Körkörös ritmus: illessze be a belső óráját és javítsa az egészségét

Az életben az időzítés minden.

A szervezet belső órája - a cirkadián ritmus - hatalmas változatosságokat szabályoz: amikor alszol és ébredsz, amikor éhes vagy, amikor a legtermékenyebb. Tekintettel arra, hogy az életünk nagy részére érzékelhető hatása van, nem meglepő, hogy óriási hatással van az egészségünkre is. A kutatók a cirkadián egészséget a cukorbetegség, a szív-érrendszeri betegségek és a neurodegeneráció kockázatával kapcsolták össze. Ismert, hogy az étkezések és a gyógyszerek időzítése befolyásolhatja, hogyan metabolizálódnak.

A belső óra mérésének képessége elengedhetetlen az egészség és a személyre szabott orvoslás javításához. Ez felhasználható arra, hogy megjósolja, hogy ki fenyegeti a betegség kockázatát és a sérülések utáni helyreállítást. Alkalmazható a kemoterápia és a vérnyomás és más gyógyszerek kiszállításának idejére is, hogy az optimális hatást alacsonyabb dózisok mellett minimalizálja a mellékhatások kockázata.

Ugyanakkor a belső óra pontos olvasása továbbra is nagy kihívást jelent az alvás és a cirkadián egészség szempontjából. A jelenlegi megközelítéshez napi és éjszaka folyamán a vér melatonin - az alvást szabályozó hormon - óránkénti mintáit kell venni, ami drága és rendkívül terhes a beteg számára. Ez lehetetlenné teszi a rutin klinikai értékelésekbe való beépítést.

Kollégáim és a belső idő pontos mérését akartuk szerezni anélkül, hogy szükség lenne terhes soros mintavételre. Számítógépes biológus vagyok, aki szenvedélyesen alkalmazza a matematikai és számítási algoritmusokat, hogy megértsék a komplex adatokat. A munkatársaim, Phyllis Zee és Ravi Allada, világszerte ismert alvás- és cirkadiánbiológiai szakemberek. Együtt dolgoztunk egy egyszerű vérvizsgálatot egy személy belső órájának olvasásához.

A cella zenéjének meghallgatása

A cirkadián ritmus a test minden egyes cellájában van jelen, amelyet az agy suprachiasmatikus magrészében elhelyezkedő központi óra vezérel. A régi gyárakhoz hasonlóan a másodlagos órákhoz hasonlóan ezek az úgynevezett „perifériás” órák szinkronizálódnak az agyad mesterórájával, de önmagukban is megjelennek - még a Petri-csészékben is!

A sejtek időt takarítanak meg a visszacsatoló hurokban működő interaktív mag órajelgének hálózaton keresztül: Amikor egy gén bekapcsol, az aktivitása egy másik molekulát fordít vissza, és ez a verseny egy génaktiválódást eredményez 24 órán belül. órás ciklus. Ezek a gének viszont szabályozzák más gének aktivitását, amelyek a nap folyamán is rezgnek. Ez az időszakos génaktiválás mechanizmusa a sejtek és szövetek biológiai folyamatait irányítja, lehetővé téve számukra, hogy szinkronizálódjanak bizonyos napszakokban.

A központi óra gének felfedezése annyira alapvető fontosságú, hogy megértsük, hogyan szervezik meg a biológiai funkciókat, hogy a Nobel-bizottság tavaly elismerte. Jeffrey C. Hall, Michael Rosbash és Michael W. Young együtt nyertek a 2017-es fiziológiai vagy orvostudományi Nobel-díjat „a cirkadián ritmust szabályozó molekuláris mechanizmusok felfedezéséért”. Más kutatók megjegyezték, hogy az összes többi gén 40% -a reagálni a cirkadián ritmusra, megváltoztatva tevékenységüket a nap folyamán is.

Ez egy ötletet adott nekünk: Talán ki tudnánk használni a vérben lévő gének egy csoportjának aktivitási szintjeit, hogy megállapítsuk egy személy belső idejét - az idő, amit a tested úgy gondolja, hogy az az óra a falon van. Sokan közülünk tapasztalataink vannak a „szinkronizálódásról” a környezeteinkkel - az érzés, mintha 5:00 órakor lenne, annak ellenére, hogy riasztásunk ragaszkodik ahhoz, hogy már 7:00 órakor van. belső óránk - a falon lévő óra nem mindig jól jelzi, hogy mennyi idő van az Ön számára. Tudva, hogy milyen mély hatást gyakorolhat a belső órája a biológiára és az egészségre, arra törekedtünk, hogy megpróbáljuk mérni a génaktivitást, hogy mérjük az egyén testének pontos belső idejét. Fejlesztettük a TimeSignature-t: egy kifinomult számítási algoritmust, amely a személyi belső órát a génexpresszióból két egyszerű vérvonással mérheti.

Robusztus teszt tervezése

Céljaink eléréséhez a TimeSignature-nak könnyűnek kellett lennie (minimális számú gén mérése csak egy pár vérhúzásban), nagyon pontos és - ami a legfontosabb - robusztus. Ez azt jelenti, hogy ugyanolyan pontosnak kell lennie a saját fiziológiai idejének mérésére, függetlenül attól, hogy jó éjszakai alvást szerzett volna, nemrégiben visszatért egy tengerentúli nyaralásból, vagy egész éjjel új babával járt. És nemcsak laboratóriumunkban kellett dolgoznunk, hanem az egész országban és szerte a világon.

A génjelölő biomarker kifejlesztéséhez két óránként több ezer mérést gyűjtöttünk egy egészséges felnőtt önkéntes csoportból. Ezek a mérések azt mutatták, hogy az egyes gének milyen hatásosak voltak az egyes személyek vérében a nap folyamán. Emellett három további, hasonló méréseket összegyűjtött tanulmányból is publikált adatokat használtunk. Ezután kifejlesztettünk egy új gépi tanulási algoritmust, az úgynevezett TimeSignature nevű algoritmust, amely ezen adatok alapján számszerűen kereshet egy kis biomarker-készlet kihúzására, amely a napszakot feltárná. 41 gén halmazát azonosították a legjobb markereknek.

Meglepő módon nem minden TimeSignature gén része az ismert „core clock” áramkörnek - sokan más biológiai funkciók gének, mint például az immunrendszerünk, amelyet az óra a nap folyamán ingadozik. Ez aláhúzza, hogy mennyire fontos a cirkadián kontroll - hatása más biológiai folyamatokra olyan erős, hogy ezeket az eljárásokat az óra ellenőrzésére használhatjuk!

A betegek egy kis részhalmazából származó adatok felhasználásával az egyik nyilvános tanulmányból kiképeztük a TimeSignature gépet, hogy megjósolja a napidőt a 41 gén aktivitása alapján. (A többi páciens adatait elkülönítettük a módszer teszteléséhez.) A képzési adatok alapján a TimeSignature képes volt „megtanulni”, hogy a különböző génaktivitásminták korrelálnak a különböző napszakokkal. Miután megtanulta ezeket a mintákat, a TimeSignature ezután elemezheti ezeknek a géneknek a kombinációját, hogy meghatározza azt az időt, amire a szervezet úgy gondolja. Például, bár lehet, hogy 7 órakor kívül van, a vérben a génaktivitás megfelelhet az 5 órás mintázatnak, jelezve, hogy még mindig 5 órakor van a szervezetben.

Ezután teszteltük a TimeSignature algoritmusunkat a fennmaradó adatokra való alkalmazásával, és bebizonyítottuk, hogy nagyon pontos: egy személy belső idejét 1,5 órán belül tudtuk levonni. Bemutattuk algoritmusunkat a világ különböző laboratóriumaiban gyűjtött adatokra is, ami arra utal, hogy könnyen elfogadható. Azt is tudtuk bizonyítani, hogy a TimeSignature tesztünk nagy pontossággal észlelheti a személy belső cirkadián ritmusát, még akkor is, ha alváshiány vagy jet-késleltetés történt.

Az egészség összehangolása az időjelzéssel

A napforduló ritmusainak könnyen mérhetővé tétele révén a TimeSignature számos lehetőséget kínál az idő integrálására a személyre szabott orvostudományba. Annak ellenére, hogy a cirkadián ritmusok egészségre gyakorolt ​​fontosságát figyelték meg, valójában csak a felületet karcoltuk meg, amikor megértjük, hogyan működnek. A TimeSignature segítségével a kutatók mostanában könnyedén be tudják venni a tanulmányokba a pontos időmérést, beépítve ezt a létfontosságú mérést mindössze két egyszerű vérvonással. A TimeSignature lehetővé teszi a tudósok számára, hogy vizsgálják meg, hogy a fiziológiai óra hogyan befolyásolja a különböző betegségek kockázatát, az új gyógyszerek hatékonyságát, a legjobb tanulmányi vagy edzési időt, és így tovább.

Természetesen még mindig sok munka szükséges. Bár tudjuk, hogy a cirkadián eltérések a betegség kockázati tényezője, még nem tudjuk, hogy mennyire rossz az Ön számára. A TimeSignature további kutatást tesz lehetővé a cirkadián ritmusok és a betegség közötti pontos összefüggések számszerűsítésére. A betegséggel és a betegséggel nem rendelkező emberek TimeSignat-jának összehasonlításával megvizsgálhatjuk, hogy egy megszakadt óra korrelál-e a betegséggel, és megjósolja, hogy ki fenyeget.

Az út mentén elképzeljük, hogy a TimeSignature belép az orvosa irodájába, ahol a cirkadián egészségét ugyanolyan gyorsan, könnyen és pontosan ellenőrizheti, mint a koleszterin tesztet. Sok gyógyszer például optimális adagolási idővel rendelkezik, de a legjobb idő a vérnyomás gyógyszert vagy kemoterápiát szedni lehet, mint valaki más.

Korábban nem volt klinikailag megvalósítható módja ennek mérésére, de a TimeSignature lehetővé teszi az orvos számára, hogy egyszerű vérvizsgálatot végezzen, elemezze a 41 gén aktivitását, és ajánlja az időt, amely a leghatékonyabb előnyöket nyújtja. Azt is tudjuk, hogy a cirkadián eltérések - amikor a tested órája nincs a szinkronban a külső idővel - kezelhető kockázati tényező a kognitív hanyatlásra; a TimeSignature segítségével megjósolhattuk, hogy ki veszélyben van, és potenciálisan beavatkozhat az órájuk összehangolására.

Ezt a cikket eredetileg a Rosemary Braun beszélgetésében tették közzé. Olvassa el az eredeti cikket itt.