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为明确干细胞中昼夜节律是否存在及其对再生医学的影响，研究人员开展相关研究。结果发现干细胞存在昼夜节律，且可优化干细胞治疗。推荐阅读，助您了解该研究如何为再生医学开辟新思路，探索更多治疗可能。
在我们生活的这个世界里，昼夜交替，万物都仿佛遵循着某种看不见的 “时间表” 在运行。这种神奇的现象，其实就是生物钟（circadian clock）在发挥作用。早在 1729 年，人们就发现含羞草即使在没有光照的情况下，也会有规律地进行自我维持的运动循环，这一发现为后续对生物钟的研究拉开了序幕。到了 2017 年，Jeffrey C. Hall、Michael Rosbash 和 Michael W. Young 因对生物钟分子机制的开创性研究，荣获了诺贝尔生理学或医学奖。
随着研究的不断深入，人们发现生物钟的自我维持振荡活动几乎存在于身体的每一个细胞中，许多外周组织的大量基因都呈现出昼夜表达模式。在哺乳动物体内，视交叉上核（SCN）就像是一个 “总指挥官”，它能维持大约 24 小时的周期，协调各个组织的生物钟同步运行。比如，SCN 被破坏后，动物的昼夜节律就会被打乱；而移植 SCN 又能恢复这种节律。
然而，在干细胞这个神奇的领域，生物钟的存在却充满了争议。一些研究发现，在多种胚胎细胞系中，对知名时钟基因进行生物发光研究时，并没有观察到振荡现象。而且，将分化细胞重编程为诱导多能干细胞（iPSCs）也会破坏昼夜振荡，这让人们猜测生物钟调节器可能是在细胞分化过程中逐渐成熟的。另外，胚胎状态和分化状态下，生物钟核心回路中的基因表达差异很大。但与此同时，也有研究表明，干细胞存在振荡的代谢活动和增殖速率，这似乎又暗示着即使在胚胎阶段，干细胞也存在生物钟。还有研究发现，一些时钟基因对于细胞的昼夜振荡并非必不可少，这意味着可能存在非经典的调控途径。这些相互矛盾的研究结果，让干细胞生物钟的研究变得扑朔迷离，也引发了科学家们极大的兴趣。那么，干细胞中到底有没有生物钟呢？如果有，它又会对干细胞治疗产生怎样的影响呢？这些问题就像一团团迷雾，笼罩在科研人员的心头，亟待他们去揭开谜底。
为了回答这些令人困惑的问题，研究人员在《Stem Cell Research & Therapy》期刊上发表了题为 “Circadian rhythms in stem cells: Implications for regenerative medicine” 的论文。研究人员通过一系列研究，得出了重要结论：干细胞中确实存在生物钟，并且生物钟在干细胞治疗中有着不可忽视的作用，合理利用生物钟有望优化干细胞治疗，为再生医学带来新的突破。这一结论就像黑暗中的一盏明灯，为干细胞治疗的发展指明了方向。
在这项研究中，研究人员主要运用了以下关键技术方法：一是基因表达分析技术，通过检测不同状态下干细胞中生物钟相关基因的表达情况，来判断生物钟的存在与否以及其活动规律；二是细胞功能检测技术，观察干细胞的增殖、代谢等功能随时间的变化，以此探究生物钟对干细胞功能的影响；三是动物实验技术，利用小鼠等动物模型，研究干细胞在体内的生物钟节律以及对疾病治疗的影响。这些技术方法就像是研究人员手中的 “秘密武器”，帮助他们一步步揭开干细胞生物钟的神秘面纱。
下面，让我们一起来看看研究人员都发现了什么有趣的结果吧。
- 生物钟的分子机制：生物钟的转录 - 翻译反馈回路（TTFL）是其核心机制，它由核心回路和稳定回路组成。在核心回路中，CLOCK 和 BMAL1 蛋白就像一对 “好朋友”，它们结合到 Period（PER1 - 3）和 Cryptochrome Circadian Regulator（CRY1/2）基因的 E - box 增强子元件上。随后，转录产生的 PER 和 CRY 蛋白进入细胞核，抑制 CLOCK/BMAL1 的活性，形成一个负反馈循环。这个过程就像是一个精密的时钟齿轮，一环扣一环，通过翻译后修饰引入的时间延迟，让整个循环周期大约为 24 小时。在稳定回路中，CLOCK/BMAL1 的活动会诱导核受体 REV - ERBα/β 和视黄酸相关孤儿受体（RORα/β）的表达。REV - ERBs 会抑制 BMAL1 的表达，而 RORs 则与 REV - ERBs 竞争结合 DNA 位点，促进 BMAL1 的表达，它们相互制衡，维持着生物钟的稳定。
除了这些经典的机制，转录后和表观遗传修饰也对生物钟程序有着重要影响。比如，PER2 的磷酸化能增强它与 CRY 的结合，促进其进入细胞核并防止降解；CKI?对 PER 的磷酸化则能调节其核进入和降解过程。另外，SUMOylation 修饰 BMAL1，能增强其转录激活和泛素依赖性降解。在表观遗传层面，有节奏的组蛋白甲基化对于转录振荡器的功能至关重要。而且，研究还发现了非经典的生物钟途径，比如氧化还原过程。在人类红细胞（缺乏 DNA）和蓝藻中，都证明了即使没有转录，细胞也能维持昼夜节律。在哺乳动物中，SCN 组织切片中 FAD 和 NADP 的氧化还原状态振荡能调节 SCN 神经元的兴奋性。这些发现让我们对生物钟的工作原理有了更深入的认识，原来生物钟的调控机制如此复杂又精妙。
- 干细胞中的生物钟：关于干细胞中是否存在生物钟，研究结果可谓是 “众说纷纭”。一方面，有研究表明干细胞中似乎不存在功能性生物钟。比如，在小鼠胚胎干细胞（ESCs）的生物发光研究中，没有发现昼夜节律，但细胞分化后，生物钟基因的振荡却被诱导出来了。将分化细胞重编程为 iPSCs 会破坏昼夜振荡，而且胚胎和分化状态下，生物钟核心回路的基因表达差异明显。在分子层面，小鼠 ESCs 中 c - MYC 和 DNA 甲基转移酶 1（DNMT1）的破坏会阻碍时钟发育，KPNA2 的失调会导致 PER 蛋白在细胞质中积累，影响时钟发育。这些结果似乎都在告诉我们，干细胞的生物钟与细胞分化密切相关，不成熟的干细胞可能没有功能性生物钟。
但另一方面，也有很多证据支持干细胞存在生物钟。大多数干细胞，像间充质干细胞（MSCs）、红细胞造血干细胞（HSCs）、ESCs、肠道干细胞和生长期毛囊等，都有大约 24 小时的周期；而髓系 HSCs 和脂肪祖细胞（APCs）的周期则分别为 12 小时和 18 小时。一些干细胞，如表皮干细胞，还能与大脑的中央时钟保持联系，调节组织稳态。干细胞的增殖活动和释放速率会随着昼夜节律波动，胚胎干细胞的代谢，如葡萄糖摄取和葡萄糖转运蛋白（GLUT）表达也存在振荡。而且，研究发现转录生物钟基因对于细胞活动的昼夜振荡并非必需，这意味着可能存在非经典的调控途径。这些相互矛盾的结果让干细胞生物钟的研究变得更加有趣，也促使研究人员进一步深入探索。
不过，研究干细胞的生物钟并不容易，面临着诸多挑战。干细胞的异质性就是一个 “大麻烦”，不同类型的干细胞振荡模式不同，同一组织内的干细胞也处于不同的响应状态，在形态发生过程中，只有部分干细胞被激活，这就导致了处于相反时钟相位的干细胞群体共存，它们对体内平衡信号的反应也各不相同。此外，细胞间的相互作用和微环境也会对生物钟产生重要影响，比如癌症干细胞在单层培养时往往缺乏节律。而且，干细胞在分化的不同阶段，时钟基因的振荡模式和频率也会发生变化，像神经干细胞（NSCs）在分化过程中，PER1 的节律就会从高频转变为 24 小时的昼夜节律。这些复杂的情况都增加了研究干细胞生物钟的难度，也让我们更加清楚地认识到，要想真正了解干细胞的生物钟，还需要付出更多的努力。
- 生物钟的临床应用：生物钟与大脑疾病的发生发展有着千丝万缕的联系。比如，缺血性中风在夜间发作时，由于生物钟对血脑屏障（BBB）完整性和缺氧信号的影响，缺血核心体积会比白天发作时更大。此外，丛集性头痛和阿尔茨海默病的日落综合征也都表现出昼夜变化。生物钟与疾病的关系非常复杂，既有像睡眠障碍这样直接的致病关系，也有像神经退行性疾病那样不太明确的联系。了解这些关系，有助于我们深入了解疾病的发病机制，找到潜在的治疗靶点。
既然生物钟与疾病关系密切，那么我们能否利用它来提高治疗效果呢？答案是肯定的。生物钟可以被巧妙地用于优化治疗方案。比如，很多常用药物直接作用于时钟基因的产物，根据生物钟的时间规律来优化用药方案（即时间疗法），可以显著提高治疗效果。像高血压在白天更为严重，所以早上服用降压药更合理。而且，肠道中流出转运蛋白的昼夜振荡会影响药物的肠吸收，进而产生药物时辰毒性。另外，昼夜变化的时间生物标志物需要不同的参考范围，这有助于提高诊断的准确性。改善医院环境，通过控制光照、噪音和外部时间线索来促进生物钟同步，也能提高治疗效果。这些都充分说明了根据生物钟来调整治疗方案的重要性。
在干细胞治疗方面，生物钟同样有着重要的应用价值。干细胞治疗是治疗多种神经系统疾病的有前途的领域，间充质干细胞（MSCs），如脐带间充质干细胞（UC - MSCs）、脂肪组织间充质干细胞（ASCs）和骨髓间充质干细胞（BM - MSCs），具有细胞替代、分泌营养因子和免疫调节等多种治疗机制。然而，干细胞的分裂周期会随着采集时间的不同而变化，这可能会影响其治疗效果。而且，干细胞移植的时间也很关键，因为宿主的免疫活动存在昼夜变化，选择合适的移植时间可以减少组织损伤和排斥反应。此外，细胞外囊泡（EVs）的释放速率、大小和内容物也有昼夜变化，所以采集 EVs 时也要注意时间。研究还发现，对干细胞进行基因修饰，如过表达 BMAL1，可以促进成骨细胞分化，改善老年小鼠的节律。这些研究结果都表明，利用生物钟优化干细胞治疗具有很大的潜力。
由于干细胞是否具有内在生物钟还存在争议，一些研究探索了使用生物钟同步剂来增强干细胞的昼夜活动。地塞米松能激活多种干细胞系中生物钟基因的振荡，模拟体内的系统信号；福司可林在体细胞中有效，但在人类 iPSCs 中，只能诱导时钟输出 DBP 的振荡，不能诱导核心时钟基因的振荡。此外，cAMP、血清休克和代谢禁食等干预措施也能激活和增加生物钟基因的振荡幅度。褪黑素能调节成熟细胞的昼夜节律，但在干细胞中的研究还不完整。不过，需要注意的是，生物钟刺激可能会因为促进细胞增殖而增加干细胞治疗中肿瘤发生的风险。所以，在利用生物钟同步剂优化干细胞治疗时，必须谨慎考虑其潜在风险。
- 推进干细胞昼夜节律治疗应用的关键研究：尽管在干细胞生物钟研究方面已经取得了一些进展，但要将其更好地应用于临床治疗，还有很多问题需要研究。首先，需要深入了解干细胞在不同状态下（不成熟和分化状态）的关键功能，如细胞运动和分裂的昼夜节律，这有助于揭示干细胞在不同时间与微环境的相互作用方式。其次，要通过靶向基因沉默和上调研究，明确特定核心时钟基因（如 BMAL1 和 PER）在干细胞中的直接因果关系，了解它们在调节干细胞行为中的具体作用，从而找到操控干细胞活性的新策略，优化其再生能力。最后，在确定干细胞的昼夜节律及其相关途径后，研究不同昼夜阶段干细胞治疗的效果，比如在缺血性中风等疾病模型中，研究 “活跃” 和 “不活跃” 干细胞移植的差异，这可以为确定干细胞治疗的最佳时机提供指导，降低移植排斥风险，提高移植效果。目前，临床研究已经发现中风的发病率和结局存在显著的昼夜变化，而且在啮齿动物中，常压高氧只有在白天给药才能有效减少梗死面积。这些都强调了时间药理学的重要性，也提示我们根据生物钟优化干细胞采集和移植时间，可能是减轻中风相关病理生理状况的有效策略。
总的来说，这项研究意义重大。生物钟在协调身体的生理活动中起着至关重要的作用，它与疾病的发病机制密切相关，但这种关系非常复杂，涉及众多时钟输出基因。了解生物钟不仅有助于我们深入了解疾病的发生发展过程，还为临床治疗提供了新的思路。通过调整紊乱的生物钟，有可能改善疾病的进展。而干细胞中生物钟的发现，更是为优化干细胞治疗开辟了新的途径。它让我们认识到，可以根据生物钟的规律来选择最佳的干细胞采集和移植时间，提高治疗效果。不过，目前我们对干细胞生物钟的了解还只是冰山一角，还需要进一步研究来确认干细胞中的振荡活动，阐明其潜在的分子机制和输出，比较不同时间点干细胞治疗的效果。相信随着研究的不断深入，我们能够更好地利用干细胞的生物钟，为再生医学带来更多的突破，为人类健康事业做出更大的贡献。就像在黑暗中不断探索的旅行者，虽然前方还有很多未知，但每一次的发现都让我们离光明更近一步。
