丁劭華, 沈 洪

1.南京中醫(yī)藥大學 第一臨床醫(yī)學院, 江蘇 南京 210023;2.南京中醫(yī)藥大學 附屬醫(yī)院, 江蘇 南京 210029

晝夜節(jié)律指機體的生理行為以24 h為周期規(guī)律性變化[1],人類許多重要生理活動都由此節(jié)律調(diào)控。現(xiàn)代不良的生活方式如輪班制工作、長期睡眠剝奪以及夜間長期暴露于人造光會通過擾亂晝夜節(jié)律影響機體生理活動,其中也包括腸道的正常功能,如腸道動力、腦腸肽的分泌、腸道菌群及其代謝產(chǎn)物穩(wěn)態(tài)和腸道屏障[2]。JIANG Ya等[3]研究發(fā)現(xiàn),睡眠剝奪的人群比正常人更容易出現(xiàn)排便不完全的癥狀。北京協(xié)和醫(yī)院一項臨床研究[4]調(diào)查發(fā)現(xiàn),52.6%的便秘患者夜間睡眠時間不足,但恢復正常睡眠時間后便秘的癥狀可以得到改善。

上述結(jié)果表明,晝夜節(jié)律與排便相關(guān)。本研究就晝夜節(jié)律調(diào)控排便相關(guān)胃腸生理功能進行綜述。

1 晝夜節(jié)律與時鐘系統(tǒng)

機體通過感知光線明暗、食物刺激等外部環(huán)境線索,調(diào)控自身生理活動以適應晝夜交替,這種調(diào)控涉及中心時鐘系統(tǒng)與外周時鐘系統(tǒng)。哺乳動物的中心時鐘系統(tǒng)位于下丘腦視交叉上核(suprachiasmatic nucleus,SCN),通過整合各類神經(jīng)傳來的外界環(huán)境信號如光線變化、溫度變化、食物刺激感知晝夜交替[5],再以神經(jīng)調(diào)節(jié)或體液調(diào)節(jié)的方式改變外周各器官的生理活動。SCN的損傷會使機體喪失晝夜節(jié)律,而移植SCN可以恢復機體的晝夜節(jié)律[6]。外周時鐘系統(tǒng)則廣泛分布在機體外周各組織與器官內(nèi),可直接感受晝夜交替并對自身生理功能進行自我調(diào)控[7],產(chǎn)生與中心時鐘系統(tǒng)同步的生物節(jié)律。胃腸道生理功能同時受到中心時鐘系統(tǒng)與外周時鐘系統(tǒng)的調(diào)控。

晝夜節(jié)律的產(chǎn)生與維持依賴時鐘基因的調(diào)控。時鐘基因與其蛋白產(chǎn)物相互作用形成反饋系統(tǒng),該反饋系統(tǒng)包括3個“轉(zhuǎn)錄-翻譯反饋環(huán)路”,其中環(huán)路一由Period(Per)、Cryptochrome(Cry)、Clock及Bmal1等時鐘基因組成,Clock和Bmal1異構(gòu)成復合體Clock-Bmal1,與Per、Cry啟動子區(qū)域的E-box元件結(jié)合來激活這些基因的轉(zhuǎn)錄,Per和Cry濃度達到一定水平后反向抑制Clock及Bmal1的水平。環(huán)路二由Clock-Bmal1及其靶點受體Rev-erb α/β、RORs等組成,Clock-Bmal1促進Rev-erbs和RORs轉(zhuǎn)錄,Rev-erbs與ROR應答元件結(jié)合負反饋調(diào)節(jié)Bmal1的轉(zhuǎn)錄。環(huán)路三由Per、Cry啟動子區(qū)域的D-box元件結(jié)合蛋白(Dbp)及腺病毒E4啟動子結(jié)合蛋白(E4BP4)組成,D-box被Dbp和E4BP激活后調(diào)節(jié)Per、Cry的表達[8-9]。時鐘系統(tǒng)自身基因節(jié)律性的轉(zhuǎn)錄和表達使得其下游基因和蛋白的合成也呈現(xiàn)晝夜節(jié)律,維持了機體生理功能的晝夜節(jié)律性。

2 晝夜節(jié)律調(diào)控排便相關(guān)胃腸生理功能

2.1 結(jié)腸運動

晝夜節(jié)律參與調(diào)控結(jié)腸運動。結(jié)腸環(huán)肌層與縱肌層是協(xié)調(diào)結(jié)腸運動的重要部位,其中表達時鐘基因如Clock、Per1、Per2、Per3[10]可以通過控制乙酰膽堿轉(zhuǎn)移酶和神經(jīng)元性一氧化氮合酶等基因的節(jié)律性轉(zhuǎn)錄,調(diào)控結(jié)腸運動以呈現(xiàn)晝夜節(jié)律變化[11]。Yamaguchi等[12]在健康女性人群中進行的一項實驗結(jié)果表明Clock、Per3等時鐘基因的多態(tài)性與胃腸動力減弱相關(guān)。Hoogerwerf等[13]發(fā)現(xiàn),野生小鼠的排便具有節(jié)律性,這種節(jié)律性源于結(jié)腸環(huán)形肌的節(jié)律性收縮,而Per1、Per2基因敲除小鼠的結(jié)腸缺乏這種節(jié)律性,證實了結(jié)腸動力由內(nèi)源性時鐘驅(qū)動控制,具有晝夜節(jié)律。結(jié)腸運動晝夜節(jié)律主要由時鐘基因節(jié)律性表達產(chǎn)生,并受到中央時鐘的調(diào)控,后者節(jié)律性地調(diào)控促腎上腺皮質(zhì)激素釋放因子(corticotropinreleasing factor,CRF)的釋放,使胃腸運動呈現(xiàn)晝夜節(jié)律[9]。有研究發(fā)現(xiàn)大鼠CRF在給予光照后開始升高,撤離光源后CRF逐步降低,證明CRF的分泌由光線變化調(diào)控,具有晝夜節(jié)律性[14]。CRF能夠刺激結(jié)腸運動并抑制胃排空[15-16]。O’Malley等[17]證明靜脈或腹膜注射CRF可增加腸道動力并刺激排便,并觀察到其增加腸道動力呈劑量相關(guān)性。證實中心時鐘通過CRF維持胃腸運動的晝夜節(jié)律。

2.2 腦腸肽的分泌

褪黑素(melatonin,MT)是腦腸肽的一種,通過激動結(jié)腸MT受體調(diào)控胃腸活動[18],參與機體攝食及消化過程[19]。低濃度的MT可促進胃腸運動,高濃度的MT可抑制胃腸運動[20]。MT的中樞及胃腸分泌均存在晝夜節(jié)律,中樞MT由松果體合成,受中心時鐘調(diào)節(jié)。胃腸MT由腸嗜鉻細胞(entero chromaffin cell,EC)合成,受腸道外周時鐘控制。Muoz-Pérez等[21]實驗證明摘除松果體后胃腸道仍可以節(jié)律性分泌MT,證實胃腸道MT的分泌受外周時鐘控制。中樞MT可透過血腦屏障,與胃腸MT一起參與調(diào)控胃腸運動的晝夜節(jié)律,白天MT分泌受到抑制,胃腸活動加強,夜間反之[22-23]。此外,中樞MT還能調(diào)控外周時鐘基因Per1和Per2的表達,使外周時鐘和中心時鐘的節(jié)律保持一致[24]。

5-羥色胺(5-HT)是MT的前體物質(zhì),同樣具有顯著的晝夜節(jié)律[25]。光照刺激EC合成5-HT,使其濃度呈現(xiàn)晝高夜低的趨勢。Elizabet等[26]發(fā)現(xiàn)十二指腸晝夜節(jié)律性的表達時鐘基因,并調(diào)控5-HT合成的限速酶色氨酸羥化酶的mRNA表達,使胃腸道5-HT濃度呈現(xiàn)晝夜節(jié)律。EC上存在特異性機械敏感性離子通道蛋白基因Piezo2,該基因啟動子區(qū)域存在由時鐘基因Bmal1調(diào)控的E-box元件,Bmal1可能通過調(diào)節(jié)EC的Piezo2轉(zhuǎn)錄,引起Piezo2依賴性Ca2+內(nèi)流,進而誘導5-HT分泌的晝夜節(jié)律性[27-28]。5-HT激動結(jié)腸肌間神經(jīng)叢中的5-HT3受體促進腸道運動,因此,白天5-HT濃度升高,結(jié)腸運動增強,夜間5-HT濃度降低,結(jié)腸運動減緩。

2.3 腸道菌群及其代謝產(chǎn)物穩(wěn)態(tài)

2.3.1 腸道菌群穩(wěn)態(tài)

腸道菌群的豐富度、種屬構(gòu)成及代謝過程均存在晝夜節(jié)律[29-30],該節(jié)律主要受到外周時鐘的調(diào)控。Per1和Per2基因缺乏的小鼠喪失了腸道菌群豐富度的晝夜節(jié)律性波動,敲除Bmal1基因小鼠的腸道菌群表現(xiàn)出相似結(jié)果[31],Clock基因突變小鼠的腸道菌群多樣性顯著降低,同樣也失去晝夜節(jié)律[32]。宿主晝夜節(jié)律紊亂會導致腸道菌群紊亂,反之,腸道菌群紊亂也會影響腸道時鐘基因的正常表達,腸道晝夜節(jié)律與腸道菌群之間存在雙向調(diào)節(jié)。時鐘基因Rev-erbα通過抑制時鐘輸出調(diào)節(jié)器,使腸上皮細胞節(jié)律性表達Toll樣受體(toll-like receptor,TLR)信號節(jié)律性的傳遞能夠維持細胞內(nèi)晝夜節(jié)律的表達[33],腸道菌群紊亂會損傷腸上皮細胞,擾亂腸道晝夜節(jié)律的穩(wěn)態(tài)。晝夜節(jié)律的改變可導致腸道內(nèi)益生菌數(shù)量減少、病原菌增殖并激活條件致病菌。Thaiss等[31]研究表明,移植益生菌可以刺激結(jié)腸的運動、增加糞便含水量、恢復腸道微生物群結(jié)構(gòu),緩解便秘相關(guān)的癥狀[34]。

腸道菌群能夠通過調(diào)節(jié)5-HT水平影響結(jié)腸運動。CAO Hailong等[35]向無菌小鼠移植FC患者菌群后小鼠出現(xiàn)便秘癥狀,并伴隨腸道蠕動減少和糞便含水量降低的現(xiàn)象,結(jié)腸組織中的SERT表達明顯上調(diào),5-HT的含量降低,削弱結(jié)腸環(huán)肌層收縮活性,抑制腸道動力,導致FC發(fā)生。Bhattarai等[36]發(fā)現(xiàn)菌群代謝物色胺可以通過激活結(jié)腸上皮內(nèi)5-HT4受體促進腸液的分泌,改善腸道轉(zhuǎn)運。

2.3.2 腸道菌群代謝產(chǎn)物穩(wěn)態(tài)

腸道菌群常見的代謝產(chǎn)物如短鏈脂肪酸(short-chain fatty acids,SCFAs)、脂多糖(LPS)和膽汁酸(bile acid,BA)都具有晝夜節(jié)律[37],攝食時間是調(diào)控腸道菌群代謝產(chǎn)物晝夜節(jié)律的重要因素。然而,Leone等[38]研究發(fā)現(xiàn),通過靜脈輸液等腸外營養(yǎng)飼養(yǎng)的小鼠腸道菌群及其代謝產(chǎn)物仍具有晝夜節(jié)律變化,表明小鼠時鐘系統(tǒng)中的其他信號可能也可參與晝夜節(jié)律的調(diào)控,但機制未明。

SCFAs參與調(diào)節(jié)結(jié)腸運動的晝夜節(jié)律[39-40]。SCFAs能夠促進色氨酸羥化酶的表達,產(chǎn)生5-HT促進腸道運動[41]。Yano等[42]證實乙酸鹽、丁酸鹽、丙酸鹽等SCFAs能夠促進EC合成5-HT。SCFAs對腸道動力的影響還與激活近端結(jié)腸迷走神經(jīng)的5-HT3通路和遠端結(jié)腸的5-HT4通路以調(diào)節(jié)結(jié)腸上行收縮和下行舒張有關(guān)。Grider等[43]將SCFAs涂在大鼠離體結(jié)腸的中端,發(fā)現(xiàn)結(jié)腸運動較其他節(jié)段增強,證實SCFAs能夠激活5-HT4受體以觸發(fā)結(jié)腸蠕動反射。丁酸還可以通過改變乙酰膽堿等神經(jīng)遞質(zhì)的水平影響結(jié)腸運動。GE Xiaolong等[44]等在給慢傳輸型便秘模型小鼠補充丁酸鹽后,小鼠便秘的癥狀得到逆轉(zhuǎn)。Vandeputt等[45]通過對比攝入菊粉前后FC人群的糞便微生物群,發(fā)現(xiàn)菊粉誘導后患者結(jié)腸中嗜膽菌屬相對豐富度下降,丁酸含量上升,糞質(zhì)變軟,顯著提高了FC患者的生活質(zhì)量,證實丁酸能夠改善FC癥狀。除了對腸道動力的影響,SCFAs水平增加導致腸道pH降低,有利于有益菌的發(fā)育并阻止病原菌的定植,導致腸道功能紊亂[46]。

LPS是著名的炎癥啟動因子。晝夜節(jié)律紊亂會導致腸道革蘭陰性桿菌增多,產(chǎn)生更多的LPS,異常增多的LPS可被結(jié)腸黏膜細胞上的TLR4識別,激活核因子-κB(nuclear factor-κB,NF-κB)信號通路[47],生成的白細胞介素-6(IL-6)、腫瘤壞死因子-α(TNF-α)等炎癥因子能夠提高中性粒細胞在腸黏膜上的粘附性,增加黏膜通透性,破壞黏膜屏障,加劇腸道損傷,導致排便障礙。

BA的晝夜節(jié)律同樣受外周時鐘的調(diào)控。Pathak等[48]發(fā)現(xiàn)Per1/Per2雙敲除小鼠腸道中BA的晝夜節(jié)律消失。生物體攝食或其他活動刺激可使BA水平上升,Zhang等[49]研究發(fā)現(xiàn)小鼠腸道內(nèi)BA水平從進入活動期開始升高,在活動期結(jié)束時達到頂峰,其中小鼠在攝食后BA濃度顯著升高。BA可以改變腸腔內(nèi)水和電解質(zhì)的運輸,并且可以激活G蛋白偶聯(lián)膽汁酸受體5作用于EC,刺激EC釋放5-HT促進腸道運動。大部分BA在回腸末端被重吸收入肝,剩余BA進入結(jié)腸,這一過程稱為BA的肝腸循環(huán)。Chedid等[50]研究證明回腸膽汁酸轉(zhuǎn)運蛋白抑制劑顯著縮短腸道通過時間,腸道動力增強,使便秘的癥狀得以改善。因此,BA的晝夜節(jié)律性變化導致結(jié)腸運動白天增強夜間減弱。

2.4 腸黏膜屏障

晝夜節(jié)律的紊亂會導致腸道上皮屏障的破壞。腸黏膜屏障中的緊密連接蛋白(Claudins)、腸黏膜上封閉蛋白(Occludin)等跨膜蛋白均存在晝夜節(jié)律[51],受外周時鐘調(diào)控。結(jié)腸上皮細胞中的Clock和Bmal1能與Occludin和Claudin-1啟動子區(qū)域的E-box結(jié)合,從而調(diào)節(jié)Claudins的轉(zhuǎn)錄,同時Clock-Bmal1可通過調(diào)節(jié)Occludin和Claudin-1的表達水平影響Claudins的功能,破壞腸黏膜屏障的完整性,增加腸黏膜的通透性[52]。趙國杰等[53]研究表明晝夜節(jié)律紊亂模型大鼠腸道的細胞間Occludin、Claudin-1、Claudin-3表達量降低,腸黏膜屏障受損,通透性增加。腸黏膜屏障通透性增高會導致病原體從腸腔內(nèi)進入機體內(nèi)部環(huán)境,促使IL-6、TNF-α、IL-10等促炎因子分泌,誘發(fā)異常的黏膜免疫反應,相反,促炎因子的異常增多也會損傷腸黏膜屏障,兩者間具有相互作用。一項有關(guān)大學生睡眠情況的研究發(fā)現(xiàn),缺乏睡眠或入睡時間推遲的人群血漿炎癥因子水平顯著增高,其中入睡時間推遲與IL-6、TNF-α、IL-10水平呈顯著正相關(guān)[54]。在動物實驗中,急性和慢性間歇性睡眠剝奪均可加重小鼠結(jié)腸的炎癥反應,上調(diào)血漿IL-6、TNF-α水平[55]。由此可見,睡眠剝奪促進結(jié)腸促炎因子生成導致腸粘膜損傷可能是晝夜節(jié)律紊亂誘發(fā)排便障礙的機制之一。

3 晝夜節(jié)律與功能性便秘

功能性便秘(functional constipation,FC)是功能性胃腸病的一種,主要表現(xiàn)為排便困難、排便頻率下降或伴有排便不盡感。我國FC發(fā)病率逐年提高,我國整群隨機流行病學調(diào)查結(jié)果顯示約有3.19%～11.6%的成年人飽受便秘的困擾,其中6.0%～14.3%的便秘患者為FC[56]。FC的發(fā)病與結(jié)直腸動力障礙、腦-腸軸調(diào)節(jié)異常、腸道菌群失調(diào)以及腸黏膜屏障損傷相關(guān),前述晝夜節(jié)律在調(diào)控腸道正常生理活動中扮演重要角色,晝夜節(jié)律紊亂可能通過這些途徑誘發(fā)FC。一項納入17 529名受試者的韓國多中心橫斷面研究[57]中收集了受試者在6個月輪班制工作期間的排便情況,證實晝夜節(jié)律紊亂與便秘的發(fā)生呈正相關(guān)。在另一項對比輪班護士與白班護士功能性胃腸病發(fā)病率的研究中,同年齡段的輪班護士FC發(fā)病率更高[58]。葉雅玲等[59]調(diào)查結(jié)果表明,睡眠障礙是加重FC患者便秘癥狀的重要因素。以上均可說明,晝夜節(jié)律與FC存在相關(guān)性,但目前國內(nèi)外對此的研究僅限于臨床觀察及流行病學調(diào)查,晝夜節(jié)律紊亂誘發(fā)FC的具體機制仍未可知。

4 總結(jié)與展望

4.1 總結(jié)

本研究通過總結(jié)和歸納相關(guān)文獻,闡述了晝夜節(jié)律調(diào)控排便相關(guān)的胃腸生理功能的機制。晝夜節(jié)律通過調(diào)控腸道動力、腦腸肽的分泌、腸道菌群及其代謝產(chǎn)物穩(wěn)態(tài)和腸道屏障,影響機體腸道功能。近年來國內(nèi)外多項臨床研究結(jié)果表明晝夜節(jié)律紊亂與FC發(fā)病呈正相關(guān),晝夜節(jié)律紊亂誘發(fā)FC可能與上述功能失常有關(guān)。

本研究從4個方面分別論述了晝夜節(jié)律調(diào)控排便相關(guān)胃腸生理功能的機制,證實晝夜節(jié)律能夠單獨調(diào)控上述每項生理功能,但人體是一個整體,各項生理活動相互影響,無法證明晝夜節(jié)律調(diào)控某項生理活動發(fā)生改變后,該改變是否對其他相關(guān)生理活動產(chǎn)生影響,并且目前仍缺乏關(guān)于多項生理活動的共同改變對排便活動的綜合影響結(jié)果的研究。此外,FC的發(fā)病機制也尚不明確,Shekhar等[60]發(fā)現(xiàn)部分FC患者5-HT呈高水平表達,前文已述5-HT促進結(jié)腸運動,其高水平誘發(fā)FC的機制可能是下調(diào)內(nèi)臟敏感性,減少排便刺激的產(chǎn)生。由此可見,目前對于晝夜節(jié)律調(diào)控排便相關(guān)胃腸生理功能的機制仍缺乏系統(tǒng)性的研究,其研究范圍有待擴大。

4.2 展望

不良生活作息導致晝夜節(jié)律紊亂,誘發(fā)排便功能障礙。規(guī)律的生活作息,如保證充足的睡眠時間、按時進餐、適當運動,有助于晝夜節(jié)律的正常運轉(zhuǎn),將優(yōu)化患者生活作息作為輔助治療手段能夠大幅度減輕患者的心理及經(jīng)濟負擔。限時進食(time-restricted feeding,TRF),即限制患者在一天內(nèi)規(guī)定的連續(xù)時間段內(nèi)自由進食,而其他時間禁食[61],是通過直接干預進食時間而調(diào)節(jié)晝夜節(jié)律的新興飲食策略。有臨床研究[62]證明TRF可用于治療晝夜節(jié)律失調(diào)干擾營養(yǎng)物質(zhì)代謝導致的超重/肥胖,提示未來推廣應用TRF恢復晝夜節(jié)律失調(diào)相關(guān)的胃腸生理功能障礙的可能性。

人體藥物代謝酶具有晝夜節(jié)律性表達,藥物的排泄也具有晝夜節(jié)律。有藥物臨床試驗報道稱,75%以上的藥物都顯示出明顯的時間效應[55]。有研究發(fā)現(xiàn)夜間服用對乙酰氨基酚的毒性高于白天,提示臨床用藥時應考慮晝夜節(jié)律,根據(jù)人體生理、病理節(jié)律選擇合適的用藥時間能夠減少用藥的盲目性,提高治療效果[63]。Bmal1可通過調(diào)控腸道轉(zhuǎn)運體MRP2和P-gp的節(jié)律表達影響腸道對藥物的轉(zhuǎn)運,并節(jié)律性調(diào)控腸道藥物代謝酶羥酸酯酶1(CES1)的活性[64]。目前FC診療共識推薦的藥物試驗中,尚未發(fā)現(xiàn)有明確的時間效應,但為未來藥物研發(fā)和使用提供了新思路。因此,以晝夜節(jié)律為導向的治療措施或許能夠通過改善胃腸功能,減輕患者便秘的癥狀,具有積極的臨床意義。