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如何有效“倒时差”?科学家说:只需拨动重置生物钟的光开关

发表在《自然通讯》杂志上的最新研究论文中,科学家报告说,通过使用基于计时光药理学的光开关机制,即可对生物钟时间进行可逆调节、有效地倒时差。

该论文题为:“计时光药理学对生物钟时间的可逆调节”。计时光药理学,英语:Chronophotopharmacology,是一门新兴的物理学与医学的交叉科学领域,即医学物理学(Medical physics),或称物理医学、生物医学物理、医学生物物理学、医学应用物理学等,一般来讲,指将物理学的概念、理论和方法,应用于医学、医药、医疗等。

计时光药理学通过引入了光控开/关机制激活或去激活光,从而可与分子的光为目标的药物递送,利用光能改变药物的形状和化学性质,从而实时成像捕捉导致不同的生物活性的许多阶段。带有光开关的光药学药物具有两种不同的状态,光线可以在两种状态之间切换。由于两种状态具有不同的结构,因此药物的活性不同,药物的药性处于“开启”和“关闭”的状态。

如图所示使用计时光药理学对生物钟的可逆调制。使用光将光响应性小分子的两个异构体进行互变,可以加快细胞时间。紫光照射可以将正常的24小时制延长到28小时,而绿光则可以关闭此效果,并使时钟恢复正常。

如何有效“倒时差”?科学家说:只需拨动重置生物钟的光开关

许多人知道。自然界里有生命的生物里有生物钟,是生物体内的一种无形的“时钟”,是生物体生命活动的内在节律性,生物通过它能感受外界环境的周期性变化,并调节本身生理活动步伐,使其在一定时期开始。

地球上的生命约出现于地球形成10亿年之后,从生命诞生开始,其最简单的生物分子之间的生物化学反应,就受到地球上早已存在的各种物质和环境因素的影响,其后的变化也都在地球环境的掌控之中,因此地球上生命的一切活动都受到地球周期性律动的影响,所有的生物节律也都是环境对生物演化选择的结果。

地球上的生命是在光与暗、热与冷的24小时周期内进化的。结果,我们的细胞与这24小时的振荡周期同步。我们的昼夜节律时钟由大脑中视神经正上方的区域的视交叉上核的中央控制器调节。

如何有效“倒时差”?科学家说:只需拨动重置生物钟的光开关

我们所有的细胞都包含有自己的时钟。这些时钟包括某些蛋白质的产生和分解中的周期振荡。生物钟几乎存在于生物体的所有细胞中。越来越多的研究证据表明某些器官中的时钟因为各种原因可能不同步,有必要局部调整或重置这些时钟。

在该研究中,由荷兰和日本的科学家组成的一个研究团队,向激酶抑制剂引入了光控的开关,可影响可控制时钟功能,从而能够控制培养的细胞和外植组织中的生物钟。

生物钟开关

科学研究越来越明显地表明,这些生物时钟会在器官或组织中被破坏,从而可能导致疾病。我们都知道时差,长距离跨时区旅行引起的“倒时差”,或由于切换夏令时与冬令时引起的时差问题。但是过去对细胞如何协调这些时差振荡如何影响身体知之甚少,例如,由于“倒时差”,你的肾脏与身体其余部分的振荡相位可能会不同。

为了研究这些影响,拥有一种可以影响时钟并且可以在局部激活的药物会很有用。研究人员开发了几种化合物,可以用光打开和关闭的光活化药物。

该论文主导之一、日本名古屋大学转化生物分子研究所副教授、生物学家、广田刚义(Tsuyoshi Hirota)过去开发了一种称为“longdaysin”的可影响生物钟的新型激酶抑制剂,它可以将昼夜节律的时钟减慢到一个长达48小时的周期。现在通过长期研究给这种激酶抑制剂安装了生物钟的光开关,可以分别用紫罗兰色和绿色光激活或停用该化合物。

时差

广田刚义花了数年的时间进行这种改制,结果功夫不负有心人。通过与荷兰格罗宁根大学的科学家合作,进一步展示了如何通过用longdaysin衍生物处理将培养细胞的周期从24小时延长到28小时。绿灯灭活使循环回到刚刚超过25小时,随后紫光灭活使循环回到28小时。通过将其运用于小鼠滑膜上核的组织切片中,用longdaysin衍生物治疗几天后,振荡减慢到26小时的周期,并在绿灯灭活后恢复到24小时的周期。

“这种可逆调节将提供一种新的方法来分析每个细胞在组织水平上的时钟组织方式,以更深入地了解复杂的生物钟系统。”

科学家们还调整了培养细胞周期的阶段:对longdaysin衍生物进行三天激活,然后使其失活,导致24小时周期最多移位了六个小时。好像这些单元已与其他时区同步。该实验证明,不仅可用于修复时差,还可以用于研究对生理的影响。

如何有效“倒时差”?科学家说:只需拨动重置生物钟的光开关

光活化药物

像longdaysin这样的光活化药物(light-activated drug)还将可能用于治疗疾病。研究人员表示:“实际上,我们可以用内窥镜等光线照射到相当多的器官。胃肠道和呼吸系统很容易到达,而其他组织可能需要较小的切口插入光纤。现代生活方式引起的不同步昼夜循环导致生理节律的紊乱,与各种疾病和障碍相关,例如心血管病、胃肠道病、阿尔茨海默氏症、精神疾病、糖尿病、癌症和昏睡病等,我们现在已经打开了一个新的研究领域。最终,所有这些都将使我们能够进行局部医疗或修复昼夜节律的波动。”

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