Circadianer Rhythmus: Richten Sie Ihre innere Uhr aus und verbessern Sie Ihre Gesundheit

Im Leben ist das Timing alles.

Die innere Uhr Ihres Körpers - der zirkadiane Rhythmus - reguliert eine enorme Vielfalt von Prozessen: wenn Sie schlafen und aufwachen, wenn Sie hungrig sind, wenn Sie am produktivsten sind. Angesichts der spürbaren Auswirkungen auf so viele Bereiche unseres Lebens ist es nicht verwunderlich, dass dies auch enorme Auswirkungen auf unsere Gesundheit hat. Forscher haben die zirkadiane Gesundheit mit dem Risiko von Diabetes, Herz-Kreislauf-Erkrankungen und Neurodegeneration in Verbindung gebracht. Es ist auch bekannt, dass der Zeitpunkt von Mahlzeiten und Medikamenten beeinflussen kann, wie sie verstoffwechselt werden.

Die Fähigkeit, die interne Uhr zu messen, ist entscheidend für die Verbesserung der Gesundheit und die Personalisierung der Medizin. Es kann verwendet werden, um vorherzusagen, wer ein Risiko für eine Krankheit hat, und die Erholung von Verletzungen zu verfolgen. Es kann auch verwendet werden, um die Abgabe von Chemotherapie, Blutdruck und anderen Medikamenten zeitlich so festzulegen, dass sie bei niedrigeren Dosen die optimale Wirkung haben und das Risiko von Nebenwirkungen minimieren.

Das exakte Ablesen der internen Uhr bleibt jedoch eine große Herausforderung für den Schlaf und die Gesundheit des Tages. Der derzeitige Ansatz erfordert die stündliche Entnahme von Melatonin im Blut - das Hormon, das den Schlaf steuert - während des Tages und der Nacht. Dies macht es unmöglich, in die routinemäßigen klinischen Bewertungen einzubeziehen.

Meine Kollegen und ich wollten genaue Messungen der internen Zeit ohne lästige serielle Abtastung durchführen. Ich bin ein Computerbiologe, der aus Leidenschaft mathematische und Rechenalgorithmen verwendet, um komplexe Daten zu verstehen. Meine Mitarbeiter, Phyllis Zee und Ravi Allada, sind weltbekannte Experten für Schlafmedizin und zirkadiane Biologie. In Zusammenarbeit haben wir einen einfachen Bluttest entwickelt, um die interne Uhr einer Person abzulesen.

Die Musik der Zellen hören

Der zirkadiane Rhythmus ist in jeder einzelnen Zelle Ihres Körpers vorhanden, geführt von der zentralen Uhr, die sich im suprachiasmatischen Kernbereich des Gehirns befindet. Wie die Nebenuhren in einer alten Fabrik werden diese sogenannten „peripheren“ Uhren mit der Hauptuhr in Ihrem Gehirn synchronisiert, ticken aber auch von selbst nach vorne - selbst in Petrischalen!

Ihre Zellen halten die Zeit durch ein Netzwerk von Core-Clock-Genen, die in einer Rückkopplungsschleife interagieren: Wenn ein Gen einschaltet, bewirkt ein anderes Molekül, dass es wieder heruntergedreht wird, und diese Konkurrenz führt zu einer Ebbe und Flut der Genaktivierung innerhalb einer 24 -stündiger Zyklus. Diese Gene regulieren wiederum die Aktivität anderer Gene, die auch im Tagesverlauf oszillieren. Dieser Mechanismus der periodischen Genaktivierung organisiert biologische Prozesse zwischen Zellen und Geweben, so dass sie zu bestimmten Tageszeiten synchron ablaufen können.

Die Entdeckung der Core-Clock-Gene ist für unser Verständnis der Orchestrierung biologischer Funktionen so grundlegend, dass sie im vergangenen Jahr vom Nobel-Komitee erkannt wurde. Jeffrey C. Hall, Michael Rosbash und Michael W. Young gewannen 2017 den Nobelpreis für Physiologie oder Medizin „für ihre Entdeckungen molekularer Mechanismen, die den circadianen Rhythmus steuern“. Andere Forscher haben festgestellt, dass bis zu 40 Prozent aller anderen Gene vorhanden sind reagieren auf den circadianen Rhythmus und ändern ihre Aktivität auch im Laufe des Tages.

Dies gab uns eine Idee: Vielleicht könnten wir die Aktivitätsniveaus einer Reihe von Genen im Blut dazu verwenden, die innere Zeit einer Person abzuleiten - die Zeit, in der Ihr Körper dies glaubt, unabhängig davon, was die Uhr an der Wand sagt. Viele von uns hatten die Erfahrung, sich mit unseren Umgebungen als „nicht synchron“ zu fühlen. Sie haben das Gefühl, es sei 5:00 Uhr morgens, obwohl unser Alarm bereits um 7:00 Uhr besteht. Dies kann darauf zurückzuführen sein, dass unsere Aktivitäten nicht synchron sind unsere interne Uhr - Die Uhr an der Wand ist nicht immer ein guter Indikator dafür, wie spät es für Sie persönlich ist. Da wir wissen, welche tiefgreifenden Auswirkungen die interne Uhr auf Biologie und Gesundheit haben kann, haben wir uns dazu inspiriert, die Genaktivität zu messen, um die genaue innere Zeit im Körper einer Person zu messen. Wir haben TimeSignature entwickelt: einen hochentwickelten Rechenalgorithmus, der die interne Uhr einer Person anhand der Genexpression anhand zweier einfacher Blutabnahmen messen kann.

Entwurf eines robusten Tests

Um unsere Ziele zu erreichen, musste TimeSignature einfach sein (Messung einer minimalen Anzahl von Genen in nur wenigen Blutentnahmen), äußerst genau und vor allem robust. Das heißt, es sollte ein genauso genaues Maß für Ihre intrinsische physiologische Zeit sein, unabhängig davon, ob Sie gut geschlafen haben, kürzlich aus einem Urlaub in Übersee zurückgekehrt sind oder die ganze Nacht mit einem neuen Baby wach waren. Und es musste nicht nur in unseren Laboren funktionieren, sondern auch in Laboren im ganzen Land und auf der ganzen Welt.

Um den Gensignatur-Biomarker zu entwickeln, haben wir alle zwei Stunden Zehntausende Messungen von einer Gruppe gesunder erwachsener Freiwilliger gesammelt. Diese Messungen zeigten, wie aktiv jedes Gen im Blut einer jeden Person während des Tages war. Wir haben auch veröffentlichte Daten aus drei anderen Studien verwendet, die ähnliche Messungen gesammelt hatten. Anschließend entwickelten wir einen neuen Algorithmus für maschinelles Lernen (TimeSignature), der diese Daten rechnerisch durchsuchen kann, um einen kleinen Satz von Biomarkern herauszuholen, der die Tageszeit anzeigt. Ein Satz von 41 Genen wurde als die besten Marker identifiziert.

Überraschenderweise sind nicht alle TimeSignature-Gene Teil der bekannten „Core Clock“ -Schaltung - viele von ihnen sind Gene für andere biologische Funktionen, z. B. Ihr Immunsystem, die von der Uhr dazu gezwungen werden, über den Tag zu schwanken. Dies unterstreicht, wie wichtig die zirkadiane Kontrolle ist - ihre Auswirkung auf andere biologische Prozesse ist so stark, dass wir diese Prozesse zur Überwachung der Uhr verwenden können!

Anhand von Daten einer kleinen Untergruppe der Patienten aus einer öffentlichen Studie haben wir den TimeSignature-Computer trainiert, um die Tageszeit basierend auf der Aktivität dieser 41 Gene vorherzusagen. (Die Daten der anderen Patienten wurden getrennt, um unsere Methode zu testen.) Basierend auf den Trainingsdaten konnte TimeSignature "lernen", wie verschiedene Muster der Genaktivität mit unterschiedlichen Tageszeiten korrelieren. Nachdem TimeSignature diese Muster erlernt hat, kann es die Aktivität dieser Gene in Kombination analysieren, um die Zeit zu ermitteln, die Ihr Körper der Meinung ist. Obwohl es möglicherweise 7 Uhr morgens draußen ist, könnte die Genaktivität in Ihrem Blut dem Muster von 5 Uhr morgens entsprechen, was darauf hinweist, dass es in Ihrem Körper immer noch 5 Uhr morgens ist.

Anschließend haben wir unseren TimeSignature-Algorithmus getestet, indem wir ihn auf die verbleibenden Daten angewendet haben, und es hat sich gezeigt, dass er sehr genau ist: Wir konnten die interne Zeit einer Person auf 1,5 Stunden schließen. Wir haben auch gezeigt, dass unsere Algorithmen mit Daten arbeiten, die in verschiedenen Labors auf der ganzen Welt gesammelt wurden. Wir konnten auch nachweisen, dass unser TimeSignature-Test den intrinsischen zirkadianen Rhythmus einer Person mit hoher Genauigkeit erkennen kann, auch wenn sie schlaflos oder Jetlag war.

Gesundheit mit TimeSignature harmonisieren

Durch die Vereinfachung zirkadianer Rhythmen eröffnet TimeSignature vielfältige Möglichkeiten, die Zeit in die personalisierte Medizin zu integrieren. Obwohl die Bedeutung zirkadianer Rhythmen für die Gesundheit festgestellt wurde, haben wir wirklich nur die Oberfläche gekratzt, wenn wir wissen, wie sie funktionieren. Mit TimeSignature können Forscher jetzt hochgenaue Messungen der internen Zeit in ihre Studien einbeziehen, wobei diese wichtige Messung mit nur zwei einfachen Blutentnahmen durchgeführt wird. Mit TimeSignature können Wissenschaftler untersuchen, wie sich die physiologische Uhr auf das Risiko verschiedener Krankheiten auswirkt, auf die Wirksamkeit neuer Medikamente, die besten Zeiten für ein Studium oder eine Übung und vieles mehr.

Natürlich bleibt noch viel zu tun. Wir wissen zwar, dass die zirkadiane Fehlausrichtung ein Risikofaktor für Krankheiten ist, aber wir wissen noch nicht, wie viel Fehlausrichtung für Sie schlecht ist. TimeSignature ermöglicht weitere Forschungen, um die genauen Zusammenhänge zwischen zirkadianen Rhythmen und Krankheiten zu quantifizieren. Durch einen Vergleich der Zeitsignaturen von Menschen mit und ohne Krankheit können wir untersuchen, wie eine gestörte Uhr mit der Krankheit korreliert, und voraussagen, wer gefährdet ist.

Auf dem Weg dorthin sehen wir, dass TimeSignature in das Büro Ihres Arztes gelangen wird, wo Ihre zirkadiane Gesundheit genauso schnell, einfach und genau überwacht werden kann wie ein Cholesterintest. Beispielsweise haben viele Medikamente optimale Zeitpunkte für die Dosierung, aber die beste Zeit für die Einnahme von Blutdruckmedikamenten oder Chemotherapien kann sich von anderen unterscheiden.

Bisher gab es keine klinisch durchführbare Methode, dies zu messen, aber TimeSignature ermöglicht es Ihrem Arzt, einen einfachen Bluttest durchzuführen, die Aktivität von 41 Genen zu analysieren und die Zeit zu empfehlen, die Ihnen den effektivsten Nutzen bringt. Wir wissen auch, dass die zirkadiane Fehlausrichtung - wenn die Uhr Ihres Körpers nicht mit der äußeren Zeit übereinstimmt - ein behandelbarer Risikofaktor für einen kognitiven Verfall ist. Mit TimeSignature können wir vorhersagen, wer gefährdet ist, und möglicherweise eingreifen, um ihre Uhren abzustimmen.

Dieser Artikel wurde ursprünglich auf The Conversation von Rosemary Braun veröffentlicht. Lesen Sie hier den Originalartikel.