Kronobiológia, a napszaki ritmus megváltozásának szerepe anyagcsere- és cardiovascularis betegségekben

A napszaki (cirkadián) ritmus definíciója szerint, egy élőlényeket jellemző, megközelítőleg 24 órás periodicitást mutató biológiai aktivitásváltozás. A korai, főleg növényeket megfigyelő kutatások után egyértelművé vált, hogy egyéb fajokban a napszaki ritmus kialakulása és fenntartása egy az evolúció során a környezethez való alkalmazkodás létfontosságú eleme. A napi ritmus a legtöbb emlős szervrendszer működésére jellemző és egészen az ember megjelenéséig fennmaradt.

A napszaki óra anatómiai felépítése

A centrális óra

A cirkadián óra összetett két, egymással szorosan összefüggő, de egyenként is önálló működésre képes egy centrális és egy perifériás körből áll. A legtöbb információnk a központi óra működéséről van. Ezt a hypothalamus suprachiasmaticus magja (SCN) szabályozza. Az SCN számos területről kap beidegzést, melyeket feldolgoz, integrál és a periféria felé vezérlésként működik.

A SCN további két részre osztható, egy ventrolaterális és egy dorzomediális magcsoportra. Az előbbi direkt összeköttetésben áll a retinohypothalamicus pályán (RHT) keresztül a retinán elhelyezkedő melanopszin tartalmú speciális fotoszenzitív ganglionsejtekkel (pRGC), információt szolgáltatva a napszakok váltakozásáról. A ventrolaterális sejtekből a beérkező inger hatására vazoaktív intesztinális polypeptid (VIP), glutamát és pituitary adenylate cyclase-activating peptide (PACAP) szabadul fel, melyek számos jelátviteli folyamatban játszanak fontos szerepet. Az egyik legfontosabb folyamat a kromatin remodelláció, amelynek következtében indukálják a period circadian clock 1 és 2 (PER1, PER2) óragéneket.

A dorzomediális terület feltételezések szerint önálló 24 órás endogén aktivitással rendelkezik a megvilágítástól függetlenül, akár állandó sötétségben is. A mag további két fő útvonalon, a geniculohypothalamicus traktus (GHT) és egy szerotoninerg (5HT) pálya a középagy dorzális és mediális raphe magvaiból (DRN, MRN). Míg a retinohypothalamicus út a fotoszenzitív információkat szolgáltatja, addig a GHT a nem fotópikus, például a táplálkozási és hőmérsékleti hatások által generált ingereket juttatják el. A pályák egymással is összeköttetésben állnak az RHT projekciót ad az intergenicularis magcsoporthoz (IGL), mely a GHT-n keresztül fény hatására az SCN-ben neuropeptid Y (NYP) és gamma-amino-vajsav (GABA) felszabadulását idézi elő. Ezzel indirekt módon lehetővé teszi a RHT-n beérkező fotópikus információ finom hangolását. Ezen túlmenően az IGL a DRN-ból is kap beidegzést a nem fotópikus változásokról. Ennek köszönhetően a kétféle jeltípus integrációja jön létre. A suprachiasmaticus magba érkező projekciók tehát összetett és egymással szoros kölcsönhatásban álló traktusok összessége

A SCN-ben található neuronokról az ingerület a gerincvelő intermediolaterális kötegén át a cervicalis superficiális dúcban kapcsolódik át. Az innen kiinduló postganglionáris axonok a tobozmirigyhez (glandula pinealis) vezetnek. Ennek a szervnek a fő feladata a melatonin (N-acetyl-methoxytryptamin) hormon szintézise, amely az alvás-ébrenlét ciklus modulálásában játszik kiemelkedően fontos szerepet. A kapcsolási sornak köszönhetően, ha a retinát kisebb megvilágítás éri csökken a speciális fotoszenzitív receptorok tüzelési frekvenciája, negatív feedback jelet idézve elő a melatonin szekrécióra. Így nem meglepő, hogy legalacsonyabb koncentrációját hajnali kettő és négy óra között éri el. Az életkor előrehaladtával a tobozmirigy állománya kalcifikációnak indul, csökkentve ezzel a szekréciós kapacitását, amely magyarázata lehet az időskorban frekventáltabban előforduló alvászavarnak.

Mindezek mellett az autonóm idegrendszernek is fontos szerepe van a magcsoport pacemaker funkciójának kiterjesztésében. Az SCN által modulált paraventriculáris magcsoportból a DMV-ben átkapcsolódó paraszimpatikus, illetve az ILM-ben átkapcsolódó szimpatikus projekció indul a mellékveséhez. Ily módon befolyásolja a központ a szerv adrenokortikotrop hormon (ACTH) érzékenységét. Ezenfelül a retinán érzékelt fényintenzitás változás hatással van a mellékvese glükokortikoid termelésére és a génexpresszióra. Ez bizonyos mértékben megmagyarázhatja, hogy a napszaki ritmus felborulása (pl. váltott műszakú munkavégzés, időzónákon át történő utazás), hogyan okozhatnak metabolikus zavarokkal járó kórképeket (diabetes, hipertónia, elhízás).

A perifériás óra

A központi, idegrendszeri szabályozás mellett, napjainkban egyre több adat bizonyítja, hogy a szervezetből kivett (a központi idegrendszeri szabályozás alól felszabadult) perifériás szövetekben in vitro is megfigyelhető ritmusos működés. Egér májszövetéből létrehozott szuszpenziós sejtkultúra oxigénfogyasztása cirkadián ingadozást mutatott, amelyet megerősítettek több más szövet esetén is. Önálló cirkadián aktivitást igazoltak máj, tüdő, vese, lép, hasnyálmirigy, szív, gyomor, harántcsíkolt izom illetve a mellékvese esetében..

A perifériás szövetek esetében a szisztémás órára az autonóm központi idegrendszeri szabályozáson felül a környezeti változásokhoz való alkalmazkodásban játszhat szerepet a perifériás óra intakt szabályozása. A tápanyag és a hőmérséklet változása az a két legfontosabb inger, ami a perifériás óragének működését befolyásolja. Sejttenyészetekben az óragének szinkronizációját is a szérum sokk idézi elő, alátámasztva ezeket a megfigyeléséket.

Élettani és kórélettani jelentősége a máj endo- és xenobiotikum detoxikálásában, az izom és zsírszövet lipid- és szénhidrát-metabolizálásában, a vese vérátáramlásában és a diurézisében, továbbá számos kardiovaszkuláris paraméter ingadozásának a szabályos felbomlásában van.

A ritmikus működés hátterében összetett, többszörösen visszacsatolt molekuláris mechanizmusok állnak. A rendszer alapvetően két egymáshoz kapcsolódó szabályozási körből áll. A primer visszacsatolási hálózat elemei CLOCK és az Aryl hydrocarbon receptor nuclear translocator-like protein 1 (ARNTL vagy BMAL1), amelyek a hélix-loop-hélix (bHLH) struktúrával rendelkező Period-Arnt-Single (PAS) transzkripciós faktor család tagjai. Ezek egymással heterodimert alkotva serkentik az E-boxot tartalmazó enhancer cisz-regulátorokat, beleértve a period (PER1, PER2, PER3) és cryptochrom (CRY1, CRY2) gének átíródását. Negatív válaszjelként a PER és CRY retranszlokálódnak a sejtmagba, majd gátolják saját transzkripciójukat a CLOCK:ARNTL komplexen keresztül. Ezenfelül a heterodimer egy másik regulációs szignálon keresztül aktiválja a Nuclear receptor subfamily 1, group D, member 1 (NR1D1 vagy RevErbα) és Retinoid-related orphan receptor α (RORα) gének transzkripcióját. Ezen autoregulációs visszacsatolási folyamatok eredményeképp az óragének egy megközelítőleg 24 órás ciklusa jön létre, mely ritmikusan oszcillál. Ennek létrejöttében és további működésében számos poszttranszlációs modifikáció, például foszforilációs és ubikvitinációs mechanizmusok játszanak kulcsfontosságú szerepet.

Klinikai következmények

Centrális cirkadián óra és a hypothalamus- hypophysis–mellékvesekéreg tengely kapcsolata

A hypotalamusz neuroendokrin sejtjei kortikotropin felszabadító hormont (CRH) termelnek, amely serkenti a hypophysis mellső lebenyében található sejtek ACTH elválasztását. Ennek hatására a mellékvesekéregben fokozott glükokortikoid szintézis indukálódik, amely a hormonszint emelkedésével negatív visszacsatolást idéz elő a kortikotrop sejtek ATCH termelésében. A rendszer megfelelő működése, csak a CRH és a kortikoszteroidok pulzatilis szekréciójával jöhet létre. A kortikoszteroidok emberben ébredés előtt, a biológiailag aktív napszak kezdetén érik el csúcs plazmakoncentrációjukat., ami kb. 5x nagyobb mint az éjszaka, alvás alatt mért koncentráció. A centrális szabályozásban  számos neuropeptid: arginin, tumor nekrózis faktor (TNF), prokineticin-2, cardiotrophin-like cytokin, neuromedin illetve a vasopressin is szerepet játszik

A fokozott kortizol termelés vagy a kortizol napszaki ritmusának eltűnése jellegzetesen a hypophysis ACTH termelő vagy a mellékvese kortizolt termelő daganatai következtében kialakuló Cushing kórra utal. Ugyanakkor számos adat bizonyítja, hogy a kortizol napszaki ritmusának felborulása oka lehet a metabolikus szövődmények, a csökkent inzulin érzékenység, elhízás kialakulásában valamint számos cardiovascularis kórkép esetében is kóroki faktorként szerepelhet.

Metabolikus eltérések a cirkadián rendszer eltérései miatt

A metabolikus szövődmények kialakulása egyrészről a hasnyálmirigy kóros funkciójára vezethető vissza. A hasnyálmirigy exokrin része felelős az  emésztőenzimek, míg endokrin része a metabolizmushoz nélkülözhetetlen hormonok (inzulint, glukagont és szomatosztatin) termeléséért. Ez utóbbi funkcióban bekövetkező változások felelősek a leggyakoribb, népegészségügyi problémát okozó 2-es típusú diabétesz és metabolikus szindróma kialakulásáért.

A napszaki ritmus és a hasnyálmirigy funkció közötti kapcsolatról számos klinikai vizsgálati eredmény látott napvilágot. A napszaki ritmust befolyásoló munkavégzés illetve fájdalom vagy  egyéb neurológiai vagy pszichiátriai okok miatt kialakuló alváshiányban szenvedők között a 2-es típusú cukorbetegség kialakulása gyakoribb volt, mint a csak nappal dolgozókban.

Állatmodellekben igazolták, hogy a folyamatos fényexpozíció hatására a vad típusú és diabéteszre hajlamos egerekben a bioritmus külső befolyásolása miatt, a hajlamos állatokban már 10 hét után romlott az éhgyomri vércukorszint és a glükóz-stimulált inzulin szekréció, valamint csökkent a béta-sejt tömege és az inzulin érzékenysége. Másik megfigyelés volt, hogy az Arntl óragén kiütött kisállatokban cukorbetegség alakult ki a glükóz stimulált inzulin szekréció elvesztése miatt.

Humán vizsgálatokban összefüggést mutattak ki egy a CRY2 gént érintő polimorfizmus és az emelkedett éhomi vércukorszint között, illetve 2-es típusú diabéteszes betegek és egészséges emberekből származó szigetsejt minták vizsgálata során a Per2, Per3 és Cry2 mRNS szignifikánsan alacsonyabb volt a beteg mintákban. A Per2 és Cry2 expresszió pozitívan korrelált az inzulin, míg negatívan a glikált hemoglobin szintekkel. Ezek a tanulmányok is megerősítik, hogy az óragéneknek meghatározó szerepét van a szigetsejtek normál működésében

A hasnyálmirigy mellett a máj a másik olyan szervünk, amelynek vizsgálata összefüggést igazolt a cirkadián funkció megváltozása és a májszövet funkciójának károsodása között. A májsejtekben expresszálódó gének közül számos áll glükokortikoid szabályozás alatt. Ugyanakkor a máj metabolikus funkciójában kulcsfontosságú enzimjei közül a glukokináz, az 5-hidroxi-3-metil-koenzim-A reduktáz (HMG-CoA- reduktáz), a glukóz-6-foszfatáz és az S-adenozil-metionin-dekarboxiláz szintje szignifikáns mértékben lecsökkentek a Clock óragén homozigóta mutáns egerekben, ami a arra utal, hogy a ezeknek a géneknek az expressziója a máj perifériás óráján keresztül is szabályozott.

Fontos megfigyelés, hogy az óragének részt vehetnek az egyes károsító ágensekkel szemben protektív hatás szabályozásában is. A Per2-nek szerepe lehet a szén-tetraklorid mérgezésre bekövetkező gyulladás és fibrózis megelőzésében. A Per2 génkiütött kisállatokban szignifikánsan magasabbnak bizonyult epevezeték elzáródásban az extracelluláris mátrix felhalmozódása a kontroll csoporthoz képest, aminek hátterében a fibrózis asszociált gének drámai emelkedése állhat.

A cirkadián óra fiziológiás működését károsító hatások és az inzulin rezisztencia kialakulásához vezető oka lehet a máj inzulin érzékenységéért felelős hiszton deacetiláz sirtuin 1 (SIRT1) gén ritmikus oszcillációjának kiesése. Ez a gén a Clock/Arntl szabályozása alatt áll, így az óragének megváltozott expressziója maga után vonja a SIRT1 expressziójának megváltozását,  ami közvetett módon az inzulinrezisztencia és következményes 2-es típusú cukorbetegség kialakulásához vezethet.

A júniusi számban referált tanulmányok közül  Bersmeier és mtsai. igazolták, hogy alvászavarok összefüggést mutattak a nem alkoholos zsírmáj súlyosságával és az inzulinrezisztenciával.

A nap közbeni álmosság a cirrhosistól függetlenül szignifikáns korrelációt mutatott a májenzimek (GOT, GPT) szintjével és az inzulinrezisztenciával (HOMA-IR) a betegekben, de nem az egészséges kontrollszemélyekben. A fibrosis súlyossága nap közbeni álmossággal is összefüggött.

Cardiovascularis rendszer és a circadián rendszer

A cardiovaskularis patofiziológia egyes aspektusai és a szív-érrendszer egyes betegségei (pl. myocardialis infarktus, ischaemiás, arrythmiás epizódok és haemorrhagiás stroke) incidenciája diurnális variabilitást mutat, csúcsát, hasonlóan a kortizolhoz a kora reggeli órákban éri el. Másik fontos klinikai megfigyelés, hogy a több műszakban foglalkoztatottak körében az elhízás, a metabolikus zavarok és a T2DM gyakoribb előfordulású, ami a nem kívánt cardiovascularis betegségek kialakulását is elősegítik.  Smolensky MH és mtsai tanulmánya felhívja  a figyelmet arra, hogy a hagyományos hosszú hatású vérnyomáscsökkentő gyógyszerek antihipertenzív hatása függ – gyakran igen nagymértékben – a gyógyszerszedés cirkadián idejétől.

A 24 órás vérnyomás szabályozásában központi idegrendszeri, endokrin, endothelialis, renális hemodinamikai stb. tényezők játszanak szerepet, mind olyan tényező, amit a napszaki szabályozás szintén befolyásol. Az antihypertenzív kezelés során azokat a készítményeket, amelyek direkt vagy indirekt módon a szimpatikus idegrendszerre vagy a renin-angiotenzin-aldoszteron rendszerre (RAAS) fejtik ki hatásukat (pl. alfa-blokkolók, béta-blokolók, kalciumcsatorna-blokkolók [CCB, calcium channel blocker], angiotenzinkonvertáló enzim inhibitorok (ACEI, angiotensin converting enzyme inhibitor] és angiotenzinreceptor-blokkolók [ACEI, angiotensin converting enzyme inhibitor]) − inkább lefekvés előtt kell bevenni. Több klinikai vizsgálat − többek között a a nagy esetszámú HOPE és a MAPEC tanulmányok − is igazolták, hogy az egy vagy több hagyományos hosszú hatású vérnyomáscsökkentő szerből álló terápiás séma lefekvéskor történő alkalmazása jobb 24 órás vérnyomáskontrollt biztosít, és nagyobb védelmet nyújt a nemfatális és fatális stroke, a kardiális és egyéb kardiovaszkuláris események előfordulásával szemben, mint a hagyományos reggeli kezelési stratégia. A MAPEC volt az első olyan prospektív vizsgálat, melyet specifikusan annak a hipotézisnek a bizonyítására terveztek és folytattak le, hogy a lefekvéskor alkalmazott kronoterápia (BTCT [bedtime chronotherapy]: egy vagy több hosszú hatású vérnyomáscsökkentő szer teljes dózisa) jobb 24 órás vérnyomáskontrollt biztosít és hatékonyabban csökkenti a kardiovaszkuláris kockázatot, mint a hagyományos reggeli terápia (CMTT, concentional morning time therapy). Ebben a vizsgálatban normotenziós és tartósan hipertenziós betegeket (ez utóbbiba beletartoztak a krónikus vesebetegségben és a 2-es típusú diabéteszben szenvedők is) randomizáltak CMTT-re vagy BTCT-re, és a betegeket mediánértékben 5,6 éven át követték nyomon. Ahogyan az várható is volt, BTCT mellett szignifikánsan alacsonyabb volt az alvás közben meghatározott átlagos vérnyomás, és jelentősebb volt a vérnyomás alvás közbeni csökkenése, mint a CMTT-re sorolt betegeknél. Ennél is fontosabb megfigyelés volt, hogy a CMTT-hez képest a BTCT kifejezettebben csökkentette a kardiovaszkuláris kockázatot – ezen belül a kardiovaszkuláris események (kardiovaszkuláris halálozás, myocardialis infarktus, ischaemiás és haemorrhagiás stroke) előfordulását.

A MAPEC vizsgálat másik fontos megállapítása volt, hogy az ambuláns vérnyomásmonitorozással meghatározott alvás közbeni átlagos SBP megbízhatóbban jelezte előre a kardiovaszkuláris kockázatot, mint a 24 órás vérnyomásprofil más jellemzői és paraméterei. A gyógyszeres kezelés mellett megfigyelt, ambuláns méréssel meghatározott vérnyomásváltozások mediánértékben 5,6 éves nyomonkövetése azt igazolta, hogy az alvás közbeni átlagos SBP minden 5 Hgmm-nyi csökkenése 17%-kal csökkentette a kardiovaszkuláris kockázatot. Ez BTCT-vel jóval könnyebben elérhető volt.

A feltételezések szerint a hagyományos formulában alkalmazott vérnyomáscsökkentő gyógyszerek lefekvéskor történő bevétele – a reggeli gyógyszerszedéssel összehasonlítva − jobban megfelel a cirkadián ritmust meghatározó tényezők napszaki változásainak. A MAPEC vizsgálat eredményei azt igazolják, hogy az optimálisan időzített, a cirkadián ritmushoz igazított vérnyomáscsökkentő kezelés lényegesen eredményesebben csökkenti a vérnyomást.

A mechanizmus alapját állatkísérletek igazolták. A vese a vérnyomás szabályozásában kulcsszerepet játszik. A vese proximális tubulusában a nátrium 60%-a kerül visszaszívásra. Itt található a nátrium-hidrogén kicserélő csatorna (NHE3) és a nátrium-glükóz transzporter (SGLT1), amelyek expressziója perifériás cirkadián óra által szabályozott. A gyűjtőcsatorna nátrium reabszorbcióját befolyásoló epitheliális nátrium csatornát kódoló gén expressziója Per1 szabályozása alatt is áll, a Per1 kiütése egerekben kifejezettebb vérnyomás esést hoz létre a vad típusú kontroll csoporthoz képest.

Összefoglalás

A biológiai óra megfelelő működéséhez a rendszernek alkalmazkodnia kell a környezeti változásokhoz. A szervezet összehangolt ritmusához a központi, idegi szabályozás mellett az optimális alkalmazkodáshoz szükséges a perifériás órák összehangolt működése is. A központ elvesztése a szöveti sejtek deszinkronizációját eredményezi, de ahogyan az állatkísérletek igazolták, a szervezet működéséhez egy jól működő perifériás óra is nélkülözhetetlen a szöveti ritmus kialakításához, ami biztosítja a környezethez való alkalmazkodást. A perifériás cirkadián órák szisztémás szabályozása az autonóm idegrendszer, endokrin faktorok, hőmérséklet és helyi homeosztatikus tényezők által történik. Számos olyan endogén és exogén (táplálék, gyógyszerek, életmód..) tényezők ismertek, amelyeknek a figyelembevételével, az egyes szervek szinkronizált működésének fenntartásán keresztül számos, akár nagyon gyakori megelőzhető lenne.

Irodalomjegyzék

Bernsmeier C, et al. Sleep disruption and daytime sleepiness correlating with disease severity and insulin resistance in non-alcoholic fatty liver disease: A comparison with healthy controls. PLoS ONE. 2015;10:e0143293

Smolensky MH, et al. Circadian mechanisms of 24-hour blood pressure regulation and patterning. Sleep Med Review . 2016 Mar 2. pii: S1087-0792(16)00019-8. doi: 10.1016/j.smrv.2016.02.003.

Corella D, et al. CLOCK gene variation is associated with incidence of type‑2 diabetes and cardiovascular diseases in type‑2 diabetic subjects: dietary modulation in the PREDIMED randomized trial. Cardiovasc Diabetol. 2016;15:4−15.

Nagy Zsolt, Rácz Károly, Patócs Attila: A perifériás cirkadián órák jelentősége az anyagcserezavarok kialakulásában MAGYAR BELORVOSI ARCHIVUM 67:(6) pp. 374-380. (2014)