光暴露与静息-活动节律通过交感神经激活驱动肝损伤与胆汁酸失调

《npj Biological Timing and Sleep》：Sympathetic activation links light exposure and rest-activity rhythm to liver injury and bile acid dysregulation

　　

延长光照暴露以及静息-活动节律改变在现代社会日益普遍，然而其对健康的影响及潜在机制仍未被充分阐明。肝脏是代谢与昼夜节律调控的核心器官。研究人员假设，觉醒时间延长（在人类中建模为长光照周期，在夜行性小鼠中建模为短光照周期）会影响肝脏完整性与功能。研究人员采用体动记录仪、跑轮实验、形态学、生物化学、转录组学及色谱技术，检测了光照暴露改变带来的影响。为了逆转由交感神经系统（sympathetic nervous system，SNS）激活所介导的昼夜节律紊乱，研究人员应用了SNS抑制剂或限时喂养。在人类和小鼠中，觉醒时间延长均增加了日常活动量并减少了休息时间，同时诱导了仅局限于肝脏的组织损伤，并主要影响胆汁酸代谢。机制上，短光照周期增强了小鼠肝脏的交感神经支配与活性，激活了一条去甲肾上腺素（norepinephrine，NE）–β2-肾上腺素能受体–蛋白激酶A信号轴，该轴重新编程了肝脏的昼夜节律时钟与胆汁酸代谢。化学性交感神经切除（而非限时喂养）恢复了胆汁酸的节律性并减轻了肝损伤。这些发现将肝脏确定为昼夜节律紊乱的主要靶器官，并将升高的交感神经张力确立为连接延长光照暴露与代谢功能障碍的关键中介因素。

论文解读

研究背景与科学问题

昼夜节律是由下丘脑视交叉上核（suprachiasmatic nucleus，SCN）中的中央起搏器与其他组织中的外周时钟共同协调的分层系统。光是SCN的主要授时因子，SCN通过神经和激素输出与外周时钟同步。其中，自主神经系统发挥关键作用，交感神经信号通过节律性地释放去甲肾上腺素（norepinephrine，NE）调节外周时钟功能。现代社会中，由于人工照明的延长和行为因素，睡眠不足和长时间光照暴露日益普遍，成为昼夜节律失调的关键驱动因素，增加了身心疾病的发生率。肝脏作为代谢调控的中心枢纽，表现出强劲的昼夜节律振荡，协调脂质、葡萄糖和胆汁酸稳态。肝脏昼夜节律的破坏会引发非酒精性脂肪性肝炎和肝细胞癌等肝脏疾病。然而，适度的条件如光周期变化是否也会影响肝脏完整性和代谢尚不清楚。此外，虽然已知昼夜节律紊乱会增加胆汁酸水平及肝损伤标志物，但光照暴露是否影响胆汁酸代谢仍是未知数。因此，本研究旨在探究延长光照暴露对肝脏完整性及胆汁酸代谢的影响及其背后的机制。

研究方法概述

研究人员首先进行了一项人体研究，招募了40名志愿者，分为正常光照暴露加正常睡眠组、长光照暴露加短睡眠组以及正常光照暴露加短睡眠组，通过体动记录仪监测静息-活动节律，并进行血液代谢物谱分析。随后，利用夜行性小鼠建立短光照周期（short photoperiod，SP，LD 4:20）模型模拟人类的长光照暴露，通过跑轮实验监测活动，结合组织学染色、生化指标检测、转录组微阵列分析、实时定量聚合酶链式反应（qPCR）、蛋白质免疫印迹（Western blotting）和免疫组织化学等方法，从分子到整体水平系统研究了SP对肝脏的影响。关键技术包括：小鼠肝脏切片电化学记录NE释放、高效液相色谱-电化学检测法测定NE含量、液相色谱-质谱联用分析胆汁酸组成、以及对离体肝交感神经进行电刺激处理。动物实验经山西医科大学伦理委员会批准。

研究结果

1. 延长光照暴露与人类交感神经激活和肝损伤相关

人体研究发现，与正常光照暴露者相比，长光照暴露个体表现出明显的静息-活动时长和节律改变，包括总睡眠时间减少、入睡后清醒时间和睡眠碎片化指数增加。代谢谱分析显示，这些个体的血丙氨酸氨基转移酶（alanine aminotransferase，ALT）、天冬氨酸氨基转移酶（aspartate aminotransferase，AST）和总胆汁酸（total bile acids，TBA）水平升高，表明肝细胞损伤和胆汁酸稳态失衡。血浆NE水平也升高，并与ALT和TBA水平呈正相关。而正常光照但夜间活动增加的对照组并未出现这些变化，表明夜间光照暴露本身是导致这些表型的关键因素。

2. 短光照周期在小鼠中重现昼夜节律紊乱和肝损伤

SP小鼠表现出活动量和活动时长增加、节律紊乱，并出现体重和脂肪量下降。代谢谱和组织学分析证实，SP选择性地诱导肝脏损伤，表现为小叶结构破坏、炎症浸润和肝细胞凋亡增加，而心脏、肾脏等其他器官未见明显损伤。肝脏NE水平升高并与ALT和TBA水平强相关，与人体观察一致。

3. 短光照周期诱导肝脏交感神经重塑与激活

SP显著上调了肝脏酪氨酸羟化酶（tyrosine hydroxylase，TH）和生长相关蛋白43（growth-associated protein 43，GAP43）的表达，同时下调胆碱乙酰转移酶（choline acetyltransferase，ChAT）的水平，表明交感神经支配增强、副交感输入减少。碳纤维电流分析法证实，SP小鼠肝脏的NE释放量增加。

4. 短光照周期重编程肝脏昼夜节律时钟与转录组

转录组分析显示，SP两个月后大量基因表达发生改变，富集于昼夜节律、胆汁酸代谢和炎症通路。核心时钟基因方面，SP降低了正调控因子Clock和Bmal1的表达并使其相位偏移，同时升高了负调控因子Per1、Per2和Rev-erbα的水平，导致肝脏时钟电路偏向抑制性转录状态。

5. 短光照周期破坏胆汁酸稳态及其昼夜节律性

SP显著增加了肝脏、胆囊和肠道中的胆汁酸池大小，血清TBA节律振幅升高且峰值前移约4小时。胆汁酸组成向结合型转变。分子层面，SP上调了胆固醇7α-羟化酶（Cyp7α1）的表达，下调了法尼醇X受体（farnesoid-X receptor，Fxr）和小异源二聚体伴侣（small heterodimer protein，Shp），并改变了转运蛋白胆盐输出泵（bile salt export pump，Bsep）和钠牛磺胆酸共转运蛋白（sodium taurocholate co-transporter，Ntcp）的表达，促进胆汁酸积累并损害其排泄。

6. 交感神经激活通过β₂-肾上腺素能信号驱动肝脏时钟与胆汁酸重编程

对小鼠肝交感神经进行电刺激处理，可完全复现SP引起的时钟基因和胆汁酸代谢基因的变化。在HepG2细胞中，NE处理同样复现了这些变化，而普萘洛尔（非选择性β-肾上腺素能受体拮抗剂）或KT5720（蛋白激酶A抑制剂）可消除这些效应，但比索洛尔（选择性β₁-肾上腺素能受体阻滞剂）无效，从而明确了NE–β₂-肾上腺素能受体–蛋白激酶A信号轴的作用。

7. 交感神经抑制而非限时喂养可挽救肝损伤与代谢紊乱

化学性交感神经切除（6-羟基多巴胺处理）有效降低了肝脏交感神经标记物和NE释放，显著改善了SP诱导的肝损伤、凋亡和胆汁酸失调，并恢复了肝脏时钟基因的节律性。相比之下，限时喂养仅部分恢复了胆汁酸节律性，未能降低交感神经活性或改善肝损伤。

讨论与结论

本研究的核心概念进展在于确定了交感神经信号是肝脏昼夜节律功能障碍的上游调控因子。研究结果表明，肝脏是觉醒延长所致昼夜节律紊乱的主要靶器官，并确立了交感神经激活作为连接环境光照暴露与代谢功能障碍的核心机制。与既往侧重内在时钟破坏或摄食行为的研究不同，本工作发现重塑的肝脏自主神经支配（交感增强、副交感减弱）是触发代谢失调的主导驱动力。从转化医学角度看，这些发现为现代生活方式因素（如光污染和睡眠不足）与肝脏疾病的关联提供了机制框架，提示昼夜节律失调可能在全身性疾病发生之前就已导致早期亚临床代谢损伤。治疗上，调节交感神经活性或下游β₂-肾上腺素能信号可能是缓解昼夜节律相关代谢紊乱的有前景策略。