(en busca del tiempo perdido) - Laboratorio de ...cronos.unq.edu.ar/fisgen/clase_ritmos.pdf · Ritmos circadianos en Humanos Hormonas: prolactina, hormone de crecimiento, insulina,

LA MÁQUINA DEL TIEMPOCronobiologiaCronobiologia

(en busca del tiempo perdido)

Diego A. GolombekUniversidad Nacional de Quilmes/CONICET

¿Dónde está el tiempo?

Entre el Entre el ddííayay la nochela nochehay un territorio inexplorado.hay un territorio inexplorado.

No es sol ni es sombra:No es sol ni es sombra:es tiempoes tiempo

Octavio PazOctavio Paz

• En aquella desolada región, encontré un pequeño rancho habitado por un gaucho y su familia y pasé la noche allí. Los chajás andaban alrededor del rancho y parecían tan mansos como las aves domésticas y cuando salí a buscar algún sitio donde mi caballo pudiera hallar buen pasto, los pájaros no echaron a volar, sino que se apartaron un poco como para dejarme pasar. Serían las nueve y estábamos comiendo, cuando toda aquella multitud de aves que cubría un espacio de varios kilómetros, prorrumpió en un tremendo concierto nocturno. Es imposible describir el efecto que producía ese inmenso coro nunca oído. Dejo que el lector trate de imaginar a medio millón de gritos, cada uno más fuerte que los que se pueden oír en Regcnt’s Park, estallando en la atmósfera silenciosa de la solitaria llanura, en medio de la oscuridad noche. Una peculiaridad de ese inmenso coro, mas que el ruido atronador de la marejada cuando choca los acantilados de una costa, es que me era posible distinguir centenares y hasta millares de voces individuales. Me olvidéde mi cena, me quede inmóvil, sobrecogido de asombro mientras el aire y hasta el frágil rancho parecían temblar bajo la acción de aquella tempestad de ruidos. Cuando cesó y quedamos en silencio, el gaucho me dijo, sonriendo: “Estamos acostumbrados a esto, señor; todas las noches tenemos este concierto”. Era un concierto por el que valía la pena haber galopado treinta leguas para oírlo.(*)

• (*) Extraído de El naturalista en el Plata, de Guillermo Enrique Hudson, Ed. Elefante Blanco, ciudad de Buenos Aires.

Sanctorius

En 1647, Sanctorius construyo una balanza en la cual se pesaba en cada una de sus comidas. Esto lo hizo durante un período de 30 años.

Linneo

El reloj floral de Linneo (siglo XVIII), con el cual puede saberse la hora (entre las 6 AM y las 6 PM) deacuerdo a qué flores están abiertas o cerradas en el campo.

de Mairan

La primera demostración de un ritmo circadiano por Jean Jacques d’Ortous de Mairan en 1729

Darwin

Fliess

Los malditos biorritmos

What synchronizesan organism’s circadianclocks?

Circadian clock geneshave popped up in alltypes of creatures andin many parts of thebody. Now the challengeis figuring outhow all the gears fittogether and whatkeeps the clocks setto the same time.

QUIMICO

CELULARLos ritmos ocurren en todos los niveles

de organización

FISIOLOGICO

POBLACIONALCONDUCTUAL

CELULAR Expresión génica, actividad eléctrica, síntesis y liberación de neurotransmisores.

FISIOLÓGICO Temperatura, presión arterial, frecuencia cardíaca, niveles de hormonas en sangre.

CONDUCTUAL Conducta alimentaria, ciclo sueño/vigilia, actividad locomotora.

Y en todo bichoque esté en unplaneta que gira!

MODELOS EN CRONOBIOLOGIA

Bacterias

Algas (Gonyaulax)

Plantas (Arabidopsis)

Drosophila

Cangrejos

Moluscos (Bulla)

Anfibios (Xenopus)

Reptiles (Iguana)

Aves

Roedores (ratón, hamster)

Primates/Humanos

Neurospora

Gusanos!

Frecuencias de los ritmos biológicos

TIPO DE RITMO PERIODO EJEMPLOS

0,1 seg. Electroencefalograma

1 seg. Ritmo cardíaco

6 seg. Ritmo respiratorio

60 min. Secreciones hormonales

ULTRADIANO

90 min. Alternancia de estados de sueño

Actividad – Reposo CIRCADIANO 24 horas

Temperatura corporal

28 días Ciclo menstrual INFRADIANO

365 días Hibernación

reloj NSQ

¿¿CCóómo se pone en hora?mo se pone en hora?

¿¿CCóómo controla los ritmos del cuerpo?mo controla los ritmos del cuerpo?

zeitgeber

ritmos

¿¿DDóónde estnde estáá el reloj? el reloj? ¿¿CCóómo funciona?mo funciona?

L:O

Actividad

¿Endógeno o exógeno?

Nosotros tenemos un reloj adentro

¿Dónde ...?

El tiempo entra El tiempo entra por los ojos,por los ojos,eso lo sabe eso lo sabe cualquiera.cualquiera.

J. CortJ. Cortáázarzar

El tiempo entra por los ojos.Eso lo sabe cualquiera

Julio Cortázar

La luz es el principal agente sincronizador del reloj

SCN anatomy.mov

CARACTERISTICASNEUROQUIMICAS

EXPRESION GENES RELOJ

CALB CALBINDINA

QUIASMA ÓPTICO

VIP PEPTIDO VASOACTIVO INTESTINAL

AVP

VIP

CALB

AVP VASOPRESINA

Región dorsomedialEXPRESION RITMICA

Región ventrolateralEXPRESION INDUCIDA

POR LUZ

NSQ

QO

Los núcleos supraquiasmáticos (NSQ) son la sede del reloj biológico en mamíferos

3V: TERCER VENTRICULO

QO: QUIASMA OPTICO

LOS NSQ COMO UN RELOJ BIOLLOS NSQ COMO UN RELOJ BIOLÓÓGICOGICO

•Localización•Ablación•Autonomía•Explanto•Células•Transplante

4040XX

Mutaciones circadianas

Hamster Tau Yo soy mutanteporque el mundome ha hecho así...

Ratón Clock

Ahhhh... Ya no se burlarán de mí en la academia! Ahora verán estos transplantes!

Ralph & Lehman (1991) Trends Neurosci. 14:362

¿CÒMO SE SOSTIENE LA ACTIVIDAD CIRCADIANA DE UNA CÈLULA?

El reloj circadiano de mamíferos funciona a través de un mecanismo de retroalimentación transcripcional

CKI

P

PER

CRY

BMAL

CLOCK

NUCLEOCITOPLASMA

-

cry1

cry2

rev-erb

per2

per1

+

clock

bmal-1

Mecanismo de oscilación: el reloj molecular

CITOPLASMA

NUCLEO

CKIε

CRYPER

PER

Degradación víaproteosoma

Per

Cry

Rev

otros

Genes blancoE-box

CLO

CK

BM

AL

CRYPER

CRY

PER

LOS RELOJES…

¿Por qué imaginar una sola serie de tiempo?J.L. Borges

¿Y la entrada? ¿Eh?

¿Qué le dice la luz al reloj?

Sincronizacón fótica

Subjective DaySubjective Night

Hours 240

Light pulse

Phase advance

Light pulse

Phase delay

Subjective NightSubjective Day

Subjective DaySubjective Night

Hours 240

Light pulse

Phase advance

Light pulse

Phase delay

Subjective NightSubjective Day

Curva de respuesta de fase

adva

nces

dela

ys

012 24

Phas

esh

ifts

Circadian time (hours)

Photic PRC

Ca2+

IP3R

RyR

ER

kinases

phosphatases

clock genes

∆phase

GluCa2+

NMDA-R

Light

CaMKII

Ca2+-Calmodulin↑Ca2+

NOS

PKG

GC

GluCa2+

NMDA-R

Light

An involvement for the NOS-GC-PKG pathway in light-induced phase advances has been indicated by several studies. NO

cGMP

Late night(phase advance)

- cGMP induces phase advances in vitro(Prosser y Gillette, 1996)

- PKG inhibition blocks light-induced phaseadvances in vivo (Mathur et al., 1996)

CaMKII

Ca2+-Calmodulin↑Ca2+

NOS

GluCa2+

NMDA-R

Light

NO

PKG

GC

NOcGMP?

Late Night

Early Night

Phase delay ?

Phase advance

pmol

cG

MP

/ µg

prot

x 3

0 m

in

0

30

60

90

120

150

180

pmol

cG

MP

/µg

prot

x 1

5 m

in

0.0

0.2

0.4

0.6

0.8**A B

ZT4 ZT16 ZT4 ZT16

cGMP PDE and guanylyl

cyclaseactivity

exhibit dailyvariations in

the SCN

¿Cómo usar esto en términos prácticos? ¿Qué sucede si se inhibe la PDE de GMPs?

VIAGRA PARA TODO EL MUNDO!

Sildenafil incrementa los avances de fase en respuesta a la luz

Vehículo+ pulsode luz

Adel

anto

de

fase

(min

)

020406080

100120140160180200

Vehículo + luzSildenafil + luz

*

Sildenafil+ pulsode luz

Dosis sildenafil: 3,5 mg/kg, i.p.

Sildenafil no afecta los retrasos de fase en respuesta a la luz

Sildenafil+ luz

Vehículo+ luz

Ret

raso

de

fase

(min

)

-100

-80

-60

-40

-20

0

Vehículo + luzSildenafil + luz

Dosis sildenafil: 3,5 mg/kg, i.p.

Sildenafil acelera la resincronización luego de un avance de 6 horas en el ciclo luz/oscuridad

Días post adelanto de 6 horas del ciclo LD0 2 4 6 8 10 12 14 16 18

Adel

anto

de

fase

(min

utos

)

0

100

200

300

400

VehículoSildenafil (3,5 mg/kg, i.p.)

******

*** *

**

Sildenafil+ 6 havance

Vehículo+ 6 h

avance

Núm

ero

de d

ías

nece

sario

s pa

ra a

lcan

zar l

a re

sinc

roni

zaci

ón

0

2

4

6

8

10

12

14

Vehículo 1 mg/kgsildenafil

3.5 mg/kgsildenafil

10 mg/kgsildenafil

****

PERSPECTIVAS BÁSICAS

•¿Qué sucede con otros fármacos similares al sildenafil?

•¿El tratamiento es efectivo para machos o hembras? ¿Y en otros modelos animales?

•¿Otras vías de administración?

•¿Cómo sigue la vía de señalización?

•¿Por qué es diferente adelantar o retrasar el reloj biológico?

•¿Qué otros fármacos afectan la sincronización de los ritmos circadianos?

¿¿Y CON ESTO QUY CON ESTO QUÉÉ??

Ritmos circadianos en Humanos

Hormonas: prolactina, hormone de crecimiento, insulina, cortisol, TSH, melatonina.

• Sist. Cardiovascular: presión sanguinea, frecuenciacardíaca, volemia y flujo, función muscular cardíaca y respuesta a hormonas.

• Reactividad bronquial.• Función renal y formación de orina: volumen de

orina, electrolitos en orina.• Sistema inmune y funciones plasmáticas celulares.• Temperatura.• Actividad.• Estado de ánimo.• Concentración.

12:00medianoche

5:00 A.M.Temperatura corporal

mínima

12:00mediodía

6:00 A.M.6:00 P.M.

2:00 A.M.Sueño profundo

6:45 A.M.Aumento agudo de la

presión sanguínea

10:00 A.M.Aumento en las

funciones de alerta

2:30 P.M.Máxima coordinación

manual

3:30 P.M.Mejor tiempo de reacción

5:00 P.M.Mayor eficiencia cardiovascular

y fuerza muscular

Presión sanguínea máxima

7:00 P.M.Temperatura corporal máxima

1:00 A.M.Comienzo de trabajos de parto

3:00 A.M.Pico en procesos de reparación

4:00 A.M.Mayor número de

nacimientos espontáneos

Alta secreción de cortisol

9:00 P.M.Comienzo del descenso de temperatura

y de la secreción de melatonina

11:00 P.M.Mayor frecuencia de relaciones sexuales

8:00 P.M.Mayor tolerancia al alcohol

9:00 A.M.Mínimo peso corporal

8:00 A.M.Aumento de movimientos de

vientre

Yo, reloj

Cronotipos

•BUHOS

•ALONDRAS

•Bases fisiológicas•Desarrollo•Pautas sociales

Dime con qué genes andasy te diré a qué hora.

Polimorfismos en genes reloj involucrados en diferencias fenotípicas de preferencia diurna.

El período endógeno del reloj circadiano de una persona está relacionado con su cronotipo, es decir, con su fenotipo de preferencia diurna. Individuos con preferencia matutina están asociados a un período menor a 24 horas y, de forma inversa, los individuos vespertinos se asocian a períodos mayores.

GenotipadoPolimorfismo de número variable de repeticiones en tándem (VNTR) en el gen per3

Está localizada en el exón 18. Pueden hallarse 4 ó 5 repeticiones imperfectas en tándem de 54 bps, que representan 18 aminoácidos en la proteína final.

El SNP se encuentra localizado en la región no traducida 3´, siendo las dos variantes posibles encontradas T o C

Polimorfismo de un solo nucleótido (SNP) en el gen clock

Alteraciones de los ritmos circadianos humanos

Factores endógenos•envejecimiento•ceguera•enfermedades crónicas•alteraciones del sueño•trastornos psiquiátricos•trastornos neurológicos

Factores exógenos•trabajo en turnos (Shiftwork)•jet-lag

Trastornos circadianos del sueño•Insomnio por retraso de fase•Insomnio por adelanto de fase•Alteraciones período•Alñteraciones de amplitud

Factores endógenos•envejecimiento

•Cambios en amplitud•Cambios en sincronización•Desaparición de neuronas

... el tiempo no espera a nadieFreddie Mercury

¿Qué es el día y la noche para aquélque está sumido en la tristeza?William Blake

La melancolía es, en suma, un problemamusical, una disonancia,un ritmo trastornadoAlejandra Pizarnik

Factores endógenos•trastornos psiquiátricos

•Depresión mayor•Enfermedad bipolar•Trastorno afectivo estacional

“Hibernación”Cambios dietariosCambios en el sueñoMigraciónFototerapia

•Modelos animales

Factores endógenos•alteraciones del sueño

•Insomnio por retraso de fase•Insomnio por adelanto de fase•Período diferente de 24 horas•Disminución de la amplitud

Cronobiótico:sustancia que muevelas agujas del reloj

¿Melatonina como cronobiótico?

Aplicaciones de la Cronobiología

Tratamiento de alteraciones en la sincronización

Aplicaciones ergonómicas

Aplicaciones diagnósticas

Aplicaciones terapéuticasJet-lagShiftworkTurnos escolares

•Fototerapia•Cronoterapia•Actividad física•Dieta•Melatonina•Otros fármacos

Cronofarmacología

Cuando viajamos a Europa, nuestra alma tarda unos días más en llegar (García Márquez)

Factores exógenos•jet-lag

Un estudio de pilotos de aviación

Factores exógenos•jet-lag Un estudio de pilotos de aviación

PORCENTAJE DE PUNTOS LOGRADOS

América Resto

%

0

20

40

60

80

100

De paso: mayores goleadas•a favor 12-0 Ecuador•en contra 1-6 Checoslovaquia

¿A QUE HORA JUGAMOS?

Records olímpicos

El desempeño vespertino supera al matutino. El máximo

de records se da entre las 12:00 y las 21:00 h. Hay mejor

desempeño luego de viajes hacia el oeste

Más de 1 día de descanso incrementa el score en 1.6 puntosEl pico de desempeño está con un descanso de 3 díasViajar hacia el oeste es mejor (4 puntos) que hacia el este

BasquetbolBeisbol

Los equipos que viajan de costa oeste a este pierdenmás frecuentemente!

Factores exógenos•trabajo en turnos (Shiftwork)

•Aumento de su requerimiento por producción continua•Problemas de sueño y fatiga•Aumento de accidentes de trabajo•Menor producción•Mayor incidencia de enfermedades•Pasible de fototerapia

Variación en el desempeño durante una noche de insomnio

Análisissubjetivo

Análisisfisiológico

Análisisperformance

EntoncesEntonces…… perspectivas de aplicaciperspectivas de aplicacióónn

•Tratamiento de trastornos circadianos:-Jet Lag-Shiftwork-Alteraciones de fase del sueño-Sundowning, SAD-Sincronización

•Cronoasesorías

CRONOFARMACOLOGÍA

Las purgas deberán aplicarse de arriba hacia abajo en verano y de abajo hacia arriba en invierno (Hipócrates)

La estupidez de administrar un medicamento tresveces al día (J. Virey)

•Cronocinética•Cronestesia•Cronergia•Cronotoxicología

Beta-bloqueantesHipnóticos-sedantesAnalgésicosAntialérgicosAntitumorales

Ritmos y sociedad?

¿Es que estamos hechos para un mundo que ya no existe?

¿O aún existe ese mundo?

CAMBIOS FOTOPERIODICOS ANUALES

00:0002:2404:4807:1209:3612:0014:2416:4819:1221:3600:00

Ene

-00

Ene

-00

Feb-

00

Mar

-00

Abr

-00

May

-00

Jun-

00

Jul-0

0

Ago

-00

Sep

-00

Oct

-00

Nov

-00

Dic

-00

mes

hora

albaatardecersalida de solpuesta de sol

07:1208:2409:3610:4812:0013:1214:2415:3616:48

Ene

-00

Ene

-00

Mar

-00

Mar

-00

Abr

-00

May

-00

Jun-

00

Jul-0

0

Ago

-00

Sep

-00

Oct

-00

Nov

-00

Dic

-00

mes

hora

s fotoperíodo(luminosidad)fotoperíodo (salida ypuesta de sol)

Cronobiología de la comunidad mapuche de Millaín-Curical

•Un poco de historia: las crónicas de viajes patagónicos como herramienta biológica•La entrada a la comunidad: historia oral•Estructura cíclica social y médica•Diarios de sueño•Estimación del tiempo•Pruebas fisiológicas?

Una herramienta cronobiológica: el diario de sueño

RUPERTA MORALES II

-0.4 -0.2 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1

1

4

7

10

DIA

S

HORAS

SUEÑO

VIGILIA

RUPERTA MORALES

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1

1

3

5

7

DIA

S

HORAS

SUEÑO

VIGILIA

DAVID MORALES II

-0.4 -0.2 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1

1

3

5

7

DIA

S

HORAS

SUEÑO

VIGILIA

RICARDO MILLAIN

-0.4 -0.2 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1

1

3

5

7

DIA

S

HORAS

SUEÑO

VIGILIA

RICARDO MILLAIN II

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1

1

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7

DIA

S

HORAS

SUEÑO

VIGILIA

DIEGO MILLAIN II

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1

1

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DIA

S

HORAS

SUEÑO

VIGILIA

DIEGO MILLAIN

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1

1

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5

7

DIA

S

HORAS

SUEÑO

VIGILIA

DAVID MORALES

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1

1

3

5

7

DIA

S

HORAS

SUEÑO

VIGILIA

X Data

despertar dormir vigilia

hora

s

0

5

10

15

20

25

veranoinvierno

¡Humanos estacionales!

*

*

Formas de despertar por la mañana

gallo famliar despertador solo claridad

%

0

10

20

30

40

50

Formas de despertar por la mañana

Consultas médicas a lo largo del año

CONSULTAS MEDICAS

ene feb mar abr may jun jul ago sep oct nov dic1400

1600

1800

2000

2200

2400

2600

CONSULTAS PARAMEDICAS

ene feb mar abr may jun jul ago sep oct nov dic90

100

110

120

130

140

150

160

170

Time flows more slowly the farther from the center of earth

Time is visible in all places

A world in which cause and effect are erratic

In this world there are two times. There is mechanical time and there is body time

In this world, time is like a flow of water

Time is a circle, bending back on itself

A world in which cause and effect are erratic

Imagine a world in which there is no time. Only images

In this world, time is a visible dimension

In this world, time is a local phenomenon

Imagine world in which people live just one daySuppose that people live forever

Suppose that time is not a quantity but a quality, like the luminescence of a night…Time exists but it cannot be measured

Laboratorio de Cronobiología

Laboratorio de Cronobiología

Dr. Diego Golombek Patricia AgostinoDr. Paola Yannielli Santiago Plano Marcelo Katz

Cristian Hainich Andrés RomanowskiGastón Pizzio Juliana Leone Sergio Simonetta