ROLA ZEGARA BIOLOGICZNEGO W SYNCHRONIZACJI PROCESÓW ODPORNOŚCIOWYCH. KRYSTYNA SKWARŁO-SOŃTA 11 grudnia 2014

Transkrypt

1 ROLA ZEGARA BIOLOGICZNEGO W SYNCHRONIZACJI PROCESÓW ODPORNOŚCIOWYCH KRYSTYNA SKWARŁO-SOŃTA 11 grudnia 2014

2 Warunki życia na Ziemi Są określone przez powtarzające się zmiany dobowe, miesięczne i roczne; Dotyczą temperatury, światła i ciemności, pływów księżycowych, pór roku; Wspólną ich cechą jest przewidywalność.

3 Czynniki środowiskowe Zmieniająca się w ciągu roku długość dnia i nocy (fotoperiod), wyznacza sezonowość zmian pozostałych czynników: temperatura, wilgotność, dostępność pokarmu, obecność partnerów seksualnych, drapieżników, kryjówek; Te czynniki dostosowują (synchronizują) przebieg wielu procesów fizjologicznych, wykazujących rytmiczne zmiany w ciągu doby, do zmian warunków środowiskowych.

4 Do czego potrzebne jest odmierzanie czasu? Zdolność przewidywania okresowych zmian warunków środowiska implikuje konieczność istnienia endogennego zegara, odmierzającego czas; Badaniem funkcjonowania zegara u ludzi i zwierząt zajmuje się CHRONOBIOLOGIA

5 06:00 najlepsze wyniki w biegach i pływaniu początek sekrecji melatoniny najczęściej zaczynający się naturalny poród najgłębszy sen szczyt temperatury ciała najwrażliwszy zmysł smaku największa siła i elastyczność mięśni, max wydolność serca i płuc, najlepszy czas na sport 24:00 NOC DZIEŃ szczyt regeneracji skóry najniższa temperatura ciała najbardziej intensywne sny, wzmożone wydzielanie: kortyzolu i insuliny najwyższy poziom testosteronu najszybszy refleks najlepszy czas na wzmacniającą drzemkę najlepsza koordynacja wzrokowo-ruchowa 12:00 najlepszy nastrój wzrost ciśnienia i przyspieszenie tętna spadek wydzielania melatoniny najwyższa wrażliwość i pobudliwość

6 Co to jest zegar biologiczny i do czego służy? Jest to mechanizm, dzięki któremu odbieramy informację o upływie czasu Zegar DZIEŃ NOC Dawca czasu NOC NOC DZIEŃ NOC Kontrolowany proces t Zegar przygotowuje nas do zmian, jakie zajdą w otoczeniu

7 ENDOGENNY ZEGAR: ZASADA DZIAŁANIA WEJŚCIE światło temperatura drogi wejścia OSCYLATOR drogi wyjścia WYJŚCIE rytmy dobowe rytmy wolnobiegnące

8 ENDOGENNY ZEGAR: SYNCHRONIZACJA siatkówka nerw wzrokowy IGN sygnał świetlny SCN oscylator okołodobowy Zapraszam na wykład z Chronobiologii w semestrze letnim rytmicznie wydzielane neurotransmitery

9 ENDOGENNY ZEGAR: DZIAŁANIE CZYNNIKI POBUDZAJĄCE CZYNNIKI HAMUJĄCE GENY ZEGARA Model molekularnego oscylatora okołodobowego Eukaryota

10 Jak zbudowany jest zegar biologiczny i gdzie się znajduje? Droga wejścia Input Oscylator Serce zegara Droga wyjścia Output Zachowanie Jądra nadskrzyżowaniowe podwzgórza - SCN Hormony Układ nerwowy obwodowy

11 Dwa modele organizacji zegara w organizmie człowieka a) Nadrzędny zegar zlokalizowany w SCN kontroluje rytmy wszystkich procesów w organizmie b) Zegary obwodowe występują w większości narządów/tkanek Rola SCN polega na synchronizacji ich pracy, wzajemnej i z warunkami środowiska, za pośrednictwem mechanizmów neuroendokrynowych.

12 Przyjmowanie informacji w wyniku stymulacji immunologicznej Zegary peryferyczne wysyłają zwrotną informację do SCN a także komunikują się między sobą

13

14 Powiązania molekularne między szlakami immunologicznymi i zegarem biologicznym: Heterodimery elementów pozytywnych CLOCK i BMAL wiążą się z sekwencją E-box indukując transkrypcję Per 1-3 i Cry1,2. Białka PER i CRY hamują transkrypcję CLOCK i BMAL, które także kontrolują ekspresję CCCGs. Niektóre z nich są związane z funkcjami odpornościowymi. Receptory jądrowe ROR i REV-ERB stanowią dodatkową pętlę regulacyjną, także związaną z odpornością.

15

16

17

18 SYNCHRONIZACJA ENDOGENNEGO ZEGARA Z WARUNKAMI ŚRODOWISKOWYMI

19 N H CH 2 CH 2 NH 2 serotonina N-acetylotransferaza AA-NAT BIOSYNTEZA MELATONINY aktywność enzymu w szyszynce CH 2 CH 2 NH C CH 3 N H O N-Acetyloserotonina transferaza hydroksyindolo-o-metylowa HIOMT CH 2 CH 2 NH C CH 3 zawartość melatoniny w szyszynce i w krwi N H melatonina O

20 LOSY MELATONINY W ORGANIZMIE [Boutin et al., 2005]

21 MIEJSCA BIOSYNTEZY MELATONINY w ORGANIZMIE KRĘGOWCA: Szyszynka niewielkie ilości, uczestniczące w przenoszeniu informacji o fotoperiodzie, za pośrednictwem receptorów Siatkówka Gruczoł Hardera Szpik kostny Komórki odpornościowe Układ pokarmowy Skóra przypuszczalnie wszystkie komórki organizmu

22 WYSTĘPOWANIE MIEJSC WIĄŻĄCYCH MELATONINĘ W OUN KRĘGOWCÓW gromada SCN układ wzrokowy pars tuberalis pars distalis ssaki ptaki gady płazy Cassone and Natesan, 1997

23 MELATONINA PRODUKOWANA W SZYSZYNCE KRĘGOWCÓW SCN SZYSZYNKA AKSON WSPÓŁCZ. Światło nm MELATONINA JEST HORMONEM CIEMNOŚCI SZLAK SIATKÓWKOWO- PODWZGÓRZOWY RHT MELATONINA ZWÓJ SZYJNY GÓRNY

24 MELATONINA SYNCHRONIZUJE PRACĘ ENDOGENNEGO ZEGARA Droga współczulna Szlak siatkówkowopodwzgórzowy (RHT) regulowane procesy melatonina receptory melatoniny szyszynka

25 zima MELATONINA - ZEGAR I KALENDARZ wiosna lato jesień zima ciemność

26 Czas zegara endogennego (ZT) Rytmy okołodobowe człowieka Temp Ciała o C Hormon wzrostu kortizol Potas w moczu

27 MAPA AKROFAZ WSKAŹNIKÓW FIZJOLOGICZNYCH CZŁOWIEKA PARAMETR: MOCZ NA (meq/godz) K (meq/godz) adrenalina SUROWICA kortizol hormon wzrostu (ng/ml) insulina (mg/ml) cholesterol (mg%) kwas moczowy glukoza mocznik KREW erytrocyty leukocyty płytki krwi hemoglobina aktywność dzienna sen czas (godziny zegarowe)

28 MAPA AKROFAZ WSKAŹNIKÓW PSYCHOFIZJOLOGICZNYCH CZŁOWIEKA PARAMETRY FIZJOLOGICZNE temperatura jamy ustnej częstość skurczów serca ciśnienie skurczowe krwi wentylacja płuc (l/min) objętość moczu (ml/godz.) PARAMETRY PSYCHOLOGICZNE test dodawania (sek.) poczucie upływu czasu (sek.) koordynacja wzrokoworuchowa napęd życiowy nastrój aktywność dzienna sen czas (godziny zegarowe)

29 CHRONOFIZJOLOGIA CZŁOWIEKA - RYTMY SWOBODNIE BIEGNĄCE Przykład ujawnienia się rytmu swobodnie biegnącego aktywności lokomotorycznej i temperatury głębokiej u 26 letniego mężczyzny bez środowiskowych dawców czasu. Wg Wevera

30 SKUTKI PRACY ZMIANOWEJ DESYNCHRONIZACJA ZEWNĘTRZNA Ostra desynchronizacja zewnętrzna ma miejsce po przylocie do nowej strefy czasu lub w chwili rozpoczęcia pracy nocnej lub zmianowej Przewlekła desynchronizacja zewnętrzna (praca zmianowa, nocna)

31 ZESPÓŁ DŁUGU CZASOWEGO jet-pilot syndrom jet-lag zespół transatlantycki DŁUG CZASOWY czas potrzebny, aby wskazania zegarów biologicznych organizmu były zsynchronizowane ze wskazaniami zegara astronomicznego danej strefy geograficznej

32 OBJAWY ZESPOŁU DŁUGU CZASOWEGO zmęczenie, niestrawność, ból głowy kłopoty ze snem, trudności z koncentracją, ogólny spadek formy NASILENIE OBJAWÓW ZALEŻY OD DŁUGOŚCI TRASY PRZELOTU I KIERUNKU W-Z, CZY Z-W

33 MELATONINA JAKO CHRONOBIOTYK PRZEKRACZANIE STREF CZASOWYCH Przesunięcia fazy rytmu lot na wschód, 8 stref czasowych, lot na zachód Loty na wschód wymagają pobrania melatoniny najpierw o 18 nowego czasu (aby zainicjować przyspieszenie fazy rytmu) a następnie przez kilka dni 2 h przed aktualną porą snu; przy lotach na zachód wystarczy pobierać melatoninę w nowej porze udawania się na spoczynek (faza rytmu jest opóźniona).

34 RANO NOCĄ ataki serca udary poranny skok ciśn. agregacja czerw. krwinek bóle głowy zaburzenia utlenowania mózgu w czasie snu uczulenia na pyłki traw reumatoidalne zapalenie stawów astma dna kolka dziecięca wrzody żołądka zgaga ból wynikający z przemęczenia fizycznego

35 CECHY STABILNYCH RYTMÓW BIOLOGICZNYCH: stała sekwencja czasowa akrofaz, stała amplituda, stały poziom dobowy czynniki stabilizujące: czynniki zaburzające: regularny tryb życia, stałe pory snu i pracy, regularne odżywianie, stała strefa geograficzna praca zmianowa, podróże z przekraczaniem wielu stref czasowych, brak synchronizatora świetlnego, stany chorobowe % M A - amplituda - akrofaza M - średnia dobowa rytmy w antyfazie 100 A M 00:00 08:00 16:00 24:00 CZAS (godziny zegarowe) synchronizacja desynchronizacja

36 Czynniki desynchronizujące normalny rytm dobowy biosyntezy melatoniny w szyszynce: Światło w nocy (LAN) Praca zmianowa Loty transkontynentalne Urządzenia wyposażone w LED

37 Skutki działania światła w nocy (np. praca zmianowa) Zwiększona częstotliwość zachorowań na raka piersi i prostaty u osób narażonych na przebywanie w warunkach skażenia światłem

38 Tablet + LED niebieski Tablet bez LED Obniżenie zawartości MELATONINY w ślinie młodych ludzi, korzystających w nocy przez godzinę z urządzeń emitujących (lub nie) światło LED. Ekspozycja na światło LED (Light Emitting Diode) powoduje istotne obniżenie syntezy melatoniny w szyszynce badanych młodych ludzi. Należy poszukiwać chronobiologicznie przyjaznych rozwiązań w telefonach komórkowych i innych urządzeniach emitujących światło.

39 DLACZEGO ŹLE FUNKCJONUJE ZEGAR BIOLOGICZNY LUDZI? Życie 24/7 Globalizacja wymuszająca wzrost aktywności zawodowej Praca zmianowa Nieregularne pory posiłków Podróże transkontynentalne Skażenie światłem (LAN) Urządzenia wyposażone w LED

40 SKAŻENIE ŚWIATŁEM i TOWARZYSZĄCE ZABURZENIA PRACY ENDOGENNEGO ZEGARA SĄ NIEBEZPIECZNYMI SKUTKAMI UBOCZNYMI POSTĘPU CYWILIZACYJNEGO