Разрушение кости имеет устойчивый циркадный ритм с пиком в 3 часа ночи

Исследователи из Великобритании установили, что процессы разрушения костной ткани у человека регулируются циркадными ритмами и становятся интенсивнее в середине ночи.

У живых организмов различают циркадные и диурнальные ритмы. Циркадные ритмы контролируются внутренними факторами, в частности, активностью супразхиазматических ядер гипоталамуса, и проявляются даже в неизменных внешних условиях. Золотой стандарт изучения циркадных ритмов у человека — так называемый протокол постоянного режима (Constant Routine, CR). Но в обычных условиях фактически наблюдаются диурнальные ритмы, то есть изменения в организме, вызванные комбинацией внутренних и внешних факторов, включая время приема пищи, физическую активность, смену света и темноты, а также циклы сна и бодрствования.

Известно, что ремоделирование костной ткани человека (резорбция и остеогенез, то есть разрушение кости остеокластами и формирование новой костной ткани) подчиняется суточному ритму. Но в подавляющем большинстве работ внешние факторы не контролировались, то есть наблюдались диурнальные ритмы, а не циркадные. Единственное исследование, в котором использовался протокол постоянного режима, обнаружило признаки циркадного ритма резорбции у женщин. Однако в нем не оценивался остеогенез, а также не участвовали мужчины.

Исследователи из университетов Суррея и Шеффилда решили установить, подчиняются ли внутреннему циркадному ритму уровни маркеров формирования и резорбции кости, причем как у женщин, так и у мужчин.

В исследовании приняли участие 22 здоровых молодых человека (по 11 мужчин и женщин, в возрасте 19–33 лет). Всем участникам было предписано спать по восемь часов в течение 7 дней перед началом эксперимента и соблюдать ряд других правил. Никто из них не курил и не имел истории злоупотребления алкоголем или наркотиками, не принимал во время исследования рецептурных препаратов (за исключением оральных контрацептивов у женщин), и в течение месяца до исследования не работал в ночную смену и не совершал перелетов более чем через два часовых пояса.

Эксперимент продолжался в общей сложности 68 часов. В первый день участники вели обычный образ жизни до 23:00, затем спали до семи утра, а потом бодрствовали в полулежачем положении при тусклом свете 40 часов (до 23:00 третьего дня), после чего смогли снова поспать. Чтобы исключить влияние метаболизма пищи, им каждый час давали небольшие порции еды и 100 мл воды.

Образцы крови у участников брали каждые два часа на протяжении 26 часов (с 13 часов второго дня до конца бодрствования). В сыворотке крови измеряли уровни двух маркеров. sCTX (C-терминальный телопептид коллагена I типа) — маркер резорбции кости и sP1NP (N-терминальный пропептид проколлагена I типа) — маркер формирования кости. Также измерялись уровни мелатонина и кортизола для оценки фазы циркадного ритма. Полученные данные анализировали с помощью косинор-анализа для выявления ритмичности.

Результаты анализа четко продемонстрировали, что циркадные часы организма оказывают сильное влияние только на один из процессов костного обмена. Маркер разрушения кости (sCTX) показал статистически значимый циркадный ритм у всех участников. Пик резорбции пришелся на середину биологической ночи: у мужчин в 02:48 ч (среднее значение), а у женщин в 03:24 ч. Была выявлена статистически значимая разница в амплитуде колебаний sCTX: у женщин она была значительно меньше по сравнению с мужчинами (0,05 нг/мл против 0,15 нг/мл).

В отличие от маркера резорбции, маркер формирования кости (sP1NP) не продемонстрировал четкого циркадного ритма у большинства участников. Статистически значимая ритмичность наблюдалась только у четырех мужчин и одной женщины. Соотношение маркеров формирования и резорбции (sP1NP:sCTX) показало явный 24-часовой ритм, очевидно, за счет ритмичности sCTX.

Пик разрушения кости около 03:00 часов совпадает с периодом максимального синтеза мелатонина и приходится на середину биологической ночи. Это согласуется с предположением о том, что один из важнейших процессов, происходящих в организме во время сна, — ремонт тканей и удаление повреждений. Кроме того, усиление ночной резорбции может быть стратегией поддержания уровня кальция в сыворотке крови, пока организм не получает его с пищей.

Таким образом, впервые продемонстрировал циркадный ритм резорбции кости у мужчин и женщин. Следующим важным шагом может быть аналогичное исследование с участием пожилых людей, страдающих остеопорозом, которое позволит оценить, влияет ли нарушение циркадного ритма костной системы на развитие этого заболевания. Также важно исследовать, как этот ритм нарушается у людей, работающих посменно или систематически недосыпающих.

Дрозофилы с врожденной бессонницей лучше обучаются, но меньше живут