Циркадијални ритам: Поравнајте свој интерни сат и побољшајте своје здравље

У животу, време је све.

Унутрашњи сат вашег тела - циркадијански ритам - регулише огромну разноликост процеса: када спавате и будите се, када сте гладни, када сте најпродуктивнији. Имајући у виду његов опипљив ефекат на толико наших живота, није изненађујуће да то има огроман утицај и на наше здравље. Истраживачи су повезали циркадијанско здравље са ризиком од дијабетеса, кардиоваскуларних болести и неуродегенерације. Такође је познато да време исхране и лекова могу да утичу на метаболизам.

Способност мјерења унутрашњег сата је од виталног значаја за побољшање здравља и персонализацију медицине. Може се користити за предвиђање ко је у опасности од болести и пратити опоравак од повреда. Такође се може користити за одређивање времена хемотерапије и крвног притиска и других лекова, тако да они имају оптимални ефекат при нижим дозама, минимизирајући ризик од нежељених ефеката.

Међутим, читање унутрашњег сата довољно прецизно остаје велики изазов у ​​сну и циркадијанском здрављу. Садашњи приступ захтева узимање узорака крви мелатонина - хормона који контролише спавање - током дана и ноћи, што је скупо и изузетно оптерећујуће за пацијента. Ово онемогућава укључивање у рутинске клиничке процене.

Моје колеге и ја смо хтели да добијемо прецизна мерења унутрашњег времена без потребе за тешким серијским узорковањем. Ја сам компјутерски биолог са страшћу да користим математичке и рачунске алгоритме да би смислио сложене податке. Моји сарадници, Пхиллис Зее и Рави Аллада, су свјетски познати стручњаци из медицине спавања и циркадијанске биологије. Радећи заједно, осмислили смо једноставан тест крви за читање унутрашњег сата особе.

Слушање музике ћелија

Циркадијални ритам је присутан у свакој појединачној ћелији вашег тела, вођен централним сатом који се налази у супрацхиазматском језгреном региону мозга. Попут секундарних сатова у старој фабрици, ови такозвани "периферни" сатови су синхронизовани са главним сатом у вашем мозгу, али и сами крче напријед - чак иу Петријевим посудама!

Ваше ћелије чувају време кроз мрежу језгара гена који интерагују у петљи повратне спреге: када се укључи један ген, његова активност узрокује да га други молекул окрене назад, а ова конкуренција резултира осеком и протоком активације гена у оквиру 24 - Циклус сата. Ови гени заузврат регулишу активност других гена, који такође осцилирају током дана. Овај механизам периодичне активације гена оркестрира биолошке процесе преко ћелија и ткива, дозвољавајући им да се одвијају синхронизовано у одређено доба дана.

Откриће гена језгра сатова је толико фундаментално за наше разумијевање како су оркестриране биолошке функције да је призната од стране Нобеловог комитета прошле године. Јеффреи Ц. Халл, Мицхаел Росбасх и Мицхаел В. Иоунг заједно су освојили Нобелову награду за физиологију или медицину за 2017. “за открића молекуларних механизама који контролирају циркадијални ритам.” Други истраживачи су примијетили да чак 40 посто свих других гена реагују на циркадијални ритам, мењајући и своју активност током дана.

То нам је дало идеју: можда бисмо могли да користимо нивое активности скупа гена у крви да бисмо закључили унутрашње време особе - време које ваше тело мисли да јесте, без обзира на то шта каже сат на зиду. Многи од нас су имали искуство да се осећамо "ван синхронизације" са нашим окружењем - да осећамо да је 5:00 ујутро, иако наш аларм инсистира да је већ 7:00 сати. То може бити резултат наших активности које нису у складу са наш унутрашњи сат - сат на зиду није увек добар показатељ колико је сати за вас лично. Знајући какав дубоки утицај унутрашњи сат може имати на биологију и здравље, били смо инспирисани да покушамо да проценимо активност гена да измеримо прецизно унутрашње време у телу појединца. Развили смо ТимеСигнатуре: софистицирани рачунски алгоритам који може да мери унутрашњи сат особе од експресије гена користећи два једноставна извлачења крви.

Дизајнирање робустног теста

Да би постигли наше циљеве, ТимеСигнатуре је морао бити једноставан (мјерење минималног броја гена у само неколико цртања крви), врло прецизан, и - најважније - робустан. То јест, требало би да обезбеди тачну меру вашег унутрашњег физиолошког времена, без обзира да ли сте се добро наспавали, недавно се вратили са одмора у иностранству, или сте били целу ноћ са новом бебом. И требало је да ради не само у нашим лабораторијама, већ иу лабораторијама широм земље и широм света.

Да бисмо развили биомаркер за потписивање гена, прикупили смо десетине хиљада мерења свака два сата од групе здравих одраслих волонтера. Ова мерења су показала колико је сваки ген био активан у крви сваке особе током дана. Такође смо користили објављене податке из три друге студије које су прикупиле слична мерења. Затим смо развили нови алгоритам машинског учења, назван ТимеСигнатуре, који би могао да израчуна податке кроз ове податке како би извукао мали скуп биомаркера који би открили доба дана. Сет од 41 гена је идентификован као најбољи маркер.

Изненађујуће, нису сви гени ТимеСигнатуре део познатог круга "језгра сата" - многи од њих су гени за друге биолошке функције, као што је ваш имунолошки систем, који се покрећу од стране сата да се мијењају током дана. Ово наглашава колико је важна циркадијална контрола - њен утицај на друге биолошке процесе је толико јак да можемо користити те процесе за праћење сата!

Користећи податке из малог броја пацијената из једне од јавних студија, тренирали смо машину ТимеСигнатуре да предвидимо време дана на основу активности тих 41 гена. (Подаци из других пацијената су били одвојени за тестирање наше методе.) На основу података о обуци, ТимеСигнатуре је био у стању да “научи” како се различити обрасци активности гена корелирају са различитим временима дана. Научивши те обрасце, ТимеСигнатуре онда може анализирати активност ових гена у комбинацији како би утврдио вријеме које ваше тијело мисли да јесте. На пример, иако може бити напољу 7 сати, активност гена у вашој крви може одговарати обрасцу од 5 сати, што указује да је још увек 5 сати у вашем телу.

Затим смо тестирали наш алгоритам ТимеСигнатуре тако што смо га применили на преостале податке и показали да је веома прецизан: могли смо да закључимо интерно време особе у року од 1,5 сата. Такође смо показали да наш алгоритам ради на подацима прикупљеним у различитим лабораторијама широм света, што сугерише да се лако може усвојити. Такође смо могли да покажемо да је наш тест ТимеСигнатуре могао да открије интринзични циркадијански ритам особе са великом прецизношћу, чак и ако су били ускраћени за спавање или су заостали.

Хармонизинг Хеалтх Витх ТимеСигнатуре

Чинећи циркадијске ритмове лаким за мерење, ТимеСигнатуре отвара широк спектар могућности за интегрисање времена у персонализовану медицину. Иако је уочен значај циркадијанских ритмова за здравље, ми смо стварно само изгребали површину када је у питању разумијевање њиховог рада. Са ТимеСигнатуре, истраживачи сада могу лако да укључе веома прецизне мере интерног времена у својим студијама, инкорпорирајући ово витално мерење користећи само два једноставна извлачења крви. ТимеСигнатуре омогућава научницима да истраже како физиолошки сат утиче на ризик од различитих болести, ефикасност нових лијекова, најбоље вријеме за учење или вјежбање, и још много тога.

Наравно, још увијек има пуно посла. Иако знамо да је циркадијанска неусклађеност фактор ризика за болест, још увек не знамо колико је лоше одступање лоше за вас. ТимеСигнатуре омогућава даљња истраживања за квантификацију прецизних односа између циркадијанских ритмова и болести. Поредећи ТимеСигнатурес људи са и без болести, можемо истражити како поремећени сат корелира са болешћу и предвиђамо ко је у опасности.

Низ цесту, замишљамо да ће се ТимеСигнатуре пробити у Вашу ординацију, где ће ваше циркадијанско здравље бити подједнако брзо, лако и тачно праћено тестом холестерола. Многи лекови, на пример, имају оптимална времена за дозирање, али најбоље време да узмете лек за крвни притисак или хемотерапију могу се разликовати од неког другог.

Раније није било клинички изводљивог начина да се ово измери, али ТимеСигнатуре омогућава вашем лекару да уради једноставан тест крви, анализира активност 41 гена и препоручи време које ће вам дати најефикасније погодности. Такође знамо да циркадијанска неусклађеност - када је сат вашег тела ван синхронизације са спољашњим временом - фактор ризика који се може третирати за когнитивни пад; са ТимеСигнатуре, могли смо да предвидимо ко је у опасности и да потенцијално интервенише како би ускладио своје сатове.

Овај чланак је првобитно објављен на конверзацији Росемари Браун. Прочитајте оригинални чланак овде.