Vědecké zaměření

V centru našeho zájmu je cirkadiánní systém savců a jeho synchronizace. Savci, stejně jako všechny ostatní živé organismy, vykazují denní rytmicitu biologických proměnných na úrovni molekulární, buněčné a celého organismu a na úrovni funkce i chování. Rytmy existují dokonce i v neperiodických podmínkách a jsou vytvářeny endogenními hodinami, tzv. pacemakerem. V neperiodických podmínkách tyto rytmy volně běží s periodou přibližně okolo 24 hodin. Proto jsou tyto rytmy a také pacemaker nazývány cirkadiánní (z latinského cirka-dien). K 24 hodinovému cyklu jsou tyto rytmy synchronizovány převážně cyklem střídání světla a tmy, zvláště ale světlou periodou dne. Kromě světla mohou být ale zapojeny i jiné synchronizační vlivy. Cirkadiánní pacemaker je uložený v suprachiasmatických jádrech (SCN) hypothalamu. Podle biochemických, morfologických a funkčních charakteristik lze SCN rozdělit na dvě části, tzv. ventrolaterální (VL) část, která dostává informaci o vnějším osvětlení z retiny, a tzv. dorsomediální (DM) část. 
Cílem studií prováděných v oddělení je vyjasnění dynamiky a mechanismu světelné a nesvětelné synchronizace cirkadiánního pacemakeru samotného a také periferních rytmů řízených tímto pacemakerem. Výzkum je zaměřen především na studie na animálních modelech, zvláště na laboratorního potkana, ale jsou prováděny také humánní studie. 

Hlavní výsledky

A. Animální studie

VL-SCN vykazuje rytmus ve světelné indukci časných ranných genů, např. c-fos mRNA a c-Fos proteinu. Zjistili jsme, že interval umožňující vysokou fotoindukci c-fos ve VL-SCN závisí na předcházející délce dne, tj. fotoperiodě, na které jsou zvířata chována. Tento efekt fotoperiody přitom není zprostředkován endogenním melatonínovým signálem. Jestliže se fotoperioda mění z dlouhé "letní" na krátkou "zimní", přizpůsobuje se tento interval změně pouze pozvolně. V DM-SCN jsme popsali rytmus ve spontánní imunoreaktivitě c-Fos během tmy. Dokonce i rytmicita v DM-SCN závisí na předcházející fotoperiodě a přizpůsobuje se pozvolně změně z dlouhých na krátké dny. Kromě toho i rytmus v m-RNA pro arginin vasopresin je v DM-SCN závislý na fotoperiodě. Proto funkční stav obou částí SCN je modulovatelný fotoperiodou. Celé SCN tak může sloužit jako nejen denní, ale také sezónní kalendář. Mechanismus ranního nárůstu c-fos, který může být indikátorem neuronální aktivity, je v podmínkách střídajících se period světla a tmy v obou částech SCN rozdílný: zatímco v DM-SCN je tento nárůst spontánní, ve VL-SCN je indukován světlem. 
Rytmicita jak VL-SCN tak i DM-SCN může být synchronizována světelnými podněty aplikovanými během subjektivní noci. Předběžné výsledky ukazují, že k synchronizaci nedochází přesně stejným způsobem v obou částech SCN. Velikost fázových posunů závisí na fotoperiodou modulovaném funkčním stavu pacemakeru v SCN. Interval umožňující světelnou synchronizaci cirkadiánní rytmicity je také závislý na fotoperiodě a odpovídá intervalu, kdy je umožněna fotoindukce c-fos. Oba intervaly tak mohou představovat rytmus v sensitivitě ke světlu. Rytmicitu v SCN mohou synchronizovat také nesvětelné podněty. Melatonin podaný během pozdní světlé fáze dne okamžitě seřizuje večerní nárůst v c-fos fotoindukci. Melatonin podaný v pozdní noci potlačuje ranní nárůst c-fos v DM-SCN, ale neseřizuje rytmicitu v této části SCN. 

B.Humánní studie Jako ukazatelé lidské cirkadiánní rytmicity byly použity dva periferní rytmy řízené SCN, rytmus v hladině melatoninu ve slině a rytmus v hladině kortizolu. Vystavení dobrovolníků přirozené letní 16 hodinové fotoperiodě zkracuje délku trvání melatonínového signálu ve srovnání se zimním profilem sledovaným při kombinaci umělé a přirozené 16 hodinové fotoperiody. Vystavení letním dnům od východu do západu slunce tak vyvolá skutečnou odpověď lidského cirkadiánního systému na dlouhé dny. Avšak tento komprimovaný profil letního melatonínového rytmu po zkrácení fotoperiody opět velmi rychle expanduje. Znamená to, že přirozená letní fotoperioda může maskovat skutečný profil cirkadiánních rytmů. 
Již dříve jsme prokázali, že jednorázové vystavení ostrému světlu v ranních hodinách způsobí fázové předběhnutí lidského cirkadiánního systému během jednoho dne. Nyní jsme zjistili, že ranní probouzení v určitou dobu společně se světlem o nízké intenzitě může udržet toto fázové předběhnutí delší dobu. Lidský cirkadiánní systém může být ale seřízen pouze posunem doby spánku při slabém světle v době, kdy k němu obvykle dochází v každodenním životě bez předchozího vystavení ostrému světlu. Ve spolupráci s 1. Lékařskou fakultou v Praze jsme zjistili změny v cirkadiánním systému u pacientů s idiopatickou hypersomnií ve srovnání se zdravými jedinci. 

Budoucí zaměření

Nadále budou pokračovat studie zaměřené na vyjasnění dynamiky a mechanismu světelné, fotoperiodické a nesvětelné synchronizace savčího cirkadiánního systému. Naše pozornost bude soustředěna na procesy probíhající v obou částech SCN vyvolané podněty okolního prostředí, na časový průběh těchto procesů a na vzájemný vztah mezi těmito oběma částmi SCN. Pro pochopení molekulární podstaty působení synchronizačních podnětů bude kromě exprese časných ranných genů sledována i exprese genů tvořících součást cirkadiánních hodin a genů těmito hodinami řízených. V humánních studiích bude pokračovat spolupráce s 1. Lékařskou fakultou při odhalování role cirkadiánního systému v poruchách spánku. Znalosti mechanismů synchronizace nám umožní navrhnout kvalitnější terapii poruch spánku a rovněž způsoby jak jim předcházet.

Publikace