【肾世图卷】生物钟和肾脏

一天的时间是一个关键的生物学变量

人类是昼夜活动的，白天活动模式和心血管功能达到峰值

而小鼠和大鼠是夜间活动，活动模式和心血管功能在夜间达到峰值

啮齿动物和人类生理功能的昼夜节律非常相似，只是高峰和低谷彼此相反👇

这个研究方向也得到了重视，2017年，Hall、Rosbash和Young因发现生物钟基因获得诺贝尔奖

电解质排泄是肾脏功能之一，上世纪50年代的一项研究证明这种功能存在昼夜节律(👇图第一列)。受试者在不知道时钟时间的情况下、位于地下8 周后，肾钠、钾和氯化物的排泄节律仍保持完整(👇图中列)。然而在12 周时，节律发生了变化，但仍然存在昼夜节律(图下列)

以后的几十年里，肾功能节律性的分子机制方面取得了巨大进展

01

机制

昼夜节律系统是一个分层的多振荡器网络，包括位于脑部的主生物钟和位于各种器官的外周生物钟

中央时钟位于下丘脑的视交叉上核 (SCN)。SCN直接接收用于引入明暗循环和同步外围时钟的光信号。虽然SCN对光信号有反应，但外围生物钟对非光信号(如进食)的反应更灵敏

生物钟的分子机制是转录/翻译反馈回路。核心循环由正调节基因(BMAL1, CLOCK)和负调节基因(PER, CRY)组成，作用于E-box响应元件，通过组织特异性靶基因以调节生理和行为的节律输出，从而影响昼夜节律系统

图为上述昼夜节律的机制总结

肾脏昼夜节律受到内部和外部因素同时作用

肾血浆流量(RPF)、肾小球滤过率(GFR)、足细胞和肾小管细胞受肾固有生物钟的调节，导致尿量出现昼夜节律

肾外昼夜节律因素包括食物、激素、体温和神经系统活动，使内在肾时钟的节律同步

使用雄性盐敏感大鼠，通过基因组学研究时间对肾脏基因表达的影响，发现24个差异表达基因，包括Bmal1、Per1/2/3 Dbp等生物钟基因

图总结了生物钟基因在肾单位不同节段细胞内的调节作用

表总结了小鼠/大鼠肾脏中生物钟基因表达水平的峰值和谷值的时间点

肾小球

与对照小鼠的GFR昼夜节律(下图A)相比，足细胞特异性Bmal1 KO小鼠的GFR表现出12小时节律(下图B)。其机制尚不清楚，但这些发现支持BMAL1在肾小球功能中的关键作用

近端小管

编码 Na+-磷酸协同转运蛋白(PIT1、PIT2和NPT2a)的基因在小鼠肾脏中表现出昼夜节律性，但三者峰值出现的时期不一致👇，这样在任何时候至少有一种转运蛋白表达，其具体机制不太清楚 

CLOCK:BMAL1异二聚体直接与NHE3的启动子结合，这种激活可以被PER2和CRY1抑制

在肾小管细胞条件性BMAL1 KO的小鼠中， 有机阴离子转运蛋白3(OAT3)的表达较低，同时对利尿剂呋塞米的反应降低

Henle袢

雌激素相关受体b在肾脏中以昼夜节律模式表达，在调节NKCC2中起作用

远曲小管和连接小管

在小鼠中，生物钟基因PER1表达降低导致NCC和WNK1 mRNA表达降低，WNK4 mRNA表达增加

在小鼠远曲小管上皮细胞中，用酪蛋白激酶1δ/ε抑制剂对PER1进行药理学阻断，也导致NCC、WNK1和WNK4的表达发生相同变化

以上结果说明生物钟基因可以通过WNK-SPAK/OSR1-NCC 激酶信号通路参与调节盐敏感性高血压

集合管

生物钟基因PER1降低醛固酮对ENaC mRNA表达的有效性

主细胞特异性Bmal1 KO(CD-Bmal1)小鼠模型中，雄性 小鼠在正常盐饮食、高盐饮食和含ETB受体拮抗剂的高盐饮食下平均动脉压(MAP)降低。然而在任何饮食/治疗下，雌性小鼠的MAP与对照小鼠相比没有变化

02生物钟和肾脏疾病

流行病学证据强调了生物钟对人类整体健康的重要性，昼夜节律紊乱导致中央和外围时钟之间的不同步，与睡眠-觉醒障碍、神经和精神疾病以及心血管疾病、癌症、自身免疫性疾病以及能量平衡和脂肪组织代谢紊乱之间存在明显联系

越来越多的证据表明，昼夜节律紊乱在肾脏疾病中也具有致病作用

BMAL1的变异与高血压和/或糖尿病相关，这是CKD的两个主要危险因素

CKD

肾脏疾病与外周和中枢昼夜节律的破坏有关

分子钟调节血清磷酸盐、甲状旁腺激素、促红细胞生成素(EPO)和其他已知表现出昼夜节律的激素的水平或活性👇

狼疮性肾炎

在疾病进展期间，涉及先天和适应性免疫系统的多种细胞类型之间存在复杂的串扰

LN的发病机制包括抗原呈递细胞(APC)将来自各种来源的自身抗原呈递给T淋巴细胞，从而产生自身反应性T细胞。这些CD4 +T淋巴细胞反过来指导B细胞产生具有不同特异性的自身抗体，这些抗体以免疫复合物(IC)的形式沉积在肾小球中。导致进行性肾小球病理学和化学引诱物和基质蛋白的局部产生，导致免疫细胞浸润和组织损伤

肾小球通透性的丧失也会导致肾小管间质损伤，这种损伤由固有的肾小管细胞炎症表型和浸润的免疫细胞持续存在，并最终导致肾功能衰竭

SLE患者的关键时钟蛋白的睡眠片段化或基因突变可能会增强免疫细胞效应功能(👇图)

肾脏内在细胞时钟基因的突变会使其本身容易受到损伤，从而在LN的进展过程中发生局部损伤事件

高血压

对45项研究(包括117,252名工人)的荟萃分析发现，长期夜班工人的收缩压和舒张压均显著升高

来自韩国的数据显示，在服用抗高血压药物的工厂工人中，与白班工人相比，夜班工人的血压控制更差。即使在调整了年龄、性别、肥胖、运动、吸烟状况和酒精摄入量后，这一发现仍然很重要

定时尿液收集提供了以无创方式评估昼夜节律紊乱的机会。夜间血压下降的消失与尿钠排泄节律的破坏有关

昼夜钠排泄比例最低的患者往往年龄较大，夜间血压较高。这些发现支持肾脏排泄节律丧失与衰老相关的观点，并可能对血压下降产生负面影响

糖尿病/糖尿病肾病

在1型或2型糖尿病患者进一步肾损伤之前，可以看到血压昼夜节律受损➡不适当的动脉压升高时间会升高肾小球毛细血管压力➡ 增加白蛋白滤过升高可能性，从而加剧白蛋白尿的发展

由链脲佐菌素(STZ)诱导的1型糖尿病小鼠模型。发现注射STZ的小鼠肾脏中Per1的时间水平升高，而Per2的水平降低

在db/db小鼠(一种2型糖尿病模型)中，与对照组相比， Per1、Rev-erbα和Dbp的表达谱改变

Per1在129/sv小鼠的近端小管和人近端小管(HK-2)细胞中，调节SGLT1的表达水平，但不调节SGLT2的表达水平，表明Per1调节肾脏中的葡萄糖转运

在糖尿病状态下，两种糖尿病模型中Per1的上调导致转录水平的肾损伤

肾结石

当尿液中的盐分过饱和时会形成肾结石，从而导致微晶的产生

过饱和度取决于尿液中溶质的浓度，在白天发生变化并遵循昼夜节律，白天最高，晚上最低

尿液pH值通过调节盐过饱和度来强烈影响结石风险，且还显示出昼夜节律

肾小球肾炎

肾病综合征患者(包括膜性肾病患者)的蛋白尿遵循昼夜节律，蛋白质排泄高峰出现在16:00左右，其最低点在03:00，与GFR无关

肾病综合征患者血压的昼夜节律波动明显受到干扰，报告显示成人和儿童的免疫球蛋白A(IgA)肾病结果取决于血压的昼夜节律

表示昼夜节律对肾脏相关疾病的影响总结

03生物钟和肾脏病治疗药物的代谢

时间药理学研究生物节律如何影响药代动力学、药效学和毒性，并确定一天中的给药时间是否会改变药物的药理学特征 

时间疗法将时间药理学研究应用于临床治疗，确定给药的最佳生物学时间，达到有益效果最大且相关副作用和毒性的发生率和/或强度最小

大多数水溶性药物或药物代谢物通过肾脏尿液排出。尿液中药物清除率取决于与肾功能相关的几个内在变量，包括肾血流量、肾小球滤过率、肾脏重吸收或分泌药物的能力、尿流量和尿液pH值，这些因素会影响药物清除的程度

甲氨蝶呤

与白天相比，当急性淋巴细胞白血病儿童在夜间给予甲氨蝶呤时，存活率得到改善

在一项交叉研究中，在6名患有白血病的儿童中测定了上午10:00和晚上9:00静脉注射甲氨蝶呤的药代动力学。该研究表明，血浆甲氨蝶呤清除率和甲氨蝶呤肾清除率夜间显著降低。然而甲氨蝶呤肌酐清除率没有昼夜变化，说明并非由于肾小球清除率降低。

可能机制为甲氨蝶呤是一种弱酸，肾小管分泌取决于尿液的pH值，夜间尿液的pH值更酸

血管紧张素 II 受体拮抗剂

对易患中风的高血压大鼠在光照后不同时间给与血管紧张素 II 受体拮抗剂缬沙坦(VAL)和奥美沙坦酯(OM)，药代动力学显示出显著的变化👇

利尿剂

多项试验显示早上12点给药，利尿作用明显大于夜间12点给药

吗替麦考酚酯

评估一组Wistar大鼠对霉酚酸酯(MMF)的肾毒性和氧化应激。在四个不同的昼夜节律阶段(光照后1、7、13和19小时)腹膜内注射300mg/kgMMF3天。分析表明，仅在光照后7小时施用MMF会产生明显的肾毒性和抗氧化活性改变

然而其它试验提示在黑暗时期注射MMF时，会引起非常轻微的肾毒性和低氧化应激。然而当在光照期间注射MMF时，观察到最大的肾毒性 

在未来，采用基于昼夜节律的疗法将需要开发测试来分析昼夜节律紊乱的程度，以促进诊断和评估对治疗的反应

使用定时尿液收集可以揭示昼夜节律紊乱的发生率，并有助于以无创方式评估基于昼夜节律的疗法的有效性

血液样本中时钟基因表达的测量也可用作透析患者、CKD患者或患有急性肾损伤或有急性肾损伤风险的患者的预后和诊断生物标志物

尽管在肾脏疾病的治疗或管理中使用昼夜节律原则的潜力正在增长，昼夜节律紊乱介导和延续肾损伤的机制仍有待阐明，目前该领域的基础研究仍处于早期阶段

鉴于昼夜节律对人类健康的生理和临床意义，有必要对肾脏疾病模型中的生物钟进行更详细的检查，并有望对肾脏与全身昼夜节律稳态有更深入的了解

Ref

1 Physiol Rev. 2022 Oct 1;102(4):1669-1701

2 J Clin Invest. 2022 Feb 1;132(3):e148277

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4 Nat Rev Nephrol. 2018 Oct;14(10):626-635

5 Int Urol Nephrol. 2018 Dec;50(12):2221-2228

6 J Pharmacol Sci. 2011;115(2):196-204

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