Circadian Rhythm: Aliniați ceasul dvs. intern și îmbunătățiți sănătatea

În viață, calendarul este totul.

Ceasul intern al corpului dvs. - ritmul circadian - reglează o varietate enormă de procese: când dormiți și vă treziți, când vă e foame, atunci când sunteți cel mai productiv. Având în vedere efectul ei palpabil asupra atâtor vieți, nu este surprinzător faptul că are un impact enorm asupra sănătății noastre. Cercetătorii au legat sănătatea circadiană la riscul de diabet, boli cardiovasculare și neurodegenerare. Este, de asemenea, cunoscut faptul că momentul meselor și al medicamentelor poate influența modul în care acestea sunt metabolizate.

Capacitatea de a măsura ceasul intern este esențială pentru îmbunătățirea sănătății și personalizarea medicamentelor. Ar putea fi folosit pentru a prezice cine este expus riscului de îmbolnăvire și pentru a urmări recuperarea de leziuni. De asemenea, poate fi utilizat pentru a furniza timp de chimioterapie și tensiune arterială și alte medicamente, astfel încât acestea să aibă efectul optim în doze mai mici, minimizând riscul de efecte secundare.

Totuși, citirea exactă a ceasului intern rămâne destul de importantă în sănătatea somnului și circadiană. Abordarea actuală necesită prelevarea de probe orare de melatonină din sânge - hormonul care controlează somnul - în timpul zilei și al nopții, ceea ce este scump și extrem de împovărător pentru pacient. Acest lucru face imposibilă includerea în evaluările clinice de rutină.

Colegii mei și cu mine am vrut să obținem măsurători precise ale timpului intern fără a fi nevoie de eșantionări serioase în serie. Sunt un biolog computational cu o pasiune pentru folosirea algoritmilor matematici si computaționali pentru a face rost de date complexe. Colaboratorii mei, Phyllis Zee și Ravi Allada, sunt experți renumiți în medicina somnului și biologia circadiană. Lucrand impreuna, am proiectat un simplu test de sange pentru a citi ceasul intern al unei persoane.

Ascultați muzica celulelor

Ritmul circadian este prezent în fiecare celulă a corpului, ghidată de ceasul central care se află în regiunea nucleului suprachiasmatic al creierului. La fel ca și ceasurile secundare dintr-o fabrică veche, aceste așa-numite ceasuri "periferice" sunt sincronizate cu ceasul master în creier, dar, de asemenea, bifați singuri - chiar și în feluri de mâncare Petri!

Celulele dvs. păstrează timpul printr-o rețea de gene de ceas de bază care interacționează într-o buclă de feedback: Când o gena se aprinde, activitatea ei determină o altă moleculă să o întoarcă înapoi, iar această competiție are ca rezultat un devotament și un flux de activare a genei în 24 - ciclul tău. Aceste gene, la rândul lor, reglează activitatea altor gene, care oscilează și pe parcursul zilei. Acest mecanism de activare genetică periodică orchestrează procesele biologice din celule și țesuturi, permițându-le să se desfășoare în sincronizare la anumite ore ale zilei.

Descoperirea genelor ceasului principal este atât de fundamentală pentru înțelegerea modului în care funcțiile biologice sunt orchestrate, încât a fost recunoscut anul trecut de Comitetul Nobel. Jeffrey C. Hall, Michael Rosbash și Michael W. Young au câștigat împreună Premiul Nobel pentru Fiziologie sau Medicină din 2017 "pentru descoperirile lor de mecanisme moleculare care controlează ritmul circadian". Alți cercetători au remarcat că până la 40% din toate celelalte gene răspund la ritmul circadian, schimbându-și activitatea și pe parcursul zilei.

Acest lucru ne-a dat o idee: Poate că am putea folosi nivelurile de activitate ale unui set de gene în sânge pentru a deduce timpul intern al unei persoane - timpul în care corpul tău crede că este, indiferent de ceea ce spune ceasul de pe perete. Mulți dintre noi au avut experiența de a ne simți "în afara sincronizării" cu mediile noastre - de a simți că este ora 5:00 chiar dacă alarma noastră insistă că este deja ora 7:00. Acest lucru poate fi rezultatul faptului că activitățile noastre nu se sincronizează cu ceasul nostru intern - ceasul de pe perete nu este întotdeauna o indicație bună a timpului pentru dumneavoastră personal. Cunoscând ce efecte profunde poate avea un ceas intern asupra biologiei și sănătății, am fost inspirați să încercăm să evaluăm activitatea genetică pentru a măsura timpul intern exact în corpul unui individ. Am dezvoltat TimeSignature: un algoritm computațional sofisticat care ar putea măsura ceasul intern al persoanei de la expresia genei folosind două trageri simple de sânge.

Proiectarea unui test robust

Pentru a ne atinge obiectivele, TimeSignature a trebuit să fie ușor (măsurând un număr minim de gene în doar câteva trageri de sânge), foarte precisă și - cel mai important - robustă. Aceasta ar trebui să ofere o măsură cât mai exactă a timpului tău fiziologic intrinsec, indiferent dacă ai dormit bine, ai revenit de curând de la o vacanță de peste mări sau ai dormit toată noaptea cu un nou copil. Și trebuia să lucreze nu doar în laboratoarele noastre, ci și în laboratoarele din întreaga țară și din întreaga lume.

Pentru a dezvolta biomarkerul semnăturii genetice, am colectat zeci de mii de măsurători la fiecare două ore de la un grup de voluntari sănătoși. Aceste măsurători au indicat cât de activă era fiecare genă în sângele fiecărei persoane în cursul zilei. De asemenea, am utilizat date publicate din alte trei studii care au colectat măsurători similare. Apoi am dezvoltat un nou algoritm de învățare a mașinilor, numit TimeSignature, care ar putea căuta în mod computațional prin intermediul acestor date pentru a scoate un mic set de biomarkeri care să dezvăluie ora din zi. Un set de 41 de gene a fost identificat ca fiind cei mai buni markeri.

În mod surprinzător, nu toate genele TimeSignature fac parte din circuitul cunoscut de "ceas de bază" - multe dintre acestea sunt gene pentru alte funcții biologice, cum ar fi sistemul imunitar, care sunt conduse de ceasul să fluctueze în timpul zilei. Acest lucru subliniază cât de important este controlul circadian - efectul său asupra altor procese biologice este atât de puternic încât putem folosi aceste procese pentru a monitoriza ceasul!

Folosind datele dintr-un mic subset al pacienților dintr-unul din studiile publice, am pregătit mașina TimeSignature să prezică timpul zilei pe baza activității acelor 41 de gene. (Datele de la ceilalți pacienți au fost păstrate separat pentru testarea metodei noastre.) Pe baza datelor de antrenament, TimeSignature a reușit să "învețe" modul în care diferite modele de activitate a genei se corelează cu momente diferite ale zilei. După ce ați învățat aceste modele, TimeSignature poate apoi să analizeze activitatea acestor gene în combinație pentru a determina timpul pe care corpul dumneavoastră îl crede că este. De exemplu, deși s-ar putea să fie 7 a.m. afara, activitatea genei din sângele dvs. ar putea corespunde tiparului de 5 a.m., indicând că este încă în 5 a.m. în corpul vostru.

Apoi, am testat algoritmul TimeSignature aplicându-l pe datele rămase și am demonstrat că era foarte precis: am reușit să deducem timpul intern al unei persoane la 1,5 ore. De asemenea, am demonstrat că algoritmul nostru funcționează asupra datelor colectate în diferite laboratoare din întreaga lume, sugerând că ar putea fi ușor de adoptat. Am fost, de asemenea, capabili să demonstrăm că testul nostru TimeSignature ar putea detecta ritmul intrinsec circadian al unei persoane cu o precizie ridicată, chiar dacă ar fi fost lipsiți de somn sau cu jet-lagged.

Armonizarea sănătății cu înregistrarea de timp

Prin facilitarea măsurării ritmurilor circadiene, TimeSignature deschide o gamă largă de posibilități de integrare a timpului în medicina personalizată. Deși a fost remarcat importanța ritmurilor circadiene pentru sănătate, în realitate am zgâriat doar suprafața când vine vorba de înțelegerea modului în care acestea funcționează. Cu TimeSignature, cercetătorii pot acum să includă cu ușurință măsuri precise de timp intern în studiile lor, încorporând această măsurare vitală utilizând doar două trageri simple de sânge. TimeSignature permite oamenilor de știință să investigheze modul în care ceasul fiziologic influențează riscul bolilor, eficacitatea noilor medicamente, cele mai bune momente de studiu sau exerciții și multe altele.

Desigur, mai avem încă mult de lucru. Deși știm că alinierea incorectă a circadiană este un factor de risc pentru boală, nu știm încă cât de greșită alinierea este rău pentru dumneavoastră. TimeSignature permite cercetări suplimentare pentru a cuantifica relațiile exacte dintre ritmurile circadiene și boală. Comparând înregistrările de timp ale persoanelor cu și fără boală, putem investiga modul în care un ceas perturbat se corelează cu boala și prezice cine este în pericol.

Pe drum, ne-am imaginat că TimeSignature se va deplasa în cabinetul medicului dumneavoastră, unde sănătatea dumneavoastră circadiană ar putea fi monitorizată la fel de rapid, ușor și precis ca un test de colesterol. Multe medicamente, de exemplu, au momente optime pentru dozare, dar cel mai bun moment pentru a vă lua medicamentul pentru tensiunea arterială sau chimioterapia poate fi diferit de altcineva.

Anterior, nu a existat nici o modalitate clinic fezabilă de a măsura acest lucru, dar TimeSignature face posibil ca medicul dumneavoastră să efectueze un simplu test de sânge, să analizeze activitatea a 41 de gene și să recomande timpul care vă va oferi cele mai eficiente beneficii. De asemenea, știm că ne-alinierea circadiană - când ceasul corpului dvs. nu se sincronizează cu timpul extern - este un factor de risc tratabil pentru declinul cognitiv; cu TimeSignature, am putea anticipa cine este în pericol și poate interveni pentru alinierea ceasurilor.

Acest articol a fost publicat inițial în The Conversation de Rosemary Braun. Citiți articolul original aici.