昼夜节律系统、睡眠与骨骼健康的关系研究进展

韩明慧 祁峥玮 于幸 刘悦文

（上海健康医学院康复学院，上海 201318）

全球范围内骨代谢相关疾病导致了人们健康负担的不断加重。深入探索其发病机制并改善和扩大现有的防治方法和措施显得尤为重要。昼夜节律生物钟作为调控生物的生理和病理的重要一环。在骨骼中，昼夜节律生物钟有助于协调骨骼的形成和吸收[1]。本文将简要介绍昼夜节律系统、睡眠与骨骼健康三者之间的生理联系，旨在帮助大家了解昼夜节律机制、睡眠与骨骼健康的最新研究情况，为后续的相关研究提供一定的理论依据。

1 内源性昼夜节律系统与骨代谢之间的生理联系

1.1 生物钟（时钟）基因与骨代谢的关系

节律基因主要包括BMAL1（brain and muscle arnt-like 1，BMAL1）、时钟循环输出蛋白（circadian locomoter output cycle kaput，CLOCK）、周期基因家族（period，Per）（包括Per1、Per2和Per3）、隐花色素家族（cryptochrome，Cry）（包括Cry1和Cry2）、神经下游钟基因-芳香烃受体核转运蛋白-结合结构域家族（per-arnt-sim，PAS）结构域蛋白2等，其中BMAL1基因是机体生物钟的核心部件，在长骨、造血干细胞乃至整个骨髓等外周组织和视交叉上核中均有表达，常与CLOCK基因形成二聚复合体后结合在Per或Cry基因的启动子上进行调控，而Per或Cry转录翻译后又起到抑制二聚体形成。由于BMAL1是机体生物钟元件的核心，机体生物钟元件的种类繁多，因而具有较高的研究的潜力和价值。

BMAL1在昼夜节律的调节中起着重要作用，参与骨骼形成的节律振荡和细胞外基质表达是机体生理活动的重要调节因子，是调控骨髓间充质干细胞成骨分化的重要因子[2]。软骨细胞、成骨细胞及破骨细胞对骨的完整性和功能性起重要作用。BMAL1的异常表达会影响骨代谢，反之骨代谢也会影响BMAL1的表达[3]。Takarada等[4]进行的一项动物实验发现，时钟基因BMAL1通过在小鼠成骨细胞中的表达来抑制破骨细胞生成。Tsang等[5]也发现，成年小鼠缺失BMAL1基因后呈现出低骨量表型。Yuan等[6]进行的研究则表明，时钟基因CLOCK参与调节成骨和细胞凋亡。而Kim等[7]的研究发现时钟基因Reverb α可能促进骨髓间充质干细胞的衰老，并在成骨后期起到负调控作用。

1.2 内源性昼夜节律系统对于骨在时间依赖成分下发挥的作用

骨转换标志物（bone turnover markers，BTMs）在人类中显示出昼夜节律[8]。体外研究证实了骨中的时钟基因表达，并表明该外周组织具有内源性的昼夜节律[9]。骨形成生化标志物节律性的一般形态和时间与骨吸收生化标志物节律性相似，但幅度和调控途径不同[10]。骨形成生化标志物一般形态的时间节奏性与骨吸收生化标志物相似，但振幅和监管途径不同。骨钙素是成骨细胞主要在矿化过程中产生的一种蛋白，用于反映成骨细胞的活动。骨钙素表现出一致的节律性，与骨吸收生化标志物相似，在凌晨达到高峰[11]。骨转换标志物与骨钙素具有昼夜节律性变化可进一步研究与骨细胞的关系。不仅仅是骨转换标志物和骨钙素，或许还有其他因素具有昼夜节律变化，从而对骨细胞活动生物节律性的研究具有积极意义。

骨细胞的节律稳定性可能反映了它们各自的功能或细胞谱系是来源于造血干细胞的破骨细胞，还是来源于间充质干细胞的成骨细胞[12]。动物时钟基因敲除（knockout，KO）模型表明，时钟基因和昼夜生理的改变是如何有可能改变骨转换和骨骼表型。整体成骨细胞特异性BMAL1 KO小鼠具有低的骨密度表型，其原因是骨吸收（和形成）水平更高，成骨细胞分化减少[13]。相反，破骨细胞特异性BMAL1 KO小鼠由于减少骨吸收而具有高的骨密度表型。外周（而非中央）时钟基因，特别是成骨细胞BMAL1，是由于破骨细胞的抑制功能而被提出的骨吸收调节因子[14]。

由此可见，内源性昼夜节律系统对于骨在时间依赖成分下有重要作用，缺乏某些昼夜节律基因可能会对骨量造成影响，这种影响不一定是负面的，若对骨的昼夜节律进行更进一步研究，加深对骨吸收生化标志物与骨形成生化标志物的理解，或许能对骨的恢复有积极意义。

2 夜班工作相关的昼夜节律紊乱以及骨质疏松、跌倒和骨折风险之间的相关性

BTMs的昼夜节律可能对终生保持最佳骨骼健康很重要。夜间工作中出现的睡眠和昼夜节律紊乱可能会潜在地破坏骨骼生理并损害骨骼健康。夜班工作内在地改变了睡眠周期，通常导致休息不足和缩短睡眠时间，从而破坏昼夜节律或睡眠功能[15]。对人类和其他动物的研究表明，夜班工作及其相关的睡眠和昼夜节律紊乱可能有害骨骼健康，并增加跌倒的风险[16]。

2.1 夜班工作与低骨密度、骨折的关系

Kim等人[17]的一项针对韩国年轻（平均年龄36.4岁）人群的研究发现，在白天以外时间工作的人，尤其是夜班的人，腰椎和全髋关节的骨密度更低。轮班工人骨折的风险增加。护士健康研究在8年随访后发现，与从未上过夜班的女性相比，上过20多年夜班的女性发生髋部和手腕骨折的风险更高。此外，Kim等人在韩国全国健康和营养检查调查中报告，非白天工作患者自我报告骨折（股骨、手腕或脊柱）的比例比白天工作患者高了近2倍（2.1%比1.2%），虽然这种差异在传统的统计截止点上没有统计学意义（P=0.06），但差异的大小可能具有临床意义。而在NHANES队列中，中年男性和女性轮班工作者与非轮班工作者的骨密度没有差异[18]。夜班工作较白天工作骨折风险明显地增加，这种风险或许是长期性不可逆的，潜移默化影响机体。

2.2 睡眠与骨密度的关系

有研究表明，20～40岁人群低骨密度发生率和睡眠障碍发生率显著低于40岁以上人群，40～60岁人群与60岁以上人群的低骨密度发生率和睡眠障碍发生率的差异无统计学意义；男性人群低骨密度发生率和睡眠障碍显著低于女性[19]。279例绝经后妇女各部位及总平均骨密度与体质指数与规律运动呈正相关，平均骨密度与睡眠时间、睡眠效率呈正相关，与年龄、绝经年龄及饮酒则无明显相关性，与卧床时间、深睡时间、浅睡时间也无明显相关性。线性回归分析结果显示，规律运动、睡眠效率是绝经后妇女的双上肢、双下肢、髋骨、腰椎及总平均骨密度水平的影响因素[20]。根据相关研究，女性似乎更容易受到睡眠障碍的影响，从而影响骨密度。男性与女性之间的差异是否是由于机体自身节律基因的差异导致还有待进一步检验。

2.3 昼夜节律紊乱与摔倒的关系

睡眠和昼夜节律紊乱会导致嗜睡并降低对环境危害的警觉性，这可能会增加摔倒和骨折的风险[21]。此外，醒来后表现出来的急性机能障碍（睡眠惯性）和延长的睡眠失眠症都会降低体位的稳定性和平衡性，增加跌倒的风险。另外，失眠与跌倒的风险增加有关，预测显示失眠症状的负担越重，老年人2年内跌倒的风险就越大。睡眠时间与睡眠周期改变或许潜移默化地对骨造成损害，从而增加了发生低骨密度、跌倒与骨折的风险。此外，与之相对应的节律基因具体变化有待进一步研究[22]。

3 昼夜节律中药物与骨骼的关系

3.1 咖啡因与骨骼健康

含咖啡因饮料的摄入可能限制了其他富含钙（如牛奶）或更多骨中性（如水）饮料的摄入量，或者因为其中含有可能影响骨骼健康的其他物质（如磷、多酚、酸、糖）[23]。关于咖啡因在骨骼健康中的作用已有一些流行病学研究，结果不一，部分有冲突的数据可能是由于人口的差异研究（年龄、性别、更年期状态），随访时间以及不同的混杂饮食和适当的统计调整所导致的。造成结果不一的这些因素包括咖啡因的来源（咖啡、苏打水、茶）、不同地区咖啡果的加工过程及对平均饮用量的假设[24]。

3.2 褪黑素与骨骼健康

褪黑素广泛存在于动物、植物、真菌中[25]。目前认为褪黑素可以通过多个途径调节骨的代谢。它对成骨细胞和破骨细胞都有生物学作用[26]。褪黑素在夜班工人中含量较低，通常作为一种非处方补充药物用于治疗时差反应和失眠，因此需要特别注意[27]。在大量的人体及动物实验的证实下，短期使用褪黑素，即便是在极高剂量下也是安全的，没有研究表明外源性褪黑素可以引起严重的不良反应，有实验结果表明长期服用褪黑素仅产生轻微的不良反应。因此，褪黑素在临床应用中是相对安全的。总之，褪黑素在骨质疏松方向上的治疗前景还有待进一步去发掘[28]。除此之外，褪黑素还被研究证实与青少年特发性脊柱侧弯、牙周发炎等口腔疾病有关[29-30]。咖啡因和褪黑素都会对昼夜节律系统产生一定影响，从而影响骨骼健康，更多一些影响昼夜节律系统的药物应当被研究其与骨骼健康的相关性。

4 总结与展望

内源性昼夜节律系统所含有的昼夜节律基因，BTMs和动物时钟基因KO模型的日变化表明昼夜节律对骨代谢和骨骼健康很重要，一些流行病学研究支持推断夜班工作导致睡眠中断和昼夜节律失调，与骨密度降低和骨折风险增加，这种风险是潜移默化的。使用药物治疗昼夜节律障碍是否会影响骨骼健康，增加骨折风险或者治疗骨质疏松，还有待进一步的研究确认。此外，根据上述文献，保持良好作息规律和昼夜节律对维持骨骼健康乃至机体健康有积极意义。对于夜班工人如何进一步减少昼夜颠倒对身体造成损害这一问题的思考：首先，需要更多的研究来揭示睡眠和昼夜节律紊乱是如何对骨细胞之间信息传递造成的影响；其次，睡眠时间和睡眠阶段与骨骼健康之间的因果关系需使用客观的睡眠测量和标准化的骨量和质量评估；另外，如果BTMs节律性使用预期的休息/活动周期（通过内源性昼夜节律控制）来调节骨代谢，这种节律是否是对行为变化的响应。对于睡眠和昼夜节律障碍影响骨密度和跌倒/骨折风险的机制，以及年龄、性别和身体组成对睡眠/昼夜节律-骨骼关系的影响还有待进一步的研究。