В циркадианном ритме протекает большинство процессов нашего организма. И хотя современной хронобиологии уже больше 40 лет, процессы, лежащие в основе этого, пока мало изучены. То, что органы работают «по часам», было известно ещё в Китае 1,5–2 тысячи лет назад, но, как показали ученые из нескольких медицинских институтов Нью-Йорка, в таком же ритме работают и системы регенерации.
Согласно современным представлениям, восстановление и обновление тканей обеспечивается специфическими клетками-предшественниками, располагающимися в тканях, или клетками, мигрирующими из костного мозга. Как предсказал петербуржский гистолог Александр Максимов в начале века, гемопоэтические стволовые клетки способны делиться и дифференцироваться в более зрелые формы — «белые» и «красные» клетки крови. Этот процесс протекает в основном в пределах костного мозга.
Другие превращения этих клеток — например, в эндотелий сосудов или фибробласты соединительной ткани — регулярно обеспечивают процессы регенерации и обновления.
Гемопоэтические стволовые клетки не обладают такой пластичностью, то есть способностью превращаться в разнообразные клетки нашего организма, как так называемые стромальные клетки костного мозга, для которых этот феномен был описан тридцать лет назад новосибирскими учеными. Сейчас именно они — мультипотентные мезенхимальные стромальные клетки — являются основой разнообразных вариантов клеточной терапии. Тем не менее, и гемопоэтические клетки чрезвычайно важны для регенерации и широко используются в медицинской практике.
И если мезенхимальные стромальные клетки самостоятельно редко выходят за пределы костей, то выброс в кровь гемопоэтических происходит регулярно, а теперь можно даже сказать «строго по часам».
Нью-йоркские ученые измерили содержание таких клеток в кровяном русле мышей в разное время стандартного суточного цикла 12/12, то есть 12 часов света, 12 — темноты.
Максимум выброса пришелся на 5 часов, минимум — на 17 часов с начала светлой части суток. И в максимуме клеток выбрасывалось впятеро больше, чем в минимуме!
Если на пике максимума в 1 мл крови было 90–110 клеток-предшественников, то в 17 часов по «световому времени» — всего 20.
или биоритмология – раздел биологии, изучающий условия возникновения, природу, закономерности и значение биологических ритмов. Хронобиология исследует ритмические процессы на различных уровнях организации живого: бесклеточные системы, клетка, одноклеточные организмы, культуры клеток и тканей, многоклеточные животные и растения, популяции организмов. Как область биологии хронобиология разрабатывает законы осуществления периодически повторяющихся биологических процессов и поведения различных биологических систем во времени; она тесно связана с физиологией, биохимией, биофизикой и другими естественными науками.
Биологические ритмы широко распространены в живой природе, имеют эндогенное происхождение и большинство из них зависят от ритмических изменений во внешней среде (фото-, термо-, баропериодичность, колебания электромагнитного поля Земли и так далее), хотя некоторые ритмы, по-видимому, автономны. Взаимодействие биологических ритмов друг с другом и с периодически изменяющимися условиями среды формирует временную организацию биологических систем, лежит в основе адаптации организмов и обеспечивает единство живой и неживой природы.
Идеи о ритмичном характере процессов в природе и в организме человека выдвигались в трудах античных философов (Гераклит, Платон, Аристотель), в средние века и эпоху Возрождения (Фрэнсис Бэкон, Тихо Браге, Иоганн Кеплер). Первое научное наблюдение биоритмов сделал французский астроном де Меран (1729), обнаруживший суточную периодичность движения листьев у растений. Это явление затем изучали Чарльз Дарвин (1880) и ряд ботаников XIX века. Ещё веком раньше Карл Линней предложил «цветочные часы», основанные на способности цветков различных растений открываться и закрываться в определённое время дня.
Франц Халберг в 1959 году сформулировал понятие об околосуточных или циркадных ритмах и дал представление о временной координации физиологических функций организма. Его заслугой является введение в хронобиологию математических методов обработки данных и использование в этих целях ЭВМ. Им было установлена изменение чувствительности организма к действию вредных факторов в зависимости от времени суток.
Существенно меняла естественное расписание выброса стволовых клеток и внезапная смена режима с ночи на день со сдвигом в 12 часов. Зверьки, которых бы внезапно переселили с Чукотки в Калининградскую область, не смогли бы восстанавливаться так же эффективно, как прежде. Грызуны же, прожившие 2 недели в полной темноте, выбрасывали клетки в кровь практически в том же режиме. И если двухнедельное «засвечивание» привело к смещению цикла на 4 часа, то темнота сдвига не вызвала.
Не скрылся от ученых и механизм такой регуляции, контролируемый центральной нервной системой. Они показали, что работает он следующим образом. Из окончаний симпатической нервной системы выделяется норадреналин, связывающийся с адренергическими рецепторами 2 типа на клетках тканевой ниши. Это, в свою очередь, контролирует работу гена Cxcl12, активность которого находится в строгой противофазе с количеством клеток-предшественников в русле.
В отличие от чистолинейных мышей, не отличающихся даже по оттенку шерсти, у других животных, а тем более людей, циклы строго индивидуальны.
Ученые визуализировали внутренние биологические часы в культуре клеток кожи, связав с геном Bmall последовательность, кодирующую флуоресцирующий белок. Правда такие «ходики» дают только 1 бит информации: активен/не активен.
Швейцарские специалисты изучали активность гена Bmall, активность которого меняется в зависимости от фазы циркадианного ритма.
Они взяли образцы клеток кожи у 28 добровольцев: 11 жаворонков и 17 сов. Полученные in vitro культуры генетически модифицировали, связав с геном Bmall последовательность ДНК, кодирующую светящийся белок. Таким образом каждый раз, когда ген Bmall активировался в клетке образовывался и белок, который можно легко разглядеть под микроскопом.
Более чем в половине случаев цикл клеток совпал с циклом хозяина, определяемым по анкете. Ученые считают, что это должно помочь в изучении расстройств сна и жизненного ритма, но есть и другое, не совсем практичное применение – теперь каждый человек может завести себе часы, отображающие его собственное внутреннее время.
Новый метод требует только выбора правильной фазы цикла — времени забора крови, а потому даже не нуждается в регистрации и получении дополнительных разрешений. Тем более что измерять время на внутренних часах учёные, кажется, научились. Остается надеяться, что в скором времени ученые смогут провести широкомасштабные исследования роли внутренних часов уже в человеческом, а не мышином организме.
