Ett forskarteam vid Charité – Universitätsmedizin Berlin har utvecklat en metod för att fastställa en persons individuella inre klocka med hjälp av endast några få hårsäckar. Resultaten, som publicerats i tidskriften PNAS, betraktas som ett betydande framsteg inom området för cirkadisk medicin. Detta forskningsområde undersöker hur biologiska dygnsrytm påverkar hälsa, sjukdom och effektiviteten hos medicinska behandlingar. På lång sikt kan det nya testet bidra till att bättre anpassa mediciner, diagnoser och terapier till kroppens naturliga rytm, vilket banar väg för ännu mer personlig medicin.

Forskarna, ledda av kronobiologen Achim Kramer, ser sin utveckling som ett sätt att lösa ett centralt problem inom kronobiologin. Även om man i åratal har vetat att nästan alla biologiska processer i kroppen följer ett inre schema, har det hittills inte funnits någon enkel, praktisk metod för att på ett tillförlitligt sätt bestämma denna individuella rytm. Det är precis här den nya hårsäcksanalysen kommer in.

Varför den inre klockan är så viktig

De flesta människor är mest medvetna om sin inre klocka när den hamnar ur synk. Efter en långflygning, vid övergången till sommartid eller vintertid, eller efter flera nätter med otillräcklig sömn, märks det tydligt hur starkt kroppen reagerar på tidsförändringar. Trötthet, koncentrationssvårigheter och nedsatt prestationsförmåga är typiska konsekvenser. I själva verket sträcker sig dock den inre klockans betydelse långt bortom sömnen.

Nästan alla funktioner i människokroppen följer en dygnsrytm – en biologisk cykel på cirka 24 timmar. Blodtryck, kroppstemperatur, hormonnivåer, ämnesomsättning och immunsystemets aktivitet varierar ständigt under dagen. Till och med hjärnans funktion, smärtuppfattning och cellernas regenerativa förmåga styrs av denna biologiska klocka. Forskare tror nu att människokroppen reagerar olika på stress, sjukdom och medicinering vid olika tidpunkter på dygnet. Tiden ses därför alltmer som en självständig biologisk faktor som i framtiden bör beaktas i större utsträckning inom medicinen.

Detta är särskilt tydligt när det gäller hormoner. Medan stresshormonet kortisol når sin topp på morgonen och förbereder kroppen för att vakna, ökar produktionen av sömnhormonet melatonin på kvällen. Det signalerar till kroppen att natten närmar sig. Även immunsystemet fungerar enligt en fast rytm. Studier tyder på att vissa immunreaktioner och inflammatoriska processer kan variera i intensitet beroende på tidpunkt på dygnet.

Dessutom påverkar kroppens inre klocka ämnesomsättningen och hjärt-kärlfunktionen. Blodtrycket, hjärtfrekvensen och kroppens förmåga att bearbeta socker varierar därför under dagen. Forskare misstänker därför att inte bara typen av behandling utan även tidpunkten för behandlingen kan påverka behandlingens framgång. Detta samband undersöks för närvarande intensivt inom cancermedicin, hjärt- och kärlforskning samt sömnmedicin.

Kontrollcentret ligger djupt inne i hjärnan

Under de senaste åren har det också blivit tydligt att ihållande störningar i dygnsrytmen är förknippade med olika hälsoproblem. Skiftarbete, kronisk sömnbrist eller en ihållande konflikt mellan biologisk och social tid är bland annat förknippade med en ökad risk för hjärt- och kärlsjukdomar, metaboliska störningar, depression och fetma. För många forskare har kroppens inre klocka länge varit mer än bara en timer för sömn – den betraktas som ett centralt styrsystem för hela organismen.

En liten struktur i hjärnan, känd som suprachiasmatiska kärnan, ansvarar för att samordna dessa processer. Detta nervcentrum, som bara är några millimeter stort, ligger i hypotalamus och fungerar som kroppens huvudklocka. Det tar emot information om inkommande dagsljus och använder dessa signaler för att synkronisera organismens biologiska rytmer. Under lång tid trodde forskare att denna centrala klocka ensam var ansvarig för att styra det cirkadiska systemet. Nu vet vi dock att nästan varje cell i kroppen har sina egna molekylära tidtagare. Dessa så kallade perifera klockor finns bland annat i levern, hjärtat, immunsystemet och till och med i hårsäckarna. Huvudklockan i hjärnan ser till att alla dessa decentraliserade klockor fungerar så synkroniserat som möjligt. Om detta finjusterade system hamnar ur synk kan det få långtgående konsekvenser. Kroniska störningar i den biologiska rytmen kopplas nu till ett stort antal sjukdomar, däribland hjärt- och kärlsjukdomar, diabetes, fetma, depression och olika ämnesomsättningsstörningar.

Nobelprisbelönad forskning lade grunden

Dagens förståelse av den inre klockan bygger på årtionden av grundforskning. Ett avgörande genombrott gjordes av de amerikanska forskarna Jeffrey Hall, Michael Rosbash och Michael Young. De lyckades dechiffrera de genetiska mekanismerna bakom dygnsrytmen. För detta arbete tilldelades de 2017 års Nobelpris i fysiologi eller medicin.

Forskarna kunde visa att vissa gener i kroppens celler aktiveras och inaktiveras i en regelbunden rytm. Dessa så kallade klockgener genererar biologiska återkopplingsloopar som skapar en nästan exakt 24-timmarscykel. Idag anses det vara fastställt att dessa genetiska processer utgör grunden för människans tidsuppfattning på cellnivå. Upptäckten revolutionerade kronobiologin och öppnade upp nya perspektiv för medicinen. För om gener och celler följer ett fast schema, är det logiskt att även sjukdomar och behandlingar följer ett tidsberoende förlopp.

Cirkadisk medicin: Behandlingar baserade på den biologiska klockan

Cirkadisk medicin växte fram ur denna insikt. Detta forskningsområde utforskar hur behandlingar kan optimeras vad gäller tidpunkten. Målet är att välja läkemedel inte bara utifrån diagnos och dosering, utan också utifrån den biologiskt optimala tidpunkten för administrering.

Det finns redan idag belägg för att vissa läkemedel fungerar bättre vid vissa tider på dygnet än vid andra. Vissa blodtrycksmediciner verkar vara särskilt effektiva på kvällen eftersom de bättre kan kontrollera nattliga blodtryckshöjningar. Tidpunkten på dygnet verkar också spela en roll vid astma, allergier och kronisk smärta. Många tillstånd följer en karakteristisk rytm och uppträder oftare vid specifika tidpunkter.

Forskningen är för närvarande särskilt intensiv inom cancermedicin. Forskare undersöker om immunterapier och kemoterapier skulle kunna vara mer framgångsrika om de administrerades i enlighet med tumör- och immuncellernas biologiska rytmer. Inledande studier ger lovande resultat, även om ytterligare forskning fortfarande behövs. Trots ett växande intresse för kronomedicin har den praktiska tillämpningen hittills varit svår. Anledningen är att det har krävts betydande insatser för att fastställa en individs inre klocka.

Den så kallade Dim-Light-Melatonin-Onset-metoden anses vara guldstandarden. I detta förfarande mäts utsöndringen av sömnhormonet melatonin under flera timmar under kontrollerade ljusförhållanden. Den tidpunkt då melatoninnivåerna stiger ger en mycket exakt indikation på en individs kronotyp. Denna metod är dock dyr, tidskrävande och kan endast utföras under laboratorieförhållanden. Den är därför knappast lämplig för rutinmässig användning på läkarmottagningar eller kliniker.

17 gener i hårrötterna avslöjar kroppens inre klocka

Det är just här den nya utvecklingen i Berlin kommer in. Forskarna samlade helt enkelt in några hårstrån från sina försökspersoner, tillsammans med hårrötterna. De levande cellerna i hårsäckarna är avgörande här. Dessa celler har också fungerande biologiska klockor och speglar kroppens dygnsrytm. Forskarna fokuserade på 17 gener vars aktivitet förändras på ett karakteristiskt sätt under dagen. Vissa av dessa gener är främst aktiva på morgonen, andra mer på kvällen eller natten. Sammantaget skapar detta ett biologiskt mönster som gör det möjligt att dra slutsatser om kroppens inre klocka.

Med hjälp av moderna molekylärbiologiska tekniker och maskininlärningsmetoder utvecklade teamet en algoritm som kan analysera denna genaktivitet. Baserat på data beräknar systemet den biologiska klockans individuella tillstånd med en noggrannhet som, enligt forskarna, ligger nära den hos tidigare melatoninemätningar. För att verifiera metodens tillförlitlighet analyserade forskarteamet hårprover från mer än 4 000 deltagare. Studien visade att proverna enkelt kunde skickas per post. Många deltagare samlade in håret själva hemma och skickade det sedan till forskarna.

Resultaten bekräftade många fynd från tidigare kronotypstudier. I genomsnitt har yngre vuxna en senare biologisk rytm än äldre människor. Detta förklarar bland annat varför många unga vuxna kan hålla sig vakna längre på kvällen och har större svårigheter att komma upp på morgonen. Skillnader mellan män och kvinnor blev också tydliga. Intressant nog var dessa skillnader betydligt mindre än vad tidigare undersökningar hade antytt.

Livsstilen påverkar den inre klockan mer än man tidigare trott

Resultaten avseende sociala faktorers påverkan på den biologiska rytmen var särskilt avslöjande. Analysen av data visade att personer med fasta arbetstider i genomsnitt hade en inre klocka som var inställd cirka 30 minuter tidigare än de utan en regelbunden daglig rutin. Vid första anblicken kan denna skillnad verka liten, men för kronobiologer är den betydande. Även förskjutningar på bara några minuter kan ha långsiktiga effekter på sömnmönster, prestationsförmåga och hälsa. Resultaten tyder på att den inre klockan påverkas av sociala förhållanden i mycket större utsträckning än vad man länge antagit. Arbetstider, skolstarttider, familjeförpliktelser och sociala rutiner ger många människor en fast daglig rytm som kroppen anpassar sig till, åtminstone delvis. Även om den biologiska klockan delvis är genetiskt bestämd, reagerar den också på yttre påverkan och kan förändras under livets gång.

I detta sammanhang talar forskare ofta om så kallad ”social jetlag”. Detta avser den bestående diskrepansen mellan kroppens inre biologiska tid och kraven i det sociala vardagslivet. Detta fenomen är särskilt tydligt hos personer som måste stiga upp tidigt på vardagar, trots att deras inre klocka egentligen är inställd på senare sov- och vakningstider. Många av de drabbade kompenserar för detta sömnunderskott på helgen genom att sova betydligt längre. För kroppen skapar detta ett tillstånd som liknar en ständig förflyttning mellan olika tidszoner.

Forskning från de senaste åren visar att social jetlag är utbrett. Tonåringar och unga vuxna drabbas särskilt hårt, eftersom deras inre klocka naturligt är inställd på senare sänggåendetider. Samtidigt börjar skolan, träningen eller arbetet ofta tidigt på morgonen. Detta skapar en ihållande obalans mellan biologiska behov och den sociala verkligheten. Experter misstänker att denna kroniska obalans inte bara leder till trötthet och koncentrationssvårigheter, utan också kan öka den långsiktiga risken för fetma, ämnesomsättningsstörningar, depression och hjärt-kärlsjukdomar.

Dessutom förändrar den moderna livsstilen i allt högre grad kroppens naturliga tidsmätare. I tusentals år styrdes den mänskliga organismen främst av växlingen mellan dagsljus och mörker. Med spridningen av elektrisk belysning har dock denna naturliga rytm förändrats i grunden. Idag tillbringar många människor större delen av dagen inomhus och utsätts samtidigt för betydligt mer artificiellt ljus på kvällarna än tidigare generationer. Elektroniska enheter som smartphones, surfplattor, datorskärmar och tv-apparater spelar en särskilt viktig roll i detta sammanhang. De avger en stor andel blått ljus, vilket hjärnan uppfattar på samma sätt som dagsljus. Detta hämmar produktionen av sömnhormonet melatonin, som normalt stiger efter mörkrets inbrott och förbereder kroppen för sömn. Som ett resultat av detta håller många människor sig vakna längre på kvällen och blir först trötta senare.

Forskare har därför i flera år observerat en ökande förskjutning av sömntiderna i många industrialiserade länder. Medan människor tidigare somnade strax efter solnedgången, börjar den biologiska natten för många idag först mycket senare. Detta kan bli särskilt problematiskt när samhällets krav förblir oförändrade och det fortfarande är nödvändigt att stiga upp tidigt. Resultatet blir kronisk sömnbrist och en varaktig påfrestning på det cirkadiska systemet. Andra faktorer i den moderna livsstilen påverkar också kroppens inre klocka. Skiftarbete anses vara en av de mest betydande störningarna av den naturliga dygnsrytmen. De som regelbundet arbetar på natten och sover på dagen tvingar sina kroppar att arbeta mot sin biologiska programmering. Många studier har visat att skiftarbetare löper större risk att drabbas av sömnstörningar, metaboliska problem och hjärt-kärlsjukdomar. Världshälsoorganisationen klassificerar därför till och med långvarigt nattarbete som en potentiellt cancerframkallande riskfaktor.