Un gruppo di ricerca della Charité – Universitätsmedizin Berlin ha messo a punto un metodo per determinare l’orologio biologico individuale di una persona utilizzando solo pochi follicoli piliferi. I risultati, pubblicati sulla rivista PNAS, sono considerati un importante passo avanti nel campo della medicina circadiana. Questo campo di ricerca studia come i ritmi biologici quotidiani influenzano la salute, le malattie e l’efficacia dei trattamenti medici. A lungo termine, il nuovo test potrebbe aiutare ad allineare meglio farmaci, diagnosi e terapie al ritmo naturale del corpo, aprendo così la strada a una medicina ancora più personalizzata.

I ricercatori guidati dal cronobiologo Achim Kramer vedono il loro sviluppo come un modo per risolvere un problema centrale della cronobiologia. Sebbene sia noto da anni che quasi tutti i processi biologici del corpo seguono un programma interno, fino ad ora non esisteva un metodo semplice e pratico per determinare in modo affidabile questo ritmo individuale. È proprio qui che entra in gioco la nuova analisi del follicolo pilifero.

Perché l’orologio interno è così importante

La maggior parte delle persone si rende conto dell’esistenza del proprio orologio interno soprattutto quando questo va fuori sincrono. Dopo un volo a lungo raggio, durante il passaggio all’ora legale o all’ora solare, oppure dopo diverse notti di sonno insufficiente, si nota chiaramente quanto il corpo reagisca ai cambiamenti di orario. Stanchezza, problemi di concentrazione e prestazioni ridotte sono conseguenze tipiche. In realtà, però, l’importanza dell’orologio interno va ben oltre il sonno.

Quasi tutte le funzioni del corpo umano seguono un ritmo circadiano, ovvero un ciclo biologico di circa 24 ore. La pressione sanguigna, la temperatura corporea, i livelli ormonali, i processi metabolici e l’attività del sistema immunitario fluttuano costantemente durante il giorno. Anche le funzioni cerebrali, la percezione del dolore e la capacità rigenerativa delle cellule sono soggette a questo programma biologico. Gli scienziati ritengono ora che il corpo umano reagisca in modo diverso allo stress, alle malattie e ai farmaci nelle diverse ore del giorno. Il tempo viene quindi sempre più considerato come un fattore biologico indipendente a cui in futuro si potrebbe dare maggiore considerazione in medicina.

Ciò è particolarmente evidente nel caso degli ormoni. Mentre il cortisolo, l’ormone dello stress, raggiunge il suo picco al mattino e prepara il corpo al risveglio, la produzione di melatonina, l’ormone del sonno, aumenta la sera. Essa segnala al corpo che la notte si avvicina. Anche il sistema immunitario funziona secondo un ritmo fisso. Gli studi suggeriscono che alcune risposte immunitarie e processi infiammatori possono variare in intensità a seconda dell’ora del giorno.

Inoltre, l’orologio interno del corpo influenza il metabolismo e la funzione cardiovascolare. Pertanto, la pressione sanguigna, la frequenza cardiaca e la capacità del corpo di elaborare lo zucchero variano nel corso della giornata. I ricercatori sospettano quindi che non solo il tipo di trattamento, ma anche la sua tempistica possa influenzare il successo della terapia. Questa connessione è attualmente oggetto di intense ricerche nella medicina oncologica, nella ricerca cardiovascolare e nella medicina del sonno.

Il centro di controllo si trova nel profondo del cervello

Negli ultimi anni è emerso chiaramente che i disturbi persistenti del ritmo circadiano sono associati a vari problemi di salute. Il lavoro a turni, la privazione cronica del sonno o un conflitto persistente tra tempo biologico e tempo sociale sono associati, tra l’altro, a un aumento del rischio di malattie cardiovascolari, disturbi metabolici, depressione e obesità. Per molti scienziati, l’orologio interno del corpo è da tempo molto più di un semplice timer per il sonno: è considerato un sistema di controllo centrale per l’intero organismo.

Una minuscola struttura nel cervello, nota come nucleo soprachiasmatico, è responsabile del coordinamento di questi processi. Questo centro nervoso, di dimensioni di pochi millimetri, si trova nell’ipotalamo e funge da orologio principale del corpo. Riceve informazioni sulla luce del giorno in arrivo e utilizza questi segnali per sincronizzare i ritmi biologici dell’organismo. Per molto tempo, i ricercatori hanno creduto che questo orologio centrale fosse l’unico responsabile del controllo del sistema circadiano. Tuttavia, ora sappiamo che quasi ogni cellula del corpo possiede i propri orologi molecolari. Questi cosiddetti orologi periferici si trovano, tra l’altro, nel fegato, nel cuore, nel sistema immunitario e persino nei follicoli piliferi. L’orologio principale nel cervello assicura che tutti questi orologi decentralizzati funzionino nel modo più sincronizzato possibile. Se questo sistema finemente regolato va fuori sincrono, può avere conseguenze di vasta portata. I disturbi cronici del ritmo biologico sono ora collegati a numerose malattie, tra cui malattie cardiovascolari, diabete, obesità, depressione e vari disturbi metabolici.

La ricerca vincitrice del Premio Nobel ha gettato le basi

La comprensione odierna dell’orologio interno si basa su decenni di ricerca di base. Una svolta decisiva è stata ottenuta dagli scienziati americani Jeffrey Hall, Michael Rosbash e Michael Young. Sono riusciti a decifrare i meccanismi genetici alla base del ritmo circadiano. Per questo lavoro, sono stati insigniti del Premio Nobel per la Fisiologia o la Medicina 2017.

I ricercatori sono stati in grado di dimostrare che alcuni geni nelle cellule del corpo vengono attivati e disattivati con un ritmo regolare. Questi cosiddetti geni dell’orologio generano circuiti di retroazione biologici che producono un ciclo di 24 ore quasi esatto. Oggi è ormai assodato che questi processi genetici costituiscono la base della percezione del tempo da parte dell’uomo a livello cellulare. La scoperta ha rivoluzionato la cronobiologia e ha aperto nuove prospettive per la medicina. Infatti, se i geni e le cellule seguono un programma fisso, è logico che anche le malattie e le terapie seguano un andamento dipendente dal tempo.

Medicina circadiana: terapie basate sull’orologio biologico

Da questa intuizione è nata la medicina circadiana. Questo campo di ricerca esplora come i trattamenti possano essere ottimizzati in termini di tempistica. L’obiettivo è selezionare i farmaci non solo in base alla diagnosi e al dosaggio, ma anche al momento biologicamente ottimale per la loro somministrazione.

Già oggi ci sono prove che alcuni farmaci funzionano meglio in determinati momenti della giornata rispetto ad altri. Alcuni farmaci per la pressione sanguigna sembrano essere particolarmente efficaci la sera perché riescono a controllare meglio i picchi di pressione notturni. L’ora del giorno sembra avere un ruolo anche nell’asma, nelle allergie e nel dolore cronico. Molte condizioni seguono un ritmo caratteristico e si verificano più frequentemente in momenti specifici.

La ricerca è attualmente particolarmente intensa nel campo della medicina oncologica. Gli scienziati stanno studiando se le immunoterapie e le chemioterapie potrebbero avere più successo se somministrate in accordo con i ritmi biologici delle cellule tumorali e immunitarie. Gli studi iniziali forniscono prove promettenti, anche se sono ancora necessarie ulteriori ricerche. Nonostante il crescente interesse per la cronomedicina, la sua applicazione pratica è rimasta finora difficile. Il motivo è che determinare l’orologio interno di un individuo ha richiesto uno sforzo considerevole.

Il cosiddetto metodo Dim-Light-Melatonin-Onset è considerato il gold standard. In questa procedura, il rilascio dell’ormone del sonno, la melatonina, viene misurato nell’arco di diverse ore in condizioni di illuminazione controllate. Il momento in cui i livelli di melatonina aumentano fornisce un’indicazione molto accurata del cronotipo di un individuo. Tuttavia, questo metodo è costoso, richiede tempo e può essere eseguito solo in condizioni di laboratorio. È quindi difficilmente adatto all’uso di routine negli studi medici o nelle cliniche.

17 geni nelle radici dei capelli rivelano l’orologio interno del corpo

È proprio qui che entra in gioco la nuova scoperta di Berlino. I ricercatori hanno semplicemente raccolto alcuni capelli dai soggetti, insieme alle radici. Le cellule viventi nei follicoli piliferi sono fondamentali in questo caso. Anche queste cellule possiedono orologi biologici funzionanti e riflettono il ritmo circadiano del corpo. Gli scienziati si sono concentrati su 17 geni la cui attività varia in modo caratteristico nel corso della giornata. Alcuni di questi geni sono attivi principalmente al mattino, altri più alla sera o di notte. Nel loro insieme, creano un modello biologico che permette di trarre conclusioni sull’orologio interno del corpo.

Utilizzando moderne tecniche di biologia molecolare e metodi di apprendimento automatico, il team ha sviluppato un algoritmo in grado di analizzare questa attività genica. Sulla base dei dati, il sistema calcola lo stato individuale dell’orologio biologico con una precisione che, secondo i ricercatori, si avvicina a quella delle precedenti misurazioni della melatonina. Per verificare l’affidabilità del metodo, il team di ricerca ha analizzato campioni di capelli provenienti da oltre 4.000 partecipanti. Lo studio ha dimostrato che i campioni potevano essere facilmente inviati per posta. Molti partecipanti hanno raccolto i capelli da soli a casa e li hanno poi inviati ai ricercatori.

I risultati hanno confermato numerose conclusioni di precedenti studi sul cronotipo. In media, i giovani adulti hanno un ritmo biologico più tardivo rispetto alle persone più anziane. Questo spiega, tra le altre cose, perché molti giovani adulti riescono a rimanere svegli più a lungo la sera e hanno maggiori difficoltà ad alzarsi al mattino. Sono emerse anche differenze tra uomini e donne. È interessante notare che queste differenze erano significativamente minori rispetto a quanto suggerito da precedenti studi basati su sondaggi.

Lo stile di vita influenza l’orologio interno più di quanto si pensasse

I risultati relativi all’influenza dei fattori sociali sul ritmo biologico sono stati particolarmente rivelatori. L’analisi dei dati ha mostrato che le persone con orari di lavoro fissi, in media, avevano un orologio interno impostato circa 30 minuti prima rispetto a quelle senza una routine quotidiana regolare. A prima vista, questa differenza può sembrare piccola, ma per i cronobiologi è significativa. Anche spostamenti di pochi minuti possono avere effetti a lungo termine sui modelli di sonno, sulle prestazioni e sulla salute. I risultati suggeriscono che l’orologio interno è influenzato dalle condizioni sociali in misura molto maggiore di quanto si pensasse da tempo. Orari di lavoro, orari di inizio delle lezioni, impegni familiari e routine sociali forniscono a molte persone un ritmo quotidiano fisso a cui il corpo si adatta, almeno in parte. Sebbene l’orologio biologico sia in parte determinato geneticamente, risponde anche a influenze esterne e può cambiare nel corso della vita.

In questo contesto, gli scienziati fanno spesso riferimento a quello che è noto come “jet lag sociale”. Ciò si riferisce alla persistente discrepanza tra l’ora biologica interna del corpo e le esigenze della vita sociale quotidiana. Questo fenomeno è particolarmente evidente nelle persone che devono alzarsi presto nei giorni feriali, anche se il loro orologio interno è in realtà impostato su orari di sonno e risveglio più tardivi. Molte delle persone colpite compensano questo deficit di sonno nel fine settimana dormendo molto più a lungo. Per il corpo, questo crea una situazione simile a un continuo spostamento tra diversi fusi orari.

Ricerche degli ultimi anni dimostrano che il jet lag sociale è molto diffuso. Adolescenti e giovani adulti ne sono particolarmente colpiti, poiché il loro orologio interno è naturalmente impostato su orari di coricarsi più tardivi. Allo stesso tempo, la scuola, l’allenamento o il lavoro spesso iniziano la mattina presto. Ciò crea un persistente disallineamento tra le esigenze biologiche e la realtà sociale. Gli esperti sospettano che questo disallineamento cronico non solo porti a stanchezza e problemi di concentrazione, ma possa anche aumentare il rischio a lungo termine di obesità, disturbi metabolici, depressione e malattie cardiovascolari.

Inoltre, gli stili di vita moderni stanno alterando sempre più i regolatori naturali del tempo del corpo. Per migliaia di anni, l’organismo umano è stato guidato principalmente dall’alternanza di luce diurna e oscurità. Con la diffusione dell’illuminazione elettrica, tuttavia, questo ritmo naturale è cambiato radicalmente. Oggi, molte persone trascorrono la maggior parte della giornata al chiuso e sono contemporaneamente esposte a una quantità significativamente maggiore di luce artificiale la sera rispetto alle generazioni precedenti. I dispositivi elettronici come smartphone, tablet, schermi di computer e televisori svolgono un ruolo particolarmente importante in questo senso. Essi emettono un’elevata percentuale di luce blu, che il cervello percepisce in modo simile alla luce del giorno. Ciò inibisce la produzione dell’ormone del sonno, la melatonina, che normalmente aumenta dopo il tramonto e prepara il corpo al sonno. Di conseguenza, molte persone rimangono sveglie più a lungo la sera e si stancano solo più tardi.

Da anni, quindi, i ricercatori osservano in molti paesi industrializzati uno spostamento progressivo degli orari del sonno. Mentre un tempo le persone andavano a dormire poco dopo il tramonto, per molti oggi la notte biologica inizia solo molto più tardi. Ciò può diventare particolarmente problematico quando le esigenze sociali rimangono immutate ed è ancora necessario alzarsi presto. Il risultato è una privazione cronica del sonno e uno stress duraturo sul sistema circadiano. Anche altri fattori dello stile di vita moderno influenzano l’orologio interno del corpo. Il lavoro a turni è considerato uno dei fattori che alterano maggiormente il ritmo quotidiano naturale. Chi lavora regolarmente di notte e dorme di giorno costringe il proprio corpo a lavorare contro la sua programmazione biologica. Numerosi studi hanno dimostrato che i lavoratori a turni sono più soggetti a disturbi del sonno, problemi metabolici e malattie cardiovascolari. L’Organizzazione Mondiale della Sanità classifica quindi il lavoro notturno a lungo termine come un fattore di rischio potenzialmente cancerogeno.