Kuolema kuittaa univelat? Effects of cumulative sleep loss on immune functions and lipid metabolism

Show full item record

Permalink

http://urn.fi/URN:ISBN:978-951-51-2614-6 (PDF)
Title: Kuolema kuittaa univelat? Effects of cumulative sleep loss on immune functions and lipid metabolism
Author: Aho, Vilma
Contributor: University of Helsinki, Faculty of Medicine, Institute of Biomedicine, Physiology
Thesis level: Doctoral dissertation (article-based)
Belongs to series: Dissertationes Scholae Doctoralis Ad Sanitatem Investigandam Universitatis Helsinkiensis - URN:ISSN:2342-317X
Abstract: Sleep is an essential physiological function. It is conserved across the animal kingdom; no animal species studied has been shown not to sleep. The timing of sleep and wakefulness is regulated by two processes. The circadian process works like a clock and accounts for the timing of sleep and arousal, synchronised by the light dark rhythm. The homeostatic process acts like an hourglass balancing the amount of sleep vs wakefulness. In case waking is prolonged, the homeostatic sleep need drives more sleep to take place, i.e. the sleep rebound. The homeostatic aspect of sleep can be studied by restricting sleep in laboratory conditions and assessing the effects on e.g. cognitive functions and physiological processes. Sleep is not merely a function of the brain, occurring in the brain and for the brain. The brain acts in concert with other organs and tissues in physiological and pathophysiological processes. During the recent decades, epidemiological studies have suggested that there is a connection between short or insufficient sleep with higher mortality. Increased risk for cardiovascular diseases, atherosclerosis, type II diabetes, and obesity has been reported in individuals who sleep less than the average. Laboratory studies have partly supported these findings, suggesting a causative role of sleep loss in the development of metabolic diseases, particularly type II diabetes. Experimental sleep restriction has been shown to alter glucose metabolism towards insulin resistance. Studies on the effects of sleep loss on lipid metabolism have been more inconclusive. Sleep is tightly interconnected with the immune system. Experimental sleep restriction increases proinflammatory cytokines, which in turn promote sleep. Atherosclerosis is the pathophysiological process underlying ischaemic heat disease and stroke, the two leading causes of death worldwide. The immune system plays a major role in the development of this metabolic disease characterised by plaque-formation in the arterial walls. Altered cholesterol transport by low density and high density lipoproteins (LDL and HDL) triggers an immune response involving macrophages and other white blood cells. Chronic low-grade inflammation has been shown to in turn predict future cardiovascular diseases. Thus, the development of atherosclerosis is a complex process with both metabolic and immunological components. In the current thesis, I have investigated the effects of sleep loss on gene expression and metabolites in the blood, focusing on changes that may participate in the development of cardiovascular diseases, especially atherosclerosis. Short-term sleep loss was studied in carefully controlled laboratory conditions with an experimental protocol simulating a working week with restricted sleep (4 h sleep/night for 5 nights; N=21). Sleep loss occurring chronically in real-life conditions was assessed in two Finnish epidemiological cohorts. Subjective sleep insufficiency (SSI) was estimated using questionnaire information on sleep, and a prevalence of 16-18% was found in these samples (FINRISK2007/DILGOM; N=518; SSI 16%, and Young Finns Study, YFS; N=2221; SSI 18%). In both the experimental and epidemiological samples, whole-genome expression profiles were assessed with RNA microarrays and serum lipoprotein profiles with NMR metabolomics. Immune response-related gene pathways were enriched among transcripts with higher expression in experimental sleep loss. Pathways involved in reverse cholesterol transport (RCT) were down-regulated in both experimental and epidemiological sleep loss. Concentration of large high density lipoprotein (HDL) particles was lower in subjects with SSI, even though in experimental sleep loss the low density lipoproteins (LDL) decreased. Up-regulation of low-grade inflammation-related pathways, and down-regulation of RCT-related pathways with decreased serum large HDL in chronic sleep loss may participate in the development of cardiovascular diseases, such as atherosclerosis. Experimental and epidemiological sleep studies in human volunteers can complement each other, but still yield information mostly from blood samples. Other methods are needed to elucidate mechanisms involving e.g. the liver. As sleep is a complex phenomenon involving synchronised activity of neuronal networks and integration with other systems and organs, it is not feasible to be studied in vitro, i.e. in cultured cells. Thus, animal models are needed to further study the effects of sleep loss at the level of molecular mechanisms. Zebrafish is a small diurnal vertebrate whose genome has been sequenced. It has a short generation time, readily available genetic tools, and it is well suited for in vivo imaging studies thanks to its transparent larval stage. Sleep or sleep-like states have been reported in this species using behavioural criteria. According to these studies, adult and larval zebrafish exhibit behavioural quiescence periods with circadian timing and increased arousal threshold. However, the homeostatic sleep rebound after prolonged wakefulness has not been unquestionably proven in this species. To confirm sleep homeostasis and validate this model for further studies on the effects of sleep loss, I developed a method for naturally prolonging the waking activity of zebrafish larvae. After 6 hours of this water flow protocol applied during the night, the larvae showed less responses to sensory stimuli than control larvae. Thus, I suggest that zebrafish larvae do have sleep homeostasis and they can be a useful model to study the sleep loss-related mechanisms involved in disease development.Aristoteles aprikoi jo antiikin Kreikassa 300-luvulla eaa., onko uni mielen, ruumiin vai kenties molempien toiminto. Aivoihin keskittyvät teoriat ovat sittemmin olleet unitutkimuksessa pitkälti vallalla. Viime vuosikymmeninä kiinnostus unen ja kehon toimintojen yhteyttä kohtaan on kuitenkin herännyt uudelleen. Immuunijärjestelmän on havaittu olevan tiiviissä vuoropuhelussa unen säätelyn kanssa. Tulehdusta välittävät tekijät (proinflammatoriset sytokiinit) lisääntyvät univajeessa. Toisaalta nämä samat viestimolekyylit myös lisäävät unta, kuten arkielämässä saattaa bakteeri- tai virusinfektioiden yhteydessä havaita. Vaikka univajetilassa ei ole infektiota, se näyttää aiheuttavan elimistössä puolustusreaktion. Alkuperäinen immuunijärjestelmän aktivaation laukaiseva tekijä ei ole kuitenkaan tiedossa. Väestötutkimuksissa on havaittu yhteys lyhyen tai riittämättömän unen ja kohonneeseen kuolleisuuden välillä. Myös sydän- ja verisuonitautiriski on joidenkin tutkimusten mukaan keskimääräistä korkeampi vähän nukkuvilla. Näiden epidemiologisten löydösten selittäjiksi on ehdotettu monia tekijöitä univajeen yhteydessä usein esiintyvistä epäterveellisistä elintavoista fysiologisiin tekijöihin. Kokeelliset tutkimukset ovat osin tukeneet väestötason havaintoja. Univajeen on osoitettu mm. nostavan verenpainetta ja ajavan hiilihydraattiaineenvaihduntaa insuliiniresistenssin suuntaan lisäten kakkostyypin diabeteksen riskiä. Rasva-aineenvaihduntaa on tutkittu vähemmän, ja tulokset ovat olleet ristiriitaisia. Tämän väitöskirjatutkimuksen osatöissä selvitin univajeen aiheuttamia muutoksia ihmisen immuunijärjestelmässä ja aineenvaihdunnassa. Tutkin univajeen vaikutuksia sekä tarkoin kontrolloiduissa kokeellisissa olosuhteissa (laboratoriossa simuloitu vähäuninen työviikko, unta 4 h/yö viiden yön ajan, N=21) että väestötasolla (kansallisen FINRISKI 2007 -terveystutkimuksen osaotos, N=472, sekä Lasten Sepelvaltimotaudin Riskitekijät -aineiston 2007-aikapiste, N=2221). Keskityin erityisesti muutoksiin, jotka saattavat osallistua sydän- ja verisuonitautien kehitykseen. Tulokset osoittivat, että unen rajoittaminen kokeellisesti terveillä koehenkilöillä aktivoi immuunijärjestelmän geenien ilmentymisen tasolla. Kolesterolin kuljetukseen osallistuvat geenit olivat vähemmän aktiivisia univajeisilla sekä kokeellisessa univajeessa että väestöaineistoissa. Veren lipoproteiinitasoissa kokeellinen univaje laski LDL-partikkeleiden määrää, kun taas väestötasolla suuria HDL-partikkeleita oli vähemmän riittämättömästi nukkuvilla. Ehdotan, että immuunijärjestelmän aktivoituminen univajeessa muuttaa aineenvaihdunnan säätelyä. Tämä näkyy lyhyellä aikavälillä LDL:ien vähentymisenä, mikä perinteisesti tulkitaan sydän- ja verisuonitautiriskiä vähentäväksi. Univajeen ja tulehdustilan kroonituessa kolesteroliaineenvaihdunta saattaa kuitenkin kääntyä epäedulliseen suuntaan ja altistaa sydän- ja verisuonitautien kehittymiselle yhdessä muiden riskitekijöiden kanssa. Kokeelliset ja väestötason tutkimukset täydentävät toisiaan tarjoten tietoa sekä valvotuista laboratorio-olosuhteista että tosielämän pitkäaikaisvaikutuksista. Ihmisillä tehtävissä tutkimuksissa saadaan yleensä kuitenkin tietoa lähinnä verinäytteistä. Vaikka veressä kiertävät valkosolut ovatkin monien sairauksien keskiössä, myös muut elimet, kuten maksa, ovat olennaisia näiden monimutkaisten prosessien säätelyssä. Koska uni liittyy hermoverkkojen yhteistoimintaan ja laajemmin aivojen ja muiden elimien yhteistoimintaan ei sen tutkiminen in vitro eli soluviljelmissä petrimaljoilla ole mielekästä. Täten eläinmallit ovat tarpeen, kun selvitetään univajeen ja tautiriskin yhteyden taustalla vaikuttavia molekyylitason mekanismeja. Aristoteles pohti, nukkuvatko kaikki eläimet ja onko eri lajien nukkuminen samankaltaista ja lähtöisin samasta tarpeesta. Hän esitti kalojen käyttäytymisen havainnointiin perustuen, että kalojen voidaan todeta nukkuvan. Havainnot perustuivat kalojen ajoittaiseen paikallaanoloon, johon liittyi myös aistien osittainen sulkeminen. Tähän yhdistyi myös lajityypillisiä nukkumisasentoja ja -paikkoja. 1980-luvulla esitetyt käyttäytymiskriteerit unen määrittämiseen ilman aivosähkökäyrää (EEG) perustuvat samantyyppiseen havainnointiin. Näillä kriteereillä on raportoitu nukkumista tai nukkumisenkaltaisia tiloja monenlaisilta eläinlajeilta, mukaan lukien kaloilta, banaanikärpäsiltä ja sukkulamadoilta. Seeprakala on biolääketieteellisessä tutkimuksessa verrattain paljon käytetty mallieläin, jonka genomi on sekvensoitu. Lajin etuina tutkimuksessa ovat mm. lyhyt sukupolvien väli, poikasvaiheen läpinäkyvyys sekä geneettinen muokattavuus. Tämän päiväaktiivisen selkärankaisen on myös käyttäytymiskriteerien perusteella ehdotettu nukkuvan. Seeprakalalla on valveen ja unen ajoituksesta vastaava sirkadiaaninen järjestelmä eli vuorokausirytmi. Unen säätelyn toinen kulmakivi, homeostaattinen unipaine, vastaa unen ja valveen määrän tasapainosta. Valveen pitkittyessä unipaine kasvaa, minkä tuloksena voidaan havaita enemmän ja/tai syvempää unta. Tätä kutsutaan korvausuneksi, ja se voidaan havaita esimerkiksi kohonneena kynnyksenä reagoida aistiärsykkeisiin. Tätä ns. homeostaattista sleep reboundia ei ollut kiistattomasti todistettu seeprakalalta. Tässä työssä kehitin seeprakalan poikasille luonnollisen menetelmän valveen pitkittämiseen ja reaktioiden mittaamiseen. Menetelmän avulla sain osoitettua, että kalanpoikaset, joiden unta oli rajoitettu yön aikana, reagoivat vähemmän kuin verrokit. Tämän tulkitsen merkiksi homeostaattisesta sleep reboundista. Seeprakalan poikaset soveltuvat tämän jälkeen ihmisainaistoissa saamieni tulosten tarkempiin mekanismitason tutkimuksiin. Mm. kolesterolin kulkeutumista voi seurata in vivo eli elävässä eläimessä ja saada tarkempaa tietoa univajeen aiheuttamista kolesteroliaineenvaihdunnan muutoksista. Kroonistuessaan univaje saattaa ylläpitää elimistössä matala-asteista tulehdustilaa ja muuttaa kolesteroliaineenvaihdunnan säätelyä, ja siten osallistua sydän- ja verisuonitautien kehittymiseen. Seeprakalan poikaset voivat tarjota mahdollisuuksia taustalla vaikuttavien molekyylitason mekanismien tarkempiin jatkotutkimuksiin.
URI: URN:ISBN:978-951-51-2614-6 (PDF)
http://hdl.handle.net/10138/167475
Date: 2016-11-04
Subject: lääketiede
Rights: This publication is copyrighted. You may download, display and print it for Your own personal use. Commercial use is prohibited.


Files in this item

Total number of downloads: Loading...

Files Size Format View
Kuolemak.pdf 1.640Mb PDF View/Open

This item appears in the following Collection(s)

Show full item record