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如何有效“倒時差”？科學家說：只需撥動重置生物鐘的光開關

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2021年5月28日 -
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量子認知學者,科學領域創作者發表在今天的《自然通訊》雜志上的最新研究論文中，科學家報告說，通過使用基於計時光藥理學的光開關機制，即可對生物鐘時間進行可逆調節、有效地倒時差。 該論文題為：“計時光藥理學對生物鐘時間的可逆調節”。 計時光藥理學，英語：Chronophotopharmacology，是一門新興的物理學與醫學的交叉科學領域，即醫學物理學（Medical physics），或稱物理醫學、生物醫學物理、醫學生物物理學、醫學應用物理學等，一般來講，指將物理學的概念、理論和方法，應用於醫學、醫藥、醫療等。 計時光藥理學通過引入了光控開/關機制激活或去激活光，從而可與分子的光為目標的藥物遞送，利用光能改變藥物的形狀和化學性質，從而實時成像捕捉導致不同的生物活性的許多階段。 帶有光開關的光藥學藥物具有兩種不同的狀態，光線可以在兩種狀態之間切換。 由於兩種狀態具有不同的結構，因此藥物的活性不同，藥物的藥性處於“開啟”和“關閉”的狀態。 如圖所示使用計時光藥理學對生物鐘的可逆調制。 使用光將光響應性小分子的兩個異構體進行互變，可以加快細胞時間。 紫光照射可以將正常的24小時制延長到28小時，而綠光則可以關閉此效果，並使時鐘恢複正常。 許多人知道。 自然界裏有生命的生物裏有生物鐘，是生物體內的一種無形的“時鐘”，是生物體生命活動的內在節律性，生物通過它能感受外界環境的周期性變化，並調節本身生理活動步伐，使其在一定時期開始。 地球上的生命約出現於地球形成10億年之後，從生命誕生開始，其最簡單的生物分子之間的生物化學反應，就受到地球上早已存在的各種物質和環境因素的影響，其後的變化也都在地球環境的掌控之中，因此地球上生命的一切活動都受到地球周期性律動的影響，所有的生物節律也都是環境對生物演化選擇的結果。 地球上的生命是在光與暗、熱與冷的24小時周期內進化的。 結果，我們的細胞與這24小時的振蕩周期同步。 我們的晝夜節律時鐘由大腦中視神經正上方的區域的視交叉上核的中央控制器調節。 我們所有的細胞都包含有自己的時鐘。 這些時鐘包括某些蛋白質的產生和分解中的周期振蕩。 生物鐘幾乎存在於生物體的所有細胞中。 越來越多的研究證據表明某些器官中的時鐘因為各種原因可能不同步，有必要局部調整或重置這些時鐘。 在該研究中，由荷蘭和日本的科學家組成的一個研究團隊，向激酶抑制劑引入了光控的開關，可影響可控制時鐘功能，從而能夠控制培養的細胞和外植組織中的生物鐘。 生物鐘開關科學研究越來越明顯地表明，這些生物時鐘會在器官或組織中被破壞，從而可能導致疾病。 我們都知道時差，長距離跨時區旅行引起的“倒時差”，或由於切換夏令時與冬令時引起的時差問題。 但是過去對細胞如何協調這些時差振蕩如何影響身體知之甚少，例如，由於“倒時差”，你的腎髒與身體其餘部分的振蕩相位可能會不同。 為了研究這些影響，擁有一種可以影響時鐘並且可以在局部激活的藥物會很有用。 研究人員開發了幾種化合物，可以用光打開和關閉的光活化藥物。 該論文主導之一、日本名古屋大學轉化生物分子研究所副教授、生物學家、廣田剛義（Tsuyoshi Hirota）過去開發了一種稱為“longdaysin”的可影響生物鐘的新型激酶抑制劑，它可以將晝夜節律的時鐘減慢到一個長達48小時的周期。 現在通過長期研究給這種激酶抑制劑安裝了生物鐘的光開關，可以分別用紫羅蘭色和綠色光激活或停用該化合物。 時差廣田剛義花了數年的時間進行這種改制，結果功夫不負有心人。 通過與荷蘭格羅寧根大學的科學家合作，進一步展示了如何通過用longdaysin衍生物處理將培養細胞的周期從24小時延長到28小時。 綠燈滅活使循環回到剛剛超過25小時，隨後紫光滅活使循環回到28小時。 通過將其運用於小鼠滑膜上核的組織切片中，用longdaysin衍生物治療幾天後，振蕩減慢到26小時的周期，並在綠燈滅活後恢複到24小時的周期。 廣田表示說：“這種可逆調節將提供一種新的方法來分析每個細胞在組織水平上的時鐘組織方式，以更深入地了解複雜的生物鐘系統。 ”科學家們還調整了培養細胞周期的階段：對longdaysin衍生物進行三天激活，然後使其失活，導致24小時周期最多移位了六個小時。 好像這些單元已與其他時區同步。 該實驗證明，不僅可用於修複時差，還可以用於研究對生理的影響。 光活化藥物像longdaysin這樣的光活化藥物（light-activated drug）還將可能用於治療疾病。 研究人員表示：“實際上，我們可以用內窺鏡等光線照射到相當多的器官。 胃腸道和呼吸系統很容易到達，而其他組織可能需要較小的切口插入光纖。 ”“現代生活方式引起的不同步晝夜循環導致生理節律的紊亂，與各種疾病和障礙相關，例如心血管病、胃腸道病、阿爾茨海默氏症、精神疾病、糖尿病、癌症和昏睡病等，”“我們現在已經打開了一個新的研究領域。 最終，所有這些都將使我們能夠進行局部醫療或修複晝夜節律的波動。 ”參考：https://www.nature.com/articles/s41467-021-23301-x
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量子認知

學者,科學領域創作者

發表在今天的《自然通訊》雜志上的最新研究論文中，科學家報告說，通過使用基於計時光藥理學
的光開關機制，即可對生物鐘時間進行可逆調節、有效地倒時差。

該論文題為：“計時光藥理學對生物鐘時間的可逆調節”
。計時光藥理學，英語：Chronophotopharmacology
，是一門新興的物理學與醫學的交叉科學領域，即醫學物理學（Medical physics），或稱物理醫學
、生物醫學物理
、醫學生物物理學
、醫學應用物理學等
，一般來講，指將物理學的概念、理論和方法，應用於醫學、
醫藥、醫療等。

計時光藥理學
通過引入了光控開/關機制激活或去激活光，從而可與分子的光為目標的藥物遞送，利用光能改變藥物的形狀和化學性質，從而實時成像捕捉導致不同的生物活性的許多階段。帶有光開關的光藥學藥物具有兩種不同的狀態，光線可以在兩種狀態之間切換。由於兩種狀態具有不同的結構，因此藥物的活性不同，藥物的藥性處於“開啟”和“關閉”的狀態。

如圖所示使用計時光藥理學對生物鐘的可逆調制。使用光將光響應性小分子的兩個異構體進行互變，可以加快細胞時間。紫光照射可以將正常的24小時制延長到28小時，而綠光則可以關閉此效果，並使時鐘恢複正常。

許多人知道。自然界裏有生命的生物裏有生物鐘
，是生物體內的一種無形的“時鐘”，是生物體生命活動的內在節律性，生物通過它能感受外界環境的周期性變化，並調節本身生理活動步伐，使其在一定時期開始。

地球上的生命約出現於地球形成10億年之後，從生命誕生開始，其最簡單的生物分子之間的生物化學反應，就受到地球上早已存在的各種物質和環境因素的影響，其後的變化也都在地球環境的掌控之中，因此地球上生命的一切活動都受到地球周期性律動的影響，所有的生物節律也都是環境對生物演化選擇的結果。

地球上的生命是在光與暗、熱與冷的24小時周期內進化的。結果，我們的細胞與這24小時的振蕩周期同步。我們的晝夜節律時鐘由大腦中視神經正上方的區域的視交叉上核
的中央控制器調節。

我們所有的細胞都包含有自己的時鐘。這些時鐘包括某些蛋白質的產生和分解中的周期振蕩。生物鐘幾乎存在於生物體的所有細胞中。越來越多的研究證據表明某些器官中的時鐘因為各種原因可能不同步，有必要局部調整或重置這些時鐘。

在該研究中，由荷蘭和日本的科學家組成的一個研究團隊，向激酶抑制劑引入了光控的開關，可影響可控制時鐘功能，從而能夠控制培養的細胞和外植組織中的生物鐘。

生物鐘開關

科學研究越來越明顯地表明，這些生物時鐘會在器官或組織中被破壞，從而可能導致疾病。我們都知道時差，長距離跨時區旅行引起的“倒時差”，或由於切換夏令時與冬令時引起的時差問題。但是過去對細胞如何協調這些時差振蕩如何影響身體知之甚少，例如，由於“倒時差”，你的腎髒與身體其餘部分的振蕩相位可能會不同。

為了研究這些影響，擁有一種可以影響時鐘並且可以在局部激活的藥物會很有用。研究人員開發了幾種化合物，可以用光打開和關閉的光活化藥物
。

該論文主導之一、日本名古屋大學轉化生物分子研究所副教授、生物學家、廣田剛義（Tsuyoshi Hirota）過去開發了一種稱為“longdaysin
”的可影響生物鐘的新型激酶抑制劑，它可以將晝夜節律的時鐘減慢到一個長達48小時的周期。現在通過長期研究給這種激酶抑制劑安裝了生物鐘的

光開關，可以分別用紫羅蘭色和綠色光激活或停用該化合物。

時差

廣田剛義花了數年的時間進行這種改制，結果功夫不負有心人。通過與荷蘭格羅寧根大學的科學家合作，進一步展示了如何通過用longdaysin衍生物處理將培養細胞的周期從24小時延長到28小時。綠燈滅活使循環回到剛剛超過25小時，隨後紫光滅活使循環回到28小時。通過將其運用於小鼠滑膜上核的組織切片中，用longdaysin衍生物治療幾天後，振蕩減慢到26小時的周期，並在綠燈滅活後恢複到24小時的周期。

廣田表示說：“這種可逆調節將提供一種新的方法來分析每個細胞在組織水平上的時鐘組織方式，以更深入地了解複雜的生物鐘系統。”

科學家們還調整了培養細胞周期的階段：對longdaysin衍生物進行三天激活，然後使其失活，導致24小時周期最多移位了六個小時。好像這些單元已與其他時區同步。該實驗證明，不僅可用於修複時差，還可以用於研究對生理的影響。

光活化藥物

像longdaysin這樣的光活化藥物（light-activated drug）
還將可能用於治療疾病。
研究人員表示：“實際上，我們可以用內窺鏡等光線照射到相當多的器官。胃腸道和呼吸系統很容易到達，而其他組織可能需要較小的切口插入光纖。”“現代生活方式引起的不同步晝夜循環導致生理節律的紊亂，與各種疾病和障礙相關，例如心血管病、胃腸道病、阿爾茨海默氏症、精神疾病、糖尿病、癌症和昏睡病等，”“我們現在已經打開了一個新的研究領域。最終，所有這些都將使我們能夠進行局部醫療或修複晝夜節律的波動。”

參考：https://www.nature.com/articles/s41467-021-23301-x