Výskumný tím z Charité – Universitätsmedizin Berlin vyvinul metódu na stanovenie individuálnych vnútorných hodín človeka pomocou len niekoľkých vlasových folikulov. Výsledky, uverejnené v časopise PNAS, sa považujú za významný pokrok v oblasti cirkadiánnej medicíny. Táto oblasť výskumu skúma, ako biologické denné rytmy ovplyvňujú zdravie, choroby a účinnosť lekárskej liečby. V dlhodobom horizonte by nový test mohol pomôcť lepšie zosúladiť lieky, diagnózy a terapie s prirodzeným rytmom tela, čím by sa otvorila cesta k ešte personalizovanejšej medicíne.

Výskumníci pod vedením chronobiológa Achima Kramera vnímajú svoj vývoj ako spôsob, ako vyriešiť kľúčový problém v chronobiológii. Hoci je už roky známe, že takmer všetky biologické procesy v tele sa riadia vnútorným harmonogramom, doteraz neexistovala žiadna jednoduchá a praktická metóda na spoľahlivé určenie tohto individuálneho rytmu. Presne tu prichádza na rad nová analýza vlasových folikulov.

Prečo sú vnútorné hodiny tak dôležité

Väčšina ľudí si svoje vnútorné hodiny uvedomuje najviac vtedy, keď sa dostanú do nesúladu. Po dlhom lete, pri prechode na letný alebo zimný čas alebo po niekoľkých nociach nedostatočného spánku je jasne viditeľné, ako silno telo reaguje na zmeny času. Typickými dôsledkami sú únava, problémy s koncentráciou a znížená výkonnosť. V skutočnosti však význam vnútorných hodín presahuje rámec spánku.

Takmer každá funkcia ľudského tela sa riadi cirkadiánnym rytmom – biologickým cyklom trvajúcim približne 24 hodín. Krvný tlak, telesná teplota, hladiny hormónov, metabolické procesy a aktivita imunitného systému sa počas dňa neustále menia. Aj funkcie mozgu, vnímanie bolesti a regeneračná schopnosť buniek podliehajú tomuto biologickému harmonogramu. Vedci sa dnes domnievajú, že ľudské telo reaguje na stres, choroby a lieky odlišne v rôznych časoch dňa. Čas sa preto čoraz viac považuje za nezávislý biologický faktor, ktorému by sa v medicíne v budúcnosti mohla venovať väčšia pozornosť.

Je to zvlášť zrejmé v prípade hormónov. Kým stresový hormón kortizol dosahuje svoje maximum ráno a pripravuje telo na prebudenie, produkcia spánkového hormónu melatonínu sa zvyšuje večer. Signalizuje telu, že sa blíži noc. Imunitný systém tiež funguje podľa pevného rytmu. Štúdie naznačujú, že intenzita určitých imunitných reakcií a zápalových procesov sa môže líšiť v závislosti od dennej doby.

Okrem toho vnútorné hodiny tela ovplyvňujú metabolizmus a kardiovaskulárne funkcie. Krvný tlak, srdcová frekvencia a schopnosť tela spracovávať cukor sa tak v priebehu dňa menia. Výskumníci preto predpokladajú, že nielen typ liečby, ale aj jej načasovanie môže ovplyvniť úspešnosť terapie. Táto súvislosť sa v súčasnosti intenzívne skúma v onkologickej medicíne, kardiovaskulárnom výskume a spánkovej medicíne.

Riadiace centrum sa nachádza hlboko v mozgu

V posledných rokoch sa tiež ukázalo, že trvalé narušenie cirkadiánneho rytmu súvisí s rôznymi zdravotnými problémami. Práca na zmeny, chronický nedostatok spánku alebo trvalý konflikt medzi biologickým a spoločenským časom súvisia okrem iného so zvýšeným rizikom kardiovaskulárnych ochorení, metabolických porúch, depresie a obezity. Pre mnohých vedcov sú vnútorné hodiny tela už dávno viac než len časovačom spánku – považujú sa za centrálny riadiaci systém celého organizmu.

Za koordináciu týchto procesov je zodpovedná malá štruktúra v mozgu, známa ako suprachiazmatické jadro. Toto nervové centrum, veľké len niekoľko milimetrov, sa nachádza v hypotalame a funguje ako hlavné hodiny tela. Prijíma informácie o prichádzajúcom dennom svetle a pomocou týchto signálov synchronizuje biologické rytmy organizmu. Dlho sa vedci domnievali, že za riadenie cirkadiánneho systému je zodpovedný iba tento centrálny biologický hodiny. Dnes však vieme, že takmer každá bunka v tele má svoje vlastné molekulárne hodiny. Tieto takzvané periférne hodiny sa nachádzajú okrem iného v pečeni, srdci, imunitnom systéme a dokonca aj vo vlasových folikuloch. Hlavné hodiny v mozgu zabezpečujú, aby všetky tieto decentralizované časomiery fungovali čo najsynchrónnejšie. Ak sa tento jemne vyladený systém rozladí, môže to mať ďalekosiahle dôsledky. Chronické narušenia biologického rytmu sa dnes spájajú s mnohými chorobami, vrátane kardiovaskulárnych ochorení, cukrovky, obezity, depresie a rôznych metabolických porúch.

Výskum ocenený Nobelovou cenou položil základy

Dnešné chápanie vnútorných hodín vychádza z desaťročí základného výskumu. Rozhodujúci prelom dosiahli americkí vedci Jeffrey Hall, Michael Rosbash a Michael Young. Podarilo sa im rozlúštiť genetické mechanizmy stojace za cirkadiánnym rytmom. Za túto prácu im bola udelená Nobelova cena za fyziológiu alebo medicínu za rok 2017.

Výskumníci dokázali, že určité gény v bunkách tela sa aktivujú a deaktivujú v pravidelnom rytme. Tieto takzvané hodiny gény vytvárajú biologické spätné väzby, ktoré produkujú takmer presný 24-hodinový cyklus. Dnes sa považuje za dokázané, že tieto genetické procesy tvoria základ vnímania času u človeka na bunkovej úrovni. Tento objav revolučným spôsobom ovplyvnil chronobiológiu a otvoril nové perspektívy pre medicínu. Ak totiž gény a bunky fungujú podľa pevného harmonogramu, je logické, že aj choroby a liečby prebiehajú v závislosti od času.

Circadiánna medicína: Terapie založené na biologických hodinách

Z tohto poznatku vznikla cirkadiánna medicína. Táto oblasť výskumu skúma, ako možno optimalizovať liečbu z hľadiska načasovania. Cieľom je vyberať lieky nielen na základe diagnózy a dávkovania, ale aj na základe biologicky optimálneho času na ich podanie.

Už dnes existujú dôkazy, že niektoré lieky pôsobia v určitých denných hodinách lepšie ako v iných. Niektoré lieky na vysoký krvný tlak sa zdajú byť obzvlášť účinné večer, pretože dokážu lepšie kontrolovať nočné výkyvy krvného tlaku. Čas dňa zrejme zohráva úlohu aj pri astme, alergiách a chronických bolestiach. Mnohé ochorenia majú charakteristický rytmus a vyskytujú sa častejšie v určitých časoch.

V súčasnosti prebieha intenzívny výskum najmä v oblasti onkologickej medicíny. Vedci skúmajú, či by imunoterapie a chemoterapie mohli byť úspešnejšie, ak by sa podávali v súlade s biologickými rytmami nádorových a imunitných buniek. Počiatočné štúdie poskytujú sľubné dôkazy, hoci je stále potrebný ďalší výskum. Napriek rastúcemu záujmu o chronomedicínu je jej praktické uplatňovanie zatiaľ naďalej náročné. Dôvodom je to, že určenie vnútorných hodín jednotlivca si vyžaduje značné úsilie.

Za zlatý štandard sa považuje takzvaná metóda Dim-Light-Melatonin-Onset. Pri tomto postupe sa meria uvoľňovanie spánkového hormónu melatonínu počas niekoľkých hodín za kontrolovaných svetelných podmienok. Čas, kedy hladiny melatonínu stúpajú, poskytuje veľmi presný údaj o chronotype daného jedinca. Táto metóda je však nákladná, časovo náročná a dá sa vykonávať len v laboratórnych podmienkach. Preto sa ťažko hodí na bežné použitie v ordináciách lekárov alebo na klinikách.

17 génov v korienkoch vlasov odhaľuje vnútorné hodiny tela

Presne tu prichádza na rad nový berlínsky vývoj. Vedci jednoducho odobrali od svojich subjektov niekoľko vlasov spolu s vlasovými korienkami. Kľúčovú úlohu tu zohrávajú živé bunky vo vlasových folikuloch. Tieto bunky disponujú funkčnými biologickými hodinami a odrážajú cirkadiánny rytmus tela. Vedci sa zamerali na 17 génov, ktorých aktivita sa v priebehu dňa charakteristicky mení. Niektoré z týchto génov sú aktívne predovšetkým ráno, iné skôr večer alebo v noci. V súhrne to vytvára biologický vzor, ktorý umožňuje vyvodiť závery o vnútorných hodinách tela.

Pomocou moderných techník molekulárnej biológie a metód strojového učenia vyvinul tím algoritmus schopný analyzovať túto génovú aktivitu. Na základe údajov systém vypočíta individuálny stav biologických hodín s presnosťou, ktorá sa podľa výskumníkov približuje presnosti predchádzajúcich meraní melatonínu. Na overenie spoľahlivosti metódy výskumný tím analyzoval vzorky vlasov od viac ako 4 000 účastníkov. Štúdia ukázala, že vzorky bolo možné ľahko zaslať poštou. Mnohí účastníci si vlasy odobrali sami doma a následne ich zaslali výskumníkom.

Výsledky potvrdili početné zistenia z predchádzajúcich štúdií chronotypov. V priemere majú mladší dospelí neskorší biologický rytmus ako starší ľudia. To okrem iného vysvetľuje, prečo mnohí mladí dospelí dokážu večer zostať dlhšie hore a majú väčšie ťažkosti s ranným vstávaním. Zjavili sa aj rozdiely medzi mužmi a ženami. Zaujímavé je, že tieto rozdiely boli výrazne menšie, ako naznačovali skoršie prieskumové štúdie.

Životný štýl ovplyvňuje vnútorné hodiny viac, ako sa predtým predpokladalo

Výsledky týkajúce sa vplyvu sociálnych faktorov na biologický rytmus boli obzvlášť odhalujúce. Analýza údajov ukázala, že ľudia s pevnou pracovnou dobou mali v priemere vnútorné hodiny nastavené asi o 30 minút skôr ako tí, ktorí nemali pravidelný denný režim. Na prvý pohľad sa tento rozdiel môže zdať malý, ale pre chronobiológov je významný. Aj posuny o niekoľko minút môžu mať dlhodobé účinky na spánkové vzorce, výkonnosť a zdravie. Výsledky naznačujú, že vnútorné hodiny sú ovplyvňované sociálnymi podmienkami v oveľa väčšej miere, ako sa dlho predpokladalo. Pracovná doba, začiatok vyučovania, rodinné povinnosti a spoločenské rutiny poskytujú mnohým ľuďom pevný denný rytmus, na ktorý sa telo aspoň čiastočne prispôsobuje. Hoci sú biologické hodiny čiastočne geneticky podmienené, reagujú aj na vonkajšie vplyvy a môžu sa v priebehu života meniť.

V tejto súvislosti vedci často hovoria o takzvanom „sociálnom jet lagu“. Ide o pretrvávajúci nesúlad medzi vnútorným biologickým časom tela a požiadavkami každodenného spoločenského života. Tento jav je obzvlášť zreteľný u ľudí, ktorí musia v pracovných dňoch vstávať skoro, hoci ich vnútorné hodiny sú v skutočnosti nastavené na neskorší čas spánku a prebudenia. Mnohí z týchto ľudí kompenzujú tento deficit spánku cez víkend tým, že spia podstatne dlhšie. Pre telo to vytvára stav, ktorý pripomína neustále striedanie rôznych časových pásiem.

Výskumy z posledných rokov ukazujú, že sociálny jet lag je veľmi rozšírený. Obzvlášť postihuje dospievajúcich a mladých dospelých, keďže ich vnútorné hodiny sú prirodzene nastavené na neskoršie časy zaspávania. Zároveň však škola, tréningy alebo práca často začínajú skoro ráno. To vytvára trvalý nesúlad medzi biologickými potrebami a sociálnou realitou. Odborníci sa domnievajú, že tento chronický nesúlad nielenže vedie k únave a problémom s koncentráciou, ale môže tiež zvýšiť dlhodobé riziko obezity, metabolických porúch, depresie a kardiovaskulárnych ochorení.

Okrem toho moderný životný štýl čoraz viac mení prirodzené časové hodiny organizmu. Po tisíce rokov sa ľudský organizmus riadil predovšetkým striedaním denného svetla a tmy. S rozšírením elektrického osvetlenia sa však tento prirodzený rytmus zásadným spôsobom zmenil. Dnes mnoho ľudí trávi väčšinu dňa v interiéri a zároveň je večer vystavených podstatne väčšiemu množstvu umelého svetla ako predchádzajúce generácie. Obzvlášť dôležitú úlohu v tom zohrávajú elektronické zariadenia, ako sú smartfóny, tablety, počítačové obrazovky a televízie. Vyžarujú vysoký podiel modrého svetla, ktoré mozog vníma podobne ako denné svetlo. To brzdí produkciu spánkového hormónu melatonínu, ktorého hladina sa za normálnych okolností po zotmení zvyšuje a pripravuje telo na spánok. V dôsledku toho mnoho ľudí večer zostáva dlhšie hore a únava ich prepadne až neskôr.

Výskumníci preto už roky pozorujú v mnohých industrializovaných krajinách posun spánkových časov. Kým ľudia kedysi zaspávali krátko po západe slnka, pre mnohých dnes biologická noc začína oveľa neskôr. To môže byť obzvlášť problematické, ak sa spoločenské požiadavky nezmenia a je stále potrebné vstávať skoro. Výsledkom je chronický nedostatok spánku a trvalé zaťaženie cirkadiánneho systému. Vnútorné hodiny tela ovplyvňujú aj ďalšie faktory moderného životného štýlu. Práca na zmeny sa považuje za jedno z najvýznamnejších narušení prirodzeného denného rytmu. Tí, ktorí pravidelne pracujú v noci a spia cez deň, nútia svoje telo pracovať proti svojmu biologickému programu. Mnohé štúdie preukázali, že pracovníci na zmeny trpia častejšie poruchami spánku, metabolickými problémami a kardiovaskulárnymi ochoreniami. Svetová zdravotnícka organizácia preto dokonca klasifikuje dlhodobú nočnú prácu ako potenciálne karcinogénny rizikový faktor.