《Clocks & Sleep》：Circadian Biology and Phase Response: Fundamental Mechanisms and Clinical Applications
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昼夜节律时钟位于哺乳动物下丘脑，以约24小时的周期调节生物节律，影响几乎所有身体功能。其时间通过外部时间线索（主要是光）每天同步，使内部节律与环境周期对齐。通过这种同步，昼夜节律系统协调生理过程，如睡眠-觉醒周期、进食行为、基因表达和体温调节。松果体分泌的褪黑
昼夜节律时钟位于哺乳动物下丘脑，以约24小时的周期调节生物节律，影响几乎所有身体功能。其时间通过外部时间线索（主要是光）每天同步，使内部节律与环境周期对齐。通过这种同步，昼夜节律系统协调生理过程，如睡眠-觉醒周期、进食行为、基因表达和体温调节。松果体分泌的褪黑素作为一种同步因子，通过促进睡眠发挥关键作用。环境时间线索的变化（如轮班工作者所经历）可破坏身体自然的24小时节律，导致疲劳，显著影响事故率和生产力，长期来看增加多种健康风险。相位反应曲线（PRC）展示了在昼夜节律周期不同时间点施加刺激如何影响时钟的相位。特别是，光和褪黑素均可诱导相位移动，但移动的方向和幅度取决于施加时间。理解PRC能够设计干预措施以重新对齐昼夜节律并改善对轮班工作的适应。本综述探讨了轮班工作者中昼夜节律紊乱的生理和临床影响，并讨论了缓解其影响的策略。
1. The Circadian Clock: How We Keep in Time with the Environment
地球自转产生24小时的光-暗周期，而地球绕太阳公转且自转轴倾斜导致昼夜时长随季节变化。生物体发展出预测机制以适应每日光-暗周期，周期接近24小时的生物节律称为昼夜节律。哺乳动物昼夜节律时钟位于下丘脑视交叉上核（SCN），通过视网膜下丘脑束（RHT）与视网膜连接，并位于视交叉上方。SCN作为起搏器，能自主产生自发性振荡并传递至全身，使机体有序运作。它可被外部时间线索（授时因子）每日同步，并在无外部线索时维持振荡。同步过程确保昼夜节律时钟与环境周期保持恒定相位关系，具有高适应价值。最重要的同步信号是光，但温度、食物、社交互动等也可作为授时因子。同步建立框架：中央时钟被环境同步，产生睡眠-觉醒周期、进食行为、体温调节等生理功能的节律性。若无外部同步因子，振荡周期通常超过24小时。
2. Neurochemical and Anatomical Architecture of the Suprachiasmatic Nuclei
每个SCN可分为两个解剖亚区：背内侧壳区和腹外侧核心区。核心区细胞密度高，通过RHT直接接收视网膜输入，并通过膝状体间小叶和膝状体下丘脑束接收次级视觉输入，以及来自中缝核的输入。壳区部分环绕核心区，接收来自核心区、大脑皮层、海马体和其他下丘脑区域的输入。核心区主要接收光信号，对时钟与光-暗周期同步至关重要；壳区接收核心区投射的非光调制输入，被认为自主调节时钟输出。壳区神经元投射至下丘脑其他区域，如室旁核（PVN）、视前区和下丘脑背内侧核（DMH），这些区域参与内分泌、免疫、体温调节和自主控制，调节外周组织节律，作为中央时钟的输出通路。通过投射，SCN通过下丘脑（内分泌）和下丘脑外（行为）途径施加昼夜节律影响，具体包括：PVN的神经内分泌神经元、PVN的自主神经元、与睡眠相关的下丘脑结构（如腹外侧视前区VLPO）、其他下丘脑区域（亚PVN、DMH、内侧视前区）以及下丘脑外结构（外侧膝状体、丘脑室旁核）。各亚区神经元具有不同神经化学内容：核心区主要含血管活性肠肽，少量含促胃泌素释放肽、神经降压素和钙视网膜蛋白；壳区含精氨酸加压素、胆囊收缩素、前动力蛋白2、钙结合蛋白、血管紧张素II和甲硫氨酸脑啡肽。大多数SCN神经元中，神经肽与神经递质γ-氨基丁酸（GABA）共存，几乎所有SCN突触均为GABA能。电生理证据显示谷氨酸可作为SCN传出通路的神经递质。哺乳动物SCN还富含胶质细胞，特别是星形胶质细胞。
3. Molecular Mechanisms of the Circadian Clock
SCN细胞的自主性驱动了对时钟机制细胞和分子过程的研究。核心成分是基因，其蛋白质产物对昼夜节律的自主生成和调节至关重要。分子时钟由相互连接的正负转录-翻译反馈环组成。主反馈环涉及bHLH-PAS家族的转录因子：Clock基因和Bmal1（脑和肌肉ARNT样1）基因。其蛋白质产物形成异二聚体，启动含有调节性E-box序列的基因转录，包括Period（Per）1、2、3；Cryptochrome（Cry）1、2；Rev-erbα/β；Rorα/β/γ；以及时钟控制基因（CCGs）。负反馈环由PER和CRY蛋白形成的异二聚体执行，它们转位至细胞核，与CLOCK-BMAL1复合物相互作用，抑制其活性，从而抑制自身转录和CCGs转录。CCGs不参与振荡机制本身，但参与产生生物节律，作为时钟输出。CLOCK-BMAL1异二聚体还产生涉及ROR和REV-ERB核受体家族的额外反馈环。这些受体家族成员竞争结合Bmal1启动子中的RORE（视黄酸相关孤儿受体反应元件），分别激活或抑制其转录。反馈环约需24小时完成一个周期，构成自主分子昼夜节律时钟。该时钟在几乎所有细胞中运作，调节近半数基因组表达。此外，机制受磷酸化和泛素化等翻译后修饰调控。磷酸化由酪蛋白激酶1ε和1δ（CK1ε和CK1δ）以及5'腺苷一磷酸激活蛋白激酶（AMPK）执行，磷酸化PER和CRY蛋白以促进其通过泛素化降解。F-box型E3连接酶β-TrCP和FBXL3识别磷酸化PER或CRY蛋白，促进多聚泛素化和随后的蛋白酶体降解。这些过程有助于昼夜节律时钟的精确性。
4. From Light to Physiology: Central and Peripheral Circadian Synchronisation
光信息通过RHT到达SCN，RHT携带来自含有光色素黑视蛋白的感光视网膜神经节细胞的轴突，释放神经递质谷氨酸。谷氨酸引起膜去极化，导致钙内流并激活激酶复合物（CaMK、MAPK、PKA）。这些激酶磷酸化CRE结合蛋白，激活并诱导含有该元件的基因表达。光信号被发送至SCN，然后SCN向基底下丘脑特定区域发出信号，通过内分泌系统和自主神经系统两条主要通路调节外周振荡器。外周时钟调节各组织特异性过程，如代谢、激素释放、免疫反应和细胞修复。它们被SCN中央起搏器通过神经和激素途径同步，也可由局部时间线索（如进食时间、温度变化、体力活动、糖皮质激素水平）调整。几乎所有生理过程均呈现24小时节律，但峰值时间不同，形成特定间隔的相位图，揭示分子和行为功能之间的因果关系。因此，昼夜节律系统包括：（a）下丘脑起搏器（SCN）；（b）SCN控制的一系列生理输出；（c）存在于所有组织和器官中的分子时钟。
5. Circadian Rhythm Analysis
节律可通过将数据拟合为正弦函数分析，定义四个基本参数：周期（τ，tau），即一次完整振荡重复所需时间；中值（Mesor），即变量在节律中的平均值；振幅（Amplitude），即最大值与中值之差；相位（Ψ），即变量达到特定值的时间。节律上任何点均可作为参考值或相位标记。这些参数可用于比较或研究节律变化。不同刺激可引起昼夜节律时钟的相位移动（Phase shift）。相位移动指节律时间改变，不一定改变周期长度，而是使其提前或推迟。相位提前（Phase advance）指节律提前，相位延迟（Phase delay）指推迟。相位移动可通过褪黑素产生、核心体温、睡眠时间等标记测量。光是最重要的昼夜节律同步因子，可移动节律相位：在傍晚或夜间前半段给予光脉冲诱导相位延迟，在夜间后半段或清晨给予光脉冲诱导相位提前。
6. Melatonin as a Circadian Zeitgeber
褪黑素是另一个主要同步因子，下午约18:00从松果体开始释放。该激素通过位于SCN细胞的MT1和MT2褪黑素受体降低电活动，从而削弱其中和睡眠压力的能力，对睡眠诱导至关重要。褪黑素分泌的昼夜节律在健康人和盲人中调节睡眠-觉醒周期。血浆褪黑素水平在睡眠开始前上升，夜间前半段达峰值。因此，血浆或唾液中的褪黑素节律，或其尿液代谢物6-硫氧褪黑素（aMT6s），可作为昼夜节律时钟功能的指标。SCN投射控制褪黑素合成的每日节律，抑制下丘脑室旁区的神经元，通过多突触通路（包括前脑内侧束、网状结构、颈髓中间外侧柱、颈上神经节、节后交感纤维）到达松果体。外源性褪黑素作为时间生物学信号，可诱导人类昼夜节律系统的相位移动，方向通常与光相反：傍晚或夜间前半段给药诱导相位提前，清晨给药诱导相位延迟。它被认为是一种非光刺激，通过不同于光信号的信号通路重置时钟。实验证据表明，褪黑素通过激活SCN内的MT1和MT2受体引起相位移动：MT1受体激活抑制SCN神经元放电，MT2受体在昼夜节律相位重置中起更突出作用。尽管直接作用于SCN的电活动和代谢活动被认为是褪黑素诱导相位移动的主要机制，但非光重置的下游机制及其睡眠促进特性的贡献尚未完全阐明。明亮光可抑制褪黑素产生，而碳水化合物摄入等其他外部影响不改变褪黑素分泌。因此，暗光褪黑素开始（DLMO）是最准确的昼夜节律相位标记之一，也可用于确定个体是否与外部时间线索同步。
7. Phase Response Curves: Temporal Dynamics of Circadian Entrainment
相位反应曲线（PRC）展示了在昼夜节律周期不同时间点施加刺激时时钟相位的反应，包括相位移动的幅度和方向，通常包含延迟部分、提前部分和无显著变化区域。它是昼夜节律振荡器的内在特性，其最终形状因刺激和物种而异。研究光对时钟相位的影响产生光PRC，其他刺激产生非光PRC。相位提前为正值，延迟为负值。根据重置刺激强度和振荡器状态，PRC可分为1型（较小相位移动，延迟与提前之间过渡宽）和0型（较大相位移动，过渡陡峭）。人类在生理条件下通过光或褪黑素获得的PRC通常对应1型重置。在人类中，PRC在严格控制实验室条件下建立，参与者维持稳定睡眠-觉醒时间表和暗光条件，通过DLMO或核心体温节律最小值等生理标记评估昼夜节律相位。给予光脉冲或褪黑素后，比较干预前后生理标记量化相位移动。光PRC中，以核心体温最小值（CBT
min）为交叉点，光暴露在CBT
min前引起相位延迟，之后引起相位提前，最大相位移动发生在接近CBT
min时。在控制条件下，明亮光可导致每天约2.5-3小时相位延迟和约1.5-2小时相位提前。人类褪黑素PRC与光PRC近似相反但不对称。白天给予褪黑素引起体温节律提前，接近和之后给予引起相位延迟。大多数研究使用低药理剂量（0.5-3 mg）褪黑素即可诱导可测量相位移动。在褪黑素PRC中，夜间前半段为反应降低区，而在光PRC中，白天为反应降低区。
8. Living in a 24/7 Society: Consequences for the Circadian System
时钟与环境适当同步时，夜间促进睡眠和合成代谢功能（如免疫功能、激素分泌），白天支持觉醒和分解代谢功能（如进食、体力活动）。现代“24/7社会”需要非标准工作条件，如轮班工作，导致光信号不再可靠编码时间。环境时间线索变化可破坏身体自然24小时节律。从傍晚到清晨的人工光暴露（ALAN）强烈抑制下丘脑睡眠促进神经元活性，刺激觉醒支持系统。由于褪黑素分泌依赖暗期线索，不适当时间的光暴露可破坏其节律。ALAN抑制人类褪黑素分泌，影响内部时钟对齐和睡眠触发。例如，傍晚6:00-7:00尝试睡眠通常仅持续1-2小时小睡，而推迟至9:00-10:00入睡可维持6-8小时睡眠。睡眠驱动显著上升源于褪黑素减弱SCN觉醒促进信号。傍晚光暴露干扰褪黑素释放，降低睡意，增加警觉性，破坏入睡和维持睡眠能力。非标准工作日程定义为每天工作超过8小时或每周超过40小时，和/或晚上9:00至早上9:00之间工作。发达国家约20%-25%工人遵循非标准日程。在轮班工作中，活动/休息周期与光/暗周期错位，导致相位移动，产生适应冲突。
9. Chronodisruption Caused by Shift Work and Light at Night
几乎所有生理过程遵循昼夜节律“相位图”，具有可预测的峰值和谷值模式。这些相位图对环境高度敏感，可因时间紊乱（如轮班工作或急慢性疾病）暂时改变。术语“时间紊乱”（chronodisruption）指昼夜节律振幅和相位改变，常见于多种急慢性疾病。紊乱可能源于昼夜节律系统一个或多个要素的功能障碍，包括中央时钟本身、其调节其他系统的信号、环境时间线索的存在或有效性，或授时因子与生物时钟的沟通方式。临床中很少精确定位紊乱来源，通常涉及多因素。夜间和轮班工作者经历睡眠-觉醒和光-暗周期的突然变化，尤其受ALAN影响。褪黑素节律的时间反映时钟状态，提供相位和振幅信息。一些研究发现夜间轮班工作者尿中褪黑素主要代谢物aMT6s的昼夜节律振幅降低，即使夜间睡眠时仍保持低水平。荟萃分析显示夜间轮班工作者，尤其是固定日程者，aMT6s水平较低。一些研究还发现轮班工作者的睡眠类型与褪黑素水平相关，表明睡眠类型与工作日程更匹配可减少褪黑素节律紊乱。
10. Physiological and Clinical Impacts of Shift Work
昼夜节律时钟去同步化具有短期和长期后果。短期导致疲劳，显著影响事故率和生产力；长期与肥胖、2型糖尿病、代谢综合征、心血管疾病和某些癌症风险增加密切相关。2007年世界卫生组织国际癌症研究机构将轮班工作列为可能的人类致癌物（2A），这与昼夜节律分子机制破坏直接相关。研究显示长期轮换夜班女性患乳腺癌风险中度增加，女性航空机组人员中也观察到类似模式。癌症患者中褪黑素水平普遍较低，提示持续昼夜节律紊乱。光-褪黑素-癌症假说得到实验支持：小鼠黑色素瘤模型中，昼夜节律紊乱加速肿瘤生长，破坏免疫和基因表达节律；连续光照大鼠肿瘤生长增加七倍，与亚油酸摄取和代谢增加有关，归因于褪黑素信号抑制。夜间富含褪黑素人血灌注的肿瘤增殖和亚油酸代谢显著降低。前列腺癌模型中，增加夜间褪黑素水平可显著降低癌症代谢和增殖活性。这些发现可能解释轮班工作者癌症风险增加。褪黑素节律紊乱还与肺癌风险增加相关。大量实验和临床研究支持褪黑素的抗癌（抑瘤）特性，但临床意义仍不确定。人类研究在肿瘤类型、治疗方案、褪黑素剂量和研究设计方面存在异质性，系统综述认为当前证据不足以确立褪黑素作为辅助抗癌治疗的有效性。轮班工作与心血管疾病相关，轮班工作者心血管事件风险比日间工作者增加约20%。轮班工作还与代谢综合征相关，轮换班次被确定为高血压独立危险因素，效应甚至强于年龄或体重指数。轮班工作紊乱（shift work disorder）表现为失眠、总睡眠时间减少和过度日间困倦，损害认知表现、警觉性和情绪，增加事故风险。睡眠剥夺对驾驶能力的影响与酒精相当，清醒17-18小时表现相当于血液酒精浓度0.05 g/dL。疲劳和困倦估计占道路事故的20%-25%，尤其在凌晨2:00-8:00。阿根廷公共交通司机和长途司机研究中，短途司机存在高工作压力、超重、肥胖、缺乏运动、高血压，工作周睡眠不足且质量差，频繁日间困倦，睡眠呼吸暂停高风险，神经激素模式反映高压力水平，日间心理运动表现显著下降，尤其早班期间。长途司机也普遍存在心血管风险因素，高风险工作日程与核心体温节律紊乱相关。阿根廷石油公司轮班工人研究显示，睡眠规律性较低和昼夜节律紊乱更严重者报告更严重的失眠症状、更疲劳、警觉性降低和更高抑郁症状水平，44%-47%超重。阿根廷医学住院医师研究中，自我报告医疗错误与白天睡眠比例较高相关，提示昼夜节律紊乱可能损害临床表现。睡眠限制至每晚4小时可升高血压，降低副交感神经活动，增加傍晚皮质醇和胰岛素水平，增加食欲（饥饿素升高，瘦素降低）。睡眠限制至6小时提高促炎细胞因子水平，损害持续注意力任务表现。动物研究中，稳态负荷过重导致海马体和前额叶皮层神经元萎缩，杏仁核神经元增大，损害学习、记忆和决策，伴随焦虑和攻击行为增加。轮班工作还常见胃肠道疾病，不规则进食破坏消化和代谢节律，不适当进食时间导致异常胃肠运动和分泌。不适当进食时间与体重增加和代谢失调相关，与2型糖尿病（T2DM）发展直接相关。机制包括夜间人工光暴露和褪黑素信号改变。夜间人工光暴露可破坏进食时间并促进体重增加。胰岛素分泌与血浆褪黑素水平呈负相关，T2DM患者褪黑素浓度降低。褪黑素可抑制胰腺细胞葡萄糖刺激的胰岛素释放，昼夜节律紊乱损害褪黑素产生并影响胰腺β细胞功能。褪黑素受体基因突变与T2DM易感性增加相关。因此，褪黑素分泌抑制可能是T2DM发展的关键因素，有效管理需同时针对代谢失衡和恢复昼夜节律完整性。
11. Strategies for Circadian Entrainment in Shift Workers
轮班工作引起的紊乱源于个体未适应新睡眠-觉醒日程的昼夜节律不匹配。治疗通常涉及使用替代授时因子帮助内部时钟对齐新日程，或快速轮换班次时防止不必要的调整。干预措施包括光暴露和褪黑素，需考虑时间。光PRC显示，在核心体温最低点前暴露光引起相位延迟，之后引起相位提前，最大相位移动发生在接近最低点时。适当时间明亮光可导致每天约2.5-3小时相位延迟和1.5-2小时相位提前。褪黑素PRC方向相反。强光刺激在特定相位和足够强度下可重置时钟，导致0型重同步。使用明亮光疗法和/或阻挡特定波长光的眼镜是有效工具。橙色眼镜可阻挡明亮光的褪黑素抑制作用，警察夜间轮班研究中，暴露于间歇宽光谱明亮光并佩戴橙色眼镜者褪黑素分泌无变化，但夜间心理运动警觉任务表现改善。短波长（蓝光）暴露改善主观警觉性和警觉任务表现。实验室模拟潜艇照明环境中，特定时间暴露富蓝光和暗蓝光加速昼夜节律适应。富蓝光白光诱导相位延迟，暗蓝光白光使睡眠延长52分钟，改善困倦和警觉性。白天光暴露不足导致夜间光暴露后褪黑素抑制更强和相位移动更大，提示白天光的保护作用。工作时间学会建议：橙色眼镜在6:00-9:00佩戴以阻挡早晨明亮光，促进相位延迟；夜班后早晨暴露于明亮光或自然光以适应白天；日班时靠近窗户促进自然光警觉；照明干预需考虑光谱（蓝波长效应更强）、强度、持续时间、时间、光历史。个体间昼夜节律时钟对轮换班次反应存在显著变异，光暴露（相对于个体相位）和日间偏好解释了71%的变异，提示需个性化光干预策略。光对非图像形成效应由内在光敏视网膜神经节细胞介导，对短波长敏感，含光色素黑视素。新指标“黑视素等效日光照明”用于量化光生物学效应。褪黑素是标准时间生物学药物，其分泌模式反映昼夜节律系统状态。褪黑素的时间生物学特性可用于调整轮班工作者相位：深夜或清晨给药诱导相位延迟，白天给药无影响。证据显示轮班后褪黑素（1-10 mg）可增加睡眠时间，超重护士夜间睡眠时褪黑素给药减少昼夜节律紊乱和体重。外源性褪黑素的效果取决于给药时间、剂量、配方和个体差异。图10展示典型五天夜班场景：通过夜班早期暴露于明亮光、回家时使用深色眼镜阻挡早晨光、白天入睡前服用褪黑素（3-6 mg）以促进睡意和相位移动。策略性30分钟小睡和咖啡因可减少困倦。美国FDA已批准阿莫达非尼和莫达非尼治疗轮班工作紊乱过度困倦。组织层面策略包括：快速轮换（而非慢速）、顺时针（而非逆时针）轮换、允许自排班。快速轮换减少工人处于错位状态的时间，工人偏好顺时针轮换，因为生物钟略长于24小时。最终目标是确保工人每24小时至少7小时睡眠。疲劳风险管理系统可改善睡眠和预防疲劳。夜间光暴露（即使低强度）影响进食时间并促进体重增加，食物限制在特定时间可作为同步信号，通过食物可诱导振荡器（FEO）调节某些节律。在食物稀缺时，FEO接管调节，优化食物利用。人类实验室研究中，进食时间影响血浆葡萄糖节律相位、平均葡萄糖浓度和脂肪组织昼夜节律基因表达，而不改变睡眠参数。因此，食物可作为非光刺激帮助相位移动。跨时区旅行（时差）与轮班工作类似，源于内在时钟与外部时间线索的暂时错配。严重程度取决于跨越时区数和旅行方向（向东更难入睡，向西更难维持睡眠）。时差和轮班工作紊乱管理共享关键策略：适当安排睡眠、使用光暴露和/或褪黑素重置时钟、必要时使用兴奋剂。
12. Current Limitations and Future Perspectives
尽管在理解昼夜节律调节机制和紊乱生理后果方面取得重大进展，但仍有重要问题未解决。许多时间疗法干预证据因研究设计、参与者特征、工作日程、结果测量和干预方案差异而存在异质性。需要进一步研究确定不同轮班日程和睡眠类型下光暴露和褪黑素给药的最佳时间、强度、持续时间和组合。褪黑素时间生物学效应机制以及中央和外周时钟在昼夜节律适应中的相对贡献仍是活跃研究领域。还需更多研究更准确描述昼夜节律系统主要输出的PRC，以设计基于证据的、能选择性移动中央和外周时钟相位的时间疗法干预。结合个体变异（昼夜节律相位、睡眠类型、光历史）的个性化方法可能改善轮班适应并减少健康、安全和福祉的不利影响。最终，将昼夜节律生物学进展转化为个性化时间疗法策略是改善非标准日程工作者健康、安全和生活质量的主要挑战和机遇。
