)在心脏蛋白水平呈现日节律，这表明其中可能存在转录后的机制。此外，在Hsl上有一个AMPK依赖的磷酸化位点，会对酶促反应产生抑制，其磷酸化峰值出现在ZT18。总的来说，这些研究强调心脏TG的昼夜调节发生在多个水平包括转录、翻译和翻译后。然而，考虑到心脏TG的昼夜控制的重要性和复杂性，研究者需要在不同喂养条件下去理解其中的调控作用，以及更深入地了解这些影响背后内在的分子基础。
1.2 碳水化合物代谢
在基础条件下，大约20%的心脏能量是从碳水化合物转化而来的。工作负荷增加和缺血都会增加葡萄糖和其他碳水化合物(包括乳酸和糖原)的利用以产生能量。葡萄糖氧化和糖酵解在心脏中呈现出节律性变化，即使在体外灌注含有放射性同位素的介质时也是如此，结果显示在ZT18达到峰值。这表明葡萄糖摄取可能以昼夜节律方式进行局部调节，而不受神经激素调节的影响。我们都知道葡萄糖转运体GLUT1和GLUT4在心脏中大量存在。GLUT1负责低水平持续的葡萄糖摄取，而GLUT4是可诱导的，在膜转位中依赖胰岛素进行的。然而这些转运体是否以昼夜节律的方式在细胞表面表达还没有相关的研究报道。众所周知，磷酸化的AMPK会促进葡萄糖转运，其水平呈现日节律变化，在黑暗期(ZT18)达到峰值，这与此时通过糖酵解和葡萄糖氧化葡萄糖摄取的增加和利用的增加相一致，此时能量需求较高(图2)。
在成年心肌细胞中，心脏糖原占细胞体积的2%，其水平因喂养模式的不同而异。体外灌注的心脏进行40分钟的葡萄糖灌注后，尽管它们开始时糖原含量相同，但ZT6的糖原还是比ZT18的糖原高2倍。鉴于葡萄糖和糖原结合通过C14标记的葡萄糖而确定，其结果表明肝糖分解有昼夜节律，在ZT18水平更高。因此，ZT6或静息期与葡萄糖吸收的降低、糖酵解降低、葡萄糖氧化减少和肝糖分解降低密切相关。
己糖胺生物合成途径(HBP)消耗2%-5%的葡萄糖摄取，被认为是葡萄糖或营养感应途径。活化的HBP会产生UDP-GlcNAc，它是多种糖基化反应的底物包括O-糖基化反应。心脏总的O-糖基化水平有大约20%呈现日变化，在ZT18达到峰值。但研究表明O-糖基化介导了高血糖的某些副作用，作为一种翻译后修饰，它可能会影响许多细胞过程。
1.3 蛋白和氨基酸代谢
早期对放射性同位素的研究表明L-[3H]标记的亮氨酸进入大鼠心脏，这是蛋白质合成的一种测量方法，在静息期的效果最好(图1)。其也在在最近一项有关转录组的研究得到证实，结果表明心脏在静息时优先进行重构和修复，在活动期优先进行分解代谢。事实上，大多数氨基酸分解酶在活动期达到峰值。未来对氨基酸在昼夜节律方式下的代谢通量及其详细的分子机制的研究将会进一步增加我们的理解。
1.4 烟酰胺腺嘌呤二核苷酸
烟酰胺腺嘌呤二核苷酸(NAD+)是在代谢中起中心作用的氧化还原反应的辅助因子。心脏有丰富的NAD+水平支撑其持续的高能源需求。NAD+水平表现出强烈的昼夜节律模式，在心脏ZT14有一个峰值，主要由NAD+的限速酶NAMPT的节律水平驱动救助途径。节律的NAD+可能影响心脏中许多氧化还原代谢反应的途径。此外，NAD+是一些非氧化还原反应的辅助因子，如由Sirtuins(SIRTs)催化的非氧化还原反应。因此，心肌中节律波动的NAD+可能会影响SIRT的活动，而SIRT的活动反过来又对心脏代谢产生次要影响。
1.5 线粒体
线粒体是能从氧化代谢中产生ATP的关键细胞器。线粒体生物发生、呼吸和动力学的昼夜节律调节已在多个器官系统中表现。虽然研究者还没有对线粒体的昼夜效应进行直接的功能研究，但已经对线粒体基因表达进行了相关研究，结果表明其功能(氧化磷酸化)和动力学(裂变和聚变)的都呈现出明显的昼夜变化。SIRT3是线粒体中的主要脱乙酰酶，参与代谢稳态和应激反应。虽然SIRT3的蛋白水平是恒定的，但其活性由于心脏节律性的NAD+水平会受到调节。这会影响主要的线粒体功能包括代谢和氧化还原。Sirt3敲除细胞显示基础ATP水平下降超过50%。Srt3基因敲除小鼠显示FAO和葡萄糖氧化减少，但心脏糖酵解增加；这些变化伴随着许多线粒体蛋白的超乙酰化包括参与FA的运输和氧化、电子传递链的亚基以及参与三羧酸循环的酶。SIRT3可以去乙酰化并激活FoxO3a，进而激活锰超氧化物歧化酶(MnSOD)和过氧化氢酶(Catalase)，从而导致心脏中活性氧(ROS)的减少。亲环蛋白D是线粒体通透性过渡孔的组成部分(mPTP)，Sir3还能直接将亲环蛋白D脱去乙酰基，从而抑制mPTP打开。SIRT3的这些不同作用直接促进心脏昼夜代谢和氧化还原状态。
1.6 自噬
自噬是细胞代谢调节的重要组成部分。它在饥饿时期提供能量和代谢产物，并维持细胞内大分子和细胞器的质量控制。自噬对心肌细胞和神经元等终末分化细胞的健康至关重要。在心脏中，通过LC3-II切割和多基因表达测量，自噬在静息期更为活跃。而且在心肌中发现自噬空泡的体积以节律的方式波动。自噬体在静息期晚期达到最大体积，在活动期早期达到最小体积。这些观察结果再次论证了心脏在静息期具有重要的重塑和修复功能的观点。
2. 心脏代谢昼夜节律调控的分子机制
生物钟是一组形成反馈回路并调节自身表达的转录因子。BMAL1-CLOCK复合体激活Cry和Per基因表达。胞质积累CRY:PER复合物导致其核易位并抑制BMAL1-CLOCK驱动的CRY和PER的转录。BMAL1复合物还驱动Nr1d1/2和Nr1f1的转录，它们编码核受体REVERBα/β和RORα。在ROR结合元件上，REV-ERB与RORα竞争；然后，REV-ERB和RORα分别抑制和激活Bmal1的转录。这些基因是“核心生物钟”的组成部分，“核心生物钟”几乎在所有哺乳动物细胞中发挥作用。越来越多的证据使我们认识到，生物钟也会控制下游不同的通路。
2.1 转录调控
和其他器官差不多，5%-10%在心脏表达的基因以昼夜节律方式发挥作用。核心生物钟机制在转录水平上直接调控下游靶点即生物钟控制基因(CCGs)。最近对核心生物钟通过表观遗传机制调控转录的分子细节进行了详细的叙述，例如BMAL1和RORα已经被报道成为能够接近封闭染色质的“先锋”因子。BMAL1与RNAPII以昼夜节律的方式被招募到染色质中，这表明除了直接调控单个靶基因外，核心生物钟还在整体的范围内改变染色质的可及性和转录。尽管核心生物钟在转录中起主要作用，但据报道仅有22%-30%的节律基因在转录水平由果蝇头部和小鼠肝脏初期的转录所驱动。RNA加工的其他过程和稳定性可能起到重要作用。尽管这种调节在心脏中还没有得到验证，但考虑到果蝇和老鼠的进化差异，可能有某一些结果是正确的。
虽然所有组织都有5%-10%的基因振荡，但不同组织之间的重叠非常小。为了调节节律基因的组织特异性，人们早就提出了所谓“外周生物钟”的概念。外周生物钟可能是招募生物钟因子的组织特异性TF本身；它们也可能是非组织特异性的TF，允许进入某些生物钟因子的染色质；也许它们由外周生物钟直接驱动。然而，外周生物钟必须具有的一个关键特征是，它必须在不影响节律的情况下调控其他CCG组织特异性的振荡。到目前为止，在心脏唯一确认的外周生物钟是Krüppel-like因子15(KLF15)。KLF15的表达(RNA和蛋白)在BMAL1的转录控制下以昼夜节律方式波动。KLF15反过来控制心脏中75%的振荡基因，而不影响核心生物钟，特别是通过直接结合和调节活动期分解代谢基因表达。虽然KLF15的节律表达是由核心生物钟驱动的，但它也受到各种营养、生理和病理生理条件的调节，例如禁食和运动可诱发KLF15，而缺血性和非缺血性心肌病均与KLF15降低相关。因此，外周生物钟KLF15可以整合复杂的代谢信号(图3)。
图3 整合的心脏昼夜代谢调节
核心生物钟和外周生物钟可以协同工作来调控靶基因的表达。例如BMAL1和KLF15对Nampt的节律表达都是必需的，Nampt编码NAD+的限速酶。然而，KLF15在心脏中的表达与BMAL1的表达相反。一种可能的解释是，Nampt的表达只发生在BMAL1和KLF15同时表达的时段内。这种双重调节可能是一种通过KLF15实现精确的时间控制，同时也整合了其他的生理和营养状态(图3)。
昼夜节律生物学的大部分工作都集中在产生节律荡的机制上。每个组织都有一套独特的节律基因。这一事实表明组织特异性抑制节律的机制可能同样重要。KLF15已经被证明在数百个基因上招募REV-ERB和核受体辅阻遏因子(NCoR)，防止它们在活动期发生异常振荡。这是一个关键机制，即允许基因保持对波动的神经激素环境(包括糖皮质激素和脂类)无反应(图3)。事实上，药理学上加强对REV-ERB的抑制可以在维持心脏基因表达谱和代谢稳态的同时保护心脏。
因此，外周生物钟并不仅仅是被动地将节律信号从核心生物钟传导到组织特异性CCGs。外周生物钟允许将永久的节律与组织特异功能的调节和外部刺激的适应结合起来，从而微调CCGs的输出，以匹配当时的确切需要。外周生物钟的存在对振荡和静止都至关重要，外周生物钟是昼夜调节网络中不可或缺的信号。
2.2 翻译调控
mTOR信号感知能量和营养状态，调节细胞代谢、生长、增殖和存活。mTOR信号的活性可能直接影响视交叉上核和外周组织的生物钟功能。据报道，mTOR信号通路的下游靶点是磷酸化的核糖体蛋白激酶S6K1和S6，在心脏中ZT2时刻以BMAL1依赖的方式达到峰值，这与静息期的自噬减少和蛋白质合成增加有关。BMAL1被认为是AKT信号的负调控因子，激活mTOR信号级联。BMAL1缺失导致mTOR信号持续激活，蛋白合成增加，自噬减少，最终导致心肌肥厚。
BMAL1被发现被S6K1磷酸化，然后允许其与翻译机制结合并促进细胞质中的蛋白质合成。因此，除了众所周知的昼夜转录作用外，BMAL1还可能通过与mTOR信号通路的相互作用直接或间接地调节蛋白质合成。
2.3 翻译后调控
翻译后修饰可能会极大地改变蛋白质靶点的定位、稳定性和功能。虽然在心脏中发现了许多特定靶点的磷酸化具备节律特性，但都尚未报道。
心脏NAD+由于其限速酶NAMPT的节律性表达而振荡。除了在代谢酶促反应中的作用，NAD+也是SIRT的辅酶。SIRT1, SIRT3和SIRT5的活性主要由NAD+水平，因为它们的结合常数(Km)接近生理NAD+水平。SIRT3活性和线粒体整体乙酰化已被证明以昼夜节律方式振荡。因此，下游的蛋白质功能可能受到影响，例如赖氨酸122处MnSOD的超乙酰化抑制了其活性(图3)，并与心脏缺血/再灌注损伤的风险增加有关。
全身的O-糖基化有呈现出较为明显的日节律变化，在ZT18处达到峰值。AMPK上O-糖基化的增加与活性增加有关，而AKT2上O-糖基化的增加与活性减弱有关。因此，在活动期增加的O-糖基化有助于增加葡萄糖摄取和利用、减少糖原分解和蛋白质合成。急性O-糖基化已被证明可以防止钙离子异常和心肌缺血。
有意思地是磷酸化、乙酰化和O-糖基化都被发现修饰核心生物钟机制，从而直接影响生物钟功能和时钟装置，其更突出了昼夜节律调节和代谢之间的相互联系。
3. 小鼠和人类昼夜节律紊乱
在人类流行病研究中，昼夜节律紊乱对心血管系统的不利影响早已被人们熟知，这些研究强调了两者之间的密切关系：昼夜节律与心血管健康，特别是在心脏代谢综合征方面。近年来，表达核心生物钟机制组织特异性突变的小鼠使我们能够分析心脏外周生物钟的功能，而不依赖于系统神经激素环境和行为，本文将对这些发现进行总结。
3.1 小鼠昼夜节律紊乱
外周生物钟在心脏代谢中的关键功能已通过两种突变小鼠模型的研究得到证实：心肌细胞特异性生物钟突变(CCM小鼠)和心肌细胞Bmal1特异性敲除(CBK小鼠)。CCM小鼠过表达显性抑制心肌细胞中的生物钟突变，其可抑制野生型CLOCK:BMAL1复合物的功能并使在心脏中的Bmal1表达增加伴振幅降低。CCM小鼠心率降低，心率日变化减少，在活动期对工作负荷的反应性降低。代谢研究表明，CCM小鼠葡萄糖氧化、糖原合成和AMPK磷酸化的日变化消失，因为在活动期这些参数无法被诱导。CCM小鼠空腹心肌TG降低，同时在mRNA水平增加Adpn(促进脂肪分解)和Dgat2(促进脂肪生成)。相比之下，CBK小鼠的Bmal1等位基因通过α-MHC-Cre在心肌细胞中敲除这些等位基因，从而显示Bmal1基因表达减少，振荡幅度降低。与CCM小鼠相似，CBK小鼠在进食状态下表现出葡萄糖氧化抑制和心肌动力降低，并伴有AKT和GSK3β磷酸化水平降低，这被认为是由于Pik3r1(编码p85α，PI3K的调节亚基)的表达减少及其对胰岛素信号传导的影响所致，该效应可能模拟CBK小鼠的慢性禁食状态。CBK小鼠在20周时出现收缩功能障碍，由于扩张性心肌病，总体寿命缩短。也有报道称，他们在28周时纤维化、炎症和舒张功能障碍增加，因此被认为具有衰老表型。
虽然CCM和CBK小鼠心脏的昼夜节律发生紊乱，一个阶段BMAL1水平高(静息期开始)，一个阶段BMAL1水平低(活跃期开始)(图2)。虽然它们的表型不相同，但在心脏代谢方面有明显的相似之处，如活动期葡萄糖氧化降低。这与直接核心生物钟调控CCG表达的简单模型相悖。虽然需要更详细的分子研究来揭示其中潜在的机制，但有可能是一个复杂的系统水平调控在起作用，而振荡本身的缺乏可能激活下游信号通路。另外，这两个核心生物钟突变体的相似性可能是由不同的分子机制驱动的。
外周生物钟KLF15直接调控活性期许多分解代谢酶的表达。虽然KLF15缺失不会改变核心生物钟基因表达或破坏生物钟本身，但它会导致心脏中75%的振荡转录本失去节律。心脏KLF15缺乏可导致心脏脂质利用缺陷和心肌病。心肌中KLF15的缺失导致NAMPT和心脏活动期诱导失败NAD +(图3)。这可能是为了在活动期大量分解代谢反应需要NAD+作为一种辅酶而存在。同时，NAD +如上所述，它是SIRT3的一种辅酶，在分解代谢阶段达到峰值，允许去乙酰化和线粒体抗氧化剂(如MnSOD)的激活，从而有效清除伴随活性氧化代谢而增加的ROS。与这一概念一致，心脏KLF15缺失导致NAD+在活动期缺失和增加了对缺血/再灌注损伤的易感性。因此，KLF15已被证明是心脏缺血和再灌注易感性日变化的关键调节因子。它的作用是通过调控关键代谢物和辅酶NAD+来同步分解代谢和活性氧的清除。
REV-ERBα和REV-ERBβ是核心生物钟中的转录抑制因子。SR9009对REV-ERB的药理激活显示心脏对压力过载有保护作用。由于心脏应激而抑制的FA激活、转运和氧化的整体基因表达减弱。这种效应被认为是由FA利用的主要调控因子PDK4介导的，PDK4被证明是REV-ERB的直接靶标。尽管对于广泛使用的REV-ERB激动剂SR9009的特异性存在争议，但其他激动剂在心肌细胞中显示了类似的作用，提示这是一种REV-ERB介导的效应。有研究表明在缺血和再灌注损伤后，REV-ERB激动和拮抗均被证明具有心脏保护作用。虽然炎症小体激活减少与REV-ERB激动剂有关，但缺血/再灌注过程中REV-ERB拮抗的分子机制仍有待进一步阐明。考虑到NAD+的代谢调节以及上述讨论的其在心肌缺血/再灌注中的作用，我们很容易推测REV-ERB拮抗导致BMAL1上调，从而增加NAMPT和心肌NAD+的表达，从而导致心脏对缺血/再灌注损伤的保护，而这与REV-ERB介导的心脏保护无关。如果这是真的， REV-ERB拮抗剂所介导的缺血再灌注后的心脏保护作用在NAMPT敲除鼠中将是减轻的，然而这还有待通过进一步实验验证。
3.2 人类昼夜节律紊乱
慢性昼夜节律紊乱的典型例子是轮班工作。早期观察表明，倒班工人的不良心血管事件发生率高于平均水平，包括心肌梗死、中风和心脏猝死，而且这些时间更倾向于发生在清晨。虽然与倒班工作相关的行为变化(而不是生物钟本身的破坏)可能也有影响，但倒班工作的暴露时间与心脏病负荷呈线性相关。
在现代生活中也有严重的节律紊乱的情况。“社会时差”指的是一周中工作日和休息日之间的行为时间差。70%的人报告说大多数人的社会时差均超过1小时，其与心率增加、皮质醇水平增加、肥胖和糖尿病有关，上述都是心血管疾病的危险因素。另一项研究表明在春季转为夏令时与心肌梗死的轻度短暂性增加有关，这也已被一项Meta分析证实。这种增加的风险在回到标准时间的冬季轮班中没有被观察到，这表明提前的行为时间(春季轮班)可能会消除昼夜节律预期的一些好处。
慢性昼夜节律紊乱依赖于观察性研究，急性昼夜节律紊乱可能在控制的实验室环境中建模，尽管迄今只对少数健康个体进行了研究，实验室人体昼夜节律紊乱方案已被用来直接证明昼夜节律紊乱对人体代谢和生理心血管参数的影响。糖耐量的生理昼夜节律变化主要是由于夜间胰岛素分泌减少，而急性昼夜节律紊乱主要是由于胰岛素敏感性降低而增加餐后血糖。此外，一个单一的节奏变化会导致睡眠收缩压和炎症标志物升高，这两者都与重大的心血管风险有关。
4. 未来转化的机会和方向
利用传统的生物化学工具和生物技术，许多研究人员在心脏昼夜代谢方面做了一些研究。现在是时候开始采用人工智能和机器学习等新技术来整合这些信息，并试图在系统水平上理解昼夜节律调节。一个昼夜代谢调节的整体规划将使我们能够更好地预测每次干扰的通量结果，并设计出更有针对性、更有效的心血管疾病治疗方法。
时间疗法的概念即在生理周期的特定时间点给药，以达到最大的疗效和最小程度的副作用，是在1960年清晨交替口服皮质类固醇方案被提出时引入的。由于生物化学、生理和行为过程的昼夜节律性，许多药物的有效性和毒性取决于给药时间，这也是许多研究团队一直的工作。例如，短效血管紧张素转换酶抑制剂(ACEI)卡托普利(captopril)只有在静息期(而非活动期)给药时，老鼠的心脏重构才有益处，但对血压控制的效果没有显著变化。
事实上，在美国最畅销的100种药品中，有一半以上都是以节律基因的产物为目标，这些药物的半衰期少于6小时。然而，这一信息很少在医疗实践中使用。在优化疗效的同时尽量减少不良影响方面，用药时间可能与剂量一样重要。一般来说，防止心脏重塑的药物最好是在睡前服用(例如：血管紧张素受体阻滞剂)，而促进心脏代谢的药物(如NAD+前体)最好在一天中的早些时候服用。药代动力学研究表明，每日两次的烟酰胺能够增加血液中NAD+水平。然而，在心肌中NAD+是否有相应的水平升高还有待检测。此外，根据不同的适应症，同一种药物的治疗窗口期也不尽相同。最近的小鼠研究表明NAD+前体补充仅在静息期可以改善小鼠缺血/再灌注损伤，而非活动期。因此，对于预防心脏病，NAD+前体可能最好是在睡前服用。虽然老鼠是夜间活动的，而人类是白天活动的，但为了方便我们，大多数实验室实验都是在白天进行的。了解昼夜节律变化的细微差别将极大地提高人类临床研究的设计，以将研究结果转化为小鼠模型。
心脏外周生物钟恢复后，心脏至少需要5天时间才能重新同步。无论是药物学的还是行为/饮食的策略，都将促进这一转变，从而缩短不同步的窗口期，并潜在地降低轮班工人、经历社交时差的人和经常乘坐飞机的人患心脏代谢紊乱的风险。
衰老减弱了昼夜节律振荡幅度，尽管尚不清楚这是由于整体振荡减弱还是细胞群内无法同步。单细胞测序可能为这一现象提供新的参考方向。药理学和行为改变(光照、运动和喂食计划)加强振荡的外周生物钟可能可以阻止与衰老相关的心血管危险因素。
5%到10%的基因几乎可以在人体的任何组织中表现出节律性，然而不同组织类型之间的重叠是相对较小。这一观察结果证明，外周生物钟控制着每个组织的关键功能，并允许基因亚群在关键时间窗内上调，以优化组织功能。事实上，使用REV-ERB激动剂治疗是直接影响核心生物钟以提供心脏保护防止压力过载的第一个例子，其机制是通过大量靶基因的同步调控和心脏代谢的重编程。
结论
地球每24小时绕地轴转一次，地球上几乎所有的生命都有一种共同的机制即昼夜节律，其能预测由这种自转引起的日常变化。控制昼夜节律的分子时钟被认为是生理和疾病的重要调节器。在人类中，心血管系统的昼夜节律已经被广泛研究。许多心血管功能，如内皮功能、血栓形成、血压和心率，目前都已经被确定由生物钟调节。此外，急性心肌梗死、卒中、心律失常等不良心血管事件的发生均具有昼夜节律性。研究昼夜节律在心血管生理和疾病中的作用有助于利用时间疗法开发新的治疗策略和靶点。
心血管病理生理学的诸多参数都会受到生物钟的影响。研究表明在心脏和脉管系统的所有细胞中都发现了生物钟，许多重要的生物过程如心率、体温、血压、代谢和激素水平，每天也都存在节律性。此外，疾病的发生、发展和结局与生物钟有关。更好地理解心血管疾病背后的分子机制可能为新的治疗策略和改进提供参考。随着昼夜节律在心血管领域的研究不断深入，时间疗法成为了一个新兴的研究策略，其经常被用于几种常用药物的给药时间，如钙通道阻滞剂、血管紧张素转换酶抑制剂和阿司匹林。然而，不仅各种药物的药代动力学和药效学表现出昼夜变化，而且选择一天中不同的时间或标记节律的阶段(如血压或症状)进行某些医疗操作也可能对患者有益。除心血管疾病外，哮喘、急性和慢性炎症、过敏和癌症等疾病的症状和发病情况每天都在节律。因此，这些疾病的治疗和结果分析可以根据一天的特定时间进行。
心脏外周生物钟已经进化到允许心脏在24小时内预测各种能量需求。心脏代谢的大部分表现为在多个分子水平的复杂调节下的昼夜节律。与现代生活方式相关的生物钟功能紊乱会增加心血管疾病的风险。了解心脏昼夜节律基因调控的分子机制和复杂调控，将使我们能够调整行为风险因素以降低心血管风险，并开发有效的治疗方法。
小编有话说
昼夜节律研究包含了心血管生理和心血管疾病的研究。其中许多疾病的发病率和疾病负担均表现为24小时节律。心律失常、中风、主动脉瘤夹层、肺栓塞和心源性猝死均多发生在清晨。心肌梗死的发生也有昼夜节律模式。传统上，这些变化归因于自主神经系统的昼夜节律变化。事实上，交感神经活动、血流的剪切力和心血管风险因素(如血压)在早晨都会增加，从而可能引发疾病的发作。然而，动物实验研究表明外周生物钟起着重要作用。血小板聚集和凝血、心室复极异常和许多其他相关心血管危险因素都是由细胞生物钟调节的，从逻辑上讲，这些因素导致了一天中特定时间的心血管事件发生率达到峰值。许多心血管风险因素在一天中不断变化或有不正常的昼夜节律模式。因此，一个重要的治疗策略是在一天中这些风险最高的时候降低这些风险，或者恢复昼夜节律阶段和/或振幅到正常值。高血压就是一个很好的例子，它与许多心血管疾病有关。正常情况下，血压在一天中会发生变化，研究表明，夜间高血压(肾脏疾病患者经常出现的一种状况，也称非勺型高血压)尤其会导致心血管疾病；相反，抗高血压药物的副作用也主要出现在白天。大多数与高血压相关的疾病在清晨的发病率都有所增加。因此，大多数每日一次的降压药物都是在清晨左右服用的。药物血浆水平在白天最高，这是不良反应最严重的时候，而在最需要达到预期效果的早晨最低。一些研究探讨了这个问题，并分析了一天中给药的时间。Hermida和他的同事发现，与早晨相比，睡前服用血管紧张素转换酶抑制剂可导致夜间血压降低，并证实夜间血压降低可改善心血管结果。其他的相关研究也表明其他抗高血压药物如钙通道阻滞剂、血管紧张素受体阻滞剂和β-受体阻滞药，也具有潜在的优势，其可在一个特定的时间和可以防止心血管疾病早晨高峰的发生率。然而，目前还缺乏大型、多中心、随机、对照试验来比较晨间和睡前抗高血压药物给药对心血管死亡或全因死亡率等结局和预后的影响。
另外的心血管药物是经典的血小板聚集抑制剂阿司匹林。研究表明早晨的血小板最为活跃，此时斑块破裂和心肌梗死的风险最高。在2015年的一项研究中，Bonten和他的同事证明，与早晨服用阿司匹林相比，睡前服用阿司匹林会导致早晨血小板活动减少。与抗高血压药物一样，目前还没有大型研究的相关临床试验。然而，没有研究表明早晨服用阿司匹林或降压药比晚上服用更好。除了需要降低平均血压的治疗时间外，几项研究的结果表明，将昼夜节律波幅恢复到正常水平可能更重要。即使没有高血压，超过昼夜节律振幅阈值也会增加心血管疾病的风险。一项涉及30名患者的小型时间生物学试验的结果表明，在给予抗高血压药物氯沙坦和氢氯噻嗪的最佳昼夜节律阶段的评估中，血压的个性化治疗不仅应考虑其中，而且还应考虑昼夜节律的相位和振幅。在未来，确定最佳治疗策略可能包括个体昼夜血压模式(例如：夜间高血压的节律颠倒或白天高血压的幅度过大)以及用药频率和时间等。
一天中治疗时间的重要性不仅仅局限于心血管药物。研究人员通过临床研究比较了主动脉瓣置换术的结果，600例患者根据术前和围手术期特征进行配对，唯一不同的是手术时间。在短期和长期内，晨间手术与两倍高的主要并发症发生率相关，即上午手术后并发症的风险比下午要高。在第二项随机研究中，研究人员证实早晨手术会导致更高的围手术期心肌损伤。观察结果与确定的主要不良心血管事件(如心肌梗死)发生在早晨的趋势一致。特定时间的治疗也被引入到以干细胞为基础的心脏修复中，这是一种旨在治愈心脏衰竭的治疗方法。在临床上，心脏和非心脏病人来源的(多能)干细胞已经被测试了其潜在的再生和旁分泌作用。在动物研究中，来自多能干细胞(胚胎或转基因或诱导)的心肌细胞在心脏修复方面显示出很好的结果。这些干细胞在功能和旁分泌作用上有昼夜节律和清晰的24小时节律。然而，在一天中的特定时间使用干细胞是否能改善患者的预后仍有待研究。
另一个治疗选择可能是通过一天中特定的时间设置人为的划分生物钟的不同阶段，其在特定条件下也是有益的。如上所述，心肌梗死和主动脉瓣置换术发生在早晨，由于缺血耐受性降低会使得结局变得更加糟糕。此外，动物研究表明生物钟基因的变化影响梗死面积。针对人类的分子生物钟更为复杂，特别是在急性、突发疾病的情况下，只有在发生事件之后才能开始干预，但一些研究对于相关的疾病也有了一些初步的实验结论。小分子修饰剂，如Rev-erbα抑制剂可以通过改变分子生物钟内在机制从而对机体产生积极作用，在动物模型中预防心脏损伤。许多影响昼夜节律的相位、振幅和周期的化合物是可用的，希望在不久的将来允许时钟靶向疗法。
在心血管疾病和昼夜节律研究中，性别、年龄和种族都存在重大差异。大规模的流行病学研究表明，非裔美国人的昼夜节律周期比欧洲裔美国人短，而据报道，美籍华人和拉丁美洲人的睡眠时间更少。其次，外部和内部节律的不同步导致老年人和女性比年轻男性更容易出现认知功能障碍，这可能是由于自主神经系统的不同反应引起的。随着年龄的增长，我们可以在不同的层面上观察到昼夜节律的变化，特别是在认知技能表现和警觉性方面、睡眠质量和数量恶化、以适应昼夜节律的变化、降低皮质醇和褪黑激素等激素的幅度和峰值变化以及许多代谢节律的逐渐减弱，这都会导致糖尿病、血脂异常和高血压，而且这些也都是心血管疾病的危险因素。西班牙的白种欧洲人与在英国的白种欧洲人或亚洲欧洲人的心肌梗死发病时间模式不同。第二，风险因素可能因种族而异。在非裔美国人中，睡眠时间的增加与肥胖有关；然而，睡眠时间长的欧美人肥胖程度较低。研究表明非裔美国人也比欧裔美国人经历更多的夜间高血压，并且心血管疾病的发病率更高，但是心血管疾病的发病率在男性和女性中相似。昼夜节律和心血管疾病的性别差异尚未被研究的很透彻，但是一些研究报道指出心脏代谢在性别之间是存在差异的，动物实验表明生物钟紊乱的雌性小鼠可免受代谢变化和心肌病的发生，究其原因可能是因为体内激素的作用所致。
在诊断和治疗方面，考虑个体差异也同样重要，即使是在同性别、同年龄或同种族的患者中。在某些情况下，采用“一刀切”的降压方法可能是有害的。目前使用的血压参考值可能不能够完全揭示所有与不良心血管事件风险增加相关的血管变异性异常，而通过长期监测获得的时间规定的、个性化的参考值可能做到这一点。基于昼夜节律振幅的相关诊断，每日给药时间的简单调整可能足以治疗和预防进一步的血管变异性异常。随着时间疗法科学的不断发展，我们希望从简单的药物处方考虑到真正的时钟时间(例如：相对于我们的真正的时钟时间而言，早晨或夜晚)，或相对于日常行为模式(例如：睡前或吃饭)、或相对于内源性生物时间(例如：昼夜节律阶段)，并可能考虑昼夜节律的不同阶段和行为周期之间的任何相互作用对药物产生的利弊影响。这些考虑在心血管疾病的治疗中都是至关重要的，因为内在的昼夜节律相对于外在的时间或行为可能会出现不一致的情况。综上，心血管疾病的时间疗法在未来可能会成为更具前景的治疗方法和策略，同时也对患有心血管疾病的人群产生积极而深远的影响。
编译：微科盟Echo；编辑：微科盟Tracy、江舜尧原文文献：
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