Циркадиански ритъм: Подравнете вътрешния си часовник и подобрете здравето си

В живота времето е всичко.

Вътрешният часовник на тялото ви - циркадният ритъм - регулира огромно разнообразие от процеси: когато спите и се събуждате, когато сте гладни, когато сте най-продуктивни. Като се има предвид нейното осезаемо въздействие върху толкова много от живота ни, не е изненадващо, че то оказва огромно влияние и върху нашето здраве. Изследователите свързват циркадното здраве с риска от диабет, сърдечно-съдови заболявания и невродегенерация. Известно е също, че времето на хранене и лекарства може да повлияе на това как те се метаболизират.

Възможността за измерване на вътрешния часовник е от жизненоважно значение за подобряване на здравето и персонализиране на лекарството. Тя може да се използва за прогнозиране кой е изложен на риск от заболяване и да следи възстановяването от наранявания. Може да се използва и за време за доставяне на химиотерапия и кръвно налягане и други лекарства, така че те да имат оптимален ефект при по-ниски дози, намалявайки до минимум риска от странични ефекти.

Въпреки това, четенето на вътрешния часовник достатъчно точно остава основно предизвикателство в съня и циркадното здраве. Настоящият подход изисква да се вземат часови проби от мелатонин - хормона, който контролира съня - през деня и нощта, което е скъпо и изключително тежко за пациента. Това прави невъзможно включването в рутинните клинични оценки.

Моите колеги и аз искахме да получим точни измервания на вътрешното време, без да е необходимо тежко серийно вземане на проби. Аз съм компютърен биолог със страст да използвам математически и изчислителни алгоритми, за да разбера сложни данни. Моите сътрудници, Филис Зи и Рави Алада, са световноизвестни експерти в медицината на съня и циркадната биология. Работейки заедно, създадохме прост кръвен тест, за да прочетем вътрешния часовник на човека.

Слушане на музиката на клетките

Циркадният ритъм присъства във всяка отделна клетка на тялото ви, водена от централния часовник, който се намира в областта на супрахиазматичното ядро ​​на мозъка. Подобно на вторичните часовници в старата фабрика, тези така наречени "периферни" часовници се синхронизират с главния часовник в мозъка ви, но също и сами по себе си - дори и в петриевите блюда!

Вашите клетки пазят времето чрез мрежа от ядрени гени, които взаимодействат в обратна връзка: Когато един ген се включи, неговата активност кара друга молекула да я върне обратно, и това състезание води до отлив и поток от генна активация в рамките на 24 часа. -часов цикъл. Тези гени от своя страна регулират активността на други гени, които също осцилират в течение на деня. Този механизъм на периодична генна активация организира биологични процеси в клетките и тъканите, като им позволява да се извършват в синхрон в определени часове на деня.

Откриването на основните часовникови гени е толкова фундаментално за нашето разбиране за това как са организирани биологичните функции, че е била призната от Нобеловия комитет миналата година. Джефри С. Хол, Майкъл Росбаш и Майкъл У. Янг заедно спечелиха Нобеловата награда за физиология и медицина през 2017 г. “за откритията си в молекулярните механизми, контролиращи циркадния ритъм.” Други изследователи отбелязват, че до 40% от всички други гени реагира на циркадния ритъм, променяйки активността си и през деня.

Това ни даде една идея: Може би бихме могли да използваме нивата на активност на набор от гени в кръвта, за да изведем вътрешното време на човека - времето, което тялото мисли, че е, независимо от това, което казва часовникът на стената. Много от нас са имали опит да се чувстват „несинхронизирани“ с нашата среда - на усещането, че е 5:00 сутринта, въпреки че нашата аларма настоява, че вече е 7 часа сутринта. вътрешният ни часовник - часовникът на стената не винаги е добър показател за това, колко време е за вас лично. Знаейки колко дълбоко въздействие може да има вътрешният часовник на биологията и здравето, бяхме вдъхновени да се опитаме да преценим генната активност, за да измерим точното вътрешно време в тялото на индивида. Ние разработихме TimeSignature: усъвършенстван изчислителен алгоритъм, който може да измери вътрешния часовник на човека от генното изразяване, използвайки две прости червения на кръвта.

Проектиране на надежден тест

За да постигнем целите си, TimeSignature трябваше да бъде лесен (измерване на минимален брой гени само с няколко привличания на кръв), много точен и - най-важното - здрав. Тоест, то трябва да осигури точно толкова точна мярка за вашето вътрешно физиологично време, независимо от това дали сте придобили добър нощен сън, наскоро се върнахте от отпуск в чужбина, или сте прекарали цяла нощ с ново бебе. И то трябваше да работи не само в нашите лаборатории, но и в лаборатории в цялата страна и по света.

За да се разработи биомаркера на генния подпис, събрахме десетки хиляди измервания на всеки два часа от група здрави възрастни доброволци. Тези измервания показват колко активен е всеки ген в кръвта на всеки човек по време на деня. Използвахме и публикувани данни от три други проучвания, които са събрали подобни измервания. След това разработихме нов алгоритъм за машинно обучение, наречен TimeSignature, който може да изчисли изчисленията чрез тези данни, за да извади малък набор от биомаркери, които биха разкрили времето на деня. Набор от 41 гена беше идентифициран като най-добри маркери.

Изненадващо, не всички гени на TimeSignature са част от известната верига „часовник на ядрото“ - много от тях са гени за други биологични функции, като вашата имунна система, които се движат от часовника за да се колебаят през деня. Това подчертава колко е важен циркадният контрол - неговият ефект върху други биологични процеси е толкова силен, че можем да използваме тези процеси, за да наблюдаваме часовника!

Използвайки данни от малка част от пациентите от едно от обществените проучвания, ние обучихме машината TimeSignature, за да предвидим времето на деня въз основа на активността на тези 41 гена. (Данните от другите пациенти се държат отделно за тестване на нашия метод.) Въз основа на данните от обучението, TimeSignature е успял да “научи” как различните модели на генна активност корелират с различните часове на деня. След като са научили тези модели, TimeSignature може да анализира активността на тези гени в комбинация, за да определи времето, което тялото ви мисли, че е. Например, въпреки че може да е от 7 часа сутринта, активността на гена в кръвта ви може да съответства на модела от 5 ч., Което означава, че все още е 5 ч. В тялото ви.

След това тествахме нашия алгоритъм на TimeSignature, като го приложихме към останалите данни, и показахме, че е много точен: успяхме да изведем вътрешното време на човека до 1,5 часа. Ние също така показахме нашия алгоритъм да работи с данни, събрани в различни лаборатории по света, което предполага, че може лесно да бъде приет. Също така успяхме да демонстрираме, че нашият тест на TimeSignature може да открие вътрешния циркаден ритъм на човека с висока точност, дори ако те са били лишени от сън или с реактивно забавяне.

Хармонизиране на здравето с времето Подписване

Като улесняват измерването на циркадните ритми, TimeSignature отваря широка гама от възможности за интегриране на времето в персонализираната медицина. Въпреки че е отбелязано значението на циркадните ритми за здравето, ние наистина само се надраскаме с повърхността, когато става въпрос за разбиране на начина, по който те работят. С помощта на TimeSignature изследователите вече могат лесно да включат високоточни измервания на вътрешното време в своите проучвания, включвайки това жизнено измерване, използвайки само две прости червения на кръвта. TimeSignature дава възможност на учените да изследват как физиологичният часовник влияе на риска от различни заболявания, ефикасността на нови лекарства, най-доброто време за учене или упражнения и др.

Разбира се, предстои още много работа. Макар да знаем, че циркадианното отклонение е рисков фактор за заболяване, ние все още не знаем колко лошо е различието за вас. TimeSignature дава възможност за по-нататъшни изследвания за количествено определяне на точните връзки между циркадни ритми и болести. Сравнявайки TimeSignatures на хора със и без болест, можем да изследваме как един нарушен часовник корелира с болестта и предсказваме кой е в риск.

По пътя ние си представяме, че TimeSignature ще навлезе в кабинета на Вашия лекар, където може да бъде наблюдавано също така бързо, лесно и точно като тест за холестерол. Много лекарства, например, имат оптимално време за дозиране, но най-доброто време за приемане на лекарството за кръвно налягане или химиотерапията може да се различава от някой друг.

Преди това няма клинично осъществим начин да се измери това, но TimeSignature позволява на лекаря да направи прост кръвен тест, да анализира активността на 41 гена и да препоръча времето, което ще ви даде най-ефективните ползи. Ние също така знаем, че циркадианното отклонение - когато часовникът на тялото не е синхронизиран с външното време - е лечим рисков фактор за когнитивния упадък; с TimeSignature, можем да предвидим кой е в риск и потенциално да се намеси, за да приведе в съответствие техните часовници.

Тази статия първоначално е публикувана на разговор от Розмари Браун. Прочетете оригиналната статия тук.