קצב היממה: ליישר את השעון הפנימי שלך ולשפר את הבריאות שלך

בחיים, העיתוי הוא הכל.

השעון הפנימי של הגוף - קצב היממה - מסדיר מגוון עצום של תהליכים: כאשר אתה ישן ומתעורר, כאשר אתה רעב, כאשר אתה פרודוקטיבי ביותר. בהתחשב בהשפעה המוחשית על כל כך הרבה מהחיים שלנו, אין זה מפתיע כי יש לה השפעה עצומה על הבריאות שלנו גם כן. החוקרים מצאו קשר בין בריאות היממה לבין הסיכון לסוכרת, למחלות לב וכלי דם ולניוון מוחי. זה ידוע גם כי העיתוי של ארוחות ותרופות יכול להשפיע על איך הם metabolized.

היכולת למדוד את השעון הפנימי היא חיונית לשיפור הבריאות והתאמת הרפואה. זה יכול לשמש כדי לנבא מי נמצא בסיכון למחלה לעקוב אחר ההתאוששות מפציעות. זה יכול לשמש גם זמן אספקה ​​של כימותרפיה ולחץ דם ותרופות אחרות, כך שיש להם את האפקט האופטימלי במינונים נמוכים, מזעור הסיכון של תופעות לוואי.

עם זאת, קריאה של השעון הפנימי של אחד בדיוק מספיק נשאר אתגר גדול שינה בריאות היממה. הגישה הנוכחית דורשת לקיחת דגימות של דם של מלטונין בדם - ההורמון השולט על השינה - בשעות היום והלילה, וזה יקר ומכביד מאוד עבור המטופל. זה לא מאפשר לשלב את הערכות קליניות שגרתיות.

עמיתי ואני רצינו להשיג מדידות מדויקות של זמן פנימי ללא צורך בדגימה טורית מכבידה. אני ביולוגית חישובית עם תשוקה לשימוש באלגוריתמים מתמטיים וחישוביים כדי להבין את הנתונים המורכבים. משתפי הפעולה שלי, פיליס זי ורבי אלדה, הם מומחים בעלי שם עולמי בתחום הרפואה לשינה וביולוגיה ביולוגית. בעבודה משותפת, עיצבנו בדיקת דם פשוטה כדי לקרוא את השעון הפנימי של האדם.

האזנה למוסיקה של תאים

קצב היממה נמצא בכל תא בודד בגופכם, בהנחיית השעון המרכזי השוכן באזור הגרעין הסופרכיאטמטי של המוח. כמו השעונים המשניים במפעל ישן, אלה מה שנקרא "פריפריה" שעונים מסונכרנים שעון הורים במוח שלך, אבל גם מתקתקים קדימה בכוחות עצמם - אפילו בצלחות פטרי!

התאים שלך שומרים על זמן דרך רשת של גנים של שעון הליבה, אשר פועלים במגע עם לולאת משוב: כאשר גן אחד נדלק, הפעילות שלו גורמת למולקולה אחרת להפוך אותו בחזרה, והתחרות הזו גורמת לגאות ולזרימה של הפעלת הגן בתוך 24 -מחזור שלך. גנים אלה בתורם להסדיר את הפעילות של גנים אחרים, אשר גם להתנדנד במהלך היום. מנגנון זה של הפעלת גנים תקופתיים מנצח תהליכים ביולוגיים על פני תאים ורקמות, ומאפשר להם להתרחש בסנכרון בשעות ספציפיות של היום.

גילוי גני השעון הליבה הוא כה בסיסי להבנת האופן שבו פונקציות ביולוגיות מתוזמנות על ידי ועדת נובל בשנה שעברה. ג'פרי סי. הול, מייקל רוזבאש ומייקל וו. יאנג זכו יחד בפרס נובל בפיזיולוגיה או ברפואה לשנת 2017 "על תגליותיהם של מנגנונים מולקולריים השולטים על קצב היממה". חוקרים אחרים ציינו כי כ -40% מכל הגנים האחרים להגיב על קצב היממה, לשנות את הפעילות שלהם במהלך היום גם כן.

זה נתן לנו רעיון: אולי נוכל להשתמש ברמות הפעילות של קבוצה של גנים בדם כדי להסיק את הזמן הפנימי של האדם - הזמן שהגוף שלך חושב שהוא, ללא קשר לשעון על הקיר. לרבים מאיתנו יש את הניסיון של תחושה של "מחוץ לסנכרון" עם סביבות שלנו - של הרגשה כאילו זה 5:00 בבוקר למרות האזעקה שלנו מתעקש שזה כבר 7:00 בבוקר זה יכול להיות תוצאה של הפעילויות שלנו להיות מסונכרנים עם השעון הפנימי שלנו - השעון על הקיר הוא לא תמיד אינדיקציה טובה של מה השעה בשבילך. בידיעה איזו השפעה עמוקה יכולה להיות השעון הפנימי על הביולוגיה והבריאות, היינו השראה לנסות למדוד פעילות גנטית כדי למדוד את הזמן הפנימי המדויק בגוף של אדם. פיתחנו את TimeSignature: אלגוריתם חישובי מתוחכם שיכול למדוד את השעון הפנימי של האדם מהביטוי הגנטי באמצעות שתי משיכות דם פשוטות.

תכנון מבחן עמיד

כדי להשיג את המטרות שלנו, TimeSignature צריך להיות קל (מדידה של מספר מינימלי של גנים רק כמה שואבת דם), מדויק ביותר, וחשוב מכל - חזקים. כלומר, זה צריך לספק בדיוק כמו מידה מדויקת של הזמן הפיזיולוגי הפנימי שלך ללא קשר אם היית מקבל שנת לילה טובה, חזר לאחרונה מחופשה בחו"ל, או היו ערים כל הלילה עם תינוק חדש. וזה היה צריך לעבוד לא רק במעבדות שלנו אלא במעבדות ברחבי הארץ וברחבי העולם.

כדי לפתח את הסמן הביולוגי של החותם הגנטי, אספנו עשרות אלפי מדידות כל שעתיים מקבוצת מתנדבים בריאים בריאים. מדידות אלה הראו עד כמה פעיל כל גן בדם של כל אדם במהלך היום. השתמשנו גם בנתונים שפורסמו משלושה מחקרים אחרים שאספו מדידות דומות. לאחר מכן פיתחנו אלגוריתם חדש ללמידה של מכונה, שנקרא TimeSignature, שיכול לחשב בצורה חישובית באמצעות נתונים אלה כדי להוציא קבוצה קטנה של סמנים ביולוגיים שיגלו את השעה ביום. קבוצה של 41 גנים זוהו כסמנים הטובים ביותר.

באופן מפתיע, לא כל הגנים של שעון הזמן הם חלק מהמעגל הידוע "שעון הליבה" - רבים מהם הם גנים לתפקודים ביולוגיים אחרים, כגון המערכת החיסונית, המונעים על ידי השעון להשתנות במהלך היום. זה מדגיש עד כמה חשובה השליטה היומית - השפעתה על תהליכים ביולוגיים אחרים היא כה חזקה, כי אנו יכולים להשתמש בתהליכים אלה כדי לפקח על השעון!

תוך שימוש בנתונים מתוך תת-קבוצה קטנה של מטופלים מאחד המחקרים הציבוריים, הכשרנו את מכונת ה- TimeSignature לחזות את השעה ביום בהתבסס על הפעילות של אותם 41 גנים. (נתונים ממטופלים אחרים נשמרו בנפרד לבדיקת השיטה שלנו). בהתבסס על נתוני האימון, TimeSignature היה מסוגל "ללמוד" כיצד דפוסים שונים של פעילות גנים תואמים את השעות השונות של היום. לאחר שלמדו דפוסים אלה, TimeSignature יכול לנתח את הפעילות של גנים אלה בשילוב כדי להבין את הזמן שגופך חושב שהוא. לדוגמה, למרות שזה יכול להיות 7:00 בחוץ, פעילות הגן בדם שלך עשוי להתאים את הדפוס 5 בבוקר, המציין כי זה עדיין 5:00 בגוף.

לאחר מכן בדקנו את אלגוריתם ה- TimeSignature שלנו על-ידי החלתו על הנתונים הנותרים, והוכחנו שהוא מדויק ביותר: הצלחנו להסיק את הזמן הפנימי של האדם בתוך 1.5 שעות. כמו כן, הוכחנו שהאלגוריתם שלנו עובד על נתונים שנאספו במעבדות שונות ברחבי העולם, דבר המצביע על כך שניתן לאמץ אותו בקלות. הצלחנו גם להוכיח שמבחן ה- TimeSignature שלנו יכול לזהות את קצב ההיממה היומית של האדם בדייקנות גבוהה, גם אם הם היו חסרי שינה או מקולקלים.

הרמוני הבריאות עם הזמן

על ידי הפיכת המקצבים היומיים לקלים למדידה, TimeSignature פותחת מגוון רחב של אפשרויות לשילוב זמן ברפואה מותאמת אישית. למרות החשיבות של מקצבים היממה לבריאות כבר ציין, יש לנו באמת רק גירד את פני השטח כשמדובר בהבנה איך הם עובדים. עם TimeSignature, החוקרים יכולים כעת בקלות לכלול מדדים מדויקים מאוד של זמן פנימי בלימודים שלהם, שילוב זה מדידה חיונית באמצעות רק שתי שואבת דם פשוטה. TimeSignature מאפשר למדענים לחקור כיצד השעון הפיזיולוגי משפיע על הסיכון למחלות שונות, על היעילות של תרופות חדשות, על הזמנים הטובים ביותר ללמוד או לממש, ועוד.

כמובן, יש עדיין הרבה עבודה לעשות. בעוד אנו יודעים כי חוסר היישור של היממה הוא גורם סיכון למחלה, אנחנו עדיין לא יודעים כמה misalignment רע לך. TimeSignature מאפשר מחקר נוסף כדי לכמת את היחסים המדויקים בין מקצבים היממה ומחלה. על ידי השוואת ה - TimeSignatures של אנשים עם או ללא מחלה, אנו יכולים לבדוק כיצד שעון משבש מתאם עם מחלה ולחזות מי נמצא בסיכון.

בהמשך הדרך, אנו מדמיינים כי TimeSignature יעשה את דרכו למשרדו של הרופא, שבו הבריאות היומית שלך יכול להיות פיקוח בדיוק כמו במהירות, בקלות, ובדייקנות כמו בדיקת כולסטרול. לתרופות רבות, למשל, יש זמנים אופטימליים למינון, אבל הזמן הטוב ביותר עבורך לקחת את תרופות לחץ הדם או הכימותרפיה שלך עשוי להיות שונה ממישהו אחר.

בעבר, לא היתה דרך ריאלי מבחינה קלינית למדוד את זה, אבל TimeSignature מאפשר לרופא שלך לעשות בדיקת דם פשוטה, לנתח את הפעילות של 41 גנים, ולהמליץ ​​על הזמן זה ייתן לך את היתרונות היעילים ביותר. אנו יודעים גם כי חוסר היישור של היממה - כאשר השעון של הגוף שלך אינו מסונכרן עם הזמן החיצוני - הוא גורם סיכון שניתן לטפל בו לירידה קוגניטיבית; עם TimeSignature, אנו יכולים לנבא מי נמצא בסיכון, ואת פוטנציאל להתערב כדי ליישר את השעונים שלהם.

מאמר זה פורסם במקור על השיחה על ידי רוזמרי בראון. קרא את המאמר המקורי כאן.