Neurobiologia Biologisen kellon fysiologia ja vuorokausirytmin häiriöiden yhteys sairauksiin Jarmo T. Laitinen ja Tarja Porkka-Heiskanen Useat elintoimintomme noudattavat vuorokausirytmiä. Muun muassa vireystilassa, kehon lämpötilassa ja useiden hormonien erityksessä on havaittavissa vuorokausivaihtelu. Vuorokausirytmi on biologisen kellon tuottama sisäsyntyinen rytmi. Nisäkkäiden tärkein vuorokausirytmiä ohjaava kello sijaitsee hypotalamuksen suprakiasmaattisissa tumakkeissa, mutta itsenäistä rytmiä tikittävä kello on paikannettu myös mm. silmän verkkokalvoon. Käydäkseen ajassa 24-tuntisen aurinkovuorokauden kanssa kello tarvitsee päivittäisen tahdistuksen. Tärkeimpänä tahdistajana toimii ympäristön valo, jonka viesti välittyy verkkokalvosta hypotalamukseen. Nopeaa aikavyöhykkeiden ylitystä seuraa aikaerorasitus, koska sisäinen kello käy eri aikaa ympäristön kanssa. Epätahdistumista voivat aiheuttaa myös vuorotyö tai sokeus. Oikea-aikaisella valoaltistuksella tai melatoniinin annolla kelloa voidaan tarvittaessa siirtää. Jatkuvaa epätahdistumista pidetään sairauksien riskitekijänä. Kaikkien eliöiden elintoiminnoissa ilmenee tietty rytmisyys. Selvimmin tämä on havaittavissa vuorokausirytmin osalta. Eräät kasvit avaavat lehtensä säännöllisesti aina päivän koittaessa ja sulkevat ne jälleen yöksi. Rytmisyys on sisäsyntyistä, sillä se on todettavissa myös oloissa, joissa ympäristön valoisuuden vaihtelu on poistettu. Yöeläimet ovat aktiivisia pimeän aikaan ja nukkuvat pääasiassa päivisin. Päiväeläimillä, ihminen mukaan luettuna, useimpien vuorokausirytmien ajoitus on päinvastainen yöeläimiin verrattuna: näille lajeille yö on levon aikaa tosin homo sapiens nocturnus näyttäisi valtaavan yhä enemmän alaa urbanisoituvassa kulttuurissamme. Luonnossa jakautuminen yö- ja päiväeläimiin lisännee osaltaan ekologisten lokeroiden tarjontaa ja siten elämän monimuotoisuutta. Kronobiologia on biologisia rytmejä tutkiva tieteenala. Vuorokausirytmi tunnetaan rytmintutkijoiden keskuudessa paremmin sirkadiaanisena rytminä, sillä sen jakso on noin 24 tuntia (latinan circa = noin ja dies = päivä). Vuorokautta lyhyempiä rytmisiä jaksoja kutsutaan ultradiaanisiksi. Esimerkiksi kasvuhormonin yöllinen eritys noudattaa ultradiaanista rytmiä. Kuukautiskierron periodi on puolestaan infradiaaninen (kesto > 24 h). Eläinmaailmassa on havaittavissa myös selvä vuodenaikaisrytmi, jonka tarkoituksena on sopeuttaa elintoiminnot vuodenaikaisesti muuttuvien ympäristöolojen kannalta optimaalisiksi. Tässä katsauksessa käsitellään lähemmin ainoastaan vuorokausirytmiä. Vuorokausirytmi on sisäsyntyinen Koe-eläimillä aktiivisuuden vuorokausirytmiä voidaan tutkia noninvasiivisesti rekisteröimällä esimerkiksi rotan yölliset käynnit juomapullolla tai mittaamalla matka, jonka hamsteri tai hiiri juoksee öisin häkkinsä juoksupyörässä. Oloissa, joissa eläinhuoneen valorytmi mukailee ympäristön valorytmiä (12 tuntia valoa, 12 tuntia pimeyttä eli 12L : 12D), havaitaan juomis- tai juoksupyöräaktiivisuuden ajoittuvan lähes tarkalleen samaan vuorokaudenaikaan päivästä Duodecim 1999; 115: 565 73 565
toiseen (kuva 1A). Siten aktiivisuusrytmi noudattaa näissä olosuhteissa tarkalleen ympäristön 24-tuntista jaksoa. Jos eläimet pidetään jatkuvassa pimeydessä (0L : 24D), aktiivisuuden rytmisyys on edelleen nähtävissä, mutta ympäristön valorytmin puuttuessa aktiivisuuden alkamisaika siirtyy hiukan edellispäiväisestä. Lajin ja yksilön mukaan rytmi voi joko jätättää (kuva 1B) tai edistää (kuva 2A). Sama havaitaan kokeissa, joissa estetään valoinformaation kulku silmän verkkokalvosta keskuhermostoon (orbitaalinen denukleaatio). Siten ulkoisen valorytmin puuttuessa tai siitä viestittävän hermoradan vaurioituessa eläin noudattaa uskollisesti biologisen kellonsa määräämää sisäsyntyistä rytmiä, joka poikkeaa hieman ulkoisesta 24 tunnin aurinkovuorokaudesta. Tällaista ulkoisista tahdistimista irrallista rytmiä kutsutaan»freerunning» -rytmiksi. Myös ihmisen vuorokausirytmi on sisäsyntyinen ja tarvitsee päivittäisen tahdistuksen. Luolakokeissa, joissa vapaaehtoiset henkilöt eristettiin ympäristön valorytmistä täydellisesti useiksi kuukausiksi, uni-valverytmi noudatti 24-tuntista jaksoa, mutta ainoastaan niin kauan kuin valokytkintä ohjattiin luolan ulkopuolelta. Annettaessa koehenkilön itse säädellä valoa, rytmi alkoi jätättää heijastaen sisäisen kellon määräämää jaksoa (Winfree 1987). Mutta missä vuorokausirytmi syntyy? Poistettaessa rotan hypotalamus ja erityisesti näköhermoristin yläpuolella olevat suprakiasmaattiset tumakkeet (SCN) aktiivisuusrytmin säännöllisyys häviää ja eläin juo satunnaisesti vuorokaudenajasta riippumatta (kuva 1C). Tämäntyyppiset kokeet saivat tutkijat 1970-luvulla vahvasti epäilemään, että fyysisen aktiivisuuden vuorokausirytmiä säätelevä biologinen kello sijaitsee SCN:ssä. Leesiokokeiden perusteella on kuitenkin vaikea saada lopullista näyttöä tumakkeen roolista. Kymmenisen vuotta sitten sattuma puuttui ratkaisevasti peliin. Tällöin nimittäin paljastui, että erään uroshamsterin juoksurytmin jakso oli noin 22 tuntia normaalin noin 24 tunnin sijasta. Risteytyskokeissa onnistuttiin jäljittämään autosomissa periytyvä mutaatio, joka tunnetaan nimellä tau (Ralph ja Menaker 1988). Tau-mutaation suhteen heterotsygoottiset jälkeläiset juoksivat noin 22-tuntista rytmiä; homotsygooteilla rytmin jakso oli ainoastaan noin 20 tuntia. Poikkeavia vuorokausirytmejä aiheuttavia mutaatioita oli aiemmin löydetty Tau-mutaatio paikantaa tärkeimmän kellon aivoihin; clock-mutaatio kohdentuu kellokoneiston rattaisiin Kuva 1. Kaavio rotan fyysisen aktiivisuuden (AAA...) vuorokausirytmin ajoittumisesta erilaisissa koeoloissa. A) Rytmi toistuu säännöllisesti vuorokaudesta toiseen, kun ympäristön valorytmi pidetään vakiona. B) Sisäisen kellon jakson määräämä tahdistukseton rytmi saadaan esille tilanteessa, jossa ympäristön valovaihtelu on eliminoitu pitämällä eläimet jatkuvassa pimeydessä. C) Vuorokausirytmin häviäminen hypotalamuksen suprakiasmaattisten tumakkeiden (SCN) leesion seurauksena. Mukailtu Hobsonin (1989) teoksesta. 566 J. T. Laitinen ja T. Porkka-Heiskanen
mm. banaanikärpäseltä, mutta tau oli ensimmäinen selkärankaisilta kuvattu kellomutaatio ja siten merkittävä läpimurto. Mutanttihamstereilla suoritetut SCN-siirtokokeet ovat sittemmin vakuuttavasti osoittaneet, että fyysisen aktiivisuuden vuorokausirytmin tuottava»master»-kello sijaitsee todellakin SCN:ssä (Ralph ym. 1990). Tau-geeniä tai sen tuotetta ei toistaiseksi kuitenkaan ole onnistuttu karakterisoimaan, mutta mitä ilmeisimmin mutaatio kohdentuu vuorokausirytmin tuottavan kellon toimintaan. Tutkijat onnistuivat laboratorio-oloissa tuottamaan toisen nisäkkäiden vuorokausirytmiin vaikuttavan mutaation, jolle annettin nimeksi clock. Hiirille kemiallisesti aiheutettujen mutaatioiden joukosta paljastui yksi, jossa juoksurytmin jakso piteni noin 25-tuntiseksi heterotsygoottisella mutantilla ja 27 28-tuntiseksi tämän homotsygoottisilla jälkeläisillä; homotsygooteilla rytmisyys hävisi vähitellen osoituksena siitä, että mutaatio oli kohdentunut itse kellokoneistoon (Vitaterna ym. 1994). Clock osoittautui yksittäisen geenin mutaatioksi hiiren kromosomissa 5 (Vitaterna ym. 1994). Eleganteissa jatkotutkimuksissa (Antoch ym. 1997, King ym. 1997) osoitettiin, että clock koodaa transkriptiotekijää (Clock), joka sekä rakenteeltaan että toiminnaltaan muistuttaa läheisesti banaanikärpäseltä aiemmin karakterisoitua Per-proteiinia; Per on vuorokausirytmin synnyn kannalta keskeinen tekijä. Viimeaikainen tutkimus on paljastanut, että kellon molekulaariset rattaat ovat ilmeisen samankaltaiset yksisoluisista eliöistä nisäkkäisiin. Rattaiston ajatellaan muodostuvan itsesäätyvistä geenitranskriptioon perustuvista palautesilmukoista (Dunlap 1998, Reppert 1998, Sassone-Corsi 1998). Esimerkiksi banaanikärpäsen Kellon molekulaariset rattaat Rotan SCN on parillinen, noin 10 000 hermo- ja gliasolun muodostama soluyhteisö. Mitattaessa in vitro naapureistaan eristetyn SCNneuronin sähköistä aktiivisuutta on havaittu, että yksittäinen neuroni kykenee tuottamaan vuorokausirytmin ja siten toimimaan autonomisena kellona mutta että yksittäisen kellosolun rytmin jakso vaihtelee huomattavasti ja on noin 20 25 tuntia (Welsh ym. 1995, Liu ym. 1997). In vivo SCN-neuronit muodostavat kuitenkin keskinäiseen kommunikointiin kykenevän soluyhteisön, jonka yksilöt tahdistuvat tikittämään»virallista» noin 24 tunnin sirkadiaanista jaksoa. Mutta mikä saa kellon tikittämään? Kuva 2. Biologisen kellon rytmin siirto lyhytkestoisella valoaltistuksella sekä siirtymää osoittava vaihevastekuvaaja (phaseresponse curve, PRC) (Takahashi ja Zatz 1982). A) Hamsterin juoksupyöräaktiivisuus (tummana erottuvat alueet) noudattaa tahdistuksettomissa oloissa hiukan alle 24-tuntista jaksoa. Lyhytkestoinen valoaltistus (15 min, ajankohta osoitettu nuolella ja tähdellä) saa kellon joko jätättämään tai edistämään, altistuksen ajankohdan mukaan. B) Kellon siirtoa vasteena valopulssiin (60 min) havainnollistava kuvaaja eli PRC. Sirkadiaaninen aika 12 = motorisen aktiivisuuden alkuajankohta (hamsterilla pimeän jakson alku). Kello saadaan jätättämään, kun valopulssi ajoitetaan aktiivisuusjakson alkuun, ja edistämään, kun valoa annetaan aktiivisuusjakson lopulla. Biologisen kellon fysiologia ja vuorokausirytmin häiriöiden yhteys sairauksiin 567
kellogeenit period (per) ja timeless (tim) koodaavat tiettyyn bhlh-pas-perheeseen kuuluvia transkriptiotekijöitä Per ja Tim. Molempien pitoisuus vaihtelee sytoplasmassa syklisesti noin 24 tunnin jaksoissa. Proteiinituotanto käynnistyy geenitranskription aktivaation ja translaation seurauksena. Per ja Tim kertyvät vähitellen solulimaan muodostaen (mahdollisesti fosforylaation seurauksena) heterodimeerin, joka siirtyy tumaan estämään omaa transkriptiotaan. Periaatteessa tällainen takaisinkytkentäkoneisto mahdollistaa ajan mittaamisen, mutta kellon tahdistus ja etenkin siirto edellyttävät erillisten transkriptioaktivaattoreiden olemassaoloa. Tästä onkin aivan äskettäin saatu vahvaa näyttöä: hiiren Clock-proteiini ja sen homologi banaanikärpäsellä (dclock) näyttäisivät toimivan per-geeniperheen transkription aktivaattoreina (Reppert 1998). Sirkadiaanista jaksoa itsenäisesti tikittäviä kelloja on paikannettu myös mm. nisäkkäillä silmän verkkokalvoon sekä esimerkiksi lintujen ja matelijoiden käpyrauhasen pinealosyytteihin. Nämä kellot huolehtivat mm. kyseisten kudosten rytmisestä melatoniinituotannosta. Varsin yllättäen monet potentiaalisina kellogeeneinä pidettävät geenit (mm. nisäkkäiden per-homologit) näyttäisivät ilmentyvän rytmisesti myös useissa ei-klassisissa kellokudoksissa, joten autonomisia kelloja mitä ilmeisemmin tikittää kehossamme myös keskushermoston ulkopuolella. Näiden tehtävää voidaan tässä vaiheessa vain arvailla. Miten ihmisen vuorokausirytmiä voidaan mitata? Ihmisen vuorokausirytmi ilmenee selvimmin uni-valverytmin vaihtelussa, vireystilassa, kehon lämpötilassa sekä eräiden hormonien kuten käpyrauhasen melatoniinin- ja lisämunuaiskuoren kortisolinerityksessä. Yksinkertaisin keino on lämpötilan mittaus: lämpötila on alimmillaan aamuyöstä, lähtee nousuun ennen heräämistä, kohoaa maksimiinsa iltapäivällä ja alkaa laskea illalla ennen nukkumaan menoa. SCN ohjaa lämpötilan vuorokausirytmiä toisaalta hermoyhteyksillään preoptisen alueen lämpötilaa sääteleviin neuroneihin (Refinetti ja Menaker 1992) ja toisaalta hormonaalisesti säätelemällä melatoniinin eritystä. Melatoniini on nykykäsityksen mukaan tärkein yksittäinen lämpötilarytmiin vaikuttava ihmisen hormoni (Cagnaggi ym. 1992). Lämpötilan mittausta häiritsee fyysinen aktiivisuus, joka kohottaa kehon lämpöä, samoin tukeva ruokailu. Melatoniinin eritystä ei häiritse muu kuin valo: jos valo sytytetään keskellä yötä, kun melatoniinin eritys on runsasta, eritys pysähtyy (McIntyre ym. 1989). Jos valaistusolosuhteita ei muuteta, eritys on vakaata päivästä toiseen: se alkaa illalla kohta valaistuksen vähennyttyä ja jatkuu aamutunneille. Melatoniinipitoisuus voidaan mitata noninvasiivisesti sylkinäytteistä, joita kerätään vuorokausikäyrää varten läpi vuorokauden (Laakso ym. 1990). Rytmin vaiheen määrityksessä käytetään usein mittausta, jossa hämärän aikaan kerätyistä sylkinäytteistä mitataan melatoniini ja lasketaan erityksen alkamisajankohta (dim light salivary melatonin onset, DLSMO) (Carskadon ym. 1997). Keinot kellon siirtoon Valo. Kellon tärkein tahdistaja on valo. Valoviesti välittyy nisäkkäillä silmästä SCN:ään retinohypotalaamista monosynaptista rataa myöten. Sekä eläimillä että ihmisillä on todettu, että kelloa voidaan siirtää valon avulla sekä eteenettä taaksepäin (Boivin ym. 1996, Takahashi ja Zatz 1982). Ajoitus ratkaisee, mihin suuntaan rytmi siirtyy: aamulla annettu valo saa rytmin»edistämään», kun taas illalla annettu valo»jätättää» kelloa (kuva 2). Varsin yllättävä tulos saatiin äskettäin kokeessa: ihmisen vuorokausirytmejä voitiin siirtää myös polvitaipeeseen kohdennetulla valolla (Cambell ja Murphy 1998). Kuinka valoviesti välittyy jalasta hypotalamuksen kelloon, ei vielä tässä tutkimuksessa selvinnyt. Valon vaikutusta vuorokausirytmiin voidaan kuvata ns. vaihevastekuvaajalla (phase-response curve, PRC) (kuva 2B). Kuvaajasta nähdään, että yöeläimillä rytmiä voidaan siirtää vain tiettyinä aikoina päivästä: joko aamuvarhaisella tai illalla. Sen sijaan keskipäivällä tai yöllä annetul- 568 J. T. Laitinen ja T. Porkka-Heiskanen
la valolla ei yleensä ole rytmiä siirtävää vaikutusta (Takahashi ja Zatz 1982). Toisaalta valolla näyttäisi olevan rytmiä siirtävää vaikutusta ihmiseen (ja ilmeisesti myös muihin päiväeläimiin) myös päivällä (Jewett ym. 1997). Tuoreiden tutkimusten perusteella ihmisen vuorokausirytmiä voidaan siirtää jo suhteellisen pienellä valointensiteetillä (180 lx, joka vastaa normaalia valaistustehoa kotioloissa) (Boivin ym. 1994, Shanahan ym. 1997). Kelloa ei kuitenkaan ole mahdollista siirtää mielin määrin: kohtuullisia valomääriä käytettäessä rytmin siirron normaali tahdistusraja on pari tuntia (Wever 1985). Ainakin teoriassa maamme pohjoinen sijainti saattaa altistaa meidät tilanteelle, jossa valon määrä ei aina riitä vuorokausirytmin tahdistukseen ja rytmi voi jätättää. Erityisen alttiita saattavat olla vanhukset. Valon rytmejä tahdistava vaikutus heikkenee iän myötä. Eläinkokeissa on osoitettu, että vanha hamsteri tarvitsee noin 20 kertaa enemmän valoa kuin nuori, jotta sen vuorokausirytmi siirtyisi (Zhang ym. 1996). Selitystä ilmiölle ei tiedetä. Toisaalta tiedetään, että runsas valo vaurioittaa verkkokalvoa (Leino 1987), ja näitä vaurioita silmän fysiologiset mekanismit pyrkivät öisin korjaamaan. Iän myötä vähenevää valoherkkyyttä saattaisi hyvin selittää myös se, että eksitatorinen välittäjäaine glutamaatti välittää kemiallisesti valoinformaatiota SCN-neuroneille (Ding ym. 1994). Voidaan ajatella, että liiallinen tai vääräaikainen valoaltistus saattaisi ajan mittaan vaurioittaa kellosoluja glutamaatista riippuvalla eksitotoksisella mekanismilla. Melatoniinin vaikutuksista on parhaiten kuvattu vuodenajan mukaan lisääntyvien eläinten lisääntymissyklin säätely. Myös niillä lajeilla ihminen mukaan luettuna jotka lisääntyvät ympäri vuoden, melatoniinin eritys ajoittuu vuorokauden pimeän aikaan riippumatta eläimen elintavoista (päivä- vai yöaktiivinen) (Reiter 1991). Nisäkkäillä SCN säätelee melatoniinin eritystä, ja melatoniinirytmiä pidetäänkin eräänä luotettavimmista vuorokausirytmin indikaattoreista. Melatoniini toimii kellon hormonaalisena viestinviejänä muualle elimistöön; melatoniinisignaali välittyy spesifisten reseptoreiden kautta (Kokkola ja Laitinen 1998). Melatoniini voi vaikuttaa reseptorivälitteisesti myös biologiseen kelloon, ja melatoniinin annolla on mahdollista siirtää vuorokausirytmiä tietyissä rajoissa (Lewy ym. 1992, 1996). Melatoniinin avulla on tahdistettu mm. sokeiden vuorokausirytmejä (Sack ja Lewy 1997). Melatoniinilla on ainakin suurina annoksina myös sedatiivisia vaikutuksia, minkä johdosta sitä on kokeiltu unen laadun parantamiseen (Mishima ym. 1997, Partonen, 1997). Vuorokausirytmiin väärin ajoitetun valon tavoin myös väärin ajoitettu melatoniinin anto saattaa aiheuttaa rytmin epätahdistumisen (Arendt ja Deacon 1997). Vaikka melatoniini yksittäisinä suurinakin annoksina on suhteellisen turvallinen, sen pitkäaikaiskäytöstä ei ole olemassa luotettavia tutkimuksia (Avery ym. 1998). Erityistä varovaisuutta on syytä noudattaa annettaessa melatoniinia hedelmällisessä iässä oleville sekä luonnollisesti raskauden aikana. Tahtia valotta. Valoviesti tulee SCN:ään sekä suoraan retinohypotalaamista rataa myöten että kiertotietä talamuksen»intrageniculate leaftletin» (IGL) kautta. Jälkimmäisellä radalla näyttää olevan tärkeä osuus ilman valoa tapahtuvan tahdistuksen välittäjänä. Nykykäsityksen mukaan vireystilan äkillinen lisääntyminen (arousal) on yhteinen tekijä ilman valoa tapahtuvassa rytmin siirtymisessä (Challet ym. 1998). Motorinen aktiivisuus (liikunta) ja ruokailu (Mistlberger ym. 1990) kuuluvat tahdistajina tähän ryhmään. Ilman valoa tapahtuva tahdistus on siis mahdollista, mutta sopivilla valon annoilla sen vaikutus voidaan kumota valo on tahdistajista tärkein ja voimakkain (Duffy ym. 1996). Entä kun sisäinen ja ulkoinen kello käyvät eri tahdissa? Biologiset rytmit ovat kehittyneet sopeuttamaan eliötä mahdollisimman hyvin ulkoisiin olosuhteisiin ja ennakoimaan rytmisesti tapahtuvia elinolosuhteiden muutoksia. Ihminen on kuitenkin ottanut käyttöönsä elintapoja ja tekniikkaa, joka tekee mahdolliseksi irrottautumisen valon ja pimeän rytmittämästä aktiivisuusjaksosta. Sisäinen kellomme kulkee kuitenkin historiallista aikaansa, ja sen tahdistus noudattaa niitä sääntöjä, jotka olivat tarkoituksenmu- Biologisen kellon fysiologia ja vuorokausirytmin häiriöiden yhteys sairauksiin 569
kaisia aurinkovuorokauteen sopeuduttaessa. Näin moderni kehitys asettaa meidät joissakin tapauksissa ristiriitaan oman ajastuksemme kanssa. Johtuipa ristiriita mistä tahansa, oireet ovat yleensä samat: ylenmääräinen väsymys, nukahtelu kesken päivää, ärtyisyys, keskittymis- ja suorituskyvyn heikkeneminen sekä epämääräinen huonovointisuuden tunne. Joissakin tapauksissa myös mielialahäiriöt (masennus, mania) voivat liittyä sisäisen ajan irtautumiseen ympäristön ajasta (Wehr 1991, Duffy ym. 1996). Mistä väsymys johtuu? Unta edeltävän valvejakson pituus määrää sen, kuinka pitkään on nukuttava, jotta univelka nollautuisi. Väsymys syntyy, kun uni jää velan edellyttämää lyhyemmäksi. Vuorokaudenaika puolestaan määrää, milloin voidaan nukahtaa ja milloin valvoa. Ihmisen unen alkamista valmistelee kehon lämpötilan kääntyminen laskuun myöhään iltapäivällä. Toisaalta lämmön nousu aamulla tekee nukahtamisen vaikeaksi ja useilla henkilöillä mahdottomaksi, vaikka univelkaa olisi kertynyt paljonkin esimerkiksi yövuoron aikana (Borbély 1982). Väsymys syntyy paitsi siitä, että väärin ajoitettu uni jää pakosta velan edellyttämää lyhyemmäksi, myös siitä, että väärin ajoitettu uni on normaalia huonolaatuisempaa syvän unen osuus on vähäinen ja uni katkeilee helposti. Aikaerorasitus Matkustaminen aikavyöhykkeeltä toiselle on altistanut yhä suurempia ihmisjoukkoja aikaerorasitukselle (jet lag), joka syntyy ylitettäessä useita aikavyöhykkeitä lyhyen ajan kuluessa. Siirtyminen uusiin valaistusolosuhteisiin vaatii kellon tahdistamista, mutta tahdistus on mahdollista vain asteittain, tahdistusrajan puitteissa. Tästä johtuu, että ihmisen sisäinen, endogeeninen rytmi jää eri aikaan ympäristön valaistusrytmin kanssa. Mitä suurempi ero on, sitä kauemmin kestää rytmin palautuminen normaaliksi. Tyypillisesti esimerkiksi lento Euroopasta Yhdysvaltojen länsirannikolle sekoittaa vuorokausirytmin noin viikoksi (Deacon ja Arendt 1996). Sopeutumista uuteen ympäristöön voidaan edistää oikein ajoitetulla»valohoidolla»: perille saavuttua ulos aurinkoon tai vaikka pilvisempäänkin säähän valaistus ulkona riittää mitä todennäköisimmin kellon siirtoon. Entä ajoitus? Heti perille tultua kello on vanhassa ajassa, ja sen siirtely on suoritettava tämä huomioon ottaen. Länteen siirryttäessä kellon halutaan jätättävän, minkä se pyrkii luonnostaankin tekemään. Eli valoa illalla. Päinvastoin itään mentäessä. Tunti riittää hyvin, ja lyhyemmästäkin ajasta on apua. Melatoniinia on kokeiltu rytmin siirron nopeuttajana, ja monet koehenkilöt ovat kokeneet hyötyneensä sen käytöstä (Arendt ja Deacon 1997). Lyhytvaikutteisia bentsodiatsepiineja on myös käytetty aikaerorasituksen haittojen minimointiin, etenkin helpottamaan nukahtamista silloin, kun sisäisen kellon rytmi pyrkii pitämään hereillä. Käytön haittapuolena ovat dokumentoidut muistihäiriöt normaaleilla, terveillä aikuisilla (Vgontzas ym. 1995). Muistihäiriö on ohimenevä mutta harvinaisen kiusallinen sivuvaikutus juuri uusiin oloihin matkaavilla, mikä on rajoittanut bentsodiatsepiinien käyttöä tähän tarkoitukseen. Vuorotyö Vuorotyöläiset altistuvat jatkuvalle sisäisen ja ulkoisen vuorokausirytmin epätahdistumiselle sekä elimistön yritykselle korjata sisäinen rytmi ulkoista vastaavaksi. Yksilölliset erot haittojen määrässä ovat suuret (Härmä 1993). Vanhemman väen on vaikeampi sopeutua rytmien epäsäännöllisyyteen (Härmä ym. 1994). Vuorotyön aiheuttamia terveyshaittoja ovat mm. väsymys, unihäiriöt, lisääntynyt onnettomuusriski ja ruoansulatuselimistön oireet. Viimeaikaisissa tutkimuksissa on myös varmistunut, että sydän- ja verisuonitautien riski on kasvanut vuorotyöläisillä (Knutsson ym. 1988). Vuorotyöhön usein liittyvä krooninen väsymys kasvattaa onnettomuusriskiä niin työpaikoilla kuin työmatkaliikenteessäkin. Vaikka vuorotyön tekemiseen liittyykin stressiä, ei se yksinään selitä sairastavuuden lisääntymistä, vaan suurena syynä on juuri vuorokausirytmin epätahdistus: vatsahaavan riskiä kasvattaa ruoansulatusentsyymien vähentynyt eritys ja suolen liikkuvuuden vähentyminen yövuoron aikana (Vener ym. 1989), kun taas sydän- ja verisuonitautien vaaratekijöinä voi- 570 J. T. Laitinen ja T. Porkka-Heiskanen
daan pitää aamuyön vähentynyttä fibrinolyysiä sekä muutoksia glukoosin ja lipidien metaboliassa (Hampton ym. 1996). Seurauksena on, että ravinnonoton, aineenvaihdunnan ja energiankulutuksen säätelyn tasapaino häiriintyy, minkä arvioidaan olevan lisääntyneen sairastavuuden merkittävä taustatekijä (Härmä 1998). Vuorotyön haittoja koetetaan torjua mm. erilaisilla työvuoro- ja valaistusjärjestelyillä ja joissakin kokeiluissa myös melatoniinilla. Koululaiset Koululaisia nukuttaa aamulla. Olemme tottuneet pitämään sitä liian myöhäisen nukumaanmenon seurauksena, mutta voisiko ilmiön takana olla sisäisen kellomme ominaisuuksia, jotka liittyvät lapsen kasvuun ja kypsymiseen? Juuri valmistuneen tutkimuksen (Carskadon ym. 1998) mukaan murrosikäisen (tutkimuksessa 14 16 vuotiaat) sisäinen kello ei sopeudu aikaiseen ylösnousuun siten, että illan nukkumaanmeno aikaistuisi. Tutkimuksessa seurattiin puolen vuoden välein, miten nuorten vuorokausirytmi ja uni sopeutuvat koulun alun aikaistumiseen tunnilla. Vuorokausirytmin vaiheen merkkinä käytettiin melatoniinirytmiä, tarkemmin sanottuna DLMSO:ta. Nukahtamisalttius mitattiin käyttäen multiple sleep latence testiä (MSLT), jossa koehenkilö lepää sängyssä ja EEG:n avulla seurataan, kuinka kauan nukahtamiseen kuluu aikaa. Mitä enemmän univelkaa on kertynyt, sitä lyhyempi on nukahtamisviive. Rytmien suhteen merkittävin ja merkillisin löydös oli, että tuntia aikaisempi ylösnousu ei siirtänyt kelloa aikaisemmaksi, vaan melatoniinin eritys alkoi päinvastoin noin 40 minuuttia myöhemmin. Nukkumaanmenoaika ei muuttunut, joten nukkuminen ajoittui nyt uuteen kohtaan vuorokausirytmiä, jolloin nukahtaminen voi olla vaikeutunut, ja unen laatu heikompi kuin normaalisti. Herääminen siirtyi tuntia aikaisemmaksi, koska kouluun oli kerittävä, ja näin ollen kokonaisuniaika lyheni. Seuraukset näkyivät nukahtamisalttiustestissä: nukahtamisviive lyheni puoleen ja oli keskimäärin vain 10 minuuttia. Lyhyin viive oli 1.8 minuuttia. Melkein puolella koehenkilöistä esiintyi REM-unijaksoja MSLT-testissä. Aikuisella tätä pidettäisiin merkkinä hyvin vakavasta unihäiriöstä (narkolepsia) tai poikkeuksellisen suuresta univelasta. Ei ihme, että opettajilla on aamutunneilla työlästä. Jos näitä tuloksia voitaisiin yleistää normaaliin koulutyöhön, ensimmäisellä aamutunnilla koko luokka olisi unessa alle kahdessakymmenessä minuutissa opetuksen alkamisesta! Vakavaa ajattelemisen aihetta antaa myös se, että siirtyminen aikaisempaan heräämiseen vähensi syvän unen osuutta kokonaisunimäärästä. Tämä on ristiriidassa unen normaalin säätelyn kanssa: aikuisilla koehenkilöillä suuri univelka lisää syvän unen osuutta korvausunen aikana (Borbély 1982). Nuorilla näyttää siis olevan selviä biologisperäisiä vaikeuksia sekä sopeutumisessa rytmin siirtoon että univelkaan. On mahdollista, että nämä mekanismit eivät vielä murrosiässä ole saavuttaneet lopullista kypsyysastettaan. Yritykset sopeuttaa nuoret aikuisten mallin mukaiseen rytmiin johtivat siis krooniseen, erittäin merkittävään univelkaan, unen laadun huononemiseen ja unen ajoittumiseen aamupäivään, päällekkäin koulutyön kanssa. Kaamosmasennus Eräs masennuksen alatyypeistä on kaamosmasennus, jota tavataan noin prosentilla väestöstä (Partonen ja Lönnqvist 1998). Sille tyypillisiä oireita ovat masennuksen alkaminen syksyllä päivänvalon vähentyessä, ruokahalun kasvu, unen tarpeen lisääntyminen ja painon nousu (Partonen ja Lönnqvist 1998). On esitetty, että ainakin eräänä häiriön syynä voisi olla sisäisen ja ulkoisen rytmin epätahdistuminen: päivän lyhetessä valomäärä ei riitä tahdistamaan vuorokausirytmiä, joka alkaa kulkea sisäisen kellon mukaan eli jätättää. Tutkimuksilla on saatu vain osittaista vahvistusta tälle teorialle: Kaamosmasennuspotilailla on todettu rytmien ajoituksen vaihtelevan enemmän kuin terveillä (Teicher ym. 1997). Kaamosmasennuksen hoitoon käytetään kirkasvalohoitoa: noin 3 000 lx heti aamusta tunnin ajan pitää oireet kurissa (Partonen ja Lönnqvist 1998). Kannattaa muistaa, että valohoito tehoaa kaamosmasennukseen mutta ei yleensä muuntyyppiseen masennukseen. Va- Biologisen kellon fysiologia ja vuorokausirytmin häiriöiden yhteys sairauksiin 571
lohoito on hyvin siedettyä, eikä siihen ole todettu liittyvän merkittäviä sivuvaikutuksia, mutta sen pitkäaikaisvaikutuksia ei vielä tunneta. Teoriassa haitat saattaisivat ilmetä liiallisen tai vääräaikaisen valon aikaansaamina verkkokalvovaurioina tai SCN-neuronien degeneraationa, kuten edellä selostettiin. Lopuksi Sisäisen kellomme epätahdistus aurinkovuorokauden suhteen aiheutuu pääosin yhteiskuntamme vaatimuksista (esim. vuorotyö) tai itse aiheuttamistamme olosuhteista (aikaerorasitus), ja joissakin tapauksissa syynä on sairaus (esim. sokeus). Vielä ei tiedetä, voiko epätahdistus aiheuttaa sairauksia, mutta sairastumisen riskitekijänä sitä voidaan kuitenkin pitää. Saattaapa osoittautua, että vuorokausirytmien jatkuvalla epätahdistumisella on vakavampiakin seurauksia: tau-mutanttihamstereiden keskimääräinen elinikä lyhentyi 40 %, mutta normaalistui, kun mutanteille siirrettiin normaalirytmisten hamstereiden SCN, joka myös palautti mutanttien rytmin normaaliksi. Miksi rytmin häiriintyminen aiheutti eliniän lyhenemisen, on vielä selvittämättä (Hurd ja Ralph 1998). Kirjallisuutta Antoch M P, Song E J, Chang A M, ym. Functional identification of the mouse circadian Clock gene by transgenic BAC rescue. Cell 1997; 89: 655 67. Arendt J, Deacon S. Treatment of circadian rhythm disorders melatonin. Chronobiol Int 1997; 14: 185 204. Avery D, Lenz M, Landis C A. Guidelines for prescribing melatonin. Ann Med 1998; 30: 122 30. Boivin D B, Duffy J F, Kronauer R E, Czeisler C A. Sensitivity of the human circadian pacemaker to moderately bright light. J Biol Rhythms 1994; 9: 315 31. Boivin D B, Duffy J F, Kronauer R E, Czeisler C A. Dose-response relationships for resetting of human circadian clock by light. Nature 1996; 379: 540 2. Borbely A A. A two process model of sleep regulation. Human Neurobiol 1982; 1: 195 204. Cagnaggi A, Elliott J A, Yen S S C. Melatonin: a major regulator of the circadian rhythm of core temperature in humans. J Clin Endocrinol Metab 1992; 75: 447 52. Campbell S S, Murphy P J. Extraocular circadian phototransduction in humans. Science 1998; 279: 396 9. Carskadon M A, Acebo C, Richardson G S, Tate B A, Seifer R. An approach to studying circadian rhythms of adolescent humans. J Biol Rhythms 1997; 12: 278 89. Carskadon M A, Wolfson A R, Acebo C, Tzischinsky O, Seifer R. Adoscelent sleep patterns, circadian timing and sleepiness at a transition to early school days. Sleep 1998; 21: 871 81. Challet E, Scarbrough K, Penev P D, Turek F W. Roles of suprachiasmatic nuclei and intergeniculate leaflets in mediating phase-shift effects of a serotonergic agonist and their photic modulation during subjective day. J Biol Rhythms 1998; 13: 410 21. Deacon S, Arendt J. Adapting to phase shifts, I. an experimental model for jet lag and shift work. Physiol Behav 1996; 59: 665 73. Ding J M, Chen D, Weber E T, Faiman L E, Rea M A, Gillette M U. Resetting the biological clock: mediation of nocturnal circadian shifts by glutamate and NO. Science 1994; 266: 1713 7. Dunlap J. An end in the beginning. Science 1998; 280: 1548 9. Duffy J F, Kronauer R E, Czeisler C A. Phase-shifting human circadian rhythms: influence of sleep timing, social contact and light exposure. J Physiol 1996; 495: 289 997. Hampton S, Morgan L, Lawrence N, ym. Postprandial hormone and metabolic responses in simulated shift work. J Endocrinol 1996; 151: 259 67. Hobson J A. Sleep. Scientific American Library. New York: W H Freeman and Company, 1989, s. 38. Hurd M W, Ralph M R. The significance of circadian organization for longevity in the golden hamster. J Biol Rhythms 1998; 13: 430 6. Härmä M. Individual differences in tolerance to shiftwork: a review. Ergonomics 1993; 36: 101 9. Härmä M I, Hakola T, Åkerstedt T, Laitinen J T. Age and adjustment to night work. Occup Environ Med 1994; 51: 568 73. Härmä M. New work times are here are we ready? Scand J Work Environ Health 1998 (painossa). Jewett M E, Rimmer D W, Duffy J F, Klerman E B, Kronauer R E, Czeisler C A. Human circadian pacemaker is sensitive to light throughout subjective day without evidence of transients. Am J Physiol 1997; 273: R1800 9. King D P, Zhao Y, Sangoram A M, ym. Positional cloning of the mouse circadian clock gene. Cell 1997; 89: 641 53. Kokkola T, Laitinen J T. Melatonin receptor genes. Ann Med 1998; 30; 88 94. Knutsson A, Åkerstedt T, Jonsson B G. Prevalence of risk factors for coronary artery disease among day and shift workers. Scand J Work Environ Health 1988; 14: 317 21. Laakso M, Porkka-Heiskanen T, Alila A, Stenberg D, Johansson G. Correlation between salivary and serum melatonin: dependence on serum melatonin levels. J Pineal Res 1990; 9: 39 50. Leino M. Valon aiheuttamat verkkokalvovauriot. Duodecim 1987; 193: 201 7. Lewy A J, Ahmed S, Jackson J M L, Sack R L. Melatonin shifts human circadian rhythms according to a phase-response curve. Chronobiol Int 1992; 9: 380 92. Lewy A J, Ahmed S, Sack R L. Phase shifting the human circadian clock using melatonin. Behav Brain Res 1996; 73: 131 4. Liu C, Weaver D R, Strogatz S H, Reppert S M. Cellular construction of a circadian clock: period determination in the suprachiasmatic nuclei. Cell 1997; 91: 855 60. McIntyre I M, Norman T R, Burrows G D, Armstrong S M. Human melatonin response to light at different times of the night. Psychoneuroendocrinology 1989; 14: 187 93. Mishima K, Satoh K, Shimizu T, Hishikawa Y. Hypnotic and hypothermic action of daytime-administered melatonin. Psychopharmacology 1997; 133: 168 71. Mistlberger R E, Houpt T A, Mooreede M C. Characteristics of foodentrained circadian rhythms in rats during long-term exposure to constant light. Chronobiol Int 1990; 7: 383 91. Partonen T. Melatoniini unettomuuden hoidossa. Suom Lääkäril 1997; 52: 2399 402. Partonen T, Lönnqvist J. Seasonal affective disorder a guide to diagnosis and treatment. CNS Drugs 1998; 9: 203 12. Ralph M R, Menaker M. A mutation of the circadian system in golden hamsters. Science 1988; 241: 1225 7. Ralph M R, Foster R G, Davis F C, Menaker M. Transplanted suprachiasmatic nucleus determines circadian period. Science 1990; 247: 975 8. Refinetti R, Menaker M. The circadian rhythm of body temperature. Physiol Behavior 1992; 51: 613 37. Reiter R J. Melatonin: the chemical expression of darkness. Mol Cell Endocrinol 1991; 79: C153 8. Reppert S M. A clockwork explosion! Neuron 1998; 21: 1 4. Sack R L, Lewy A J. Melatonin as a chronobiotic: treatment of circadian 572 J. T. Laitinen ja T. Porkka-Heiskanen
desynchrony in night workers and the blind. J Biol Rhythms 1997; 12: 595 603. Sassone-Corsi P. Molecular clocks: mastering time by gene regulation. Nature 1998; 392: 871 4. Shanahan T L, Zeitzer J M, Czeisler C A. Resetting the melatonin rhythm with light in humans. J Biol Rhythms 1997; 12: 556 67. Takahashi J S, Zatz M. Regulation of circadian rhythmicity. Science 1982; 217: 1104 11. Teicher M H, Glod C A, Magnus E. Circadian rest-activity disturbances in seasonal affective disorder. Arch Gen Psych 1997; 54: 124 30. Vener K, Szabo S, Moore J. The effect of shift work on gastrointestinal function: a review. Chronobiologia 1989; 16: 421 39. Vgontzas A N, Kales A, Bixler E O. Benzodiazepine side effects: role of pharmacokinetics and pharmacodynamics. Pharmacology 1995; 51: 205 23. Vitaterna M H, King D P, Chang A-M, ym. Mutagenesis and mapping of a mouse gene, Clock, essential for circadian behavior. Science 1994; 264: 719 25. Wehr T A. Sleep-loss as a possible mediator of diverse causes of mania. Br J Psychiatry 1991; 159: 576 8. Welsh D K, Logothetis D E, Meister M, Reppert S M. Individual neurons dissociated from rat supra-chiasmatic nucleus express independently phased circadian firing rhythms. Neuron 1995; 14: 697 706. Wever R A. Use of light to treat jet lag: differential effects of normal and artificial light on human circadian rhythms. Kirjassa: Wurtman R J, Baum M J, Potts J T J, toim. The medical and biological effects of light. New York: Ann NY Acad Sci, 1985, Vol 453, s. 282 304. Winfree A T. The timing of biological clocks. Scientific American Library. New York: WH Freeman and Company, 1987. Zhang Y, Kornhauser J M, Zee P C, Mayo K E, Takahashi J S, Turek F W. Effects of aging on light-induced pahse-shifting of circadian behavioral rhythms, fos expression and CREB phosphorylation in the hamster suprachiasmatic nucleus. Neuroscience 1996; 70: 951 61. JARMO T. LAITINEN, FT, dosentti, yliassistentti jarmo.laitinen@uku.fi Kuopion yliopiston fysiologian laitos PL 1627, 70211 Kuopio TARJA PORKKA-HEISKANEN (Stenberg), dosentti porkka@cc.helsinki.fi Suomen Akatemian vanhempi tutkija Helsingin yliopiston biolääketieteen laitos, fysiologian osasto PL 9, 00014 Helsingin yliopisto Biologisen kellon fysiologia ja vuorokausirytmin häiriöiden yhteys sairauksiin 573