Cirkadianais ritms: saskaņojiet savu iekšējo pulksteni un uzlabojiet savu veselību

Dzīvē laiks ir viss.

Jūsu ķermeņa iekšējais pulkstenis - diennakts ritms - regulē milzīgu procesu klāstu: gulējot un pamodoties, kad esat izsalcis, kad esat visproduktīvākais. Ņemot vērā tā acīmredzamo ietekmi uz tik lielu mūsu dzīves daļu, nav pārsteidzoši, ka tai ir milzīga ietekme arī uz mūsu veselību. Pētnieki ir sasaistījuši diennakts veselību ar diabēta, sirds un asinsvadu slimību un neirodeģenerācijas risku. Ir zināms arī tas, ka ēdienu un zāļu laiks var ietekmēt vielmaiņas procesu.

Spēja izmērīt savu iekšējo pulksteni ir būtiska, lai uzlabotu veselību un personalizētu medicīnu. To var izmantot, lai prognozētu, kam ir risks saslimt ar slimībām un dziedināt traumas. To var izmantot arī ķīmijterapijas un asinsspiediena un citu zāļu piegādes laikam, lai tām būtu optimāla iedarbība, lietojot mazākās devās, samazinot blakusparādību risku.

Tomēr tieši iekšējās pulkstenis ir pietiekami svarīgs miega un diennakts veselības problēmas risinājums. Pašreizējā pieeja prasa, lai dienas un nakts laikā tiktu ņemti asins melatonīna - hormona, kas kontrolē miegu - ikdienas paraugi, kas ir dārgi un ļoti apgrūtinoši pacientam. Tas padara neiespējamu iekļaušanu ikdienas klīniskajos novērtējumos.

Mani kolēģi un es vēlējāmies iegūt precīzus iekšēja laika mērījumus, neprasot apgrūtinošu sērijas paraugu ņemšanu. Esmu skaitļošanas biologs ar aizraušanos ar matemātisko un skaitļošanas algoritmu izmantošanu, lai saprastu sarežģītus datus. Mani līdzstrādnieki Phyllis Zee un Ravi Allada ir pasaulē pazīstami miega medicīnas un cirkadianoloģijas eksperti. Strādājot kopā, mēs izstrādājām vienkāršu asins analīzi, lai izlasītu personas iekšējo pulksteni.

Klausoties šūnu mūziku

Cirkadianālais ritms ir sastopams katrā ķermeņa šūnā, vadoties pēc centrālā pulksteņa, kas atrodas smadzeņu suprachiasmatiskā kodola reģionā. Līdzīgi kā sekundārajos pulksteņos vecā rūpnīcā, šie tā dēvētie „perifērijas” pulksteņi tiek sinhronizēti ar smadzeņu galvenā pulksteni, bet arī paši - pat Petri trauciņos!

Jūsu šūnas saglabā laiku caur galveno pulksteņu gēnu tīklu, kas mijiedarbojas atgriezeniskās saites cilpā: Kad viens gēns ieslēdzas, tā darbība izraisa citu molekulu, kas to pagriež atpakaļ, un šī konkurence izraisa gēnu aktivācijas un plūsmas 24 stundu laikā. -stundu cikls. Šie gēni savukārt regulē citu gēnu aktivitāti, kas arī dienas laikā svārstās. Šis periodiskās gēnu aktivācijas mehānisms vada bioloģiskos procesus šūnās un audos, ļaujot tiem notikt sinhronijā noteiktā dienas laikā.

Galveno pulksteņu gēnu atklāšana ir tik būtiska, lai saprastu, kā Bioloģiskās funkcijas tiek organizētas, ka Nobela komiteja pagājušajā gadā to atzina. Jeffrey C. Hall, Michael Rosbash un Michael W. Young kopā uzvarēja 2017. gada Nobela prēmiju fizioloģijā vai medicīnā “par to, ka viņi atklājuši molekulāro mehānismu, kas kontrolē diennakts ritmu.” Citi pētnieki ir atzīmējuši, ka pat 40 procenti no visiem citiem gēniem reaģēt uz diennakts ritmu, mainot savu aktivitāti arī dienas laikā.

Tas mums deva ideju: Varbūt mēs varētu izmantot asins gēnu kopas aktivitātes līmeni, lai secinātu cilvēka iekšējo laiku - laiku, ko jūsu ķermenis domā, neatkarīgi no tā, kāds ir sienas pulkstenis. Daudziem no mums ir bijusi pieredze, ka jūtaties „bez sinhronizācijas” ar mūsu vidi - sajūta, ka tā ir 5:00, kaut arī mūsu trauksme uzstāj, ka tā jau ir 7:00. Tas var būt saistīts ar mūsu aktivitāšu sinhronizāciju ar mūsu iekšējais pulkstenis - pulkstenis uz sienas ne vienmēr ir laba norāde par to, kāds laiks jums ir personīgi. Zinot, kāda ir dziļa ietekme uz iekšējo pulksteni uz bioloģiju un veselību, mēs iedvesmojām mēģināt novērtēt gēnu aktivitāti, lai noteiktu precīzu iekšējo laiku cilvēka ķermenī. Mēs izstrādājām TimeSignature: sarežģītu skaitļošanas algoritmu, kas varētu izmērīt cilvēka iekšējo pulksteni no gēnu ekspresijas, izmantojot divus vienkāršus asins paraugus.

Izturīga testa izstrāde

Lai sasniegtu mūsu mērķus, TimeSignature bija jābūt vienkāršam (mērot minimālu gēnu skaitu tikai pāris asinīs), ļoti precīzu un - vissvarīgāk - stabilu. Tas nozīmē, ka tai ir jānodrošina tikpat precīzs jūsu fizioloģiskā laika mērījums, neatkarīgi no tā, vai esat guvis labu nakts miegu, nesen atgriezies no aizjūras brīvdienām, vai arī visu nakti ar jaunu bērnu. Un tai vajadzēja strādāt ne tikai mūsu laboratorijās, bet arī laboratorijās visā valstī un visā pasaulē.

Lai attīstītu gēnu paraksta biomarkeri, mēs ik pēc divām stundām savācām desmitiem tūkstošu mērījumu no veseliem pieaugušajiem brīvprātīgajiem. Šie mērījumi norādīja, cik aktīvs ir katrs gēns katra cilvēka asinīs dienas laikā. Mēs izmantojām arī publicētus datus no trim citiem pētījumiem, kas bija apkopojuši līdzīgus mērījumus. Pēc tam mēs izstrādājām jaunu mašīnu mācību algoritmu, ko sauc par TimeSignature, kas, izmantojot šos datus, varētu aprēķināt, lai izvilktu nelielu biomarķieru komplektu, kas atklātu dienas laiku. 41 labākais kopums tika identificēts kā labākais marķieris.

Pārsteidzoši, ka ne visi TimeSignature gēni ir daļa no pazīstamās "kodola pulksteņa" ķēdes - daudzi no tiem ir gēni citām bioloģiskām funkcijām, piemēram, imūnsistēmai, ko pulkstenis vada dienas laikā. Tas pasvītro, cik svarīga ir diennakts kontrole - tā ietekme uz citiem bioloģiskajiem procesiem ir tik spēcīga, ka mēs varam izmantot šos procesus, lai uzraudzītu pulksteni!

Izmantojot datus no nelielas pacientu apakšgrupas no viena no publiskajiem pētījumiem, mēs apmācām TimeSignature mašīnu, lai prognozētu dienas laiku, pamatojoties uz šo 41 gēnu aktivitāti. (Pārējo pacientu dati tika pārbaudīti mūsu metodes testēšanai.) Pamatojoties uz apmācības datiem, TimeSignature varēja “uzzināt”, kā dažādie gēnu aktivitātes modeļi korelē ar dažādiem dienas laikiem. Pēc tam, kad iemācījušies šos modeļus, TimeSignature var analizēt šo gēnu darbību kombinācijā, lai noskaidrotu laiku, ko jūsu ķermenis domā. Piemēram, lai gan tas varētu būt ārā 7:00, gēnu aktivitāte asinīs var atbilst 5:00 pēc modeļa, norādot, ka tas joprojām ir 5 stundas jūsu organismā.

Pēc tam mēs pārbaudījām savu TimeSignature algoritmu, piemērojot to pārējiem datiem, un pierādījām, ka tas ir ļoti precīzs: mēs varējām secināt personas iekšējo laiku 1,5 stundu laikā. Mēs arī parādījām savu algoritmu darbiem, kas apkopoti dažādās laboratorijās visā pasaulē, norādot, ka to var viegli pieņemt. Mēs varējām arī pierādīt, ka mūsu TimeSignature tests varēja noteikt cilvēka iekšējo cirkadianritmi ar augstu precizitāti, pat ja viņi bija miega traucējumi vai reaktīvs laiks.

Veselības saskaņošana ar TimeSignature

Veicot diennakts ritmu vieglu mērīšanu, TimeSignature paver plašas iespējas integrēt laiku personīgajā medicīnā. Lai gan ir atzīmēta diennakts ritmu nozīme veselībā, mēs patiešām esam saskrāpējuši virsmu, kad saprotam, kā viņi strādā. Ar TimeSignature, pētnieki tagad var viegli iekļaut ļoti precīzus iekšēja laika mērījumus savās studijās, iekļaujot šo svarīgo mērījumu, izmantojot tikai divas vienkāršas asinis. TimeSignature ļauj zinātniekiem izpētīt, kā fizioloģiskais pulkstenis ietekmē dažādu slimību risku, jaunu zāļu efektivitāti, labāko laiku mācīties vai izmantot, un vairāk.

Protams, vēl ir daudz darāmā. Lai gan mēs zinām, ka cirkadianālās neatbilstības ir slimības riska faktors, mēs vēl nezinām, cik daudz neatbilstības ir slikta. TimeSignature ļauj veikt turpmākus pētījumus, lai noteiktu precīzu saikni starp diennakts ritmu un slimību. Salīdzinot TimeSignatures cilvēkiem ar slimību un bez tās, mēs varam izpētīt, kā pārtraukts pulkstenis korelē ar slimību un prognozē, kurš ir apdraudēts.

No ceļa mēs redzam, ka TimeSignature iegūs savu ārsta kabinetu, kur jūsu diennakts veselību var uzraudzīt tikpat ātri, viegli un precīzi kā holesterīna līmeni. Daudzām narkotikām, piemēram, ir optimāls laiks devām, bet vislabākais laiks, kad Jūs varēsiet lietot asinsspiedienu vai ķīmijterapiju, var atšķirties no kāda cita.

Agrāk nebija klīniski iespējamu veidu, kā to izmērīt, bet TimeSignature ļauj ārstam veikt vienkāršu asins analīzi, analizēt 41 gēna aktivitāti un ieteikt laiku, kas jums sniegtu visefektīvākos ieguvumus. Mēs arī zinām, ka diennakts neatbilstība - kad ķermeņa pulkstenis nav sinhronizēts ar ārējo laiku - ir ārstējams kognitīvās lejupslīdes riska faktors; ar TimeSignature, mēs varētu paredzēt, kas ir apdraudēts, un, iespējams, iejaukties, lai saskaņotu savus pulksteņus.

Šis raksts sākotnēji tika publicēts Rosemary Braun sarunā. Lasiet oriģinālo rakstu šeit.