Cirkadián ritmusok: "food entrainable oscillator (FEO)"

Cirkadián ritmus

Bevezetés

A cirkadián ritmus egy olyan, nagyjából 24 órás ciklus, ami az élőlények élettani folyamataiban és viselkedésében lép fel.Neve latin eredetű kifejezés, lefordítva: „körülbelül egy nap”.

Működése, kritériumai

Az emlős genom legalább egy tucat olyan gént kódol, amelyek közvetlen kapcsolatban állnak a feedback loops szabályozásaival, melyek a cirkadián ritmust alkotják. A cirkadián rendszer oszcillátorok sokaságán alapszik, melyek hierarchikus sorrendbe rendeződnek. A hipotalamusz suprachiasmatikus magjának (továbbiakban SCN) neuronjai vezérlik a központi cirkadián órát, a többi testi sejt feltehetőleg olyan molekuláris komponensek birtokában lehet, melyek lehetővé teszik a többi perifériás óra kialakítását (Pardini és Kaeffer, 2006).

A cirkadián órák lokális ritmusokat diktálnak, annak érdekében, hogy a biokémiai és élettani folyamatok, feldolgozások az optimális funkcionáláshoz legmegfelelőbb időben történjenek. A homeosztatikus és viselkedési ritmusokat körülbelül 24 órás ablakban vezérlik, hogy a táplálkozás, ivás, párzás az állat aktív fázisában történjen, az alvás pedig a pihenési fázisban (Carneiro és Araujo, 2012).

A központi cirkadián óra fény ingerek hatására indul újra, ezeket a retina melanopszin sejtjei fogják és dolgozzák fel. Ez határozza meg a lokomotor aktivitást és az azzal járó fiziológiás szabályozó utakat, mint például a táplálkozás és az anyagcsere. Ez a központi óra határozza meg a perifériás oszcillátorok működését, melyek szinkronizálhatóak a nem fény eredetű környezeti ingerekkel, és függetleníthetők a cirkadián jel természetétől és erősségétől függően (Pardini és Kaeffer, 2006). Fényen kívül non-fotikus tényezők is befolyásolják a ritmust (például táplálékfelvétel), ez lokomotoros aktivitás növekedésében nyilvánul meg a várható étel elérhetőség előtti órákban. Ezt a jelenséget 1922-ben írták le először, később FAA-ként (=food anticipating activity) vált ismertté (Carneiro és Araujo, 2012).

Humán vonatkozás

A humán cirkadián óra működése most is kutatások alatt áll, annak érdekében, hogy növelhessük a meghatározott időnkénti gyógyszer- és sugárkezelés terápiás hatékonyságát. Mindemellett fontos, hogy hatékonyabb és pontosabb tanácsokat tudjunk szolgáltatni a megvilágítás és az étkezések időzítéséről olyan gyakori utazóknak, akik jetlagtől szenvednek, illetve az éjszakai műszakban dolgozóknak. Ez idáig azonban a cirkadián órák pontos molekuláris mechanizmusa a szinkronizáló tényezők sokaságán keresztül (fény, etetés, fizikai vagy szociális tevékenységek) rejtély maradt (Pardini és Kaeffer, 2006).

Food entrainable oscillator -FEO

Bevezetés

Az emlősök napi táplálékra váró aktivitást mutatnak a táplálék elérhetőségi ciklusaiban. Ezt főleg éjszakai rágcsálókban vizsgálták. Ezt a (fent említett) FAA-t a FEO viselkedésben kifejeződő kivetüléseként azonosították, amely független az eddig ismert LEO-tól (light entrainable oscillator), mely az SCN-ban helyezkedik el.

Vizsgálatok:

• lehetséges input jelek a FEO számára
• FEO szubsztrátok
• clock gének fontossága
• az időzített etetés lehetséges gyakorlati alkalmazása

Ezen pontokat a későbbi bekezdésekben részletezzük.

A cirkadián óra szinkronizácója etetések által, a food anticipatory viselkedés cirkadián alapja

Kísérletek:

• Az aktivitás nem fokozódik a várt módon, ha 19 óra alatti vagy 29 óra feletti időtartam eltelte után történik a ciklikus etetés. Ez az első bizonyíték, hogy ha túlságosan eltérünk a 24 órás ciklustól, akkor nem mutatkozik FAA.
• Akkor is fennáll FAA, ha teljes az ételmegvonás, de az ezt megelőző napokban tervszerű időközönkénti etetésnek voltak kitéve az állatok, ugyanabban az időben. Az FAA fennmaradása stimulus hiányában is feltételezni engedi, hogy ez egy önfenntartó időzítő mechanizmus (Carneiro és Araujo, 2012).

Clock gének szerepe

Restricted feeding: olyan módszer, amely a napi táplálék felvételi lehetőséget egy alkalomra korlátozza, indukálva az FAA-t a rágcsálókban. Ez magába foglalja a testhőmérséklet növekedést, az aktivitást és a hormon release-t a várható etetés előtti órákban. Mindezen tényezők összefüggésben vannak a clock gének expressziójának napi oszcillációjának változásával az agy különböző területein, melyek a táplálkozással, energiaegyensúllyal, tanulással, memóriával és motivációval állnak kapcsolatban.

Emlősökben a clock gén expresszió oszcillációi megfigyelhetők a központi cirkadián központban, a SCN-ban, és a ritmusok kialakításának, szabályozásának, fenntartásának alapköveiként szolgálnak. A központon kívül különböző agyi területeken is megfigyelhető ugyanez. A szövetspecifikus clock génexpresszió feltehetőleg számos sejtszintű, homeosztatikus és anyagcsere-folyamatban játszik szerepet. Egyre valószínűbb, hogy a metabolikus szignálok is befolyásolják a génkifejeződést.

Az önfenntartó cirkadián loop alapját a CLOCK és a Bmal 1 nevű gén adja, melyek dimerizálódó fehérjéket kódolnak. A létrejövő heterodimer proteinek ezután periódus és kriptokróm gének transzkripcióját serkentik. Neveik Per1,2,3; Cry1,2.

A Per és Cry expresszió oszcillál a nap folyamán, a keletkező proteinek visszajeleznek a magnak, és beavatkoznak a fent említett heterodimerek transzkripciós aktivitásába. Ezek a gének segítenek a felelős agyi területek azonosításában is, például hippocampus, piriform cortex, prefrontális cortex, paraventrikuláris hipotalamikus mag, szaglóhagyma. Érdekes, hogy a Per 2 génkifejeződést olyan limbikus területeken is megfigyelték, melyek a stressz és az érzelmek kialakításában, szabályozásában játszanak szerepet (Verwey és Amir, 2009).

LEO és a FEO független egymástól, külön rendszerek

Kísérletek:
Stephan és mtsai (1979) kimutatták, hogy SCN lézió esetén is lehetséges FAA, ez bizonyíték minimum két különböző, egymástól független cirkadián rendszerre emlősökben.

A fenti, 2. ábrán követhető nyomon a különféle környezeti ingerek transzducereken keresztüli hatásai a szervezet oszcillátoraira. A SCN-ban található a központ, de annak eltávolítása nem mindig száműzi a táplálékfelvétel cirkadián ritmusát. A világos/sötét ciklusok életbevágóan fontosak bármely emlős viselkedése és fiziológiája szempontjából. A központi cirkadián óra nem reagált jól az étel átmeneti elérhetőségére, ellentétben a perifériás órákkal, például a májban találhatóval (Pardini és Kaeffer, 2006).

FEO anatómiája, elhelyezkedése

Kutatások folynak egy agyban elhelyezkedő FEO után, mivel a SCN-léziós patkányok is fenntartották a menetrendet, tehát nem feltétlenül a SCN a FEO egyedüli helyszíne.
További kutatások főleg agyterületek eltávolításával történtek, de mégsem sikerült beazonosítani a helyet.

• dorsomediális nucleus , mint pacemaker – kutatások állandó tárgya, vitatott szerepű, de kritikus a FAA-ban jelentkező testhőmérséklet szabályozásáért, és az aktivitás ritmusának mértékéért, de léziója esetén ugyanúgy megmarad a FAA , tehát nem egyedül ez a terület a felelős (Carneiro és Araujo, 2012).
  Az erre fókuszáló tanulmányok olyan agyi régiókat keresnek egerekben, melyek a Per gének ritmikus expresszióját mutatják food entrainment alatt. Eredményként azt látták, hogy a dorsomediális nucleus kompakt része erőteljes oszcillációt demonstrál a Per expresszióra, de csak időzített etetés esetén. Ez az oszcilláció legalább két napig akkor is fennállt, amikor az egerek a várható időben egyáltalán nem jutottak táplálékhoz. Két másik tanulmány által végzett kísérlet:

  1. a dorsomediális nucleusban végzett sejtspecifikus léziók blokkolják a food entrainable cirkadián ritmusok viselkedésbeli kifejeződését
  2. az itt lévő neuronok közvetlenül kapcsolatban állnak a lateralis hipotalamusz orexin neuronjaival, melyek elengedhetetlenek a tápláléktól függő viselkedések kifejeződéséhez
  A két másik tanulmánnyal összevetve az a konklúzió született, hogy a dorsomediális nucleus, mint központi FEO, kulcsszerepet játszik a táplálkozás által meghatározott cirkadián viselkedésformában (Mieda és mtsai, 2006).

• markerek használata a neurális aktivitás vizsgálatára – utóbbi évtizedekben ez a fő módszer arra, hogy rájöjjünk, melyik sejtcsoportok aktiválódnak az időzített etetés hatására

• néhány kutatás aktivitást mért az agytörzsben és a hipotalamusz egyes magvaiban is (Carneiro és Araujo, 2012)

• FEO, mint hálózat vizsgálata

FEO, mint hálózat

1994-ben Mistlberger két teóriát állított fel a FAA modellezésére.
Az első teória egy olyan homokóra, amelyet naponta újraindítanak belső szignálok a szervezetben, tehát nem önfenntartó rendszer. Ez a mai teóriákkal már ellentétben áll.
A második teória kompatibilisebb a mai kutatásokkal, mert ez egy önfenntartó rendszert feltételez. Akkor is folytatódik, mikor a táplálék elérhetősége már ad libitum= tetszőleges, de a viselkedés szintjén ez már nem fejeződik ki. Természetes körülmények között ez önfenntartó.

A FEO hasznos lehet a túlélés szempontjából. Ha csak egyetlen táplálékforrás érhető el több napon keresztül, az állat elkezd FAA-t mutatni. Végül, mikor ez a forrás is megszűnik, az állat nem mutat FAA-t, viszont amikor a forrás újra elérhetővé válik, az FAA nagyon gyorsan, korrekt időn belül újra visszaáll. Tehát a FEO még akkor is megfelelő összhangban állt a táplálkozási idővel, amikor a viselkedési formája már nem fejeződött ki.

Bizonyítékok szerint a patkányok képesek két különböző idejű etetést kiszámítani, de többet nem. Ez a természetben különböző táplálékforrások kihasználásában előnyös.

A felvetés tehát az, hogy a food entrainment-et generáló rendszer agyi oszcillátorok hálózatából áll, melyek direkt vagy indirekt módon érzékenyek különféle humorális jelekre.

A fent látható, 3. ábra szemlélteti a FEO hálózatszerű jellegét, és a bonyolult feedback mechanizmusokat, melyek együttesen határozzák meg a food-entrained cirkadián ritmusokat.

A FEO hálózatának tagjai:

• az első csoportba olyan hipotalamikus és non-hipotalamikus területek tartoznak, melyek közvetlenül érzékenyek a perifériás jelekre, például eminentia arcuata, nucleus arcuatus
• a második csoport az agytörzsből és hipotalamikus magokból áll, melyek indirekt fogadják a perifériás információkat, és integrálják azokat
• a harmadik csoport területei felelősek a táplálék elérhetőség által meghatározott változók expressziójáért. Ezek hipotalamikus és talamikus magok, proencephalon régiók, és motoros rendszerek.

Kutatás irányult arra, hogy egy hipotalamusz-talamusz stria határozza meg a food entrainment útját. A fenti ábra szerint szorosan kapcsolódott régiók felelősek a élettani és viselkedésbeli változókért, ugyanakkor lennie kell specifitásnak és funkciós szuperpozíciónak az egész rendszeren belül. Fontos még egyszer hangsúlyozni, hogy léteznie kell egy olyan fő oszcilláló körforgásnak, mely egy meghatározó szignáltól függetlenül is képes tovább működni, és disszociálható az output-régióktól. Mindezt alátámasztja az ad libitum etetés alatt megszűnő, majd újra kifejeződő FAA. Az újrafelbukkanás oka lehet a táplálékmegvonással járó orexigén változások sora (Carneiro és Araujo, 2009).

Konklúzió:

A FEO valószínűleg nem egy specifikus agyterület központú, hanem több rész alkotja. A mai kutatások erre irányulnak:

• a vizsgálatok során az első aktiválódó hipotalamikus populáció a ventromediális nucleusban volt, de szintén nem kritikus a FAA-hoz
• anterior hippocampalis rész, talamusz paraventriculáris nucleusa
• cerebellum – figyelemmel követve a clock gének expresszióját, ez a terület érzékeny az időzített etetésre
• a Purkinje sejtek léziója nagyon erősen csökkenti a FAA-t (Carneiro és Araujo, 2012)

Potenciális mechanizmusok

A FAA viselkedés kialakításában a clock gének egymástól elszigetelve nem működnek. Homeosztatikus szignálok, a tanulás, és még fel nem fedezett mechanizmusok mind hozzájárulnak, hogy kialakulhasson a ritmus. Számos mechanizmus befolyásolja a cirkadián clock génexpressziót az agyban és a testben. A következőkben tárgyaljuk azokat a lehetséges folyamatokat, melyek információt közvetíthetnek a táplálék elérhetőségről az agynak és meghatároznak egy egymással kapcsolatban álló, agyi területek által alkotott hálózatot.

A neurális mechanizmus feltevés

Mivel az emésztőrendszerből eredő idegrendszeri utakat a táplálék jelenléte vagy épp hiánya stimulálja, létfontosságú a FAA szempontjából az emésztőrendszer kommunikációja az aggyal a táplálék elérhetőségéről. Tehát a kezdeti hipotézis az volt, hogy a food entrainment információk ezeken az afferens pályákon keresztül jutnak el az agyhoz. Így olyan kísérleteket végeztek, melyekben subdiaphragmalisan eltávolították a nervus vagust. Meglepő módon a procedúra ellenére is fennmaradt a food entrainment.

A következő lehetőség egy vagustól független idegi szabályozás volt. Ám intraperitonealisan kapszaicint, egy erős neurotoxint fecskendezve, a viselkedés ugyanúgy jelentkezett.

Egy alternatív feltevés úgy hangzik, hogy a kérdéses szinkronizáló szignál még a táplálék emésztése előtt vagy közben szolgáltat információt az etetés idejéről. De a szaglásuktól, ízlelésüktől megfosztott állatokban sem szűnt meg a FAA.

Mindezek arra engednek következtetni, hogy a fentebb említett afferens idegi utak nem létfontosságúak a food entrainmenthez, de közrejátszanak kialakításában. Tehát valószínűleg humorális jelek körforgása is szabályozza az input mechanizmusokat.

A humorális mechanizmus feltevés

A belső faktorok, mint időzítő jelek szerepét vizsgálja.

Ghrelin

• A ghrelin az egyetlen idáig ismert orexigén=étvágyfokozó hormon. A gyomorban speciális mirigyek termelik, szerepe a táplálékfelvétel szabályozásában van, ezáltal a testsúly kialakításában is. Beadása hatással van a dorsomedialis magra, markerek segítségével neurális aktivitás figyelhető meg.
  Vizsgálatának módszere a ghrelin receptorok kiütése egerekben, amely alacsonyabb orexin expresszióhoz, és a motivációban is szerepet játszó mesolimbikus rendszer aktivitásának csökkenéséhez vezet.
  Tehát annak ellenére, hogy ez a hormon nem kritikus feltétel, szerepe van az időzítés mechanizmusában az agyban (Carneiro és Araujo, 2009).

Inzulin

• A rendelkezésre álló információnk az inzulin e területen játszott szerepéről még meglehetősen hiányos. Viszont a táplálék elérhetőség előtti 1,5 órában a vérplazma inzulintartalmát vizsgálva szoros kapcsolat figyelhető meg az inzulinszintek és az etetés ideje között (Carneiro és Araujo, 2009).

Leptin

• A leptin egy zsírszövetek által termelt hormon. Szintézisének mértéke a sejtekben tárolt zsír mennyiségétől függ. Táplálkozás után a plazma leptin koncentrációja maximálisra emelkedik, majd egyenletesen csökken a következő etetésig. Inhibitor hatását a hypothalamus nucleus arcuatusának két sejttípusára fejti ki, ezáltal csökkentve a táplálékfelvételt.
  Önmagában ez az anyag sem létfontosságú a food entrainment szempontjából, de valószínűleg egy alternatív utat nyit a cirkadián szabályozásban. Ezt olyan vizsgálatok is alátámasztják, melyekben leptin receptorok mutációja következtében elhízott patkányok is mutatnak FAA-t, de a megszokottnál erősebb formában.
  Potenciálisan a táplálkozás előtti magas leptin felszabadítás gátolja a FAA-t, míg hiánya a normálisnál erőteljesebb kifejeződést eredményez. Ezáltal a leptinnek tehát nemcsak abban van szerepe, hogy kialakul-e a várt viselkedési forma, hanem abban is, hogy az milyen amplitúdóval jelentkezik (Carneiro és Araujo, 2009).

Glükokortikoidok

• A periférián módosítják a clock génexpressziót, és felszabadításuk napi ritmusa szükséges bizonyos oszcillátorok fenntartására az agyban. Erre a folyamatra a restricted feeding is hatással van. A korábban említett gének közül a PER2 expressziót úgy tűnik, nem befolyásolja, de a glükokortikoidokra érzékeny elemet tartalmazó promoter régióval rendelkező PER2-ét igen (Verwey és Amir, 2009).

Testhőmérséklet

• A restricted feeding részben meghatározza a testhőmérséklet napi ingadozását, és a DM nucleus kontextusában végzett alapos kutatások tárgya. A cerebrális hőmérsékletben szintén előfordulnak cirkadián ritmusok, de szerepük a clock gén expresszióban még ismeretlen.
  A testhőmérséklet cirkadián ritmusai és az ezzel összefüggő heat shock proteinek indukciója olyan periférián megfigyelhető jelenségek, melyek valószínűleg további befolyással bírnak a FEO-ra (Verwey és Amir, 2009).

Humán vonatkozás- állati kísérletek

Modern társadalmunkban egyre növekvő számmal dolgozik a népesség egyre nagyobb része különböző műszakokban vagy rengeteg utazást igénylő munkában. Az efféle cirkadián összehangolatlanság köztudottan megzavarja az endogén napi ritmusokat, és ez káros élettani következményekkel járhat, például metabolikus szindrómával, elhízással, rákos megbetegedésekkel, cardiovascularis rendellenességekkel, valamint egyéb fizikai és mentális betegségekkel. Bár az ezen változásokat előidéző mechanizmusok még nem tisztázottak.

Az élet ezen a folyamatosan forgásban lévő bolygón a környezeti körülmények periodikus változásaival kell, hogy szembesüljön. Mégis ezen változások kiszámíthatóak maradnak a nappal-éjjel ciklus ideje alatt. Ennélfogva a Föld jóformán minden organizmusra sikeresen kifejlesztett olyan endogén mechanizmusokat, melyek lehetővé teszik a viselkedési és a fiziológiás folyamatok közötti harmonizációt a napszaknak megfelelően.

A fontosságuk viszont igazán evidenssé csak akkor válik, amikor megszakadnak ezek a ritmusok. A háttérben genetikai rendellenességek is állhatnak, ám jelentős válaszokat kereshetünk az életmódunkban is.

Az evolúció során az emberek túlnyomórészt a nappali életmódhoz alkalmazkodtak, de a mai világban ez már nem vehető egyértelműnek, például a különböző napszakos műszakok megjelenése miatt. A szervezet arra kényszerül, hogy a világos-sötét ciklus alatt akkor legyen aktív, amikor normális körülmények között pihennie kellene. Epidemiológiai bizonyítékok szintén alátámasztják, hogy a váltakozó műszakokkal szorosan összefügg az elhízás, a kettes típusú diabetes, és az alvászavarok kialakulása. Ezen folyamatok megértése érdekében megfelelő állati modellek szükségesek, hogy körvonalazódhassanak a cirkadián zavarok különböző aspektusai.

Ezeknek a modelleknek megvannak a maguk előnyei és korlátai, és annak ellenére hogy a kutatásokban jelentős hasznukat vesszük, nem tökéletesen mimikálják az emberi cirkadián ritmus megzavarásának aspektusait.

Korábban már demonstrálták, hogy egy héten keresztüli napközbeni etetés éjjel aktív egerekben átváltja a clock gén expresszió fázisait a perifériás oszcillátorokban, de a központi SCN órában nem. Ennek az úgynevezett szétkapcsolásnak a fiziológiai és patológiai következményei feltárásra várnak.

Ezek az egerek táplálékfelvételüket normális körülmények között az éjszakai fázis első felében végzik, így az az érdekes kérdés merül fel, hogy mi történne a viselkedési és metabolikus ritmusukkal, ha a szokásos táplálkozási idő szignifikánsan előrehozott vagy késleltetett lenne. Egy ezzel kapcsolatos tanulmányban 6 órás időeltolás hatását vizsgálták etetési időben. Az alanyok fiatal felnőtt hím egerek voltak (Yoon és mtsai, 2012).

Számítógépes, monitoros programmal a testhőmérséklet változásait és a ketrecbeli aktivitást is követni tudták.

Eredmények:

Az időzített etetés drámaian, de visszafordíthatóan okoz változásokat a testhőmérsékletben és az aktivitásban:

• mind a táplálékfelvétel, mind a folyadékfelvétel csökken az éjszakai etetés helyetti napközbeni etetés alatt
• egy hét leforgása alatt a metabolikus paraméterek napi ritmusai is számottevően változtak

Meglepő módon az etetési idő 6 órával való előrehozása inzulin rezisztenciához, a késleltetése pedig szignifikánsan emelkedett vércukorszinthez vezet.

Mindent egybevetve, ezen kutatások azt indikálják, hogy a normális étkezési időben jelentkező kitartó változások hatással vannak a szénhidrátok és a lipidek anyagcseréjének napi ritmusaira, ezáltal kritikus implikációkat állítva a váltott műszakban dolgozók egészsége és megbetegedései felé (Yoon és mtsai, 2012).

Konklúzió

A food entrainment jelenleg a kronobiológia egyik legkomplexebb kutatási területe. A kronobiológia a napi, heti, évszakos, éves árapályhoz köthető ciklusokkal foglalkozó résztudomány. Manapság a kutatások hálózatszerű bonyolult rendszerre engednek következtetni, bár a jelenlegi tudás birtokában még mindig nem zárható ki teljesen egy fő, egykomponensű oszcillátor sem. A hormonok szerepének vizsgálata újabb keletű elmélet, az információ még nagyon kevés erről a részről. A jövő kutatásaiban kiemelkedő szerepűek lesznek az úgynevezett knock-out kísérletek, melyek a humorális szignálokat kódoló gének szerepét vizsgálják. További kísérleti megközelítések lehetnek az elektrofiziológiás felvételek és a humorális jelek mikroinjekciója az agy különböző területeibe. Ezek a kutatások megfordíthatóságuk miatt érdekes eredményekhez vezethetnek (Carneiro és Araujo, 2009).

Hivatkozások

• Carneiro, B. T. S. ; Araujo, J. F. (2009): The food entrainable oscillator: a network of interconnected brain structures entrained by humoral signals? Chronobiology International 26(7): 1273-1289
• Carneiro, B. T. S. ; Araujo, J. F. (2012): Food entrainment : major and recent findings. Frontiers in behavioral neuroscience 6: 83 doi: 10.3389/fnbeh.2012.00083
• Mieda, M. ;Williams, S. C. ; Richardson , J. A. ; Tanaka, K. ; Yanagisawa , M. ( 2006): The dorsomedial hypotalamic nucleus as a putative food-entrainable circadian pacemaker. PNAS 103(32): 12150-12155
• Pardini, L. ; Kaeffer, B. (2006): Feeding and circadian clocks. Reprod. Nutr. Dev. 5: 463-480, EDP Sciences
• Verwey, M. ; Amir, S. (2009): Food entrainable circadian oscillators in the brain. European Journal of Neuroscience 30(9): 1650-7
• Yoon, J-A. ; Han, D-H. ; Noh, J-Y. ; Kim, M-H. ; Son, G. H. ; Kim, K. ; Kim, C. J. ; Pak, Y. K. ; Cho, S. (2012): Meal time shift disturbs circadian rhythmicity along with metabolic and behavioral alterations in mice. PLoS ONE 7(8): e44053