简单的血液测试可以读取人的内部时钟

简单的血液测试可以读取人的内部时钟

昼夜节律存在于您身体的每个细胞中,由居住在大脑中的中央时钟引导。 创作/ Shutterstock.com

在生活中,时间就是一切。

你的身体的内部时钟 - 昼夜节律 - 调节了各种各样的过程:当你睡觉和醒来,当你饿了,当你最有效率。 鉴于它对我们这么多生活的明显影响,它对我们的健康也有巨大影响也就不足为奇了。 研究人员将人体健康与健康问题联系起来 患糖尿病的风险, 心血管疾病 神经退行性疾病。 它也是众所周知的 用餐时间 药品 可以影响它们的代谢方式。

测量一个内部时钟的能力对于改善健康和个性化医疗至关重要。 它可以用来预测谁在 风险 疾病 跟踪恢复 受伤。 它也可以用来计时 提供化疗 胃和食管静脉血压增高 和其他药物,使他们在较低剂量下具有最佳效果,最大限度地降低副作用的风险。

然而,精确读取一个内部时钟仍然是睡眠和昼夜健康的主要挑战。 目前的方法需要每小时采集一次血液褪黑激素样本 - 控制睡眠的激素 - 白天和晚上,这对患者来说是昂贵且极其繁重的。 这使得不可能将其纳入常规临床评估中。

我和我的同事想要获得内部时间的精确测量,而无需繁琐的连续采样。 我是一名计算生物学家,热衷于使用数学和计算算法来理解复杂的数据。 我的合作者, Phyllis Zee 拉维阿拉达,是世界着名的睡眠医学和昼夜生物学专家。 一起工作, 我们设计了一个简单的验血 读一个人的内部时钟。

听着细胞的音乐

昼夜节律存在于您身体的每个细胞中,由位于大脑视交叉上核区域的中心时钟引导。 就像旧工厂中的辅助时钟一样,这些所谓的“外围”时钟与大脑中的主时钟同步,但也是如此 自己前进甚至在培养皿中!


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你的细胞通过网络保持时间 核心时钟基因 在反馈循环中相互作用:当一个基因开启时,其活性导致另一个分子将其转回,这种竞争导致24小时循环内基因激活的起伏。 这些基因反过来调节其他基因的活性,这些基因也会在一天中振荡。 周期性基因激活的这种机制协调跨细胞和组织的生物过程,允许它们在一天的特定时间同步发生。

简单的血液测试可以读取人的内部时钟昼夜节律协调许多生物过程,包括消化,免疫功能和血压,所有这些都在一天中的特定时间上升和下降。 昼夜节律的错误调节可能对新陈代谢,认知功能和心血管健康产生不利影响。 YassineMrabet, 创用CC BY-SA

核心时钟基因的发现对于我们理解生物功能如何被精心策划以及诺贝尔委员会去年所认可的基础非常重要。 Jeffrey C. Hall,Michael Rosbash和Michael W. Young共同获胜 2017诺贝尔生理学或医学奖“因为他们发现了控制昼夜节律的分子机制。” 其他研究人员 已经注意到,所有其他基因中的40百分比对昼夜节律有反应,并且在一天中也会改变它们的活动。

这给了我们一个想法:也许我们可以使用血液中一组基因的活动水平来推断一个人的内部时间 - 你的身体认为它的时间,而不管墙上的时钟是什么。 我们中的许多人都有过与我们的环境“不同步”的感受 - 感觉就像是5:00即使我们的警报仍然坚持它已经是7:00。 这可能是因为我们的活动与我们的内部时钟不同步 - 墙上的时钟并不总是很好地表明你个人的时间。 知道一个人的内部时钟对生物学和健康有什么深刻影响,我们受到启发,试图测量基因活动来衡量个体体内的精确内部时间。 我们开发了TimeSignature:一种复杂的计算算法,可以使用两次简单的血液抽取来测量基因表达的人的内部时钟。

设计一个强大的测试

为了实现我们的目标,TimeSignature必须简单(仅在几次抽血中测量最少数量的基因),高度准确,最重要的是 - 稳健。 也就是说,无论你是否有一个良好的睡眠,最近从海外度假回来或者是一个新生儿整晚都在睡觉,它应该提供你内在生理时间的​​准确度量。 它不仅需要在我们的实验室工作,还需要在全国各地和世界各地的实验室工作。

为了开发基因标记生物标记物,我们每两小时从一组健康成年志愿者中收集数万个测量值。 这些测量结果表明在一天中每个人的血液中每个基因的活跃程度。 我们还使用了发布的数据 其他 研究 已收集类似的测量结果。 然后,我们开发了一种新的机器学习算法,称为TimeSignature,它可以通过计算机搜索这些数据来提取一小部分可以显示一天中时间的生物标记。 一组41基因被确定为最佳标记。

令人惊讶的是,并非所有的TimeSignature基因都是已知的“核心时钟”电路的一部分 - 其中许多基因是其他生物功能的基因,例如你的免疫系统,它们由时钟驱动,在一天中波动。 这强调了昼夜节律控制的重要性 - 它对其他生物过程的影响是如此强烈,以至于我们可以使用这些过程来监控时钟!

使用来自一项公共研究的一小部分患者的数据,我们训练TimeSignature机器根据这些41基因的活动预测一天中的时间。 (来自其他患者的数据被分开用于测试我们的方法。)根据训练数据,TimeSignature能够“学习”基因活动的不同模式如何与一天中的不同时间相关联。 在了解了这些模式之后,TimeSignature可以将这些基因的活动结合起来,计算出你的身体认为它的时间。 例如,虽然它可能是7:00在外面,但血液中的基因活动可能对应于5:00 am模式,表明它仍然是5:00 am在你体内。

然后我们通过将其应用于剩余数据来测试我们的TimeSignature算法,并证明它是高度准确的:我们能够将一个人的内部时间推导到1.5小时内。 我们还证明了我们的算法适用于世界各地不同实验室收集的数据,这表明它可以很容易地被采用。 我们还能够证明我们的TimeSignature测试可以高精度地检测出人的内在昼夜节律,即使他们是睡眠不足或时差。

通过TimeSignature协调健康

通过使昼夜节律易于测量,TimeSignature为将时间融入个性化医疗开辟了广泛的可能性。 虽然已经注意到昼夜节律对健康的重要性,但在理解它们的工作方式时,我们实际上只是触手可及。 通过TimeSignature,研究人员现在可以轻松地在他们的研究中包含高度准确的内部时间测量,仅使用两次简单的抽血即可实现这一重要测量。 TimeSignature使科学家能够研究生理钟如何影响各种疾病的风险,新药的功效,学习或锻炼的最佳时间等等。

当然,还有很多工作要做。 虽然我们知道昼夜节律不对准是疾病的一个风险因素,但我们还不知道有多少错位会对您不利。 TimeSignature可以进一步研究,以量化昼夜节律和疾病之间的精确关系。 通过比较患有和不患有疾病的人的时间特征,我们可以研究破坏的时钟如何与疾病相关并预测谁有风险。

在未来的路上,我们设想TimeSignature将进入您的医生办公室,在那里您可以像胆固醇测试一样快速,轻松,准确地监测您的生理健康状况。 例如,许多药物具有最佳的给药时间,但是您服用降压药或化疗的最佳时间可能与其他人不同。

以前没有临床可行的方法来衡量这一点,但TimeSignature使您的医生可以进行简单的血液检查,分析41基因的活性,并建议给您最有效益的时间。 我们也知道昼夜不对准 - 当你的身体的时钟与外部时间不同时 - 是一个 可治疗 认知能力下降的危险因素; 通过TimeSignature,我们可以预测谁有风险,并可能进行干预以调整他们的时钟。谈话

关于作者

Rosemary Braun,生物统计学,预防医学与工程科学与应用数学助理教授, 西北大学(Northwestern University)

本文重新发表 谈话 根据知识共享许可。 阅读 原创文章.

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