吃药时间不对,感冒药也能变毒药


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感冒药也可能变成致命的毒药?手绘视频告诉你真相

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几乎每个人体细胞的活动,都受到生物钟的调控,基因的表达也是如此。科学家发现,有些基因倾向于早上表达,有些在晚上更活跃。如果一种药物的作用目标更多是在早上出现,那么在早上服药,药效可能是最好的。如果错过这个时间,药物的疗效不仅会打折扣,有时可能还会危害健康。这篇刊登于《环球科学》8月新刊的文章,将为我们讲述药物效果与时间之间的神奇联系。


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吃药时间不对,感冒药也能变毒药


中世纪的一个凌晨,一位修道士开始呼哧呼哧地喘气,并因为恐惧而大喊大叫。他的兄弟赶紧找来治疗师,尽量让他好过一点。治疗师也知道,哮喘是夜间猛兽。但是,在这种假想的情况下(尽管过去它可能确实发生过),人们能做的只是等症状自己消失。


得益于古老的医学汇编,我们知道,在很早以前医生就意识到,有些疾病在一天的不同时间可能有不同的症状。早在公元五世纪,罗马医生塞利乌斯·奥雷利安努斯(Caelius Aurelianus)就曾写道,天黑后哮喘发作更为常见。1568年,德国医师克里斯托弗·维尔从(Christopher Wirsung)甚至更为精确地指出,哮喘往往在凌晨两点到黎明之间发作。他们还观察到,血压、心率、胸痛和心脏病等疾病也具有某种节律性。


当然,这些细微的观察,连同它们的应对之策早就被当成了民间偏方。比如说,奥雷利安努斯就曾建议耳朵疼痛的患者,用藏红花、醋、没药、榅桲以及其他一些有用没用的物质混合成膏,涂抹在疼痛区域。维尔从则坚决认为恶臭对心脏有害。


短短几个世纪之后,科学家开始意识到,利用身体的节律,也许有助于疾病治疗。生物学家弗兰兹·哈伯格(Franz Halberg)就是研究这一领域的先驱,他把这门学科叫作时间生物学(Chronobiology)。哈伯格主要研究个体,甚至单个细胞的生物测量数据随时间的规律性波动。


但是首先,哈伯格和其他研究时间生物学的科学家必须得说服同行和大众认可,时间生物学是一门严肃的科学。1978年,哈伯格在接受《人物》(People)杂志的专访时,一个被称为“生物节律”(biorhythems)的概念正大行其道:它基于你的出生日期画出三条上下波动的曲线,分别代表智力、身体和情绪状况。当时,NFL的达拉斯牛仔队(Dallas Cowboys)甚至根据它来制定比赛战术。“生物节律”似乎还成功地预测了“电影皇帝”克拉克·盖博(Clark Gable)致命的心脏病发作。有一段时间,人们甚至用它来规划性行为的时间,希望能借此影响孩子的性别。


哈伯格强调,他的研究跟“生物节律”毫不相干,并认为“生物节律”很“无聊”。哈伯格告诉《人物》杂志记者,“我们发现,身体每个系统都存在节律。”哈伯格于2013年去世。“还有更多的(节律)将被发现,被测量,最终被利用。从吃饭时间到服用抗癌药物的时间,遵循而不是违背身体的节律,可能是健康与疾病,甚至生与死之间的巨大差别。”


吃药时间不对,感冒药也能变毒药

弗兰兹·哈伯格


起初,这一理论遭到很多质疑。它听起来太不切实际了。癌症治疗怎么就最终归结到时间身上了?在《人物》杂志的报道中,哈伯格的一些同事把他的想法看作是“妄想”。在当时,大多数生物学家都不认为时间有什么影响。只要时间方便,他们想什么时候做实验就什么时候做实验,并能得到很好的实验结果。即使有些时候实验结果不一样,可能的原因也有一大堆。


然而在今天,研究人员知道,时间确实是影响实验或治疗成败的一个因素。他们正在追踪一天的不同时间如何对应我们身体里面的节律,进而帮助医生更加安全、有效地治疗一系列疾病。



基因表达的节律


尤利·席布勒(Ueli Schibler)回忆起1990年的一天,一位学生走进他的办公室说,“你得把这篇论文撤回,它全都是假的。”当时,席布勒教授在日内瓦大学任职,研究一种被称作“转录因子”的物质。DNA存储着生命活动必需的所有指令,通常被紧紧地缠绕在细胞核里面。当细胞需要一组特定的指令(某个基因)时,细胞核中的蛋白质就会展开相关的DN..段,开启转录过程。转录产物mRNA随后离开细胞核,到达细胞质。在那里,mRNA上的信息会被读取出来,指导合成蛋白质。这个过程就叫做基因表达。其中,转录因子是关键。


转录因子可能形状各异,但它们有一个共同的特点,那就是能够控制转录发生的方式和时间。要做到这一点,它们会把自己固定在DNA上面。转录因子本身也是由基因编码控制合成的蛋白质,这样整个过程就是一个闭合的环了。之前,席布勒实验室有一位博士后研究员,他一直在尝试从肝脏中分离出一种转录因子。整项工作似乎进展顺利。他从大鼠身上提取出了这种转录因子,叫作DBP,并确定了它的蛋白质序列,找到了编码它的基因。在当时,研究转录因子如何影响单个组织仍处于起步阶段,所以这项研究无疑是让人兴奋的一项进步。那位博士后研究员在著名的《细胞》(Cell)杂志上发表了一篇论文,席布勒说:“那会儿,他很开心,我也很开心。”


后来,那位博士后研究员离开实验室,成了一名助理教授。另一名学生接手了他的研究项目。三个月后,这名学生投下一颗重磅炸弹:他多次重复了实验,却从未发现转录因子。


席布勒很难相信自己指导的博士后研究员会在论文中作假,但除此之外还能是什么?他当即亲自重复了这一实验。让席布勒困惑的是,这一次DBP又出现了。在核对了每一个变量后,他们发现了一个疑点。那位博士后研究员是在下午早些时候进入实验室,从大鼠肝脏中分离出这种蛋白,而席布勒也是在下午做的实验。但是,接手这项工作的学生早上七点左右就来实验室了。


原来,当这位学生在寻找转录因子时,转录因子的水平还检测不出来。当时,研究人员普遍认为,在一天的任何时间,基因都在或多或少地持续指导合成蛋白质。但是,合成DBP的基因的表达是以24小时为周期:早上几乎不合成蛋白质,但是到了下午,蛋白质水平飙升300倍。同年晚些时候,席布勒和合作者在《细胞》杂志上发表了第二篇论文,阐述了这种令人惊奇的模式。


在此后的几十年里,世界各地的研究人员发现,每日表达有高有低的基因并不是异端分子。20世纪90年代后期,研究人员发现,在蓝藻(进行光合作用)身上,超过80% 的基因根据昼夜节律合成蛋白质。这一发现可以解释得通,因为这些生物的生存和与阳光息息相关。但是很快,研究人员就发现,苍蝇、老鼠身上的很多基因也存在表达周期。2014年,如今在辛辛那提儿童医院医疗中心任职的约翰·霍格奈实(John Hogenesch)发表了一篇论文,详细研究了这一现象。霍格奈实和同事追踪了小鼠体内近20 000个基因的表达,它们分布在12个不同的组织里面。研究团队每两个小时记录一次基因的表达水平。他们发现,在黎明和黄昏即将到来之前,基因表达便进入高峰期,很多基因开始变得活跃。此外,研究人员还发现,周期性表达的基因在小鼠整个基因组中的比例高达43%。


谷歌学术的数据显示,霍格奈实的研究已被引用超过450次。涉及昼夜节律基因表达的论文也从最初的涓涓细流汇成汪洋大海。今年2月份,索尔克生物研究所的特旦安达·潘达(Satchidananda Panda)和合作者在《科学》(Science)杂志上发表了最新研究,他们估计哺乳动物的基因组中有高达82%的基因的表达与时间有关。这一结果是基于对非人灵长类动物的研究得出的,潘达认为这种差别可能是因为他们在研究中选择了更多组织的样本,“这让事情变得完全不一样了,意味着基因组会受时间的影响。”


吃药时间不对,感冒药也能变毒药


不妨把人体比作成一台鲁布·戈德堡机械(Rube Goldberg machine),它由数以千计的小零件组成。在某一时刻,齿轮、篮筐、弹簧都要对准,才能保证生命继续进行下去。但是我们发现,弹簧或篮筐不是什么时候都在那里。如果你把一颗弹球从滑轨上送下去,它早上的行进路线和晚上的路线可能不太一样。


所有这些表达的总指挥就是生物钟。这个名字可能会让你误会,觉得它是大脑里面的某个部件或区域,但实际上它是一组蛋白质,有十几种之多。就在研究人员揭示基因表达的周期性的同时,有人则在解开生物钟方面的谜团。我们现在知道,大脑中有一个光敏区域——即昼夜节律起搏器(circadian pacemaker),在它的指示下,时钟蛋白的水平在一天当中上下波动。时钟蛋白驱动着其他所有在每天周期性表达的基因:它们按下按钮,拉下操纵杆,让一些蛋白质发挥作用,终止另一些蛋白质的合成,控制着从细胞分裂到新陈代谢的所有生命活动。并且,时钟蛋白几乎存在于我们身体的每一个细胞里面。


这些研究的重要性愈发显著:2017年的诺贝尔生理学或医学奖被授予三位研究生物钟的科学家,表彰他们发现了一种关键的时钟蛋白。在细胞中,这种核心时钟蛋白在夜间积聚,在白天会被降解,就像机器的曲柄轴一样循环往复。生物钟研究人员的这些发现意味着,在生物个体层面上,任何事情都有好时机和坏时机,医学治疗更是如此。但好时机到底是什么时候呢?



毒药还是良药?


在市场上,对乙酰氨基酚(acetaminophen)有很多商品名,比如泰诺(Tylenol),但它却是隐形杀手。对乙酰氨基酚可能是使用最为广泛的一种止痛药,用来治疗头痛、肌肉酸痛等。但是一旦服用过量,对乙酰氨基酚可能会对肝脏造成损伤。如果不接受治疗,患者可能会在几天之内死亡。在美国,每年超过78 000人次因为过量服用对乙酰氨基酚而被送进急诊室。


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