張金堅:不要輕忽晝夜節律，與癌症的發生亦有關係
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本文摘自<常春月刊>476期
文：張金堅（乳癌防治基金會董事長）
由於從簡單的細菌到複雜的靈長類（包括人類），甚至植物，都有「晝夜節律」（circadian rhythm），又叫「約日節律」或「日變節律」，另外亦較常聽到的所謂「生理時鐘」（biologic clock）。在生醫學界中，通常以晝夜節律來描述一日之週期變化。Circa在拉丁的字首代表著「大約」、「大概」的意思，而diem（dian）在拉丁文的定義則是「一天」的意思，地球上的生物為什麼會出現晝夜節律現象呢？
基本而言，此等晝夜節律幫助地球上所有生物為白天的陽光和高溫，以及夜晚的黑暗和寒冷做好準備。好像含羞草白天張開葉子接受第一道陽光進行光合作用，晚上合起葉片一樣；羚羊在晨昏時出現在河邊，獅子就會在晨昏時前往水邊獲取獵物；在較於寒冷高緯度的動物需要在日落前找好棲身之地，才能躲過夜晚的寒冷。
這些案例證明了晝夜節律（生理時鐘）有其需要及功能存在，就好像正常人在一天24小時當中，因應日照、睡眠、休息、飲食、運動，其血壓、體溫及各類荷爾蒙也有週期性的起伏（圖一）。總之，從簡單的細菌、果蠅到複雜的靈長類，為什麼會有如此規則的節律呢？本文將由神經解剖及基因調控兩大方面來探討。
有關晝夜節律在神經解剖方面的相關探討
在1960年代，德國生理學家艾許夫博士（Jurgen Aschoff）將數名受試者個別關在沒有自然光的倉庫裡，發現即使在這樣的環境中，受試者仍保有大約24小時的睡醒週期（sleep-wake cycle），後來哈佛大學的柴斯勒（Chales Czeisler）及克諾勞爾（Richard E Kronauer）也發現同樣的現象。可見受試者的生理現象，並未受到人造環境的影響，不管是體溫、血壓或血液內各類激素濃度的變化，仍遵循24小時的規律。
直到1972年，芝加哥大學的摩爾博士（Robert Moore）及加州大學柏克萊分校的朱克教授（Irving Zucker）終於藉由腦損傷研究證實：人體體內的確有自行運作的生理時鐘，並證實調控晝夜節律的關鍵腦區就是在大腦下視丘（hypothalamus）中的視叉上核（suprachiasmatic nucleus，SCN），如SCN損傷，則無法表現正常的晝夜節律，在小鼠的試驗亦得到證實。
一般而言，當外界光線刺激可經由視神經，再經視網膜下視丘腦管道（retinohypothalamic tract, RHT）傳達到視叉上核（SCN），再影響到與晝夜節律有關的腦區，例如分泌褪黑激素的松果體（Pineal body），而後會有一系列的連續反應，因此視叉上核（SCN）被認為是最重要的中央生理時鐘，它主宰晝夜節律，會影響身體所有的器官、組織（如肝臟、胰臟、心臟、肺臟、血管、腎臟、淋巴系統及內分泌系統）等周邊的區域性生理時鐘，這些區域性的生理時鐘也會因為環境或各項生活因素，如天氣溫差變化、飲食、活動或休息等因素因應產生變化，並與中央生理時間同步協調（Synchronization），藉此調節各項生理功能，使身體維持在最佳的健康狀態。
如果熬夜、不規律生活、睡前大量攝食、沒有定期適當運動、長期夜班工作或飛行造成時差，都會使生理時鐘紊亂、交感神經活性上升、腎上腺素增加、胰島素阻抗性增加、導致血壓及血糖上升，同時有10種以上與發炎有關的介白素產生，免疫功能低下，易患心血管疾病、糖尿病，新陳代謝功能亦受影響，可能造成病態性肥胖，另外與精神有關的毛病，如：焦慮、憂鬱等，甚至造成記憶力減退，注意力不集中、失智等，最近研究發現與癌症亦有關聯（圖二）。
有關晝夜節律在分子控制方面的相關探討 有關於晝夜節律分子機制及基因研究，始自果蠅，由於果蠅體型小、生命週期短、繁殖快速，是進行此類研究的極佳模型，在1970年代，加州理工學院的科諾卡（Ron Konopka）和班瑟（Seymour Benzer）進行果蠅研究，利用誘變劑（mutagen），使果蠅發生基因突變，結果有兩種突變，一種小於正常24小時的短週期（19小時），及另一種大於24小時（28小時）的突變，後來由洛克斐勒大學的楊恩、布倫戴斯大學的霍爾（Jeffery Hall）和霍華休斯醫學中心的羅斯巴希（Michael Rosbash）相繼展開研究。
結果在1980年由楊恩及其團隊發現在X染色體有一基因突變命名為PERIOD（簡稱PER），另外，在第二染色體亦發現一個叫做TIMELESS（簡稱TIM）。而後這三位學者針對兩個基因及其蛋白質產物，進行一連串實驗，結果揭開調控晝夜節律的分子機制，因此三位學者共同獲得1997年諾貝爾醫學獎。而後日本東京大學、神戶大學以及美國貝勒醫學院研究團隊，亦在小鼠和人類身上找到了PER和TIM基因的同源體，發現它們在視叉上核（suprachiasmatic nucleus, SCN）內特別活躍，這三位諾貝爾獎得主豐碩的研究成果，奠定「晝夜節律」的分子機制，也使與「晝夜節律」之相關研究有更突破性的發展。
截至目前為止，在此領域的相關學者均公認晝夜節律，是結合神經系統及分子調控的綜合體，有關分子調控方面，它是一種在細胞內自主而且自動回饋的迴路。它包括正向調節（positive regulator）及負向調節（negative regulator），造成一種互鎖的轉錄轉譯環（interlocked transcriptional translational feedback loop），從而形成一個在細胞內的自主節律器，可以啟動各式基因表現，包括新陳代謝、生物合成、訊號傳遞及細胞週期有關的基因。
包括人類在內的哺乳類，其主要管理晝夜節律基因包括BMAL1及CLOCK，在BMAL1及CLOCK之轉錄激活因子複合物，可以週期性啟動它的抑制因子，如：PERIOD（PER）及CRYPTOCHROME（CRY）等，另外還有一個迴路，正向調節的是RORα，負向調節的是REV-ERB。當BMAL1、CLOCK或RORα過多時（白天），則由PER、CRY及REV-ERBα取代（夜晚），在每天24小時輪流呈現，形成晝夜節律（圖三）。
晝夜節律失調，與癌症發生有關嗎？ 當今科技和資訊發達的時代，由於物質文明的進步，人體與環境原本平衡的狀況，逐漸起了變化，生活步調也改變不少，有時因為夜間工作或娛樂造成作息大亂。有許多流行病學專家進行研究，發現從事夜間醫療工作者、空服員、24小時便利商店等相關女性工作者，得到乳癌的機率較高。亦有學者針對上下班時間不固定經常變動、作息紊亂的護理人員，進行多年的追蹤調查，結果發現，沒有正常作息的族群罹患乳癌的風險較高。
有些數據顯示罹癌風險可提高近40%。在中研院進行相關研究的黃雯華博士亦指出，晝夜節律（生理時鐘）如果是紊亂的話，確實會增加罹患乳癌的風險，若是已確診乳癌的病患，如果晝夜節律失調，則加速癌症的惡化。根據國內外的調查及統計發現，晝夜節律調控的基因，包括上述PER、CRY、CLOCK、BMAL、ROR及REV-ERB如果發生突變或缺失，再加上其他原有的致癌基因活化，抑癌基因被抑制，則很多種類的癌症發生率會增加（圖四）。
到目前為止，晝夜節律的紊亂或失調增加癌症的發生，已有很多學者研究，其原因歸納整理如下（圖五）：
❶細胞週期變動及細胞凋亡機制失靈 在老鼠身上的細胞其晝夜節律週期如果PER基因改變的話，會導致癌症的發生。如果PER 基因功能消失，則可能引發惡性淋巴瘤。如果PER1及PER2正常的話，則細胞凋亡的機制會順利運作不至於產生癌症，包括大腸癌、乳癌及肺癌都有此現象。至於CRY基因對細胞週期及細胞凋亡機制亦有影響。
❷細胞新陳代謝之改變 晝夜節律亦會影響細胞之新陳代謝，如圖五所示，SIRT1及AMPK是細胞新陳代謝的調節者，當晝夜節律異常時會直接影響SIRT1及AMPK的訊息傳遞，導致能量的不平衡，甚至致癌。
❸異常晝夜節律易使癌細胞轉移，亦會使表皮癌細胞間質化，使惡性度增強，如胰臟癌BMAL1之表現降低，則惡性度增強。
在管腔型A的乳癌中，若PER及CRY之表現正常，其預後較佳。另外也有研究證實，PER之基因不正常表現，會增強癌細胞由表皮細胞間質化的現象，導致惡性度增加。
❹另外，在24小時晝夜節律當中，到晚上會釋放褪黑激素，如果節律失調，導致褪黑激素的釋放不理想，會使腫瘤加速成長。
❺晝夜節律失調會使免疫功能降低，亦使癌症的發生率增加（圖六）。
如何調整晝夜節律使癌症的發生率降低？
根據華盛頓州立大學，轉譯醫學Yool Lee教授在去年（2021年）之綜述中特別提到，有些因素會使晝夜節律變差，像基因的缺陷（如節律基因的突變）或環境危險因子加劇（如長期熬夜、夜間工作、睡前大量攝食及經常長途旅行造成時差等）或人的老化、糖尿病、慢性病的影響，亦會破壞晝夜節律導致圖七右邊的癌症發生。
如果我們用心而且規律的訓練生理時鐘，例如晨起曬太陽、作息固定不熬夜、在晚上十點前就寢，使褪黑激素分泌正常，而使清晨的類固醇有足量釋放，加上飲食卡路里減少，間歇性斷食及規律運動，則可使晝夜節律之運作更加順暢，幫助每個細胞之生理功能表現正常（圖七）。
萬一得癌，化療用藥之給藥時間不同，會影響療效嗎？
最近Yool Lee教授在其綜述裡也特別提到因應晝夜節律進行時間療法（chronotherapy），在癌症醫學領域開始熱烈探討與進行，各類抗癌藥有其不同之作用機轉，其給藥時間可能要在不同的時段，到目前為止雖不完全成熟，但已有初步的成果呈現了，如圖八則闡述不同的化療藥物作用在細胞週期不同的階段，所以給藥的時間不一定要在同一時間，雖然比較麻煩，但對於人體正常組織的傷害會變小，而對癌組織的殺滅能力可以提升。
此種時間療法已有一些醫學中心正在進行臨床試驗（包括臨床一、二、三期均有），假以時日，可能有相當令人振奮的成果（圖八）。
結語
生活在地球上的我們，由於地球大約每24小時自轉一次，讓我們的生活有了晝夜之分；為了配合晝夜輪替的世界，我們的基因表現也需要「配合演出」，才能讓自己完美地生存在這個世界。人體共有超過兩萬五千個基因，這些基因當然不可能個別一一對晝夜環境變化進行反應，而是透過一般所謂的「時鐘基因組」（clock genes）來調節全身上下所有的基因表現。
2017年諾貝爾生理醫學獎頒給了美國的霍爾（Jeffrey C. Hall）、羅斯巴希（Michael Rosbash）和楊恩（Michael W. Young）對動物如何調節生理時鐘機制的研究，他們以果蠅（Drosophila melanogaster）為材料，發現果蠅的生理時鐘調節乃是透過包含PER（PERIOD）、TIM（TIMELESS）、DBT（DOUBLETIME）等幾個主要的基因來進行的。
現在也有越來越多的研究證實，連我們每日的心情和免疫系統也都跟身體內的晝夜節律有關，與癌症的發生亦有關係，本文特別將晝夜節律與癌症的關係，詳述如上，希望將來有關晝夜節律的研究或臨床試驗能更廣泛進行，使時間療法（Chronotherapy）在癌症醫學有其發展的空間。
本文摘自<常春月刊>476期
文：張金堅（乳癌防治基金會董事長）
由於從簡單的細菌到複雜的靈長類（包括人類），甚至植物，都有「晝夜節律」（circadian rhythm），又叫「約日節律」或「日變節律」，另外亦較常聽到的所謂「生理時鐘」（biologic clock）。在生醫學界中，通常以晝夜節律來描述一日之週期變化。Circa在拉丁的字首代表著「大約」、「大概」的意思，而diem（dian）在拉丁文的定義則是「一天」的意思，地球上的生物為什麼會出現晝夜節律現象呢？
基本而言，此等晝夜節律幫助地球上所有生物為白天的陽光和高溫，以及夜晚的黑暗和寒冷做好準備。好像含羞草白天張開葉子接受第一道陽光進行光合作用，晚上合起葉片一樣；羚羊在晨昏時出現在河邊，獅子就會在晨昏時前往水邊獲取獵物；在較於寒冷高緯度的動物需要在日落前找好棲身之地，才能躲過夜晚的寒冷。
這些案例證明了晝夜節律（生理時鐘）有其需要及功能存在，就好像正常人在一天24小時當中，因應日照、睡眠、休息、飲食、運動，其血壓、體溫及各類荷爾蒙也有週期性的起伏（圖一）。總之，從簡單的細菌、果蠅到複雜的靈長類，為什麼會有如此規則的節律呢？本文將由神經解剖及基因調控兩大方面來探討。
有關晝夜節律在神經解剖方面的相關探討
在1960年代，德國生理學家艾許夫博士（Jurgen Aschoff）將數名受試者個別關在沒有自然光的倉庫裡，發現即使在這樣的環境中，受試者仍保有大約24小時的睡醒週期（sleep-wake cycle），後來哈佛大學的柴斯勒（Chales Czeisler）及克諾勞爾（Richard E Kronauer）也發現同樣的現象。可見受試者的生理現象，並未受到人造環境的影響，不管是體溫、血壓或血液內各類激素濃度的變化，仍遵循24小時的規律。
直到1972年，芝加哥大學的摩爾博士（Robert Moore）及加州大學柏克萊分校的朱克教授（Irving Zucker）終於藉由腦損傷研究證實：人體體內的確有自行運作的生理時鐘，並證實調控晝夜節律的關鍵腦區就是在大腦下視丘（hypothalamus）中的視叉上核（suprachiasmatic nucleus，SCN），如SCN損傷，則無法表現正常的晝夜節律，在小鼠的試驗亦得到證實。
一般而言，當外界光線刺激可經由視神經，再經視網膜下視丘腦管道（retinohypothalamic tract, RHT）傳達到視叉上核（SCN），再影響到與晝夜節律有關的腦區，例如分泌褪黑激素的松果體（Pineal body），而後會有一系列的連續反應，因此視叉上核（SCN）被認為是最重要的中央生理時鐘，它主宰晝夜節律，會影響身體所有的器官、組織（如肝臟、胰臟、心臟、肺臟、血管、腎臟、淋巴系統及內分泌系統）等周邊的區域性生理時鐘，這些區域性的生理時鐘也會因為環境或各項生活因素，如天氣溫差變化、飲食、活動或休息等因素因應產生變化，並與中央生理時間同步協調（Synchronization），藉此調節各項生理功能，使身體維持在最佳的健康狀態。
如果熬夜、不規律生活、睡前大量攝食、沒有定期適當運動、長期夜班工作或飛行造成時差，都會使生理時鐘紊亂、交感神經活性上升、腎上腺素增加、胰島素阻抗性增加、導致血壓及血糖上升，同時有10種以上與發炎有關的介白素產生，免疫功能低下，易患心血管疾病、糖尿病，新陳代謝功能亦受影響，可能造成病態性肥胖，另外與精神有關的毛病，如：焦慮、憂鬱等，甚至造成記憶力減退，注意力不集中、失智等，最近研究發現與癌症亦有關聯（圖二）。
有關晝夜節律在分子控制方面的相關探討 有關於晝夜節律分子機制及基因研究，始自果蠅，由於果蠅體型小、生命週期短、繁殖快速，是進行此類研究的極佳模型，在1970年代，加州理工學院的科諾卡（Ron Konopka）和班瑟（Seymour Benzer）進行果蠅研究，利用誘變劑（mutagen），使果蠅發生基因突變，結果有兩種突變，一種小於正常24小時的短週期（19小時），及另一種大於24小時（28小時）的突變，後來由洛克斐勒大學的楊恩、布倫戴斯大學的霍爾（Jeffery Hall）和霍華休斯醫學中心的羅斯巴希（Michael Rosbash）相繼展開研究。
結果在1980年由楊恩及其團隊發現在X染色體有一基因突變命名為PERIOD（簡稱PER），另外，在第二染色體亦發現一個叫做TIMELESS（簡稱TIM）。而後這三位學者針對兩個基因及其蛋白質產物，進行一連串實驗，結果揭開調控晝夜節律的分子機制，因此三位學者共同獲得1997年諾貝爾醫學獎。而後日本東京大學、神戶大學以及美國貝勒醫學院研究團隊，亦在小鼠和人類身上找到了PER和TIM基因的同源體，發現它們在視叉上核（suprachiasmatic nucleus, SCN）內特別活躍，這三位諾貝爾獎得主豐碩的研究成果，奠定「晝夜節律」的分子機制，也使與「晝夜節律」之相關研究有更突破性的發展。
截至目前為止，在此領域的相關學者均公認晝夜節律，是結合神經系統及分子調控的綜合體，有關分子調控方面，它是一種在細胞內自主而且自動回饋的迴路。它包括正向調節（positive regulator）及負向調節（negative regulator），造成一種互鎖的轉錄轉譯環（interlocked transcriptional translational feedback loop），從而形成一個在細胞內的自主節律器，可以啟動各式基因表現，包括新陳代謝、生物合成、訊號傳遞及細胞週期有關的基因。
包括人類在內的哺乳類，其主要管理晝夜節律基因包括BMAL1及CLOCK，在BMAL1及CLOCK之轉錄激活因子複合物，可以週期性啟動它的抑制因子，如：PERIOD（PER）及CRYPTOCHROME（CRY）等，另外還有一個迴路，正向調節的是RORα，負向調節的是REV-ERB。當BMAL1、CLOCK或RORα過多時（白天），則由PER、CRY及REV-ERBα取代（夜晚），在每天24小時輪流呈現，形成晝夜節律（圖三）。
晝夜節律失調，與癌症發生有關嗎？ 當今科技和資訊發達的時代，由於物質文明的進步，人體與環境原本平衡的狀況，逐漸起了變化，生活步調也改變不少，有時因為夜間工作或娛樂造成作息大亂。有許多流行病學專家進行研究，發現從事夜間醫療工作者、空服員、24小時便利商店等相關女性工作者，得到乳癌的機率較高。亦有學者針對上下班時間不固定經常變動、作息紊亂的護理人員，進行多年的追蹤調查，結果發現，沒有正常作息的族群罹患乳癌的風險較高。
有些數據顯示罹癌風險可提高近40%。在中研院進行相關研究的黃雯華博士亦指出，晝夜節律（生理時鐘）如果是紊亂的話，確實會增加罹患乳癌的風險，若是已確診乳癌的病患，如果晝夜節律失調，則加速癌症的惡化。根據國內外的調查及統計發現，晝夜節律調控的基因，包括上述PER、CRY、CLOCK、BMAL、ROR及REV-ERB如果發生突變或缺失，再加上其他原有的致癌基因活化，抑癌基因被抑制，則很多種類的癌症發生率會增加（圖四）。
到目前為止，晝夜節律的紊亂或失調增加癌症的發生，已有很多學者研究，其原因歸納整理如下（圖五）：
❶細胞週期變動及細胞凋亡機制失靈 在老鼠身上的細胞其晝夜節律週期如果PER基因改變的話，會導致癌症的發生。如果PER 基因功能消失，則可能引發惡性淋巴瘤。如果PER1及PER2正常的話，則細胞凋亡的機制會順利運作不至於產生癌症，包括大腸癌、乳癌及肺癌都有此現象。至於CRY基因對細胞週期及細胞凋亡機制亦有影響。
❷細胞新陳代謝之改變 晝夜節律亦會影響細胞之新陳代謝，如圖五所示，SIRT1及AMPK是細胞新陳代謝的調節者，當晝夜節律異常時會直接影響SIRT1及AMPK的訊息傳遞，導致能量的不平衡，甚至致癌。
❸異常晝夜節律易使癌細胞轉移，亦會使表皮癌細胞間質化，使惡性度增強，如胰臟癌BMAL1之表現降低，則惡性度增強。
在管腔型A的乳癌中，若PER及CRY之表現正常，其預後較佳。另外也有研究證實，PER之基因不正常表現，會增強癌細胞由表皮細胞間質化的現象，導致惡性度增加。
❹另外，在24小時晝夜節律當中，到晚上會釋放褪黑激素，如果節律失調，導致褪黑激素的釋放不理想，會使腫瘤加速成長。
❺晝夜節律失調會使免疫功能降低，亦使癌症的發生率增加（圖六）。
如何調整晝夜節律使癌症的發生率降低？
根據華盛頓州立大學，轉譯醫學Yool Lee教授在去年（2021年）之綜述中特別提到，有些因素會使晝夜節律變差，像基因的缺陷（如節律基因的突變）或環境危險因子加劇（如長期熬夜、夜間工作、睡前大量攝食及經常長途旅行造成時差等）或人的老化、糖尿病、慢性病的影響，亦會破壞晝夜節律導致圖七右邊的癌症發生。
如果我們用心而且規律的訓練生理時鐘，例如晨起曬太陽、作息固定不熬夜、在晚上十點前就寢，使褪黑激素分泌正常，而使清晨的類固醇有足量釋放，加上飲食卡路里減少，間歇性斷食及規律運動，則可使晝夜節律之運作更加順暢，幫助每個細胞之生理功能表現正常（圖七）。
萬一得癌，化療用藥之給藥時間不同，會影響療效嗎？
最近Yool Lee教授在其綜述裡也特別提到因應晝夜節律進行時間療法（chronotherapy），在癌症醫學領域開始熱烈探討與進行，各類抗癌藥有其不同之作用機轉，其給藥時間可能要在不同的時段，到目前為止雖不完全成熟，但已有初步的成果呈現了，如圖八則闡述不同的化療藥物作用在細胞週期不同的階段，所以給藥的時間不一定要在同一時間，雖然比較麻煩，但對於人體正常組織的傷害會變小，而對癌組織的殺滅能力可以提升。
此種時間療法已有一些醫學中心正在進行臨床試驗（包括臨床一、二、三期均有），假以時日，可能有相當令人振奮的成果（圖八）。
結語
生活在地球上的我們，由於地球大約每24小時自轉一次，讓我們的生活有了晝夜之分；為了配合晝夜輪替的世界，我們的基因表現也需要「配合演出」，才能讓自己完美地生存在這個世界。人體共有超過兩萬五千個基因，這些基因當然不可能個別一一對晝夜環境變化進行反應，而是透過一般所謂的「時鐘基因組」（clock genes）來調節全身上下所有的基因表現。
2017年諾貝爾生理醫學獎頒給了美國的霍爾（Jeffrey C. Hall）、羅斯巴希（Michael Rosbash）和楊恩（Michael W. Young）對動物如何調節生理時鐘機制的研究，他們以果蠅（Drosophila melanogaster）為材料，發現果蠅的生理時鐘調節乃是透過包含PER（PERIOD）、TIM（TIMELESS）、DBT（DOUBLETIME）等幾個主要的基因來進行的。
現在也有越來越多的研究證實，連我們每日的心情和免疫系統也都跟身體內的晝夜節律有關，與癌症的發生亦有關係，本文特別將晝夜節律與癌症的關係，詳述如上，希望將來有關晝夜節律的研究或臨床試驗能更廣泛進行，使時間療法（Chronotherapy）在癌症醫學有其發展的空間。
