Alvás és anyagcsere: áttekintés

Sunil Sharma

Tüdő-, kritikus ellátás és alvásgyógyászat, Belodyni Egyetem, Brody Orvostudományi Kar, Greenville, 27834 NC, USA

Mani Kavuru

Tüdő-, kritikus ellátás és alvásgyógyászat, Belodyni Egyetem, Brody Orvostudományi Kar, Greenville, 27834 NC, USA

Absztrakt

Az alvás és rendellenességei egyre fontosabbá válnak alváshiányos társadalmunkban. Az alvás bonyolultan kapcsolódik a szervezet különböző hormonális és metabolikus folyamataihoz, és fontos az anyagcsere homeosztázisának fenntartásában. A kutatások azt mutatják, hogy az alváshiánynak és az alvászavaroknak mély metabolikus és kardiovaszkuláris következményei lehetnek. Az alváshiány, az alvászavaros légzés és a cirkadián elmozdulás vélhetően anyagcsere-diszregulációt okoz számtalan olyan útvonalon keresztül, amelyek szimpatikus túlstimulációt, hormonális egyensúlyhiányt és szubklinikai gyulladást jelentenek. Ez a cikk áttekinti az alvást és az anyagcserét, valamint azt, hogy az alváshiány és az alvászavarok hogyan változtathatják meg az emberi anyagcserét.

1. Bemutatkozás

Az alváshiány és a töredezettség következményeit egyre inkább felismerik. Alváshiányos társadalom vagyunk, bizonyítékok mutatják, hogy átlagosan 6,8 órát alszunk, szemben az egy évszázaddal ezelőtti 9 órával. A felnőttek körülbelül 30% -a szerint éjszakánként kevesebb, mint 6 órát alszik [1–3]. A 24/7 gazdaság és annak későbbi alvási mintázatra gyakorolt hatása tesztelheti a test határait az anyagcsere és a hormon egyensúlyának fenntartása érdekében. A cukorbetegség és az elhízás elterjedtsége megnőtt a pandémiás arányok megszerzéséhez. Bár más tényezők, mint például az étrend és a csökkent fizikai aktivitás, hozzájárultak az elhízás járványához, az alvás rendellenességének hatása az anyagcserezavarok kialakulására egyre inkább felismerhető. Figyelembe véve, hogy csak az emberek egy kis százaléka képes egészséges testsúlyt fenntartani hosszú ideig kizárólag a diétával és a testmozgással, az alvás súlyra gyakorolt hatása új helyszínt nyitott a lehetséges beavatkozások számára.

Fontos megérteni ezt a témát, mivel mind az alvás, mind az anyagcsere rendellenessége gyakori és növekvő probléma. Számos megoldatlan kérdés van, beleértve az okot és a következményt, a patogenezist és a terápiára vonatkozó lehetséges következményeket.

2. Anyagcsere normál alvásban

Az emberi alvás a nem gyors szemmozgásból (NREM) és a REM alvásból áll. Az NREM további három szakaszból áll (N1, N2 és N3 szakasz). Az N3, amelyet lassú hullámú alvásnak is neveznek, mély alvásnak tekinthető, és ebben az időszakban a test metabolikusan a legkevésbé aktív. A REM alvást élénk álmok, az izomtónus elvesztése és a gyors szemmozgások jellemzik. A REM-alvás EEG-mintája szorosan utánozza az ébrenlétét, amelyet nagyfrekvenciás és kisfeszültségű hullámmintázat jellemez. Az NREM és a REM alvás felváltva 90 perc körüli ciklusokban következik be az egész éjszaka folyamán [4]. Az éjszaka első fele túlnyomórészt NREM, a második fele pedig túlnyomórészt REM alvás. Az alvásépítészetet azonban nagymértékben befolyásolják a genetikai és környezeti tényezők, többek között a nem, a faj, a társadalmi-gazdasági helyzet és a kultúra. Az emlősök alvási időtartama általában az állat méretétől függ [5]. Az elefántok csak 3 órányi alvást igényelnek, míg a patkányok és macskák akár 18 órát is eltölthetnek alvásban. Feltételezik, hogy ennek oka lehet az anyagcsere különbségei. A kisebb állatok anyagcseréje magasabb, a test és az agy hőmérséklete magasabb, mint a nagyobb állatoké.

Az anyagcserét az élő organizmuson belül bekövetkező biokémiai folyamatok teljes skálájaként definiálják. Ez alkotja az anabolizmus (felépülés) és a katabolizmus (lebontás) két folyamatát. Egyszerűbben kifejezve: az anyagcsere az az energiamennyiség (kalória), amelyet a test eléget, hogy fenntartsa önmagát. Az anyagcsere általában a szabad gyökök felszabadulása következtében sejtkárosodással jár [6]. Úgy tűnik, hogy a nem REM alvás során fellépő alacsonyabb anyagcsere és agyi hőmérséklet lehetőséget nyújt az éber és metabolikusan aktív időszakban okozott károk kezelésére. Siegel és csoportja a Los Angeles-i Kaliforniai Egyetemről (UCLA) kimutatta az alváshiányos patkányok agykárosodását [7]. A legtöbb, a jelen áttekintésben rendelkezésre álló és hivatkozott adat a glükóz felhasználásával és az energiafelhasználással foglalkozik.

Úgy gondolják, hogy normális alvás közben az anyagcsere-ráta körülbelül 15% -kal csökken, és a napi cirkadián szokás szerint reggel eléri a minimumot [8, 9]. Az anyagcsere arányának csak 15% -kal történő csökkentése tűnik intuitívnak, tekintve a fizikai inaktivitás elhúzódó állapotát. Azonban az alapanyagcsere aránya a test összes sejtes folyamatának fenntartásához szükséges anyagcsere 80% -a. A glükózfelhasználás normál alanyokban éber állapotban a legmagasabb, NREM-alvásnál pedig legkevesebb, REM-alvásban pedig közepes [10].

A növekedési hormon és a kortizol két olyan hormon, amelyek hatással vannak a glükózszabályozásra. A növekedési hormon jellemzően az alvás kezdetén emelkedik, a legmagasabb szint a lassú hullámú alvás (SWS) alatt, míg a kortizolszint az alvás második felében jelentősen megnő, főleg a REM-alvásban [11, 12]. Alvás közben állandó glükózinfúzióval rendelkező normál alanyokon végzett vizsgálatok (az endogén glükóztermelés elnyomása érdekében) azt mutatták, hogy az agyi glükóz-anyagcsere csökkenése hozzájárult ahhoz, hogy alvás közben a kétharmada csökkent a szisztémás glükózfelhasználás alvás közben. Az alvás első felében fellépő növekedési hormon növekedésének csökkent izomtónus és inzulinellenes hatása hozzájárul a glükózfelhasználás további csökkenéséhez [13]. Ezért az inzulinrezisztencia relatív állapota van az alvás korai szakaszában.

Az alvás utolsó részében a glükóz és az inzulin szintje a folyamatos glükóz infúzió ellenére csökken. Más vizsgálatok hasonló eredményeket mutattak, amelyek az alvás REM fázisában megnövekedett glükóz-felhasználásra és csökkent esti glükózszintre utalnak csökkent inzulinérzékenység mellett [13]. Ezenkívül a vizsgálatok kimutatták, hogy a kortizol szint emelkedése este csak egy éjszakai alváshiány után járul hozzá a glükóz diszregulációjához [14].

3. Az alváshiány következményei

Bár az alvás glükózszabályozásra gyakorolt hatása már egy ideje ismert és tanulmányozott, az alvásvesztéssel járó metabolikus diszreguláció csak a közelmúltban értendő. Korábbi kutatási modellek az akut alváshiányra összpontosítottak. Hampton et al. kiderült, hogy amikor az alanyokat műszakos munka szimulálására késztették, az étkezés utáni glükóz- és lipid-anyagcserében változásokat eredményezett [15]. Ezt a választ 9 órás fázis előrehaladással figyelték meg. Ugyanez a csoport később megmutatta, hogy egy szimulált éjszakai műszakban legalább 2 nap szükséges az étkezéshez való alkalmazkodáshoz [16]. Mivel a test jó visszapattanóképességgel rendelkezik, az anyagcsere-zavarokat, ha vannak ilyenek, az akut alvásvesztés modellje könnyen korrigálta. A gyakorlatiasabb tanulmányozandó modell a visszatérő, hosszan tartó részleges alvásmegvonás, amely tükrözi a valós élethelyzeteket. Valójában tanulmányok kimutatták, hogy mind a lassú hullámú alvás (SWS), mind a növekedési hormon (GH) visszapattan akut alvásvesztés után, de SWS-ben és GH-ban ilyen visszatérés nem tapasztalható részleges alváskorlátozáskor [17, 18]. Ezen okok miatt a krónikus alvásmegvonási modellek relevánsabbak klinikai jelentőségük és fókuszunk tárgya szempontjából.

Bár egy korábbi tanulmány kimutatta, hogy csökkent az inzulinérzékenység az orális glükóz beadása ellen, egy éjszakai alváshiányra korlátozódott [19]. Az első részletes vizsgálatot a részleges alvásmegvonás glükóz toleranciára gyakorolt hatásának vizsgálatára Cauter és mtsai. a chicagói egyetemen. Tizenegy egészséges fiatal férfit 4 órán át ágyban töltöttek 6 éjszakán át, majd 12 órán át 7 éjszakán át, hogy felépüljenek az alvástartozásból. Az intravénás glükóz tolerancia tesztet a hatodik napon végeztük. Az alváshiány 40% -kal csökkentette a glükóz toleranciát (a glükóz clearance-ét). A glükóz hatékonysága, a nem inzulinfüggő glükóz megsemmisítés mértéke, 30% -kal csökkent az inzulin glükózra adott válaszának csökkenésével együtt [20]. Egy későbbi, ugyanazon csoport randomizált keresztezéses tervezésével végzett vizsgálat megerősítette az eredményeket [21]. E laboratóriumi vizsgálatokból az a következtetés vonható le, hogy egy hét alváshiány jelentős változásokat eredményezhet az anyagcsere és az endokrin funkcióban.

A metabolikus diszregulációt okozó alváshiány mechanizmusa multifaktoriális lehet. A hormonális szekréció profiljának fentiekben említett változásai mély hatással lehetnek a glükóz szabályozására [13].

Szimpatikus stimuláció alváshiány esetén fordul elő [22], és hozzájárulhat a metabolikus diszregulációhoz. A harmadik lehetséges mechanizmus a gyulladás. Kísérleti alvásmegvonásról kiderült, hogy megváltoztatja az immunválaszt és növeli az olyan proinflammatorikus markereket, mint az IL-6, a TNF-α és a CRP [23–25].

4. Az alvás időtartama és a cukorbetegség kockázata

Az előrejelzések szerint 2010-re globálisan 221 millió embert érintene a cukorbetegség [26]. Fontos, hogy megértsük az alvás szerepét a glükóz metabolizmusában, valamint az új kutatások és terápiák lehetséges irányait.

Úgy gondolják, hogy az obstruktív alvási apnoe több útvonalon keresztül is metabolikus rendellenességet okozhat. Szimpatikus hullámzás ismert minden apnoe eseménynél. Kimutatták, hogy a szimpatikus aktiváció növeli a keringő szabad zsírsavak szintjét az inzulinrezisztenciát elősegítő lipolízis stimulálása miatt [86]. Megnövekedett katekolaminszintet találtak azoknál az embereknél, akiknek több ébrenléti ideje volt az alvás kezdete után [108]. Ezenkívül az alvás töredezettsége, a visszatérő hipoxémia és a gyulladásos citokinek éjszakai kiváltása mind hozzájárulhatnak a metabolikus szindróma és a II. Típusú cukorbetegség iránti nagyobb hajlandósághoz. A fenti utak bármelyikének relatív hozzájárulása nem ismert. Ezen utak némelyike átfedésben lehet az alvásmegvonás és a cirkadián elmozdulás javasolt patofiziológiai útjaival (1. ábra).

Az alvásvesztés, az alvási apnoe és a cirkadián eltérések másodlagos glükóz-diszregulációs/diabétesz-patogenezisének lehetséges mechanizmusának sematikus diagramja. A három fő alvási rendellenességet a felső rész sorolja fel. A nyilak a rendellenességek által kiváltott lehetséges patofiziológiai változásra mutatnak. Néhány útvonal minden rendellenességben közös, és együtt vannak felsorolva, vagyis a szimpatikus hajtás, a gyulladás és a HPA tengely megváltozása. Az alvásvesztés emellett olyan változásokhoz vezethet, mint a hormonális egyensúlyhiány és a csökkent aktivitás (a diagram jobb oldalán található mezőben szerepel). Hasonlóan a cirkadián változás is okozhat inzulinrezisztenciát és hormonális egyensúlyhiányt (a bal oldali mezőben látható). Mindezek a kórélettani elváltozások végül II-es típusú cukorbetegséghez vezethetnek, amely a központban látható. SWD: Váltott munkabetegség.

Összefoglalva, bár egyre több bizonyíték van az OSA és a metabolikus diszreguláció közötti összefüggésre, az ok-okozati összefüggés irányát és az adipozitás fő zavaró tényezőjének leválasztását nem határozták meg egyértelműen. Az intervenciós vizsgálatok adatai szintén ellentmondásosak, és a kis mintanagyság, a nem megfelelő erő és a megfigyelés megtervezése rontja őket.

8. A műszakos munkazavar anyagcsere-következményei

Azok a mechanisztikus utak, amelyek révén a műszakos munka metabolikus diszregulációt okozhat, nem világosak, de úgy tűnik, hogy hormonális változásokat és fokozott szimpatikus hajtást eredményeznek, ami csökkent inzulinérzékenységhez és elégtelen béta-sejt kompenzációhoz vezet. A melatonin-profil megváltoztatásának lehetősége a cirkadián eltérésekhez hozzájárulva egy másik lehetséges út, mivel vannak bizonyítékok arra vonatkozóan, hogy a melatonin gátolhatja a glükóz által kiváltott inzulin felszabadulást [120]. Ezenkívül a váltásos munkát szimuláló cirkadián változásoknak kitett állatmodellek idő előtti halált eredményeztek [121].

Összefoglalva, a cirkadián eltérésekkel kapcsolatos korlátozott adatok arra utalnak, hogy szerepe - bár nem egyértelmű - a metabolikus diszregulációban. Mivel az alváshiány általában váltott műszakos rendellenességgel társul, az alvásmegvonáshoz igazodó további prospektív vizsgálatokra van szükség a cirkadián elmozdulás szerepének megállapításához, szemben az alváshiány metabolikus diszregulációra gyakorolt közvetett hatásával.

9. Energiafelhasználás alvási és alvászavarok esetén

Számos tanulmány vizsgálta a test energiafogyasztásának összefüggését az alvás és az alvászavarok (főleg OSA) esetén. Az emberi test energiafelhasználása csökkenni látszik, és alvás közben a legkisebb [122–125]. Az energiafogyasztás ezen csökkenését befolyásolhatja a cirkadián ritmus [122, 126], a testhőmérséklet változása [127] és az izomaktivitás csökkenése [128, 129], nem beszélve az alvás és a fizikai aktivitás mélységéről és időtartamáról [8]., 129–132. Beszámoltak arról, hogy az energiafogyasztás az alvás állapotától függően változik [8, 133]. Úgy tűnik, hogy a faj is szerepet játszik, mivel az afro-amerikaiaknál alacsonyabb az alváscsere (SMR) és a súlygyarapodásra való hajlam nagyobb, mint a kaukázusiaknál [134]. Az SMR szintén csökken alvás közben a BMI függvényében, és az SMR csökkenési aránya nagyobb, mivel a BMI növekszik [134].

Az akut alvásvesztés az SMR kismértékű növekedését eredményezi [122, 133, 134]. Hasonlóan kismértékű SMR növekedést regisztráltak a krónikus alváshiányban [135].

Korlátozott tanulmányok az obstruktív alvási apnoében szenvedő betegek energiafogyasztására vonatkozóan vegyes eredményeket tártak fel. Stenlof és mtsai. magasabb teljes energiakiadást (TEE) és SMR-t találtak, csökkentve az energiafogyasztást a folyamatos pozitív nyomásterápiával (CPAP) végzett kezelés során. Lin és mtsai tanulmánya. megállapította az SMR növekedését, de nem a reggeli BMR-t OSA-ban szenvedő betegeknél. Ebben a vizsgálatban azok a betegek, akik lézeres asszisztált uvulopalatoplasztikán estek át, az SMR csökkenését mutatták. Hins és mtsai. nem talált kapcsolatot az OSA és a TEE vagy az SMR között. Hasonló vegyes eredményeket figyeltek meg gyermekeknél is [136–138].

Összefoglalva: az alvás közben csökken az energiafelhasználás. Úgy tűnik, hogy az alváshiány növeli az energiafelhasználást. Az alvási apnoe energiafogyasztásra gyakorolt hatásának adatai egyértelműek. Az OSA-ban szenvedő betegeknél végzett vizsgálatokat a kis méret és a testösszetétel hiánya is korlátozza, ami jelentősen befolyásolja az energiafelhasználást. Fontos kiemelni azt is, hogy ezeknek a tanulmányoknak a többsége közvetett kalorimetriás technikát alkalmazott az arany standard metabolikus kamra helyett (közvetlen kalorimetria). Közvetlen kalorimetriai technikákat alkalmazó nagyobb vizsgálatokra van szükség ahhoz, hogy megértsük az alvási apnoe energiafogyasztásra gyakorolt hatását.

10. Következtetések

További vizsgálatokra van szükség a nem, az alvás időtartamának és az anyagcserének a szerepének egyértelműbb tisztázásához, az alvás objektívebb mérésével. Szintén tisztázandó az önkéntes alvásvesztés miatti alváshiány és az álmatlanság közötti különbség. Az OSA-ban szenvedő, nem elhízott betegek modellje segíthet leválasztani az adipozitás cukorbetegségre gyakorolt hatását. Különbségek vannak az emberi és az állat reakciója között az alváshiányra a súly alapján. Az alvás és az anyagcsere bonyolult kölcsönhatását magyarázó mechanizmust tovább kell vizsgálni, ha reméljük, hogy több klinikai futásteljesítményt tudunk elérni, miközben az alvás az elhízás-járvány elleni küzdelem fontos eszközévé válik.