生物钟与骨质疏松症相关性研究进展*

胡嘉欣 胡凯利 吴明珑*

骨质疏松症（osteoporosis,OP）是一种因骨形成和骨吸收失衡导致的全身代谢性疾病[1]，其特征为骨量减少和骨组织微观结构破坏[2]，造成骨骼脆性增加并导致骨折风险增加[3]。由于该病的发病率高、恢复缓慢，且造成身体疼痛以及对患者行为产生负面影响[4]，骨质疏松症在整个世界范围内都是一个重要的公共健康问题。此外，由骨质疏松症导致的脆性骨折也有着高发病率、高死亡率和高社会财政负担的特点[5]。近年来，国内外学者开展了大量骨质疏松症与生物钟的联合研究，从生物钟的角度解释骨质疏松症的发生与发展，并不断探索新的防治骨质疏松症的方案。因此，本文拟对生物钟的概念、其影响骨代谢的途径以及该理念下骨质疏松症治疗的研究进展进行综述。

1 生物钟相关概念

生物钟又称生理钟，是指生物体为适应自然界24 h的循环节律而产生的内在节律性[3]。因此，生物体的各种病理生理活动都会受到生物钟的调控，如睡眠－觉醒周期、心率、血压、内分泌、代谢过程等[6]，其调节机体生理活动的过程见图1。哺乳动物的生物钟包括中枢钟和外周钟[7]。中枢钟由位于下丘脑的视交叉上核（suprachiasmatic nucleus,SCN）控制，SCN 接收来自视网膜下丘脑束输入的光信号，通过交感神经通路和激素的释放，使体内的内在节律周期性地与地球的物理时间同步，从而影响机体内的昼夜节律和各种生理行为[8]。外周钟则广泛地存在于全身大部分细胞中，受到主生物钟的层级调节[7]。在生物体内，这两类生物钟都由特定的基因调控和维持，这类基因称为生物钟基因。目前已经发现的生物钟基因包括核心基因（如BMAL1、CLOCK、PERs、CRYs）及非核心基因（如REV-ERBα、REV-ERBβ 和RORA、TIM、DEC、DBP等），其中，BMAL1和CLOCK是生物钟的主要正向调控元件，PERs和CRYs则是主要的负向调控元件[9]，这些基因的表达产物构成复杂的正/负调控环以调控生物体的节律[10]。

图1 生物钟调节机体生理活动过程的示意图（根据参考文献[7]修改）

2 生物钟影响人体骨代谢

2.1 人体内正常的骨代谢受生物钟调节

正常的骨代谢过程是骨组织不断进行改建活动的一个复杂过程，包括骨吸收和骨形成，两者保持着动态平衡[11]。如果骨吸收大于骨形成，就会出现骨质疏松症、骨软化病等。反之则会形成骨质硬化。生物钟能通过调控基因的节律性表达和蛋白质的合成影响人体内的睡眠-觉醒周期、激素释放、葡萄糖代谢等生理过程[12]。骨代谢也不例外，该过程受到体内的激素和维生素等因素的调节，调节因素随时间显现出的节律性变化使骨代谢也表现出强大的昼夜节律。例如，对与钙和磷酸盐代谢以及骨重建存在着重要联系的甲状旁腺激素（parathyroid hormone,PTH）[13]进行免疫分析时发现，其浓度在24 h内的变化遵循昼夜节律，在夜间和清晨规律性的出现高峰[7]。同时，骨细胞的活动也具有随时间变化的特征。成骨细胞是骨形成过程中促进新骨形成的主要功能细胞，一项纳入45项研究的系统评价显示与之相关的骨代谢标志物显现出每日节律性的波动[14]。早在1990年，有研究者发现绝经后骨质疏松症患者的血清骨钙素的水平呈现出明显的昼夜节律，即早晨最低，夜间最高[9]。由于血清骨钙素是由成骨细胞分泌的并能反映其活动状态，因此该研究提示骨形成遵循昼夜节律变化。此外，昼夜节律机制也能调节骨髓间充质干细胞（bone mesenchymal stem cells,BMSCs）的 分 化[15]，BMCs 是人骨髓干细胞的一个亚群，具有分化为成骨细胞、软骨细胞等细胞的潜能，是骨组织重塑和再生的基础。一旦生物钟基因在骨骼中的节律性表达长期受到破坏，就会导致骨骼疾病。

2.2 生物钟破坏引起骨质疏松症

社会的快速发展丰富了人们的夜生活，也使得夜班工作成为社会正常运转不可缺少的一部分。Kim 等[16]进行了《第四次韩国国民健康营养调查》结果发现，在3 005名受试者中，非白天工作者的股骨和腰椎骨密度显著低于白天工作的人群。此外，Wang等[17]发现绝经后妇女的睡眠模式与骨质疏松症患病密切相关，入睡时间延迟、夜间睡眠时间减少、白天睡眠和午睡时间增加都会增加骨质疏松症的患病风险。上述睡眠模式的改变正是昼夜节律紊乱的体现，这也证实生物钟遭到破坏致使昼夜节律紊乱是绝经后妇女患骨质疏松症的重要危险因素。Li等[1]对597名中国老年人的昼夜节律基因进行分析，发现昼夜节律基因的异常与骨质疏松症有关。2017 年，Swanson 等[18]进行了一项有10名健康男性参与的模拟轮班工作效果的试验，参与者在经历3 周的昼夜节律紊乱和睡眠限制后，出现骨形成标志物水平降低而骨吸收标志物水平没有变化的结果。该试验进一步表明，昼夜节律紊乱可能对骨形成过程更加有害。Rizza 等[19]的研究也证明了夜班工作会导致血清25-羟基维生素D水平较低，这可能进展为更严重的疾病，如骨质疏松症或者骨折。然而，一项对波兰女性蓝领工人的研究得出不同结论。在这项调查中白天和夜间工作者的骨密度无显著差异，即夜班工作制度似乎与骨质疏松症的发展无关[2]。以上不同研究发现可能与研究对象间的差异有关，如不同的种族、工作环境。

2.3 昼夜节律紊乱对骨代谢的影响

许多激素，如生长激素（growth hormone,GH）、褪黑素、糖皮质激素（glucocorticoid,GC）等都参与生物钟对骨代谢的调节过程，这些激素在生物体昼夜节律破坏时也会受到影响，从而诱导骨质疏松症表型的出现。GH 是脑垂体前叶分泌的一种肽类激素，在人体的生长发育中发挥着关键性作用，其浓度在夜间即使是清醒状态下也达到最高水平。Wang等[20]的实验显示，模拟轮班工作的光照节律紊乱破坏了正常雄性小鼠体内GH 的脉冲释放模式。褪黑素是大脑主要的昼夜节律输出信号，主要由松果体细胞在夜间产生和分泌，在白天的产生量几乎为零[21]。由SCN驱动的中枢钟调节褪黑素的分泌过程，当生物体节在夜间接受足够亮且波长适当的光线刺激时，视网膜上的光感受器会将信号传导给SCN，使之重置中枢钟的昼夜节律，并立即停止褪黑素的产生，这就扰乱了褪黑素的正常分泌模式[22]。GC 是由肾上腺分泌的一类甾体激素，能影响骨细胞，调节骨代谢。人类主要的GC 是皮质醇，其浓度在早晨醒来时达到峰值，随后逐渐下降，直至夜晚入睡[23]。大量研究发现轮班工作会改变日间皮质醇的分泌模式，使得醒来时的皮质醇水平增高[24-25]。动物实验也能验证昼夜节律紊乱影响骨代谢的观点。对小鼠进行明暗交替暴露的实验，会导致小鼠的破骨细胞和成骨细胞的数量和功能都受到影响[26]，该实验结果证实昼夜节律的破坏会导致骨转换减少。Schilperoort等[27]对小鼠进行了为期15周的交替光暗循环干预，破坏了小鼠骨骼中生物钟基因的节律性表达，使骨转换减少，影响骨骼健康。综上，当生物钟被破坏时，体内许多与骨的合成代谢过程相关的因素都会受到影响，而失去正常的节律，最终造成骨代谢失衡，出现骨质疏松的结局。

3 生物钟理念下骨质疏松的治疗

3.1 以生物钟影响骨代谢为基础的时间治疗

生物钟与骨质疏松症之间的密切联系给其治疗带来了新思路——时辰疗法，即调整合适的给药时间，使其与生物钟相协调，来增加治疗效果并减少不良反应，让患者得到更好的治疗[3]。人对药物的反应是有昼夜节律的，如在睡前服用非甾体抗炎药缓解早晨类风湿关节炎症状和体征的效果优于晨起服用、降胆固醇药物辛伐他汀在晚上服药的效果最好等[28]。考虑到生物钟对骨代谢的影响，许多研究人员开始研究不同时间段治疗骨质疏松症是否会产生不同效果。

一项动物实验研究显示，分别在9:00 至15:00 和0:00至6:00的不同时间段使用脉冲电磁场预防卵巢切除的大鼠发生骨质疏松症会产生不同的治疗效果，其中白天接受电磁场刺激的大鼠在预防骨量减少和骨小梁结构破坏等表现会优于夜间治疗组[29]。2011年的一项实验进一步丰富了时辰疗法对骨质疏松症的重要性的证据。Luchavova 等[13]对一群患有骨质疏松症妇女的初步研究发现，破骨细胞对特立帕肽的敏感性随给药时间的不同而变化。Ando等[30]对39例绝经后骨质疏松症患者进行了为期12个月的随机对照试验，其结果证实了雷洛昔芬的给药时间对骨代谢标志物没有影响，但能影响凝血和纤溶标志物。也就是说，在使用雷洛昔芬时可以通过调整用药时间以获得更好的心血管保护效果。此外，健康的绝经后妇女早晨服用组织蛋白酶K抑制剂比夜间服用对骨吸收的抑制作用更加显著[31]。因此，在预防或治疗骨质疏松症的过程中，若以时辰疗法为指导，合理选择用药或治疗的时间，就可能给予患者更加安全有效的治疗，为其带来更多的临床效益。

3.2 以激素调节靶点的骨质疏松症治疗

由于生物钟能通过激素水平调节骨代谢过程，当昼夜节律紊乱时，生物体内的激素水平或分泌模式也会有所变化。若能合理地进行外源性补充，可能会使骨代谢重新回到稳态并防治骨质疏松症。

间歇性使用PTH可以有效治疗骨质疏松症，特立帕肽作为PTH 的代表药物能调整骨转换状态，明显增加骨量[32]。此外，GH 替代疗法也能够有效调节成人生长激素缺乏症患者体内PTH 的昼夜节律、增强靶器官的敏感性，改善骨代谢，从而对这类患者的骨密度产生积极的影响[33]。对14名绝经后骨质疏松症妇女给予GH治疗12个月，与未治疗时相比，治疗后其靶器官对PTH和骨矿物质代谢的敏感性提高、PTH分泌模式恢复、骨形成的增加大于骨吸收的增加[33]。Amstrup 等[4]进行了一项为期1 年的褪黑素治疗绝经后妇女的双盲随机对照试验，他们发现，与安慰剂组相比，褪黑素组妇女的股骨颈骨密度呈剂量依赖性增加。同时，对于围绝经妇女，褪黑素可以恢复围其骨标志物转换平衡[11]，达到预防绝经后骨质疏松症的目的。另外，多项研究表明褪黑素作为一种骨合成代谢激素在衰老导致的骨丢失中发挥作用，补充褪黑素可以预防老年骨质疏松症[34]。所以，适当补充与生物钟相关的激素可以维持骨代谢稳态，有效防治骨质疏松症。

4 总结与展望

许多动物实验和临床试验都表明，生物钟通过多种途径调节骨代谢，当昼夜节律紊乱、生物钟被破坏，骨代谢就会失衡，从而显现出骨密度降低、骨折风险增加等骨质疏松症症状。尽管已知骨质疏松症的发生发展与夜间工作有关，但这类工作是社会正常运转所必须存在的，因而亟待有效的措施来维持并提高夜班工人的骨骼健康水平，降低其患骨质疏松症的风险。此外，考虑到骨代谢与生物钟之间的密切关系，将骨质疏松症治疗与时辰疗法结合可能是提高部分骨质疏松症疗效的途径之一。同时，与生物钟调节骨代谢相关的激素，也是骨质疏松症治疗的重要靶点。通过对部分激素的补充治疗，恢复骨代谢稳态，进而提高骨量，是防治骨质疏松症的有效思路。总之，随着生物钟与骨质疏松症相关性研究的深入，将会为骨质疏松症的高效防治带来更多的可能。