Výzkumný tým z Charité – Universitätsmedizin Berlin vyvinul metodu, jak určit individuální biologické hodiny člověka pouze na základě několika vlasových folikulů. Výsledky, které byly zveřejněny v časopise PNAS, jsou považovány za významný pokrok v oblasti cirkadiánní medicíny. Tento obor výzkumu zkoumá, jak biologické denní rytmy ovlivňují zdraví, nemoci a účinnost lékařských léčebných postupů. V dlouhodobém horizontu by nový test mohl pomoci lépe sladit léky, diagnózy a terapie s přirozeným rytmem těla, a tím připravit cestu pro ještě personalizovanější medicínu.

Výzkumníci pod vedením chronobiologa Achima Kramera považují svůj objev za způsob, jak vyřešit ústřední problém chronobiologie. Ačkoli je již léta známo, že téměř všechny biologické procesy v těle se řídí vnitřním harmonogramem, dosud neexistovala žádná jednoduchá a praktická metoda pro spolehlivé určení tohoto individuálního rytmu. Právě zde přichází na řadu nová analýza vlasových folikulů.

Proč jsou vnitřní hodiny tak důležité

Většina lidí si své vnitřní hodiny uvědomuje nejvíce tehdy, když se dostanou z synchronizace. Po dálkovém letu, při přechodu na letní nebo zimní čas nebo po několika nocích nedostatečného spánku je jasně patrné, jak silně tělo reaguje na změny času. Typickými důsledky jsou únava, problémy s koncentrací a snížený výkon. Ve skutečnosti však význam vnitřních hodin sahá daleko za hranice spánku.

Téměř každá funkce lidského těla se řídí cirkadiánním rytmem – biologickým cyklem trvajícím přibližně 24 hodin. Krevní tlak, tělesná teplota, hladiny hormonů, metabolické procesy a aktivita imunitního systému se v průběhu dne neustále mění. Tomuto biologickému harmonogramu podléhají dokonce i funkce mozku, vnímání bolesti a regenerační schopnost buněk. Vědci se dnes domnívají, že lidské tělo reaguje na stres, nemoci a léky v různých částech dne odlišně. Čas je proto stále častěji vnímán jako samostatný biologický faktor, kterému by se v medicíně v budoucnu měla věnovat větší pozornost.

To je zvláště patrné u hormonů. Zatímco stresový hormon kortizol dosahuje svého vrcholu ráno a připravuje tělo na probuzení, produkce spánkového hormonu melatoninu se zvyšuje večer. Signalizuje tělu, že se blíží noc. Imunitní systém také funguje podle pevného rytmu. Studie naznačují, že intenzita určitých imunitních reakcí a zánětlivých procesů se může lišit v závislosti na denní době.

Kromě toho ovlivňují vnitřní hodiny těla metabolismus a kardiovaskulární funkce. Krevní tlak, srdeční frekvence a schopnost těla zpracovávat cukr se tak v průběhu dne mění. Vědci proto předpokládají, že na úspěch léčby může mít vliv nejen typ léčby, ale také její načasování. Tato souvislost je v současné době intenzivně zkoumána v onkologii, kardiovaskulárním výzkumu a spánkové medicíně.

Řídicí centrum se nachází hluboko v mozku

V posledních letech se také ukázalo, že trvalé narušení cirkadiánního rytmu je spojeno s různými zdravotními problémy. Práce na směny, chronický nedostatek spánku nebo trvalý konflikt mezi biologickým a společenským časem jsou mimo jiné spojeny se zvýšeným rizikem kardiovaskulárních onemocnění, metabolických poruch, deprese a obezity. Pro mnoho vědců je vnitřní hodiny těla již dlouho více než jen časovačem spánku – jsou považovány za centrální řídicí systém celého organismu.

Za koordinaci těchto procesů je zodpovědná malá struktura v mozku, známá jako suprachiasmatické jádro. Toto nervové centrum, velké jen několik milimetrů, se nachází v hypotalamu a funguje jako hlavní hodiny těla. Přijímá informace o přicházejícím denním světle a pomocí těchto signálů synchronizuje biologické rytmy organismu. Dlouhou dobu se vědci domnívali, že za řízení cirkadiánního systému je zodpovědný pouze tento centrální biologický hodiny. Nyní však víme, že téměř každá buňka v těle má své vlastní molekulární časoměřiče. Tyto takzvané periferní biologické hodiny se nacházejí mimo jiné v játrech, srdci, imunitním systému a dokonce i ve vlasových folikulech. Hlavní hodiny v mozku zajišťují, aby všechny tyto decentralizované časomíry fungovaly co nejvíce synchronizovaně. Pokud se tento jemně vyladěný systém rozladí, může to mít dalekosáhlé důsledky. Chronické narušení biologického rytmu je dnes spojováno s četnými onemocněními, včetně kardiovaskulárních chorob, cukrovky, obezity, deprese a různých metabolických poruch.

Základy položil výzkum oceněný Nobelovou cenou

Dnešní chápání vnitřních hodin vychází z desítek let základního výzkumu. Rozhodujícího průlomu dosáhli američtí vědci Jeffrey Hall, Michael Rosbash a Michael Young. Podařilo se jim rozluštit genetické mechanismy, které stojí za cirkadiánním rytmem. Za tuto práci jim byla v roce 2017 udělena Nobelova cena za fyziologii a medicínu.

Vědci dokázali, že určité geny v buňkách těla se aktivují a deaktivují v pravidelném rytmu. Tyto takzvané hodinové geny vytvářejí biologické zpětnovazební smyčky, které produkují téměř přesný 24hodinový cyklus. Dnes se má za to, že tyto genetické procesy tvoří na buněčné úrovni základ lidského vnímání času. Tento objev revolučním způsobem změnil chronobiologii a otevřel nové perspektivy pro medicínu. Pokud totiž geny a buňky následují pevný časový plán, je logické, že i nemoci a terapie mají časově závislý průběh.

Cirkadiánní medicína: terapie založené na biologických hodinách

Z tohoto poznatku vzešla cirkadiánní medicína. Tento obor výzkumu zkoumá, jak lze optimalizovat léčbu z hlediska načasování. Cílem je vybírat léky nejen na základě diagnózy a dávkování, ale také na základě biologicky optimálního času pro jejich podání.

Již dnes existují důkazy, že některé léky působí v určitých denních dobách lépe než v jiných. Některé léky na krevní tlak se zdají být obzvláště účinné večer, protože dokážou lépe kontrolovat noční výkyvy krevního tlaku. Denní doba zřejmě hraje roli také u astmatu, alergií a chronické bolesti. Mnoho onemocnění se řídí charakteristickým rytmem a vyskytuje se častěji v určitých časech.

V současné době probíhá intenzivní výzkum zejména v oblasti onkologie. Vědci zkoumají, zda by imunoterapie a chemoterapie mohly být úspěšnější, pokud by byly podávány v souladu s biologickými rytmy nádorových a imunitních buněk. Počáteční studie poskytují slibné důkazy, i když je stále zapotřebí dalšího výzkumu. Navzdory rostoucímu zájmu o chronomedicínu zůstává její praktické uplatnění zatím obtížné. Důvodem je to, že určení vnitřních hodin jedince vyžaduje značné úsilí.

Za zlatý standard je považována takzvaná metoda Dim-Light-Melatonin-Onset. Při tomto postupu se měří uvolňování spánkového hormonu melatoninu po dobu několika hodin za kontrolovaných světelných podmínek. Čas, kdy hladina melatoninu stoupá, poskytuje velmi přesný údaj o chronotypu daného jedince. Tato metoda je však nákladná, časově náročná a lze ji provádět pouze v laboratorních podmínkách. Pro rutinní použití v ordinacích nebo klinikách je proto stěží vhodná.

17 genů v koříncích vlasů odhaluje vnitřní hodiny těla

Právě zde přichází na řadu nový berlínský vývoj. Vědci jednoduše odebrali od svých subjektů několik vlasů spolu s vlasovými kořínky. Klíčovou roli zde hrají živé buňky ve vlasových folikulech. Tyto buňky také disponují funkčními biologickými hodinami a odrážejí cirkadiánní rytmus těla. Vědci se zaměřili na 17 genů, jejichž aktivita se v průběhu dne charakteristicky mění. Některé z těchto genů jsou aktivní především ráno, jiné spíše večer nebo v noci. V souhrnu to vytváří biologický vzorec, který umožňuje vyvodit závěry o vnitřních hodinách těla.

Pomocí moderních technik molekulární biologie a metod strojového učení tým vyvinul algoritmus schopný analyzovat tuto genovou aktivitu. Na základě těchto dat systém vypočítává individuální stav biologických hodin s přesností, která se podle výzkumníků blíží přesnosti předchozích měření melatoninu. Aby ověřil spolehlivost této metody, výzkumný tým analyzoval vzorky vlasů od více než 4 000 účastníků. Studie ukázala, že vzorky lze snadno zaslat poštou. Mnoho účastníků si vlasy odebralo samo doma a poté je zaslalo výzkumníkům.

Výsledky potvrdily četné závěry z dřívějších studií chronotypů. V průměru mají mladší dospělí pozdější biologický rytmus než starší lidé. To mimo jiné vysvětluje, proč mnoho mladých dospělých dokáže večer zůstat déle vzhůru a má větší potíže s ranním vstáváním. Zřetelné byly také rozdíly mezi muži a ženami. Zajímavé je, že tyto rozdíly byly výrazně menší, než naznačovaly dřívější průzkumy.

Životní styl ovlivňuje vnitřní hodiny více, než se dříve předpokládalo

Zvláště přínosné byly výsledky týkající se vlivu sociálních faktorů na biologický rytmus. Analýza dat ukázala, že lidé s pevnou pracovní dobou měli v průměru vnitřní hodiny nastavené asi o 30 minut dříve než ti, kteří nemají pravidelný denní režim. Na první pohled se tento rozdíl může zdát malý, ale pro chronobiology je významný. I posuny o pouhých několik minut mohou mít dlouhodobé účinky na spánkové vzorce, výkonnost a zdraví. Výsledky naznačují, že vnitřní hodiny jsou ovlivňovány sociálními podmínkami v mnohem větší míře, než se dlouho předpokládalo. Pracovní doba, začátek školní výuky, rodinné povinnosti a společenské zvyklosti poskytují mnoha lidem pevný denní rytmus, na který se tělo alespoň částečně přizpůsobuje. Ačkoli jsou biologické hodiny částečně geneticky dané, reagují také na vnější vlivy a mohou se v průběhu života měnit.

V této souvislosti vědci často hovoří o takzvaném „sociálním jet lagu“. Jedná se o přetrvávající nesoulad mezi vnitřním biologickým časem těla a požadavky každodenního společenského života. Tento jev je zvláště patrný u lidí, kteří musí ve všední dny vstávat brzy, i když jejich vnitřní hodiny jsou ve skutečnosti nastaveny na pozdější časy spánku a probuzení. Mnoho z těchto lidí kompenzuje tento spánkový deficit o víkendu tím, že spí výrazně déle. Pro tělo to vytváří stav, který připomíná neustálé přecházení mezi různými časovými pásmy.

Výzkumy z posledních let ukazují, že sociální jet lag je velmi rozšířený. Zvláště jsou jím postiženi adolescenti a mladí dospělí, protože jejich vnitřní hodiny jsou přirozeně nastaveny na pozdější dobu ulehnutí ke spánku. Zároveň škola, trénink nebo práce často začínají brzy ráno. To vytváří trvalý nesoulad mezi biologickými potřebami a sociální realitou. Odborníci se domnívají, že tento chronický nesoulad vede nejen k únavě a problémům s koncentrací, ale může také dlouhodobě zvyšovat riziko obezity, metabolických poruch, deprese a kardiovaskulárních onemocnění.

Kromě toho moderní životní styl stále více mění přirozené časoměřiče těla. Po tisíce let se lidský organismus řídil především střídáním denního světla a tmy. S rozšířením elektrického osvětlení se však tento přirozený rytmus zásadně změnil. Dnes mnoho lidí tráví většinu dne uvnitř a zároveň je večer vystaveno výrazně většímu množství umělého světla než předchozí generace. Zvláště důležitou roli v tom hrají elektronická zařízení, jako jsou smartphony, tablety, počítačové obrazovky a televize. Vyzařují vysoký podíl modrého světla, které mozek vnímá podobně jako denní světlo. To brání produkci spánkového hormonu melatoninu, jehož hladina se za normálních okolností po setmění zvyšuje a připravuje tělo na spánek. V důsledku toho mnoho lidí večer zůstává déle vzhůru a únava se dostaví až později.

Vědci proto již řadu let pozorují v mnoha průmyslových zemích posun spánkových časů. Zatímco dříve lidé usínali krátce po západu slunce, pro mnohé dnes biologická noc začíná až mnohem později. To může být obzvláště problematické, pokud se společenské požadavky nemění a je stále nutné vstávat brzy. Výsledkem je chronický nedostatek spánku a trvalé přetěžování cirkadiánního systému. Vnitřní hodiny těla ovlivňují i další faktory moderního životního stylu. Směnný provoz je považován za jedno z nejvýznamnějších narušení přirozeného denního rytmu. Ti, kdo pravidelně pracují v noci a spí během dne, nutí své tělo pracovat proti jeho biologickému nastavení. Četné studie prokázaly, že u pracovníků na směny je vyšší pravděpodobnost výskytu poruch spánku, metabolických problémů a kardiovaskulárních onemocnění. Světová zdravotnická organizace proto dokonce klasifikuje dlouhodobou noční práci jako potenciálně karcinogenní rizikový faktor.