Некоторые аспекты количественной оценки влияния света на циркадианные физиологические функции

Немаловажным аспектом хронофизиологических исследований является валидность методов оценки, воспроизводимость результатов, разделение отдельной функции и системного состояния организма. В хронофизиологии используется несколько показателей (маркеров) для измерения величины циркадных реакций:

• суточное соотношение времени активности и покоя [1, 2];
• время начала и продолжительность сна (в том числе различных фаз, стадий и других событий сна) [40];
• базальная (глубокая) температура тела (наиболее часто рассчитывается период, амплитуда, минимум, фазовые углы ритма) [14, 56];
• концентрация гормона мелатонина (минимальная, максимальная, время начала роста концентрации и др.) [44, 54];
• концентрация кортизола и других гормонов [37].

Следует обратить особое внимание на то, что в хронофизиологии окончательно не решен вопрос о наиболее «адекватном» показателе, отражающем регуляцию суточных функций в полной мере. С точки зрения оценки универсальности и системности функций наиболее полно циркадианную регуляцию отражает состояние цикла «сон-бодрствование» и цикла «покой-активность». Эти циклы являются проявлением системной деятельности организма и имплицитно включают более частные. Между тем в отечественной периодической литературе по светотехнике, в значительной степени под влиянием зарубежных работ, наметилось преобладание одностороннего взгляда на оценку воздействия света на циркадную регуляцию, путем расчета показателей суточной концентрации мелатонина [3, 6]. Наша статья посвящена рассмотрению вопроса о пригодности мелатонина в качестве однозначного циркадианного маркера для светотехники.

Мелатонин (МЛТ) — пептид, вырабатываемый шишковидной железой (эпифизом), открыт в 1958 году А. Б. Лернером. Считается, что концентрация мелатонина в крови и моче подвержена суточным колебаниям — остается на минимальном уровне в течение активной фазы деятельности (днем) и значительно увеличивается во сне (ночью). Высказывалось предположение, что мелатонин является своеобразным сигналом смены времени суток (у ночных и дневных животных). На этом явлении, собственно, и основывается взгляд на мелатонин как на показатель циркадианной системы регуляции животных и человека. Кроме того, получены многочисленные свидетельства, что выработка и секреция мелатонина тормозится светом (точнее, сигналами с рецепторов сетчатки глаза на свет) [9]. Последнее обстоятельство, по мнению многих авторов, делает МЛТ особенно привлекательным в качестве показателя для оценки влияния искусственного освещения на ритмы физиологических процессов [21, 45]. Однако некоторые факты затрудняют столь прямолинейную трактовку биологической роли МЛТ. В отличие от животных у человека социальная активность играет ведущую роль в организации суточного режима, в значительной степени модифицируя экологические влияния, к которым относится чередование темного и светлого времени суток и сезонные изменения фотопериода [50].

На сегодня достоверно установлено участие мелатонина только в регуляции репродуктивной активности животных [27, 37]. Многие исследования указывают на то, что и у человека мелатонин влияет на общее состояние репродуктивной сферы, а именно блокирует ее активность до пубертатного возраста (11–14 лет) через регуляцию половых гормонов [59]. Это подтверждает относительно резкое и значительное изменение концентрации ночного МЛТ на рубеже совершеннолетия [25, 32] (рис. 1). Так, Ф. Валдхаусер приводит следующие цифры ночного уровня мелатонина (в пг/мл): до 6 мес. — 27,3 ±5,4; 1–3 года — 329,5 ±42,0; 15–20 лет — 62,5±9,0; 70–90 лет — 29,2 ±6,1 [68]. Зависимость уровня МЛТ от возраста серьезно ограничивает его роль в качестве универсального показателя состояния циркадной системы. К тому же в обозримом будущем сложно представить использование искусственного освещения с учетом возрастных особенностей пользователей.

Рис. 1. Концентрация МЛТ в сыворотке в ночное время у 367 субъектов (210 мужчин и 157 женщин) в возрасте от 3 дней до 90 лет.
Для преобразования концентраций MLT в единицы СИ (наномоль на L) умножьте на 0,0043478 [68]

Затруднения вызывает и значительная индивидуальная разница показателей концентрации мелатонина. Большинство исследователей указывают значения МЛТ днем: 7–15 пг/мл, ночью: 48–83 пг/мл [41, 47, 54], однако разброс значений лежит в пределах 20–150 пг/мл и даже больше. Например, в работе [61] дневная концентрация МЛТ у обследованных лиц достигает 54 пг/мл. Финские исследователи указывают уровень ночного МЛТ как 180–370 фмоль/мл, что превышает фоновое значение в 5–12 раз [66]. В то же время их коллеги в течение года определяли дневной (с 10:00 до 12:00) уровень МЛТ и получили результаты: (22,4±3,9) пмоль/л в августе и (37,1±6,9) пмоль/л в декабре [47], что свидетельствует о сезонных колебаниях его уровня. У лиц с повышенной чувствительностью к нестабильности фотопериода колебания концентрации МЛТ подвержены еще большему разбросу. Так, по данным Э. Салинас и соавторов, ночные концентрации мелатонина колебались в пределах 20–160 пг/мл [58].

Максимальные значения концентрации МЛТ в крови, слюне и моче в ночное время подвержены значительным вариациям у разных индивидов и у одного и того же индивида не только в разные сезоны года, но даже и в разные дни, к тому же акрофаза ритма мелатонина (момент максимальной концентрации) также варьируется в течение темного времени суток. Не выявлено значимых корреляций между концентрацией МЛТ и стадиями, фазами и циклами сна [67].

Для того чтобы считать МЛТ маркером циркадианного ритма, необходимо точно соотнести одну из характеристик суточного ритма концентрации МЛТ (максимум концентрации, надир и др.) с моментом времени суток. Время максимальной концентрации МЛТ определяется весьма относительно — между полуночью и 05:00 ч [10, 44, 54]. Большинство исследователей полагают, что для оценки состояния циркадианной системы целесообразно использовать момент начала увеличения концентрации этого вещества в плазме крови, связанный с изменением освещения и косвенно — с началом сна. Считается, что концентрация МЛТ в плазме крови человека обычно начинает повышаться между 18:00 и 20:00 ч [54]. Однако в этом вопросе нет единства мнений [41]. Чтобы различать момент подъема концентрации МЛТ в крови (и соответственно суточную фазу), был введен показатель DLMO (Dim Light Melatonin Onset) — время начала секреции мелатонина при тусклом свете — момент времени, когда концентрация МЛТ превышает уровень 10 пг/мл в плазме, обычно регистрируемый за 2–3 ч перед сном [44]. При этом понятие «тусклый свет» определено весьма приблизительно и только в отношении интенсивности светового потока.

Существенные трудности представляют значительные индивидуальные различия во времени начала роста концентрации МЛТ. Так, Триндер и соавторы из 12 обследованных человек смогли выбрать только шестерых, у которых повышение уровня МЛТ до 24:00 легко идентифицировалось [63]. В то же время группа ученых из Техаса выяснила, что у некоторых субъектов повышение концентрации мелатонина в плазме начинается уже в полдень, к 16:00 достигая значений, сопоставимых с ночным уровнем [67].

В исследованиях зарубежных авторов значения концентрации МЛТ для DLMO зачастую выбираются произвольно. Например, в работе [10] значение МЛТ в слюне для DLMO принято в 3 пг/мл, а в одной и той же работе канадских авторов концентрация МЛТ для DLMO принимается то в 1,0 пг/мл, то в 2,7 пг/мл [55]. Существенно, что во многих зарубежных исследованиях значение DLMO фигурирует в качестве маркера фазы циркадианной системы [45. 57], в то время как фактически DLMO является маркером суточной фазы концентрации мелатонина [10].

Важным моментом оценки роли мелатонина как маркера системы биологических ритмов являются также сезонные колебания его уровня [34, 61]. Еще в 1985 году чешские исследователи обнаружили сезонные колебания ночного уровня МЛТ. Примерно у половины обследованных лиц зимой он в два раза превосходил летний [34]. Отличается и сезонная продолжительность суточной секреции МЛТ. Например, в исследовании японских ученых показано, что ночной уровень МЛТ осенью значительно превосходит таковой в другие сезоны года. Правда, у 25% испытуемых изменения были минимальными [64]. В работе Х. Мартикайнен и коллег указывается, что при ежемесячном сборе данных дневные уровни мелатонина в сыворотке крови показали резкое увеличение в мае-июле и столь же резкое снижение в августе [47]. Сезонные колебания концентрации МЛТ отмечаются и при оценке влияния на нее искусственного освещения. Например, в работе [51] отмечается снижение МЛТ на фоне искусственного освещения — летом на 12%, а зимой на 18%. По данным этого автора, осенью и весной концентрация МЛТ составила в 24:00 (до засветки) — 35, летом — 48, а зимой — 40 пг/мл, таким образом, сезонная разница подавления МЛТ составила 27–37% от его уровня.

Концентрации мелатонина в биологических жидкостях весьма чувствительны к изменениям геомагнитного поля и атмосферного электричества [15, 29], что весьма затрудняет сравнение показателей не только в разных подгруппах, но и у одного и того же субъекта.

Подавление МЛТ светом было обнаружено в эпифизе и сыворотке крови крыс [33]. То же и у человека [48]. Однако зачастую эти данные нуждаются в уточнении. Например, по данным Ван де Веркена, коротковолновый полихроматический белый свет интенсивностью 254 лк лишь незначительно (на 6%) подавляет МЛТ в слюне [69]. В работе французских исследователей концентрация мелатонина держалась на уровне 3000–6000 нг/2 ч в течение 7 ч на фоне освещения интенсивностью 100 лк (рис. 2). Более того, многие исследователи получили прямо противоположный результат — концентрация ночного МЛТ не снижается даже при высокой интенсивности освещения. В исследовании Т. Акерштеда, несмотря на освещение, определялся «ярко выраженный ночной пик циркадного ритма мелатонина в моче как во время нормального чередования сна/бодрствования, так и во время лишения сна в течение 64 ч» [8]. Сохранение циркадного ритма мелатонина в условиях освещения хорошо согласуется с результатами, полученными Линчом и др. (1975) и Джимерсон и др. (1977). Однако это расходится с гипотезой подавления МЛТ светом. Авторы, обсуждая полученные результаты, высказывают свои сомнения: «Поскольку все известные внешние синхронизаторы хорошо контролировались, представляется вероятным, что причиной сохранения мелатонина может быть либо то обстоятельство, что человеческий эпифиз менее чувствителен к свету (чем у животных), или что выделение с мочой не отражает эпифизарный синтез мелатонина» [8].

Рис. 2. Средние (+ SE) профили концентрации aMT6s (в нг/2 ч) во время лишения сна. Сравнивались значения при освещении 100 лк (темные кружки) и 1000 лк (темные квадраты) [23]

Схожие результаты получены и другими исследователями [36, 42]. Джимерсон и соавторы (1977) обнаружили «повышение ночной экскреции мелатонина у здоровых добровольцев и пациентов с депрессией в течение одной ночи депривации сна при постоянном свете» [36]. В работе японских ученых выявлено, что свет 5000 лк больше смещает фазу МЛТ (1:58 ч), чем фазу температуры тела (1:12 ч) [42].

В исследовании французских авторов тусклый дневной свет интенсивностью 300 лк в течение недели вызывал значительное повышение ночного МЛТ в отличие от освещения интенсивностью 3000 лк, при котором ночные уровни этого пептида значимо не отличались от контроля [58].

Затрудняют однозначную интерпретацию данных о роли МЛТ в регуляции биологических ритмов и гендерные (половые) различия в синтезе и реакции подавления МЛТ светом, отмеченные в [43, 52]. По данным финских исследователей, в фолликулярной фазе у женщин отмечаются высокие уровни мелатонина, особенно зимой [39]. Гендерные различия в синтезе МЛТ и его подавлении светом отмечают также П. Бойс и Д. Кэнвэй [12].

Весьма вероятно, что у млекопитающих мелатонин играет менее важную роль, чем у пресмыкающихся, причем у видов, ведущих дневной и ночной образ жизни, физиологическое значение этого гормона также имеет некоторые отличия [26]. Еще меньшую роль в регуляции биологической ритмики играет мелатонин у человека, возможно являясь в этом отношении рудиментом.

Реального фазового сдвига циркадного ритма мочевого МЛТ не отмечается после воздействия ночного света интенсивностью 1000 лк [23] (рис. 2). Интересные данные приведены в [26]. Диапазон значений фазовых углов (время между выключением света и началом секреции МЛТ, а также время между включением света и прекращением секреции МЛТ) уже на третий «день» искусственных 28-часовых суток достигает 5 ч. Но еще примечательнее, что сразу по окончании двухнедельного эксперимента принудительной десинхронизации время начала и окончания секреции МЛТ практически не зависело от освещения! Причем начало секреции МЛТ в одинаковых условиях 28-часовых искусственных суток смещается у разных испытуемых разнонаправлено: у одних с опережением фазы, у других с задержкой [26] (см. также рис. 3).

Рис. 3. Ежедневные оценки фазы начала секреции мелатонина (МЛТon) на протяжении эксперимента искусственной десинхронизации [26]

Особый интерес представляет исследование П. Натан и соавторов, в котором сравнивались уровни МЛТ у пяти женщин и мужчин в условиях освещения 200, 500, 1000 и 3000 лк с 21:00 до 02:30 [52]. Даже на фоне света 3000 лк концентрация МЛТ увеличилась с 3,9–5,0 пг/мл до 46,0–53,8 пг/мл [52]. В другой работе этого автора часовая засветка тусклым светом 200 лк вызвала снижение МЛТ с 35–48 до 28–40 пг/мл, но никак не подавляла его совсем [51].

Разница в данных удручающая. Так, П. Бойс и Д. Кэнвэй, изучая воздействие света интенсивностью 1000–2500 лк на концентрацию МЛТ, отметили, что после первоначального снижения концентрации на 15–30% его скорость значительно замедлялась, а в некоторых случаях концентрация начинала расти. Так, на фоне освещения 2500 лк средний уровень пептида увеличился с 40,93 до 44,18 пг/мл; после 2 ч освещения 2000 лк и снижения концентрации МЛТ с 67,44 до 42,56 уровень МЛТ вновь повысился до 44,42 пг/мл [12]. В то же время Триндер и др. отметили, что эффективно подавляет ночной рост МЛТ свет интенсивностью 500–2500 лк и даже 250 лк, однако эти же авторы отметили, что на фоне освещения 250 лк концентрация МЛТ начала увеличиваться через 2 ч [63].

Установлено также, что снижение концентрации мелатонина на свет одной и той же интенсивности зависит от предыдущего уровня освещенности — «световой истории» [17]. Более высокая, чем ожидалось, чувствительность к свету низкой интенсивности может быть связана с описанными эффектами предшествующей световой «истории», которые показывают, что реакция МЛТ на свет может повышаться после фоновой (длительной) освещенности низкой интенсивности [28, 60]. Сравнение ответов подавления МЛТ монохроматическим светом (460 нм) выявило значительное уменьшение подавления МЛТ после адаптации к тусклому белому по сравнению с темновой адаптацией [35]. Сложный процесс влияния света на уровень МЛТ определяется интегральными, если не сезонными, то суточными показателями уровня освещенности, и уже поэтому представляется весьма сомнительным для однозначного суждения о влиянии освещения на систему биологических ритмов.

Существенные ограничения в использовании МЛТ в качестве маркера циркадианной фазы признают даже исследователи, активно использующие этот подход [55].

Есть сообщения о том, что вариации уровня МЛТ при воздействии одного и того же светового потока зависят даже от цвета глаз испытуемых [30]. Процент подавления секреции мелатонина через 2 ч после начала световой экспозиции был значительно больше у светлоглазых европеоидов ((88,9 ±4,2)%), чем у темноглазых азиатов ((73,4 ±20,0)%, р< 0,01) [30].

Помимо эпифиза, МЛТ вырабатывается энтерохромаффинными клетками слизистой оболочки желудочно-кишечного тракта (ЖКТ), в которых обнаружены ферменты для синтеза серотонина и специфические ферменты для синтеза МЛТ (серотонин-N-ацетилтрансфераза и гидроксииндол-О-метилтрансфераза). Общее содержание мелатонина в ЖКТ в 400 раз больше, чем в эпифизе, и в 10–100 раз больше, чем в плазме крови [13]. При этом отсутствуют методы различения центрального (эпифизарного) и периферического МЛТ в биологических жидкостях. Кроме того, существует проблема чувствительности методов определения мелатонина, существенно затрудняющая сопоставление данных, полученных различными исследователями.

В последние два десятилетия предлагается использовать концентрацию МЛТ в качестве маркера циркадианного ритма [9, 21]. В этом значении ритм МЛТ даже противопоставляется ритму температуры. Высказывается убеждение, что в отличие от ритма МЛТ «ритм температуры обладает лишь слабым эндогенным компонентом» [49]. Однако столь радикальное мнение уважаемых исследователей основано на некорректном сравнении акрофаз ритма МЛТ и базальной температуры. Корректно сравнивать акрофазу ритма МЛТ и положение надира базальной температуры, что в корне меняет выводы. К тому же ритм базальной температуры тела (мозга) очень четко коррелирует как с фазами, так и со стадиями ночного сна, что указывает на его значительную циркадианную составляющую.

Вышеперечисленные факты свидетельствуют о трудностях однозначной оценки участия МЛТ в регуляции биологических ритмов освещением. Его роль в этом процессе еще предстоит уточнить. В то же время получены убедительные доказательства стабильности и большей валидности ритма базальной температуры тела в качестве маркера циркадианной регуляции, в том числе в исследованиях биологических эффектов искусственного освещения.

Метод оценки состояния суточных ритмов по показателям базальной температуры тела предложен более 100 лет назад, хорошо освоен при исследовании состояния здоровья экипажей подвод­ных лодок еще в середине ХХ века [40]. Стоит отметить, что наиболее серьезные исследования влияния искусственного освещения на биологические ритмы человека, в частности в военной авиации и на флоте, выполнены с опорой именно на суточный ритм температуры [18, 24, 31, 38, 40]. Значения фазового угла между Т_min и сном (Ψ_CBTmin) используются в качестве оценки базового фазового угла захвата в сложных экспериментах искусственной десинхронизации и оценки влияния света на циркадианные функции человека [26] (рис. 4).

Рис. 4. Средние колебания циркадных переменных и уменьшение амплитуды. Средние значения субъективной бодрости, кортизола в плазме, базальной температуры тела и плазменного мелатонина в состоянии спокойствия у участников с уменьшением амплитуды мелатонина >50% (темные символы, n = 7) по сравнению с теми, у кого снижение было <50% (светлые символы, n = 7). Все данные согласуются со временем установленного минимума ритма температуры тела. Полосы ошибок показывают 1 SEM [71]

Физиологические механизмы терморегуляции хорошо изучены [11, 22, 56], в том числе и в связи со сном [46]. Температура тела считается универсальным показателем состояния системы циркадной регуляции у млекопитающих [14].

Значительный объем исследований подтверждают гипотезу о том, что МЛТ может быть посредником изменений в предрасположенности ко сну через эффекты терморегуляции [20, 65]. Однако известно, что температура мозга, как правило, уменьшается после начала сна [16]. Это указывает на то, что эндогенный мелатонин может не участвовать непосредственно в изменениях температуры, связанных с началом сна.

В докторской диссертации [57] установлено, что значительные ежедневные фазовые модуляции и изменения концентрации МЛТ наблюдаются при «всех режимах тусклого света», что позволяет предположить большую «реактивность» ритма МЛТ по сравнению с температурным по отношению к внешним захватывающим влияниям.

Стоит указать на то обстоятельство, что для сохранения «жизнеспособности» организма важно не столько точное воспроизведение 24-часового периода, сколько поддержание согласованности различных физиологических процессов. С точки же зрения адаптационной целесообразности более эффективной представляется более пластичная регуляция эндогенного суточного периода, обеспечивающая некоторый разброс вокруг 24-часового экзогенного периода, — своеобразная биоритмическая прецессия.

Таким образом, существует значительный объем данных, не позволяющих с полной уверенностью:

1. Cчитать суточные изменения концентрации мелатонина у человека маркером системы циркадианной регуляции.
2. Судить о влиянии искусственного освещения на систему циркадианной регуляции по показателям ритма концентрации мелатонина у человека.