Ein Forschungsteam der Charité – Universitätsmedizin Berlin hat eine Methode entwickelt, mit der sich die individuelle innere Uhr eines Menschen anhand weniger Haarwurzeln bestimmen lässt. Die Ergebnisse, die in der Fachzeitschrift PNAS veröffentlicht wurden, gelten als bedeutender Fortschritt für die sogenannte circadiane Medizin. Dieses Forschungsgebiet untersucht, wie biologische Tagesrhythmen Gesundheit, Krankheiten und die Wirkung medizinischer Behandlungen beeinflussen. Der neue Test könnte langfristig dazu beitragen, Medikamente, Diagnosen und Therapien besser auf den natürlichen Rhythmus des Körpers abzustimmen und damit den Weg für eine noch individuellere Medizin ebnen.

Die Forscher um den Chronobiologen Achim Kramer sehen in ihrer Entwicklung eine Möglichkeit, ein zentrales Problem der Chronomedizin zu lösen. Zwar ist seit Jahren bekannt, dass nahezu alle biologischen Prozesse im Körper einem inneren Zeitplan folgen, doch bislang fehlte eine einfache und alltagstaugliche Methode, diesen individuellen Rhythmus zuverlässig zu bestimmen. Genau hier setzt die neue Haarwurzel-Analyse an.

Warum die innere Uhr so wichtig ist

Die meisten Menschen nehmen ihre innere Uhr vor allem dann wahr, wenn sie aus dem Gleichgewicht gerät. Nach einem Langstreckenflug, während der Umstellung auf Sommer- oder Winterzeit oder nach mehreren Nächten mit zu wenig Schlaf wird deutlich spürbar, wie stark der Körper auf zeitliche Veränderungen reagiert. Müdigkeit, Konzentrationsprobleme und Leistungseinbußen sind typische Folgen. Tatsächlich reicht die Bedeutung der inneren Uhr jedoch weit über den Schlaf hinaus.

Nahezu jede Funktion des menschlichen Organismus folgt einem circadianen Rhythmus, also einem biologischen Takt von ungefähr 24 Stunden. Blutdruck, Körpertemperatur, Hormonspiegel, Stoffwechselvorgänge und die Aktivität des Immunsystems verändern sich ständig im Verlauf des Tages. Selbst die Leistungsfähigkeit des Gehirns, die Schmerzwahrnehmung und die Regenerationsfähigkeit von Zellen unterliegen diesem biologischen Zeitplan. Wissenschaftler gehen heute davon aus, dass der menschliche Körper zu unterschiedlichen Tageszeiten unterschiedlich auf Belastungen, Krankheiten und Medikamente reagiert. Die Zeit wird deshalb zunehmend als eigenständiger biologischer Faktor betrachtet, der in der Medizin künftig stärker berücksichtigt werden könnte.

Besonders deutlich zeigt sich dies bei den Hormonen. Während das Stresshormon Cortisol am Morgen seinen Höchststand erreicht und den Körper auf das Aufwachen vorbereitet, steigt am Abend die Produktion des Schlafhormons Melatonin an. Es signalisiert dem Organismus, dass die Nacht bevorsteht. Auch das Immunsystem arbeitet nach einem festen Rhythmus. Studien deuten darauf hin, dass bestimmte Immunreaktionen und Entzündungsprozesse je nach Tageszeit unterschiedlich stark ausfallen können.

Darüber hinaus beeinflusst die innere Uhr den Stoffwechsel und die Herz-Kreislauf-Funktion. So schwanken Blutdruck, Herzfrequenz und die Fähigkeit des Körpers, Zucker zu verarbeiten, im Laufe des Tages. Forscher vermuten deshalb, dass nicht nur die Art einer Behandlung, sondern auch ihr Zeitpunkt einen Einfluss auf den Therapieerfolg haben kann. In der Krebsmedizin, der Herz-Kreislauf-Forschung und der Schlafmedizin wird dieser Zusammenhang derzeit intensiv untersucht.

Das Steuerzentrum sitzt tief im Gehirn

In den vergangenen Jahren wurde außerdem deutlich, dass dauerhafte Störungen des circadianen Rhythmus mit verschiedenen Gesundheitsproblemen in Verbindung stehen. Schichtarbeit, chronischer Schlafmangel oder ein dauerhafter Konflikt zwischen biologischer und gesellschaftlicher Zeit werden unter anderem mit einem erhöhten Risiko für Herz-Kreislauf-Erkrankungen, Stoffwechselstörungen, Depressionen und Übergewicht in Zusammenhang gebracht. Für viele Wissenschaftler ist die innere Uhr deshalb längst mehr als nur ein Taktgeber für den Schlaf – sie gilt als ein zentrales Steuerungssystem des gesamten Organismus.

Verantwortlich für die Koordination dieser Prozesse ist eine winzige Struktur im Gehirn, der sogenannte suprachiasmatische Nukleus. Dieses nur wenige Millimeter große Nervenzentrum liegt im Hypothalamus und fungiert als Hauptuhr des Körpers. Es erhält Informationen über das einfallende Tageslicht und synchronisiert anhand dieser Signale die biologischen Rhythmen des Organismus. Lange Zeit glaubten Forscher, dass diese zentrale Uhr allein für die Steuerung des circadianen Systems verantwortlich sei. Inzwischen weiß man jedoch, dass nahezu jede Körperzelle über eigene molekulare Zeitmesser verfügt. Diese sogenannten peripheren Uhren befinden sich unter anderem in der Leber, im Herzen, im Immunsystem und sogar in den Haarfollikeln. Die Hauptuhr im Gehirn sorgt dafür, dass alle diese dezentralen Zeitgeber möglichst synchron arbeiten. Gerät dieses fein abgestimmte System aus dem Takt, kann dies weitreichende Folgen haben. Chronische Störungen des biologischen Rhythmus werden inzwischen mit zahlreichen Erkrankungen in Verbindung gebracht, darunter Herz-Kreislauf-Erkrankungen, Diabetes, Übergewicht, Depressionen und verschiedene Stoffwechselstörungen.

Nobelpreis-Forschung legte die Grundlage

Das heutige Verständnis der inneren Uhr basiert auf jahrzehntelanger Grundlagenforschung. Einen entscheidenden Durchbruch erzielten die amerikanischen Wissenschaftler Jeffrey Hall, Michael Rosbash und Michael Young. Ihnen gelang es, die genetischen Mechanismen hinter dem circadianen Rhythmus zu entschlüsseln. Für diese Arbeiten erhielten sie 2017 den Nobelpreis für Physiologie oder Medizin.

Die Forscher konnten nachweisen, dass bestimmte Gene in den Körperzellen in einem regelmäßigen Rhythmus aktiviert und deaktiviert werden. Diese sogenannten Uhr-Gene erzeugen biologische Rückkopplungsschleifen, die einen nahezu exakten 24-Stunden-Takt erzeugen. Heute gilt als gesichert, dass diese genetischen Prozesse die Grundlage der menschlichen Zeitwahrnehmung auf zellulärer Ebene bilden. Die Entdeckung revolutionierte die Chronobiologie und eröffnete neue Perspektiven für die Medizin. Denn wenn Gene und Zellen einem festen Zeitplan folgen, liegt die Vermutung nahe, dass auch Krankheiten und Therapien zeitabhängig verlaufen.

Circadiane Medizin: Therapien nach der biologischen Uhr

Aus dieser Erkenntnis entstand die circadiane Medizin. Das Forschungsgebiet beschäftigt sich mit der Frage, wie Behandlungen zeitlich optimiert werden können. Ziel ist es, Medikamente nicht nur nach Diagnose und Dosierung auszuwählen, sondern auch nach dem biologisch günstigsten Zeitpunkt ihrer Verabreichung.

Schon heute gibt es Hinweise darauf, dass manche Arzneimittel zu bestimmten Tageszeiten besser wirken als zu anderen. Einige Blutdruckmedikamente scheinen abends besonders effektiv zu sein, weil sie nächtliche Blutdruckspitzen besser kontrollieren können. Auch bei Asthma, Allergien und chronischen Schmerzen spielt die Tageszeit offenbar eine Rolle. Viele Beschwerden folgen einem charakteristischen Rhythmus und treten zu bestimmten Zeiten verstärkt auf.

Besonders intensiv wird derzeit in der Krebsmedizin geforscht. Wissenschaftler untersuchen, ob Immuntherapien und Chemotherapien erfolgreicher sein könnten, wenn sie im Einklang mit den biologischen Rhythmen von Tumor- und Immunzellen verabreicht werden. Erste Studien liefern vielversprechende Hinweise, auch wenn noch weitere Untersuchungen notwendig sind. Trotz des wachsenden Interesses an der Chronomedizin blieb die praktische Umsetzung bislang schwierig. Der Grund liegt darin, dass die individuelle innere Uhr nur mit erheblichem Aufwand bestimmt werden konnte.

Als Goldstandard gilt das sogenannte Dim-Light-Melatonin-Onset-Verfahren. Dabei wird über mehrere Stunden hinweg unter kontrollierten Lichtbedingungen die Ausschüttung des Schlafhormons Melatonin gemessen. Der Zeitpunkt, an dem der Melatoninspiegel ansteigt, liefert einen sehr genauen Hinweis auf den individuellen Chronotyp. Allerdings ist dieses Verfahren teuer, zeitaufwendig und nur unter Laborbedingungen durchführbar. Für den routinemäßigen Einsatz in Arztpraxen oder Kliniken eignet es sich daher kaum.

17 Gene in Haarwurzeln verraten die innere Zeit

Genau an dieser Stelle setzt die neue Berliner Entwicklung an. Die Forscher entnahmen ihren Probanden lediglich wenige Haare mitsamt der Haarwurzel. Entscheidend sind dabei die lebenden Zellen in den Haarfollikeln. Auch diese Zellen verfügen über funktionierende biologische Uhren und spiegeln den circadianen Rhythmus des Körpers wider. Die Wissenschaftler konzentrierten sich auf 17 Gene, deren Aktivität sich im Tagesverlauf charakteristisch verändert. Manche dieser Gene sind vor allem morgens aktiv, andere eher am Abend oder in der Nacht. Zusammengenommen entsteht ein biologisches Muster, das Rückschlüsse auf die innere Zeit zulässt.

Mithilfe moderner molekularbiologischer Verfahren und Methoden des maschinellen Lernens entwickelte das Team einen Algorithmus, der diese Genaktivitäten analysieren kann. Aus den Daten berechnet das System den individuellen Stand der biologischen Uhr mit einer Genauigkeit, die nach Angaben der Forscher nahezu an die bisherige Melatoninmessung heranreicht. Um die Zuverlässigkeit der Methode zu überprüfen, analysierte das Forschungsteam Haarproben von mehr als 4.000 Teilnehmern. Die Studie zeigte, dass sich die Proben problemlos per Post verschicken lassen. Viele Teilnehmer entnahmen die Haare selbst zu Hause und sendeten sie anschließend an die Forscher.

Die Ergebnisse bestätigten zahlreiche Erkenntnisse früherer Chronotyp-Studien. Jüngere Erwachsene verfügen im Durchschnitt über einen späteren biologischen Rhythmus als ältere Menschen. Das erklärt unter anderem, warum viele junge Erwachsene abends länger wach bleiben können und morgens größere Schwierigkeiten beim Aufstehen haben. Auch Unterschiede zwischen Männern und Frauen wurden sichtbar. Interessanterweise fielen diese Unterschiede deutlich geringer aus als frühere Befragungsstudien vermuten ließen.

Der Lebensstil beeinflusst die innere Uhr stärker als gedacht

Besonders aufschlussreich waren die Ergebnisse zum Einfluss gesellschaftlicher Faktoren auf den biologischen Rhythmus. Die Auswertung der Daten zeigte, dass Menschen mit festen Arbeitszeiten im Durchschnitt über eine etwa 30 Minuten früher eingestellte innere Uhr verfügten als Personen ohne regelmäßigen Tagesablauf. Auf den ersten Blick mag dieser Unterschied gering erscheinen, für Chronobiologen ist er jedoch bemerkenswert. Bereits Verschiebungen von wenigen Minuten können sich langfristig auf Schlafverhalten, Leistungsfähigkeit und Gesundheit auswirken. Die Ergebnisse legen nahe, dass die innere Uhr deutlich stärker von sozialen Rahmenbedingungen beeinflusst wird, als lange angenommen wurde. Arbeitszeiten, Schulbeginn, familiäre Verpflichtungen und gesellschaftliche Routinen geben vielen Menschen einen festen Tagesrhythmus vor, an den sich der Körper zumindest teilweise anpasst. Die biologische Uhr ist zwar genetisch mitbestimmt, sie reagiert jedoch gleichzeitig auf äußere Einflüsse und kann sich im Laufe des Lebens verändern.

In diesem Zusammenhang sprechen Wissenschaftler häufig vom sogenannten „sozialen Jetlag“. Gemeint ist die dauerhafte Diskrepanz zwischen der inneren biologischen Zeit und den Anforderungen des gesellschaftlichen Alltags. Besonders deutlich wird dieses Phänomen bei Menschen, die an Werktagen früh aufstehen müssen, obwohl ihre innere Uhr eigentlich auf spätere Schlaf- und Wachzeiten eingestellt ist. Viele Betroffene gleichen dieses Schlafdefizit am Wochenende aus, indem sie deutlich länger schlafen. Für den Körper entsteht dadurch ein Zustand, der einem ständigen Wechsel zwischen verschiedenen Zeitzonen ähnelt.

Forschungen der vergangenen Jahre zeigen, dass sozialer Jetlag weit verbreitet ist. Vor allem Jugendliche und junge Erwachsene sind davon betroffen, da ihre innere Uhr natürlicherweise eher auf spätere Schlafenszeiten eingestellt ist. Gleichzeitig beginnen Schule, Ausbildung oder Beruf häufig früh am Morgen. Dadurch entsteht eine dauerhafte Verschiebung zwischen biologischem Bedürfnis und gesellschaftlicher Realität. Experten vermuten, dass diese chronische Fehlanpassung nicht nur zu Müdigkeit und Konzentrationsproblemen führt, sondern langfristig auch das Risiko für Übergewicht, Stoffwechselstörungen, Depressionen und Herz-Kreislauf-Erkrankungen erhöhen könnte.

Hinzu kommt, dass die moderne Lebensweise die natürlichen Zeitgeber des Körpers zunehmend verändert. Über Jahrtausende orientierte sich der menschliche Organismus vor allem am Wechsel von Tageslicht und Dunkelheit. Mit der Verbreitung elektrischer Beleuchtung hat sich dieser natürliche Rhythmus jedoch grundlegend verändert. Heute verbringen viele Menschen den Großteil des Tages in Innenräumen und sind abends gleichzeitig deutlich mehr künstlichem Licht ausgesetzt als frühere Generationen. Besonders elektronische Geräte wie Smartphones, Tablets, Computerbildschirme oder Fernseher spielen dabei eine wichtige Rolle. Sie senden einen hohen Anteil an blauem Licht aus, das vom Gehirn ähnlich wahrgenommen wird wie Tageslicht. Dadurch wird die Produktion des Schlafhormons Melatonin gehemmt, das normalerweise nach Einbruch der Dunkelheit ansteigt und den Körper auf den Schlaf vorbereitet. Die Folge ist, dass viele Menschen abends länger wach bleiben und erst später müde werden.

Forscher beobachten deshalb seit Jahren eine zunehmende Verschiebung der Schlafzeiten in vielen Industrienationen. Während Menschen früher oft kurz nach Sonnenuntergang schlafen gingen, wird die biologische Nacht heute bei vielen erst deutlich später eingeleitet. Besonders problematisch kann dies werden, wenn die gesellschaftlichen Anforderungen unverändert bleiben und frühes Aufstehen dennoch erforderlich ist. Die Folge sind chronischer Schlafmangel und eine dauerhafte Belastung des circadianen Systems. Auch weitere Faktoren des modernen Lebensstils beeinflussen die innere Uhr. Schichtarbeit gilt dabei als einer der stärksten Eingriffe in den natürlichen Tagesrhythmus. Wer regelmäßig nachts arbeitet und tagsüber schläft, zwingt seinen Organismus dazu, gegen seine biologische Programmierung zu arbeiten. Zahlreiche Studien haben gezeigt, dass Schichtarbeiter häufiger unter Schlafstörungen, Stoffwechselproblemen und Herz-Kreislauf-Erkrankungen leiden. Die Weltgesundheitsorganisation stuft langjährige Nachtarbeit deshalb sogar als potenziell krebserregenden Risikofaktor ein.

Neben Licht und Arbeitszeiten spielen auch Bewegung, Ernährung und soziale Aktivitäten eine Rolle. Regelmäßige körperliche Aktivität am Tag kann die innere Uhr stabilisieren, während unregelmäßige Essenszeiten oder späte Mahlzeiten den biologischen Rhythmus zusätzlich verschieben können. Die Ergebnisse der Charité-Studie liefern somit weitere Hinweise darauf, dass die innere Uhr nicht allein genetisch festgelegt ist, sondern in einem ständigen Wechselspiel mit Umwelt und Lebensstil steht. Genau dieses Zusammenspiel könnte künftig eine wichtige Rolle spielen, wenn medizinische Behandlungen stärker an den individuellen biologischen Rhythmus angepasst werden sollen.

Chancen für die Medizin der Zukunft

Die Forscher sehen in ihrer Methode weit mehr als ein Werkzeug zur Untersuchung von Schlafgewohnheiten. Langfristig könnte die Haarwurzel-Analyse dazu beitragen, medizinische Behandlungen individueller zu gestalten. In der Schlafmedizin könnte der Test helfen, gestörte Schlaf-Wach-Rhythmen schneller zu erkennen und gezielter zu behandeln. In der Onkologie könnte er genutzt werden, um optimale Zeitpunkte für Immuntherapien oder Chemotherapien zu bestimmen. Auch in der Behandlung von Herz-Kreislauf-Erkrankungen, Stoffwechselstörungen und chronischen Entzündungen eröffnen sich neue Perspektiven.

Darüber hinaus könnte die Methode eine wichtige Rolle in der Forschung spielen. Da die Proben einfach gewonnen und transportiert werden können, wären künftig groß angelegte Studien möglich, die den Einfluss von Lebensstil, Umweltfaktoren und Krankheiten auf die innere Uhr genauer untersuchen. Trotz der vielversprechenden Ergebnisse betonen die Wissenschaftler, dass weitere Untersuchungen erforderlich sind. Noch ist unklar, wie stark Krankheiten, Medikamente oder langfristige Veränderungen des Lebensstils die Genmuster beeinflussen können. Ebenso muss geprüft werden, wie zuverlässig die Methode bei Patienten mit schweren Erkrankungen funktioniert.

Dennoch betrachten viele Experten die neue Haarwurzel-Analyse als einen wichtigen Schritt in Richtung einer zeitbewussten Medizin. Während die moderne Gesundheitsforschung zunehmend auf genetische und molekulare Unterschiede zwischen Menschen eingeht, könnte künftig auch die individuelle biologische Zeit zu einem festen Bestandteil medizinischer Entscheidungen werden. Die zentrale Frage lautet dann nicht mehr nur, welches Medikament ein Patient benötigt, sondern auch, wann der optimale Zeitpunkt für dessen Anwendung ist. Die Berliner Forscher haben nun eine Methode vorgestellt, die helfen könnte, diese Frage künftig präziser zu beantworten als jemals zuvor.