Circadian Rhythm: Pantayin ang Iyong Panloob na Orasan at Pagbutihin ang Iyong Kalusugan

Sa buhay, ang tiyempo ay lahat.

Ang panloob na orasan ng iyong katawan - ang circadian rhythm - nag-uutos ng napakalalaking iba't-ibang proseso: kapag natutulog ka at gisingin, kapag ikaw ay nagugutom, kapag ikaw ay pinaka-produktibo. Dahil sa napakahalagang epekto nito sa ating buhay, hindi kataka-taka na may malaking epekto din ito sa ating kalusugan. Ang mga mananaliksik ay may kaugnayan sa circadian kalusugan sa panganib ng diabetes, sakit sa puso, at neurodegeneration. Alam din na ang timing ng mga pagkain at mga gamot ay maaaring maka-impluwensya kung paano sila pinalalakas.

Ang kakayahan upang sukatin ang panloob na orasan ay mahalaga sa pagpapabuti ng kalusugan at pag-personalize ng gamot. Maaari itong magamit upang mahulaan kung sino ang nasa panganib para sa sakit at subaybayan ang pagbawi mula sa mga pinsala. Maaari din itong gamitin sa oras ng paghahatid ng chemotherapy at presyon ng dugo at iba pang mga droga upang magkaroon sila ng pinakamainam na epekto sa mas mababang dosis, pagliit ng panganib ng mga side effect.

Gayunpaman, ang tumpak na pagbabasa ng panloob na orasan ay nananatiling isang pangunahing hamon sa pagtulog at kalusugan ng circadian. Ang kasalukuyang pamamaraan ay nangangailangan ng pagkuha ng mga oras-oras na mga halimbawa ng dugo melatonin - ang hormone na kumokontrol ng pagtulog - sa araw at gabi, na kung saan ay mahal at lubos na mabigat para sa mga pasyente. Ginagawa nitong imposible na isama ang mga karaniwang pagsusuri sa klinikal.

Gusto ko ng mga kasamahan ko na makakuha ng tumpak na sukat ng panloob na oras na hindi nangangailangan ng mabigat na serial sampling. Ako ay isang computational biologist na may isang simbuyo ng damdamin para sa paggamit ng matematika at computational algorithm upang magkaroon ng kahulugan ng mga kumplikadong data. Ang aking mga tagatulong, Phyllis Zee at Ravi Allada, ay mga eksperto sa mundo na kilala sa gamot sa pagtulog at biolohiyang circadian. Paggawa ng magkasama, dinisenyo namin ang isang simpleng pagsusuri ng dugo upang basahin ang panloob na orasan ng isang tao.

Pakikinig sa Music of Cells

Ang circadian ritmo ay naroroon sa bawat solong cell ng iyong katawan, ginagabayan ng gitnang orasan na naninirahan sa suprachiasmatic nucleus region ng utak. Tulad ng mga pangalawang orasan sa isang lumang pabrika, ang mga tinatawag na "peripheral" na orasan ay naka-synchronize sa master orasan sa iyong utak, ngunit din nagsusulit sa kanilang sarili - kahit na sa petri dish!

Ang iyong mga cell ay nagpapanatili ng oras sa pamamagitan ng isang network ng mga genre ng core clock na nakikipag-ugnayan sa isang loop ng feedback: Kapag ang isang gene ay lumiliko, ang aktibidad nito ay nagiging sanhi ng isa pang molekula upang i-pabalik ito, at ang kumpetisyon ay nagreresulta sa isang pagbaba at daloy ng activation ng gene sa loob ng 24 -hour cycle. Ang mga gene na ito ay kumokontrol sa aktibidad ng iba pang mga gene, na nagbabagu-bago din sa kurso ng araw. Ang mekanismong ito ng pana-panahong pag-activate ng gene ay nagtatakda ng biological na proseso sa mga selula at tisyu, na nagpapahintulot sa kanila na mag-synchronize sa mga partikular na oras ng araw.

Ang pagkatuklas ng mga genes ng pangunahing orasan ay napakahalaga sa ating pag-unawa sa kung paano pinag-organisa ang biological function na kinikilala ng Nobel Committee noong nakaraang taon. Pinagsama-sama ni Jeffrey C. Hall, Michael Rosbash, at Michael W. Young ang 2017 Nobel Prize sa Physiology o Medicine "para sa kanilang mga tuklas na mekanismo ng molekular na pagkontrol sa circadian rhythm." Sinabi ng iba pang mga mananaliksik na hanggang 40 porsiyento ng lahat ng iba pang mga gene tumugon sa circadian rhythm, pagbabago ng kanilang aktibidad sa kurso ng araw na rin.

Ito ay nagbigay sa amin ng isang ideya: Marahil maaari naming gamitin ang mga antas ng aktibidad ng isang hanay ng mga genes sa dugo upang pagbatihan ang panloob na oras ng isang tao - ang oras na ang iyong katawan sa tingin ito ay, hindi alintana kung ano ang orasan sa pader sabi. Marami sa atin ang nagkaroon ng karanasan sa pakiramdam na "wala sa pag-sync" sa ating mga kapaligiran - ng pakiramdam tulad ng alas-5 ng umaga kahit na ang aming alarma ay nagsasabing mayroon na ngayong 7:00 ng umaga Iyon ay maaaring resulta ng aming mga aktibidad na hindi naka-sync sa ang aming panloob na orasan - ang orasan sa dingding ay hindi palaging isang magandang indikasyon kung anong oras ito para sa iyo nang personal. Ang alam kung ano ang maaaring magkaroon ng panloob na orasan sa biology at kalusugan, kami ay inspirasyon upang subukang sukatin ang aktibidad ng gene upang masukat ang tumpak na panloob na oras sa katawan ng isang indibidwal. Nilikha namin ang TimeSignature: isang sopistikadong computational algorithm na maaaring masukat ang panloob na orasan ng isang tao mula sa ekspresyon ng gene gamit ang dalawang simpleng dugo na kumukuha.

Pagdidisenyo ng isang Matatag na Pagsubok

Upang makamit ang aming mga layunin, ang TimeSignature ay dapat na madaling (pagsukat ng isang napakaliit na bilang ng mga genes sa loob lamang ng isang pares ng dugo na kumukuha), lubos na tumpak, at - pinaka-mahalaga - matatag. Iyon ay, ito ay dapat na magbigay ng tumpak na isang sukatan ng iyong tunay na physiological oras hindi alintana kung nakuha ka ng isang magandang gabi ng pagtulog, kamakailan-lamang ay bumalik mula sa isang bakasyon sa ibang bansa, o ay ang lahat ng gabi sa isang bagong sanggol. At kinakailangan upang magtrabaho hindi lamang sa aming mga laboratoryo kundi sa mga laboratoryo sa buong bansa at sa buong mundo.

Upang bumuo ng biomarker ng signature ng gene, nakolekta namin ang libu-libong sukat bawat dalawang oras mula sa isang pangkat ng mga malusog na boluntaryong may sapat na gulang. Ang mga sukat na ito ay nagpapahiwatig kung gaano aktibo ang bawat gene sa dugo ng bawat tao sa panahon ng araw. Ginamit din namin ang nai-publish na data mula sa tatlong iba pang mga pag-aaral na nakolekta katulad na mga sukat. Pagkatapos ay bumuo kami ng isang bagong algorithm sa pag-aaral ng makina, na tinatawag na TimeSignature, na maaaring maghanap ng computationally sa pamamagitan ng data na ito upang bunutin ang isang maliit na hanay ng mga biomarker na magbubunyag ng oras ng araw. Ang isang hanay ng 41 genes ay nakilala bilang ang pinakamahusay na marker.

Nakakagulat, hindi lahat ng mga gene sa TimeSignature ay bahagi ng kilalang "core clock" na circuit - marami sa kanila ang mga gene para sa iba pang mga biological function, tulad ng iyong immune system, na hinihimok ng orasan upang magbago sa araw. Binibigyang-diin nito kung gaano kahalaga ang kontrol ng circadian - ang epekto nito sa iba pang mga biological na proseso ay napakalakas na maaari naming gamitin ang mga prosesong iyon upang subaybayan ang orasan!

Paggamit ng data mula sa isang maliit na subset ng mga pasyente mula sa isa sa mga pampublikong pag-aaral, sinanay namin ang TimeSignature machine upang mahulaan ang oras ng araw batay sa aktibidad ng 41 genes na iyon. (Ang data mula sa iba pang mga pasyente ay pinanatiling hiwalay para sa pagsubok sa aming pamamaraan.) Batay sa data ng pagsasanay, ang TimeSignature ay "matutunan" kung paano naiiba ang iba't ibang mga pattern ng aktibidad ng gene na may magkakaibang oras ng araw. Ang pagkakaroon ng natutunan ang mga pattern, maaaring mag-aralan ng TimeSignature ang aktibidad ng mga gene na ito upang maisagawa ang oras na inaakala ng iyong katawan na ito. Halimbawa, bagaman maaari itong 7 a.m. sa labas, ang aktibidad ng gene sa iyong dugo ay maaaring tumutugma sa 5 a.m. pattern, na nagpapahiwatig na ito ay 5 ng umaga pa sa iyong katawan.

Pagkatapos ay sinubukan namin ang aming TimeSignature algorithm sa pamamagitan ng paglalapat nito sa natitirang data, at nagpakita na ito ay lubos na tumpak: Natutunan namin ang panloob na oras ng isang tao sa loob ng 1.5 oras. Nagpakita din kami ng aming algorithm na gumagana sa data na nakolekta sa iba't ibang mga laboratoryo sa buong mundo, na nagmumungkahi na ito ay madaling mapapatibay. Napagpakita din namin na ang aming TimeSignature test ay maaaring makilala ang intrinsic circadian ritmo ng isang tao na may mataas na katumpakan, kahit na kung sila ay natutulog sa pagtulog o jet-lagged.

Pagsasama ng Kalusugan Sa TimeSignature

Sa pamamagitan ng paggawa ng circadian rhythms madaling sukatin, ang TimeSignature ay nagbubukas ng malawak na hanay ng mga posibilidad para sa pagsasama ng oras sa personalized na gamot. Kahit na ang kahalagahan ng circadian rhythms sa kalusugan ay nabanggit, talagang lamang namin scratched ang ibabaw pagdating sa pag-unawa kung paano gumagana ang mga ito. Sa TimeSignature, madali nitong isama ng mga mananaliksik ang lubos na tumpak na mga panukala ng panloob na oras sa kanilang pag-aaral, kasama ang mahalagang pagsukat na ito gamit lamang ang dalawang simpleng dugo na kumukuha. Ang TimeSignature ay nagbibigay-daan sa mga siyentipiko na siyasatin kung paano nakakaapekto ang pisyolohikal na orasan sa panganib ng iba't ibang sakit, ang epekto ng mga bagong gamot, ang pinakamahusay na mga oras upang mag-aral o mag-ehersisyo, at higit pa.

Siyempre pa, marami pang gawain na dapat gawin. Habang alam namin na ang circadian misalignment ay isang panganib na kadahilanan para sa sakit, hindi pa namin alam kung gaano kalaki ang pagkakamali ng badyet para sa iyo. Ang TimeSignature ay nagbibigay ng karagdagang pananaliksik upang matukoy ang mga tiyak na relasyon sa pagitan ng circadian rhythms at sakit. Sa pamamagitan ng paghahambing ng mga TimeSignatures ng mga tao na may at walang sakit, maaari naming siyasatin kung paano ang isang disrupted orasan nauugnay sa sakit at mahulaan kung sino ang nasa panganib.

Sa ilalim ng kalsada, nakita namin na ang TimeSignature ay gagawin sa opisina ng iyong doktor, kung saan ang iyong kalusugan ng sirkadian ay maaaring masubaybayan nang mabilis, madali, at tumpak na bilang isang pagsubok sa kolesterol. Maraming droga, halimbawa, ay may pinakamainam na panahon para sa dosing, ngunit ang pinakamainam na oras para sa iyo na kumuha ng gamot sa iyong presyon ng dugo o chemotherapy ay maaaring naiiba sa ibang tao.

Noon, walang clinically feasible na paraan upang masukat ito, ngunit ginagawang posible ng TimeSignature ang iyong doktor na gawin ang isang simpleng pagsusuri ng dugo, pag-aralan ang aktibidad ng 41 genes, at irekomenda ang oras na magbibigay sa iyo ng pinakamabisang mga benepisyo. Alam din namin na ang circadian misalignment - kapag ang orasan ng iyong katawan ay hindi naka-sync sa panlabas na oras - ay isang itinuturing na panganib na kadahilanan para sa nagbibigay-malay na pagtanggi; may TimeSignature, maaari naming mahuhulaan kung sino ang nasa panganib, at potensyal na mamagitan upang ihanay ang kanilang mga orasan.

Ang artikulong ito ay orihinal na na-publish sa The Conversation ni Rosemary Braun. Basahin ang orihinal na artikulo dito.