Forskere i eliten
Indholdsfortegnelse:
I livet er timing alt.
Din krops indre ur - den cirkadiske rytme - regulerer et enormt udvalg af processer: Når du sover og vågner, når du er sulten, når du er mest produktiv. I betragtning af dets påtagelige effekt på så meget af vores liv, er det ikke overraskende, at det også har en enorm indvirkning på vores helbred. Forskere har forbundet sundhedsrisikoen til risikoen for diabetes, hjerte-kar-sygdomme og neurodegeneration. Det er også kendt, at timingen af måltider og medicin kan påvirke, hvordan de metaboliseres.
Evnen til at måle ens indre ur er afgørende for at forbedre sundhed og personliggørelse af medicin. Det kan bruges til at forudsige, hvem der er i risiko for sygdom og spore genopretning fra skader. Det kan også bruges til at aflevere kemoterapi og blodtryk og andre lægemidler, så de har den optimale virkning ved lavere doser, hvilket minimerer risikoen for bivirkninger.
Det er dog en stor udfordring i søvn og cirkadian sundhed at læse ens indre ur præcist nok. Den nuværende fremgangsmåde kræver at tage timeprøver af blodmelatonin - hormonet, der styrer søvn - dag og nat, hvilket er dyrt og ekstremt byrdefuldt for patienten. Dette gør det umuligt at indarbejde i rutinemæssige kliniske evalueringer.
Mine kolleger og jeg ønskede at opnå præcise målinger af intern tid uden at det var nødvendigt med byrdefuld seriel prøveudtagning. Jeg er en beregningsbiolog med en passion for at bruge matematiske og beregningsalgoritmer til at give mening om komplekse data. Mine samarbejdspartnere, Phyllis Zee og Ravi Allada, er verdensberømte eksperter i søvnmedicin og cirkadianbiologi. Samarbejde har vi designet en simpel blodprøve til at læse en persons indre ur.
Lytte til musik af celler
Den cirkadiske rytme er til stede i hver eneste celle i din krop, styret af det centrale ur, der befinder sig i hjernens suprachiasmatiske kerneområde. Ligesom sekundære ure i en gammel fabrik synkroniseres disse såkaldte "perifere" ure til master uret i din hjerne, men også kryds for sig selv - selv i petriskåle!
Dine celler holder tid gennem et netværk af kerneklokgener, der interagerer i en tilbagekoblingssløjfe: Når et gen tænder, forårsager dets aktivitet et andet molekyle at vende det ned igen, og denne konkurrence resulterer i en eb og flow af genaktivering inden for en 24 -cyklussen. Disse gener regulerer igen aktiviteten af andre gener, som også oscillerer i løbet af dagen. Denne mekanisme med periodisk genaktivering orkestrerer biologiske processer på tværs af celler og væv, så de kan foregå synkront på bestemte tidspunkter af dagen.
Opdagelsen af kerneurgenerne er så grundlæggende for vores forståelse af, hvordan biologiske funktioner er orkestreret, at det blev anerkendt af Nobelkomitéen sidste år. Jeffrey C. Hall, Michael Rosbash og Michael W. Young vandt 2017 Nobelprisen i fysiologi eller medicin "for deres opdagelser af molekylære mekanismer, der styrer den cirkadiske rytme." Andre forskere har bemærket, at så mange som 40 procent af alle andre gener reagere på den cirkadiske rytme og ændre deres aktivitet i løbet af dagen også.
Dette gav os en ide: Måske kunne vi bruge aktivitetsniveauet af et sæt gener i blodet for at udlede en persons indre tid - den tid din krop mener, det er, uanset hvad uret på væggen siger. Mange af os har haft oplevelsen af at føle "ude af synkronisering" med vores omgivelser - det føles som om det er klokken 5:00, selvom vores alarm insisterer på, at det allerede er 7:00. Det kan skyldes, at vores aktiviteter er ude af synkronisering med vores indvendige ur - uret på væggen er ikke altid en god indikation af, hvor lang tid det er for dig personligt. At vide, hvad en dyb indvirkning ens indre ur kan have på biologi og sundhed, blev inspireret til at forsøge at måle genaktivitet til at måle den præcise indre tid i en persons krop. Vi udviklede TimeSignature: en sofistikeret beregningsalgoritme, der kunne måle en persons interne ur fra genekspression ved hjælp af to simple bloddrag.
Udformning af en robust test
For at opnå vores mål var TimeSignature nødt til at være let (måling af et minimalt antal gener i blot et par bloddrag), meget præcis og - vigtigst - robust. Det vil sige, det skal give lige så præcis en måling af din fysiske tid, uanset om du har fået en god nats søvn, for nylig vendt tilbage fra en oversøisk ferie, eller var hele natten med en ny baby. Og det var nødvendigt at arbejde ikke kun i vores laboratorier, men i laboratorier over hele landet og rundt om i verden.
For at udvikle gen-signatur biomarkøren indsamlede vi titusindvis af målinger hver anden time fra en gruppe sunde voksne frivillige. Disse målinger angav, hvor aktiv hvert gen var i blodet af hver person i løbet af dagen. Vi brugte også offentliggjorte data fra tre andre undersøgelser, der havde samlet lignende målinger. Vi udviklede derefter en ny maskinindlæringsalgoritme, kaldet TimeSignature, der kunne beregne gennem disse data for at trække et lille sæt biomarkører ud, som ville afsløre tidspunktet på dagen. Et sæt af 41 gener blev identificeret som de bedste markører.
Overraskende nok er ikke alle TimeSignature-generne en del af det kendte "kerne ur" kredsløb - mange af dem er gener til andre biologiske funktioner, som f.eks. Dit immunsystem, der drives af uret for at svinge over dagen. Dette understreger, hvor vigtigt cirkadisk kontrol er - dens virkning på andre biologiske processer er så stærk, at vi kan bruge disse processer til at overvåge uret!
Ved at bruge data fra en lille delmængde af patienterne fra en af de offentlige undersøgelser, trænede vi TimeSignature-maskine for at forudsige tidspunktet på dagen baseret på aktiviteten af de 41 gener. (Data fra de andre patienter blev holdt adskilt til test af vores metode.) På baggrund af træningsdata kunne TimeSignature "lære", hvordan forskellige genaktivitetsmønstre korrelerer med forskellige tidspunkter. Efter at have lært disse mønstre, kan TimeSignature derefter analysere aktiviteten af disse gener i kombination for at udarbejde den tid, som din krop mener det er. For eksempel kan genaktiviteten i dit blod til trods for at det er 7 uger udenfor måske svare til 5 a.m. mønsteret, hvilket indikerer at det stadig er 5:00 i din krop.
Vi testede derefter vores TimeSignature-algoritme ved at anvende den på de resterende data og demonstrerede, at den var meget præcis: Vi var i stand til at udlede en persons indre tid inden for 1,5 timer. Vi har også vist, at vores algoritme virker på data indsamlet i forskellige laboratorier rundt om i verden, hvilket tyder på, at det let kunne vedtages. Vi kunne også påvise, at vores TimeSignature-test kunne registrere en persons indre cirkadiske rytme med stor nøjagtighed, selvom de var søvnberøvede eller jetlagede.
Harmonisering af sundhed med TimeSignature
Ved at gøre cirkadiske rytmer nemme at måle, åbner TimeSignature en lang række muligheder for at integrere tid i personlig medicin. Selv om betydningen af cirkadiske rytmer til sundhed er blevet bemærket, har vi virkelig kun ridset overfladen, når det kommer til at forstå, hvordan de virker. Med TimeSignature kan forskere nu nemt inkludere meget præcise målinger af intern tid i deres studier, der omfatter denne vitale måling ved kun to simple bloddrag. TimeSignature gør det muligt for forskere at undersøge, hvordan det fysiologiske ur påvirker risikoen for forskellige sygdomme, effektiviteten af nye lægemidler, de bedste tidspunkter at studere eller motionere og mere.
Selvfølgelig er der stadig meget arbejde at gøre. Mens vi ved, at circadian forskydning er en risikofaktor for sygdom, ved vi endnu ikke, hvor meget fejlindstilling er dårligt for dig. TimeSignature muliggør yderligere forskning for at kvantificere de præcise forhold mellem cirkadiske rytmer og sygdom. Ved at sammenligne TimeSignatures hos mennesker med og uden sygdom, kan vi undersøge, hvordan et forstyrret ur korrelerer med sygdom og forudsige, hvem der er i fare.
Undervejen forestiller vi, at TimeSignature vil komme ind på din lægekontor, hvor dit cirkadiske helbred kunne overvåges lige så hurtigt, nemt og præcist som en kolesteroltest. Mange lægemidler har for eksempel optimale doseringstider, men den bedste tid til at tage blodtryksmedicin eller kemoterapi kan være forskellig fra nogen anden.
Tidligere var der ingen klinisk gennemførlig måde at måle dette på, men TimeSignature gør det muligt for din læge at lave en simpel blodprøve, analysere aktiviteten af 41 gener og anbefale den tid, der ville give dig de mest effektive fordele. Vi ved også, at circadian forskydning - når din krops ur er ude af synkronisering med den eksterne tid - er en behandlingsfaktor for kognitiv tilbagegang; med TimeSignature kunne vi forudsige, hvem der er i fare, og potentielt gribe ind for at justere deres ure.
Denne artikel blev oprindeligt udgivet på The Conversation by Rosemary Braun. Læs den oprindelige artikel her.
Internet Security: Hvorfor dine interne tanker kan blive dit næste kodeord
Det kan virke umuligt at holde øje med internet sikkerhed som selskab efter virksomhed bliver hacket. En gruppe forskere har udviklet en ny biometrisk, der i det væsentlige er dine tanker, som kunne tjene som et lufttæt kodeord. Uendelig genoprettelig og svært at knække, din hjernebølger kan være fremtiden for websikkerhed.
Videospil kan forbedre seniorers mental sundhed, finder forskere
En ny undersøgelse fra University of Montreal fandt, at seniorer, der spillede 'Super Mario 64', havde signifikant forbedret gråt materiale i deres hjerner.
Hvorfor grøftning af din pornovaner kan forbedre dit liv
Porno kan betragtes som normal for størstedelen af voksne, men er det muligt, at det faktisk er til hinder for dit liv? Her er grunden til at holde op med at være en nødvendighed.