Cell Metab：办公期间接触自然采光有助于血糖稳定并改善全身代谢

2025-12-21 08:00

上海

生命科学

Life science

在现代社会，人们约有80%至90%的时间在室内度过，这导致我们接触自然日光的机会大幅减少。日光作为同步中枢生物钟最主要的“授时因子”，其长期匮乏已被逐渐视为肥胖、Ⅱ型糖尿病等代谢性疾病的风险因素之一。人工照明虽保障了室内活动的便利，但其固定的光谱与强度缺乏自然光的动态变化，可能对代谢健康产生微妙而深远的影响。

在此背景下，2025年12月18日，来自荷兰马斯特里赫特大学的科学团队在Cell Press细胞出版社期刊Cell Metabolism上在线发表了题为“Natural daylight during office hours improves glucose control and whole-body substrate metabolism”的研究性论文。

文章首次在严格控制的条件下，探究了办公时间内接触自然日光与恒定人工照明对Ⅱ型糖尿病患者代谢影响的直接对比，为理解建筑环境与人体健康的关系提供了新颖且重要的证据。

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这项研究采用了随机交叉设计，共招募了13名Ⅱ型糖尿病患者。每位参与者均需经历两个为期4.5天的干预阶段，一个阶段在办公时间（08:00-17:00）透过大窗户接触自然日光，另一个阶段则在完全隔绝自然光、仅由恒定人工光源照明的办公室中度过。整个实验期间，参与者的饮食、活动、睡眠时间均被高度标准化，并使用蓝光阻挡眼镜来控制非干预时段的光暴露，确保了实验条件的纯净可比性。研究团队通过连续血糖监测、间接测热法、血液多组学分析、骨骼肌活检及细胞培养等多种技术手段，全面评估了两种光照条件对代谢健康的影响。

研究首先确认了参与者在两种光照条件的准备期具有可比性。在干预前的三天，两组在体力活动水平、体重、身体成分及主观睡眠质量上均无差异，这表明后续观察到的代谢差异可主要归因于光照干预本身。进入正式干预后，尽管两种条件下参与者的体力活动量和主观睡眠感受依然相似，但代谢指标开始显现出差异。连续血糖监测的数据分析揭示了一个关键发现：虽然4.5天内的平均葡萄糖水平在自然光与人工光条件下未见显著差别，但处于正常血糖范围（4.4-7.2 mmol/L）的时间百分比在自然光下显著更高（50.9% vs. 43.3%）。进一步通过数学模型解析血糖的动态变化，发现自然光降低了基础血糖水平的24小时波动振幅。值得注意的是，这种波动振幅与更长的正常血糖范围时间呈负相关，即振幅越小，血糖维持在理想区间的时间越长。这意味着自然光可能通过平缓全天的血糖波动，帮助患者将血糖水平维持在理想区间内。

在能量代谢层面，研究于干预第四日进行了详细的间接测热测量。结果显示，在清醒的白天时段，自然光条件下的呼吸交换比显著更低，这表明身体更多地依赖脂肪而非碳水化合物作为氧化供能的底物。具体而言，自然光导致了更低的碳水化合物氧化率和更高的脂肪氧化率，特别是在下午时段差异明显。然而，在24小时内频繁采集的血浆葡萄糖、游离脂肪酸和甘油三酯水平，其整体浓度和昼夜动态模式在两种光条件下并未表现出统计学差异，血浆葡萄糖与间质葡萄糖的强相关性也排除了测量方法导致的偏差。为进一步探究光照对餐后代谢的影响，研究在第五日上午进行了混合餐耐量测试。结果与白天的发现一致，自然光条件下的整体呼吸交换比更低，显示出更高的脂肪氧化倾向。尽管血浆胰岛素和甘油三酯反应相似，但葡萄糖和游离脂肪酸的水平变化模式在两种条件下随时间呈现不同的轨迹，提示自然光可能改变了餐后底物处理的动态过程。

研究还评估了光照对心血管和体温调节等生理参数的影响。24小时血压、心率以及环境温度、核心体温、皮肤温度及其梯度，在自然光与人工光条件下均未发现显著差异，表明本研究中观察到的代谢改善并非由这些系统的急性改变所介导。然而，在调控睡眠与生物节律的关键激素——褪黑素方面，研究发现了有意义的变化。尽管两种条件下褪黑素分泌启动的时间点相似，但在启动后的晚间时段（21:00-23:00），自然光条件下的褪黑素分泌总量显著更高，提示日间自然光的暴露可能增强了晚间褪黑素的释放强度。

研究内容示意图

为深入探索光照影响代谢的潜在分子机制，研究将目光投向了外周生物钟的重要载体——骨骼肌。对干预末期采集的骨骼肌活检进行分析发现，自然光条件下，核心时钟基因Per1和Cry1的mRNA表达水平显著升高，Per2也呈现上升趋势。更有趣的是，当将这些活检样本中的肌肉干细胞在体外培养分化成肌管，并利用生物发光报告基因监测其细胞自主的生物钟节律时，发现源自自然光干预后肌肉细胞的生物钟振荡相位，较人工光条件下平均提前了约0.75小时，而其周期、振幅等其它参数保持不变。这表明数日的自然光暴露不仅在体内影响了肌肉时钟基因的表达，更在细胞水平上留下了可被“记忆”的相位印记，即使细胞在体外被重新同步化，这种相位差异依然存在。分析还显示，体内肌肉时钟基因的表达谱能够预测体外肌管生物钟的相位，其中Cry1和Per3基因扮演了关键角色。

最后，研究通过对第四日早晨（空腹）和傍晚（餐后）血清样本的多组学分析，描绘了不同光照下循环系统的分子图谱。代谢组学分析指出，自然光条件下，苏氨酸、胆酸、谷氨酸等代谢物水平持续较高，而羟脯氨酸、尿囊素等则较低。脂质组学显示，与自然光正相关最强的脂质类别包括醚连接磷脂酰乙醇胺和磷脂酰乙醇胺等，而神经酰胺、胆固醇酯等则呈负相关。单核细胞转录组学亦发现了与光照条件相关联的特定基因表达变化。尽管单个分子在经过多重检验校正后未达显著阈值，但多元统计分析及机器学习模型将这些差异整合后，仍能区分两种光照条件，并识别出如尿嘧啶、醚磷脂PE O-38:4等关键贡献分子。此外，多组学数据对时间点（早晨vs傍晚）具有极高的预测准确性，其中包含了Per1、Per2等多个核心时钟基因，凸显了代谢与节律系统的紧密耦合。

综上所述，这项开创性的研究表明，与典型的恒定人工办公室照明相比，在办公时间透过窗户接触动态变化的自然日光，能为Ⅱ型糖尿病患者带来多方面的代谢益处。这些益处体现在更佳的日常血糖控制（更长的正常血糖范围时间、更平缓的血糖昼夜波动）、全身底物代谢向脂肪氧化的有利转变，以及晚间褪黑素分泌的增强。在分子层面，自然光影响了骨骼肌生物钟基因的表达和体外培养肌管的时钟相位，并塑造了独特的血液代谢物、脂质和转录组特征谱。

这项工作不仅为“光作为代谢调节器”提供了直接的人类证据，也将建筑环境设计——尤其是采光——提升到了公共卫生干预的潜在高度。它警示我们，普遍存在的、缺乏自然日光接入的办公环境，可能正无声地损害着员工的代谢健康。未来，需要在更大人群、更长期干预以及不同季节地域背景下验证这些发现，并深入探索其背后的分子通路，从而为通过优化光照环境来预防和管理代谢性疾病奠定坚实的科学基础。