肾脏昼夜节律与高血压关系的研究进展

黄欣，程帆

(1.武汉大学第一临床学院，武汉 430060； 2.武汉大学人民医院泌尿外科，武汉 430060)

19世纪60年代，Smith[1]首次观察并记录了肾脏功能显示出昼夜节律，其指出尿液和尿素排泄均表现出明显的昼夜节律波动。随着研究的深入，时钟基因与生物昼夜节律之间的联系逐渐被揭示。不论是蓝细菌还是人类，均存在生物钟。在哺乳动物中，昼夜节律蛋白昼夜节律运动输出周期故障(circadian locomotor output cycles kaput，CLOCK)与芳香烃受体核转位因子样蛋白1(aryl hydrocarbon receptor nuclear translocator like protein 1，ARNTL/BMAL1)形成异二聚体，与时钟控制基因的E-box元件结合，从而启动基因的转录，同时BMAL1/CLOCK异二聚体能够与隐花色素(crytochrome，CRY)家族和PER(period)家族基因启动子中的E-box元件结合激活CRY和PER的转录，而PER和CRY反过来能作用于BMAL1/CLOCK异二聚体抑制其转录[2]。此外，视黄酸相关孤儿受体(retinoid-related orphan receptor，ROR)和孤儿核受体REV-ERBα(nuclear receptor subfamily 1，group D member 1)两个核受体蛋白的表达水平也受到时钟基因的控制，但两者对BMAL1的作用并不一致，ROR表达上调能进一步促进BMAL1发挥作用，而REV-ERBα则会抑制BMAL1的作用[3]。针对肾脏昼夜节律的研究揭示了肾脏功能的昼夜节律与环境昼夜变化的长期失调是多种疾病进展的独立危险因素，包括糖尿病、心血管疾病、慢性肾脏病和癌症等[4]。另外，年龄增长也能导致肾脏昼夜节律紊乱，甚至可能导致不良的健康后果，如夜尿症、心血管疾病和终末器官衰竭的患病风险增加[5]。研究还发现，肾脏昼夜节律的震荡与血压波动之间存在显著关联，且根据昼夜节律对高血压患者进行药物干预会显著提高药物的疗效[6]。因此，充分了解肾脏昼夜节律的变化，有助于预防与治疗因昼夜节律紊乱导致的相关疾病。现就肾脏昼夜节律与高血压关系的研究进展予以综述。

1 肾脏昼夜节律对血压的调控

正常人血压具有明显的昼夜节律变化，健康个体夜间血压较白天平均值下降10%～20%，即杓型血压，而当夜间血压降低幅度低于10%则称为非杓型血压[7]。昼夜节律失调会增加高血压疾病的发病率，而夜间血压可能是心血管疾病发生和死亡最重要的预后指标。临床指南指出，严格控制血压与降低重大心血管事件和死亡风险之间存在紧密联系，同时还强调了血压保持在正常水平的重要性[8]。维持正常血压对健康很重要。随着组织特异性和诱导性敲除动物模型越来越多的用于昼夜节律与血压关系的研究，学者已证明昼夜节律的丧失与高血压疾病的发展有关[9]。而肾脏昼夜节律在血压的昼夜节律中发挥关键作用。不同的时钟基因敲除小鼠表现出不同的血压表型，说明分子时钟参与了血压水平和节律的调节，并在其中起重要作用。

1.1BMAL1对血压的影响 随着BMAL1敲除小鼠模型的广泛使用，来自相关模型的研究数据也证明了BMAL1和血压之间存在关联。研究发现，BMAL1基因中的单核苷酸多态性与糖尿病和人类血压升高有关，且与野生型对照小鼠相比，全身BMAL1敲除小鼠表现为血压昼夜节律丧失以及较低的血压[10]。Yang等[11]对诱导性全身BMAL1敲除小鼠进行研究发现，BMAL1的缺失导致小鼠的血压和心率的昼夜节律均发生变化。然而，这些小鼠在寿命、生育力、体重或血糖水平上并没有表现出差异[12]。表明BMAL1作为分子钟参与了血压昼夜节律调节，且BAML1缺失会使血压失去原有节律的同时表现为血压偏低，并在发育过程中起作用。此外，血管周围脂肪组织中BMAL1缺失的小鼠表现出独特的血压表型，其在光照/静止期的血压较对照小鼠降低了10%[13]。Nikolaeva等[14]的研究表明，肾小管特异性敲除BMAL1小鼠的血压低于对照小鼠。除了肾小管，Ansermet等[15]在对足细胞的研究中发现，足细胞中BMAL1特异性缺失能影响肾小球滤过率的昼夜节律，而肾小球滤过率在维持体液稳态和血压调节上至关重要。但上述研究对象仅局限于雄性小鼠。Zhang等[16]的研究显示，肾小管特异性敲除BMAL1的雄性小鼠血压表型较对照小鼠低，但在雌性小鼠中并没有发现有差异，提示性别可能在血压昼夜节律变化中发挥作用。为进一步确定肾脏中BMAL1对血压的作用，Crislip等[17]对肾脏BMAL1敲除(KS-BMAL1 KO)小鼠进行研究发现，与正常对照小鼠相比，雄性KS-BMAL1 KO小鼠的基础收缩压显著降低，但其昼夜节律保持不变，且显示出明显偏低的平均动脉压，而雌性小鼠的基础收缩压无明显变化，进一步证实，性别因素影响了血压的昼夜节律调节；同时，远端肾单位和集合管中BMAL1对钠处理的调节具有性别差异。

可见，无论是在全身模型、组织特异性模型还是诱导敲除模型中，BMAL1的缺失均会导致啮齿动物模型血压的降低，具体的作用机制可能为通过BMAL1对肾远端肾单位和集合管中钠通道的调控，进而实现对血压的控制。此外，性别也是影响血压水平的关键因素，但是人群中BMAL1与血压之间是否存在与动物模型相似的联系以及具体作用机制是否一致还需进一步研究论证。

1.2CLOCK和DEC1对血压的影响 肾脏对水和电解质分泌与重吸收的调控与体内血压的稳定相关，其中以钠的重吸收和分泌对血压的影响最大，而CLOCK作为核心时钟基因的一员不仅参与了血压的昼夜节律调节，且CLOCK很可能通过调控肾单位对钠处理能力调节血压的变化，使血压的昼夜节律与肾脏钠处理的昼夜节律相对应。研究发现，CLOCK缺乏会导致尿钠、钾和水的排泄昼夜节律丧失，与对照小鼠相比，CLOCK敲除小鼠血压降低，尿钠排泄改变，尿崩症的发生率更高[18]。尿钠的排泄与血压关系十分密切，已有研究证实，CLOCK缺失小鼠表现出上皮细胞钠离子通道α亚基(epithelial sodium channel α-subunit，α-ENaC)的表达水平降低，尿钠重吸收减少，尿钠排泄节律改变，血压显著降低[18]。近端小管中钠的重吸收通过Na+/H+交换体3(Na+/H+exchanger 3，NHE3)起作用，而已有报道显示NHE3受CLOCK的调控，并观察到CLOCK突变小鼠钠的重吸收能力减弱[19]，进而表现出低血压表型。作为血压调节剂的20-羟基二十碳四烯酸(20-hydroxyeicosatetraenoic acid，20-HETE)通过作用于肾脏的肾前小动脉，使小动脉收缩而导致血压升高，同时20-HETE也能够抑制肾单位中某些钠转运蛋白功能，从而抑制钠的重吸收导致血压降低。然而研究发现，20-HETE在CLOCK敲除小鼠模型肾脏和尿液中的表达水平降低[20]。这提示，CLOCK除了通过α-ENaC以及NHE3调控肾脏对钠的排泄控制血压外，还可能通过调控20-HETE的表达水平实现对血压节律的控制。与野生型对照小鼠相比，编码部分功能性CLOCK蛋白的CLOCKΔ19敲除小鼠的平均动脉压昼夜变化平缓，且年龄依赖性心脏肥大和纤维化的患病率更高[21]。研究发现，转录因子神经元PAS结构域蛋白2可以替代视交叉上核和周围组织中的CLOCK[22]，但神经元PAS结构域蛋白2是否在CLOCK敲除后参与了血压的昼夜调节以部分替代CLOCK的作用目前尚不清楚。

正分化型胚胎软骨发育基因1(differentiated embryo-ehondrocyte expressed gene 1，DEC1)被认为是时钟基因家族的第5个成员，CLOCK/BMAL1异二聚体增强了时钟基因的启动子活性，而DEC1通过竞争与时钟元件CACGTG E-box的结合，抑制CLOCK/BMAL1增强的启动子活性，进而抑制PER1的转录。Nakashima等[23]的研究表明，DEC1能够抑制Na+，K+-ATP酶β1亚基(Na+，K+-ATPase β1-subunit，ATP1B1)的表达，ATP1B1能使血压上调；同时通过检测发现，CLOCK/BMAL1异二聚体增强了ATP1B1启动子的转录，而DEC1抑制了这种激活。此外，ATP1B1信使RNA和蛋白质表达节律与血压昼夜节律相反，且DEC1缺陷小鼠ATP1B1表达上调使小鼠血压降低，而CLOCK突变小鼠ATP1B1表达下调导致小鼠血压升高。

可见，CLOCK和DEC1通过影响肾脏多种钠重吸收通道蛋白昼夜节律表达水平调节血压昼夜节律，包括NHE3、ATP1B1和α-ENaC；此外，时钟基因CLOCK调控20-HETE在血压微观调节中的作用同样不能忽视，CLOCK很可能通过上述机制实现对基础血压的昼夜节律调节。

1.3PER和CRY对血压的影响 时钟基因PER家族包括PER1、PER2和PER3，其中PER1是肾脏研究的重点，其在血压昼夜节律调节中的作用已得到证实。PER1能够控制参与肾脏钠重吸收的几种关键蛋白的基因转录，这些蛋白包括α-ENaC、钠氯协同转运蛋白、无赖氨酸激酶1和4、NHE3和高亲和力钠-葡萄糖共转运蛋白1[24]。研究发现，在PER1全身敲除小鼠模型中小鼠出现低血压表型，且通过检测发现其肾脏α-ENaC的表达减少，尿钠排泄增加，肾脏内皮素1水平升高[25]。同样在PER1基因敲除129/sv小鼠模型中观察到，肾脏中α-ENaC表达水平的降低与129/sv小鼠的血压降低相关，且通过敲除两栖动物远端肾小管细胞中的PER1，首次证明了PER1表达下调与α-ENaC单通道活性降低有关[26]。这说明，PER1可能通过调节α-ENaC通道蛋白的表达水平，调节肾脏对钠的重吸收和分泌，从而实现对血压节律的控制，且PER1与血压可能呈正相关。

此外，研究还证明PER1还可调节远曲小管中的钠氯协同转运蛋白，近端肾小管中的NHE3和钠-葡萄糖共转运蛋白1[24]及血浆醛固酮的转录。醛固酮是肾上腺分泌的盐皮质激素，能够通过调节α-ENaC促进钠的重吸收参与维持细胞外钠稳态和控制血压，但是醛固酮的这种作用同样也受到PER1的调节[27]。醛固酮除了受到PER1的调节，还受CRY的调节，CRY敲除小鼠产生的醛固酮水平是对照小鼠的5倍，这是由于醛固酮合成酶3β-羟基类固醇脱氢酶-异构酶活性的上调引起，且CRY敲除小鼠表现出盐敏感性高血压表型，而通过使用醛固酮阻滞剂依普利酮可以逆转[28]。PER1敲除后加上高盐饮食和盐皮质激素的治疗会导致雄性(而非雌性)小鼠出现非杓型高血压表型[29]。研究还发现，PER1可协调远端肾单位的钠处理以调节24 h血压节律[30]。PER1和CRY除了直接作用于钠重吸收相关通道起到调控血压的作用外，还能通过调控肾上腺分泌的醛固酮水平间接作用于钠重吸收通道发挥调控血压节律的功能。

内皮素1是一种肽类物质，能够通过调节肾脏对钠的处理参与血压的维持，而内皮素1发挥作用主要通过内皮素受体A和内皮素受体B两种受体。有研究发现，时钟基因可能在内皮素受体B缺乏大鼠模型的延迟利尿利钠反应中起作用；在对PER1对血压和肾脏钠转运作用的研究中，PER1基因敲除小鼠表现出内皮素1水平升高，血压降低，说明PER1对内皮素1起负性调节作用[25]。在哺乳动物中除PER1外，还存在PER2以及PER3，与对照小鼠相比，PER2敲除小鼠血压的昼夜差异减小，舒张压降低，而PER2和PER敲除(PER1、PER2和PER3同时敲除)在血压上并没有表现出明显差异[31]。PER3的具体作用尚不清楚，有文献报道，PER3对小鼠胚胎发育至关重要[32]。

虽然大多数时钟基因敲除小鼠均表现为较为正常的昼夜节律性，但是血压均降低，这提示时钟基因在控制血压昼夜节律作用上存在重叠。目前的研究证实，时钟基因BMAL1、PER1等实现对血压的调控主要包括两个方面的机制：①通过调控肾脏钠重吸收通道蛋白的表达，如α-ENaC、NHE3、钠氯协同转运蛋白等；②通过调节20-HETE、醛固酮、内皮素1等内分泌激素的表达水平间接作用于钠重吸收通道，进而调控血压节律。生物钟的紊乱会导致时钟基因的表达失去昼夜节律，从而丧失对血压节律的调控，导致异常血压表型，直至发展为高血压表型。

2 肾脏昼夜节律对药物代谢的影响及其临床意义

对昼夜节律和时钟基因的深入研究，诞生了时间药理学，它主要研究生物的昼夜节律如何影响药动学、药效学和毒性，并确定一天中的给药时间是否会改变药物的药理特性。高血压药物的药动学受影响吸收、分布、代谢和消除的昼夜节律的显著影响。大多数水溶性药物或药物代谢产物通过肾脏排出体外，而这些药物或其代谢产物从肾脏排泄的速率取决于肾脏的肾血流量、肾小球滤过率、肾脏重吸收或分泌药物的能力、尿液pH值，所有这些肾脏功能在不同的哺乳动物模型中均呈现出显著的昼夜节律变化。

2.1肾脏昼夜节律对高血压药物代谢的影响 研究证实，与早上服用多种降压药相比，睡前只服用一种降压药更能降低顽固性高血压患者非杓型血压的患病率，同时也可降低高血压和慢性肾脏病患者发生心血管事件的风险[33]。利尿剂因具有利尿作用，能够导致血压下降，故适用于高血压疾病的治疗，尤其是老年高血压或并发心力衰竭者。在其他降压药单独治疗无效时，合并使用利尿剂，会得到更显著的疗效，尤其对于老年人、肥胖高血压患者。Ernst等[34]发现，与氢氯噻嗪相比，噻嗪类利尿剂氯噻酮具有降低夜间血压的能力，且利用动态血压监测可以观察到明显的血压变化。因此在治疗高血压患者的过程中，除了考虑降压药物的种类外，还需要将夜间血压作为治疗的干预目标。Nikolaeva等[14]使用肾脏BMAL1特异性敲除小鼠模型检测了呋塞米的利尿作用，结果发现这些小鼠的利尿反应减弱且呋塞米的尿液排泄也减弱。同时，对肾脏BMAL1特异性敲除小鼠的代谢组学图谱的深入分析显示，氨基酸、生物胺、酰基肉碱和脂质的血浆水平发生了显著变化。

2.2肾脏昼夜节律对高血压药物代谢影响的临床意义 用于高血压治疗的药物其药动学受到昼夜节律的显著影响，这一过程很可能是通过调控参与药物的吸收、分布、代谢和消除蛋白的表达水平而起作用。虽然高血压治疗指南并未强调药物治疗患者的给药时间，但Hermida等[35]对关于高血压药物及其组合在动态血压降低、安全性和靶器官病理标志物方面的摄入时间差的证据进行了评估发现，与清晨服用高血压药物相比，睡前用药在不引起睡眠低血压的情况下降压效果更显著，且能降低患心血管疾病的风险及药物不良反应发生率，改善肾功能。同时发现，睡前给药治疗策略的主要益处包括：①睡眠收缩压显著降低，而清醒状态下的收缩压并不受影响。②睡眠时间相对收缩压下降幅度明显增加3.23%；而睡眠收缩压的异常升高与心血管疾病发生风险增加显著相关[36]。③肾功能改善，动脉栓塞减少、肾小球滤过率增加以及心脏和血管重塑和损伤显著减少。④单独摄入血管紧张素转换酶抑制剂和钙离子拮抗剂或与其他药物联合应用时，不良反应的发生率更低。⑤睡前服用降压药物的个体不会出现睡眠低血压。虽然睡前用常规高血压药物治疗能够最好地控制血压，特别是在睡眠期间，并且能够改善肾脏和心脏的靶器损害，但有关睡前时间疗法对心血管疾病预防影响的研究较少。上述证据证实了睡前治疗策略对高血压疾病治疗的重要性，根据生物节律的特征选择相应药物的给药时间，以优化治疗效果或最小化/避免副作用。

3 小 结

肾脏生物钟是肾脏功能昼夜节律的关键调节器，肾脏昼夜节律的变化既有肾脏内部时钟的调节，也有外部生物钟的参与，成千上万的基因和蛋白质处于生物钟的调节之下，这可能是肾脏功能产生昼夜节律变异的基础。肾脏昼夜节律与高血压之间有着密切联系，通过时钟基因的昼夜节律性表达实现调控肾脏钠重吸收通道和体内相关的激素节律，从而实现对血压基础节律的调控。肾脏昼夜节律紊乱使其丧失对血压基础节律的调节，导致血压升高甚至发展为高血压，且根据昼夜节律给药，已在高血压治疗实践中取得了显著疗效。鉴于时钟基因节律与高血压发病机制的复杂性，未来需继续深入探索两者之间的联系，以努力改善高血压患者的预后。