Человек - растение? Влияние естественного дневного света в рабочее время на контроль глюкозы и метаболизм субстратов в организме

1.0 Введение

Циркадная система играет стратегически важную роль в регуляции метаболизма человека, позволяя организму предвидеть и адаптироваться к суточным изменениям окружающей среды. Однако современный образ жизни, характеризующийся проведением 80-90% времени в помещении, приводит к хроническому недостатку естественного дневного света — основного синхронизатора биологических часов. Этот дефицит все чаще рассматривается как фактор риска развития метаболических заболеваний, таких как сахарный диабет 2 типа (СД 2 типа). Нарушения в работе циркадной системы или ее рассинхронизация с внешними сигналами могут способствовать ухудшению метаболического здоровья, что делает изучение влияния световой среды на организм человека особенно актуальным.

Целью данного рандомизированного перекрестного исследования было изучение влияния 4,5-дневного пребывания в помещении в рабочее время (с 08:00 до 17:00) при естественном дневном свете по сравнению с типичным искусственным офисным освещением на гомеостаз глюкозы, суточный метаболизм субстратов и функцию периферических часов в скелетных мышцах у людей с сахарным диабетом 2 типа. В исследовании применялся комплексный подход, включающий непрерывный мониторинг глюкозы, непрямую калориметрию, мультиомный анализ образцов крови и биопсию мышечной ткани для получения всесторонней картины метаболических и молекулярных изменений.

Для достижения поставленных целей была разработана и применена строгая методология, которая подробно изложена в следующем разделе.

2.0 Методология исследования

В данном разделе подробно описывается строгий дизайн исследования, характеристики участников и методы измерений, которые обеспечили надежность и воспроизводимость полученных данных. Применение перекрестного дизайна, при котором каждый участник выступал в качестве собственного контроля, позволило минимизировать влияние индивидуальных различий и повысить достоверность выводов.

2.1 Дизайн исследования и участники

Исследование было организовано как рандомизированное перекрестное (NCT05263232), в котором 13 участников с сахарным диабетом 2 типа выступали в качестве собственных контролей. Такой дизайн позволил напрямую сравнить эффекты двух различных световых режимов на одного и того же человека.

Каждый участник прошел два 4,5-дневных периода вмешательства, во время которых он подвергался воздействию либо естественного дневного света через окна, либо постоянного искусственного освещения в рабочее время. Между двумя периодами был предусмотрен период вымывания продолжительностью не менее 4 недель для исключения перекрестного влияния условий.

Характеристики участников исследования (n=13)

Параметр / Среднее значение ± SD

Возраст (лет) / 70 ± 6

Пол (женщины/мужчины) / 8 / 5

Индекс массы тела (кг/м²) / 30,1 ± 2,3

Систолическое АД (мм рт. ст.) / 141 ± 11

Диастолическое АД (мм рт. ст.) / 87 ± 6

Привычное время сна / 23:02 ± 1:02 – 07:22 ± 1:15

HbA1c (%) / 6,8 ± 1,0

Участники, принимающие сахароснижающие препараты / 11

2.2 Условия освещения и протокол исследования

Были созданы два строго контролируемых условия освещения. В условиях естественного света участники находились в помещении с большими окнами, через которые поступал дневной свет. В условиях искусственного света использовалась комбинация люминесцентных и светодиодных ламп для достижения постоянного уровня освещенности около 300 люкс на уровне глаз, что имитировало типичное офисное освещение.

Для контроля светового воздействия вне рабочего времени был разработан специальный протокол. Участники носили очки, блокирующие синий свет (с длиной волны < 530 нм), когда покидали контролируемое помещение. В вечерние часы освещение было стандартизировано для обеих групп: <400 люкс с 17:00 до 18:00 и <5 люкс с 18:00 до 23:00, чтобы минимизировать влияние света на выработку мелатонина.

В течение всего исследования участники получали стандартизированное питание, соответствующее их индивидуальным энергетическим потребностям. Для стандартизации физической активности после каждого приема пищи выполнялись легкие физические упражнения (например, ходьба на месте).

2.3 Методы измерений и анализ данных

Для сбора данных использовался комплексный набор современных методов, позволивший оценить влияние света на различных уровнях — от системного метаболизма до молекулярных часов в клетках.

• Непрерывный мониторинг глюкозы (CGM): Являлся первичной конечной точкой исследования. Данные об уровне глюкозы в интерстициальной жидкости собирались непрерывно в течение всего 4,5-дневного периода вмешательства.

• Непрямая калориметрия: Для оценки суточного расхода энергии и окисления субстратов (углеводов и жиров) участники проводили ночь с 3 на 4 день в респираторной камере, а в течение 4 дня измерения проводились с помощью системы с вентилируемым колпаком.

• Тест на толерантность к смешанной пище (MMTT): Проводился утром на 5-й день для оценки постпрандиального метаболического ответа. Участники употребляли жидкий питательный коктейль, после чего регулярно брались образцы крови.

• Биопсия скелетных мышц: Биоптаты из латеральной широкой мышцы бедра брали утром на 5-й день (в состоянии натощак) для анализа экспрессии генов-часов и последующего культивирования первичных миотуб для изучения их ритмичности in vitro.

• Мультиомный анализ: Образцы сыворотки крови и моноцитов, взятые на 4-й день в 08:00 и 16:00, использовались для проведения метаболомики, липидомики и транскриптомики (РНК-секвенирование) с целью выявления системных молекулярных изменений.

• Оценка уровня мелатонина: Образцы слюны для определения уровня мелатонина и времени наступления тусклого света (DLMO), маркера фазы центральных циркадных часов, собирались вечером на 4-й день.

Для статистического анализа данных использовались двухфакторный дисперсионный анализ с повторными измерениями (ANOVA), парные t-критерии и, для обработки омных данных, ортогональный анализ дискриминантных проекций на латентные структуры (OPLS-DA).

Применение этих строгих методологических подходов позволило получить комплексные и надежные данные, результаты анализа которых представлены в следующем разделе.

3.0 Результаты

В данном разделе представлено объективное изложение ключевых выводов исследования. Приведенные данные последовательно демонстрируют влияние различных условий освещения на гликемический контроль, метаболизм энергетических субстратов и молекулярные механизмы, лежащие в основе циркадной регуляции у людей с СД 2 типа.

3.1 Воздействие естественного света улучшает контроль гликемии

Анализ данных непрерывного мониторинга глюкозы (CGM) выявил значительные преимущества естественного освещения. Хотя первичная конечная точка, средний уровень глюкозы в интерстициальной жидкости за 4,5 дня, не показала статистически значимых различий между условиями, более детальный анализ выявил существенные улучшения в общем гликемическом контроле. Ключевым показателем стало время, проведенное в нормальном диапазоне глюкозы (4,4–7,2 ммоль/л), которое было значительно больше при естественном освещении по сравнению с искусственным (50,9% ± 21,5% против 43,3% ± 23,8%, p = 0,036, n = 10).

Результаты компьютерного моделирования данных CGM выявили, что амплитуда суточного ритма базального уровня глюкозы была значительно ниже в условиях естественного освещения (p = 0,010). Более того, была обнаружена отрицательная корреляция между этой амплитудой и временем, проведенным в нормальном диапазоне глюкозы, что указывает на то, что более стабильный суточный профиль глюкозы связан с лучшим гликемическим контролем.

3.2 Сдвиг в метаболизме субстратов в сторону окисления жиров

Данные непрямой калориметрии, полученные в течение 4-го дня исследования, показали, что воздействие естественного света вызывает сдвиг в использовании энергетических субстратов. При естественном освещении наблюдался более низкий дыхательный коэффициент (p = 0,029), что свидетельствует о более низком уровне окисления углеводов (p = 0,034) и, соответственно, более высоком уровне окисления жиров (p = 0,023) в течение дня.

Результаты теста на толерантность к смешанной пище (MMTT), проведенного утром на 5-й день, подтвердили эту тенденцию. В условиях естественного освещения также наблюдался более низкий дыхательный коэффициент (p = 0,04) и наблюдалась статистическая тенденция к более высокому окислению жиров (p = 0,054), что указывает на устойчивый эффект света на постпрандиальный метаболизм.

3.3 Модуляция циркадной системы

Исследование выявило многоуровневое влияние естественного света на циркадную систему, затрагивающее как центральные, так и периферические механизмы.

• Уровни мелатонина: Хотя время наступления тусклого света (DLMO), отражающее фазу центральных часов, существенно не различалось, площадь под кривой (AUC) концентрации мелатонина в поздние вечерние часы (с 21:00 до 23:00) была значительно выше при естественном освещении (p = 0,029). Это указывает на более активную выработку мелатонина перед сном.

• Молекулярные часы в скелетных мышцах: Анализ биоптатов, взятых утром на 5-й день, выявил более высокие уровни мРНК генов-часов Per1 (p = 0,01) и Cry1 (p = 0,021), а также аналогичную тенденцию для Per2 (p = 0,066), в условиях естественного освещения. Эти гены являются ключевыми компонентами отрицательной обратной связи в молекулярных часах.

• Ритмичность миотуб: Эксперименты с первичными миотубами, культивированными из биоптатов, показали, что клетки, полученные после воздействия естественного света, демонстрировали сдвиг фазы колебаний репортера Bmal1-luc на 0,75 ± 1,03 часа вперед (p = 0,014) по сравнению с клетками, полученными после искусственного освещения. Это свидетельствует о том, что световое воздействие вызывает устойчивые изменения в работе периферических мышечных часов.

3.4 Мультиомная сигнатура в кровотоке

Комплексный мультиомный анализ образцов крови выявил специфическую молекулярную сигнатуру, связанную с воздействием естественного света.

• Метаболомика: Обнаружена положительная ассоциация с естественным светом для холевой кислоты и глутаминовой кислоты, что указывает на изменения в метаболизме желчных кислот и аминокислот.

• Липидомика: Выявлена отрицательная ассоциация для церамидов (Cer) и холестериловых эфиров (CE) и положительная для лизофосфатидилэтаноламинов (LPE) с естественным светом. Снижение уровня церамидов является метаболически благоприятным признаком.

• Транскриптомика моноцитов: Обнаружены изменения в экспрессии ряда транскриптов (например, REM2 и NMB). Кроме того, анализ обогащения генных путей выявил изменения в процессах, связанных с регуляцией метаболизма церамидов, что согласуется с данными липидомики.

В совокупности эти результаты демонстрируют, что естественный дневной свет оказывает многогранное положительное воздействие на метаболизм на системном, тканевом и молекулярном уровнях, что открывает путь к более глубокой интерпретации этих эффектов.

4.0 Обсуждение

Анализ представленных многоуровневых данных позволяет не только констатировать метаболические преимущества естественного света, но и предложить комплексную модель их механизмов, связывающую модуляции в циркадной системе с конкретными изменениями в гомеостазе глюкозы и метаболизме субстратов. Данные эффекты наблюдались уже после краткосрочного, 4,5-дневного вмешательства, что подчеркивает высокую чувствительность метаболической системы к качеству световой среды.

С клинической точки зрения, увеличение времени в целевом диапазоне является значимым результатом. Эффект, наблюдаемый в данном исследовании, сопоставим по величине с улучшениями, достигаемыми при помощи других немедикаментозных вмешательств, таких как краткосрочные программы физических упражнений или диеты с ограничением по времени. Это говорит о том, что оптимизация освещения может стать важным дополнением к существующим стратегиям лечения и профилактики СД 2 типа.

Потенциальные механизмы, лежащие в основе наблюдаемых метаболических преимуществ, носят комплексный характер. Сдвиг фазы в молекулярных часах скелетных мышц, вероятно, оптимизирует время метаболической активности в мышцах, приводя к более эффективному окислению жиров в дневное время, что согласуется с данными непрямой калориметрии. Повышение вечернего уровня мелатонина является маркером усиления циркадного сигнала, что может положительно сказываться на качестве сна и общем метаболическом здоровье. На молекулярном уровне этот сдвиг подтверждается мультиомным анализом: наблюдаемое снижение уровня циркулирующих церамидов, липидов, непосредственно связанных с развитием инсулинорезистентности, предлагает прямое биохимическое объяснение улучшенному гликемическому контролю. Одновременно, повышение уровня лизофосфатидилэтаноламинов (LPE), ассоциированных с улучшением чувствительности к инсулину, указывает на второй потенциальный путь благотворного влияния.

4.1 Ограничения исследования

Несмотря на значимость полученных результатов, необходимо объективно оценить ограничения данного исследования для корректной интерпретации и планирования будущих работ.

1. Малый размер выборки (n=13): Небольшое количество участников может ограничивать возможность обобщения результатов на более широкую популяцию пациентов с СД 2 типа.

2. Пожилой возраст участников (средний возраст 70 лет): Результаты, полученные в группе пожилых людей, могут быть не в полной мере применимы к более молодым возрастным группам, у которых метаболические и циркадные реакции могут отличаться.

3. Краткосрочность вмешательства (4,5 дня): Хотя были выявлены значимые эффекты, для подтверждения их долгосрочной клинической значимости и устойчивости необходимы более длительные исследования, охватывающие недели или месяцы.

4. Сезонные ограничения: Исследование проводилось в период с апреля по октябрь в Центральной Европе, когда интенсивность и продолжительность естественного освещения максимальны. Необходимы дальнейшие работы для изучения эффектов в другие времена года, особенно в осенне-зимний период.

Учет этих ограничений является ключевым для разработки последующих исследований, направленных на дальнейшее изучение роли света в метаболическом здоровье.

5.0 Выводы

Данное исследование предоставляет убедительные доказательства того, что воздействие естественного дневного света в рабочее время оказывает метаболические преимущества для людей с сахарным диабетом 2 типа. Ключевые положительные эффекты включают улучшение контроля уровня глюкозы, что выражается в увеличении времени нахождения в целевом диапазоне, и переключение метаболизма на преимущественное окисление жиров.

Практическое значение полученных результатов трудно переоценить. Они подчеркивают критическую важность архитектурной среды и дизайна рабочих пространств для поддержания метаболического здоровья. Обеспечение доступа к естественному дневному свету в офисных и жилых помещениях может рассматриваться как доступная и эффективная стратегия для улучшения здоровья населения, особенно для групп риска, таких как пациенты с СД 2 типа.

Результаты исследования открывают перспективные направления для будущих научных работ. Необходимо изучить долгосрочные эффекты естественного освещения, а также разработать и протестировать конкретные стратегии по оптимизации световой среды (например, динамическое искусственное освещение, имитирующее естественный свет) для профилактики и комплексного лечения метаболических заболеваний.

Рисунок 1. Схема исследования и характеристики условий освещения. (A) Схематическое изображение расположения экспериментального офисного помещения, его окружения и ориентации. (B) Визуализация перекрестного дизайна и экспериментальной установки для сравнения естественного и искусственного офисного освещения. Участники были случайным образом распределены на две группы: одна начинала эксперимент при естественном, другая — при искусственном офисном освещении. (C) Спектральные изменения светового воздействия в течение типичного тестового дня с 08:00 до 17:00, как при естественном, так и при искусственном офисном освещении, зафиксированные спектрометром на уровне глаз в видимом спектре света. Спектральный состав соответствующего светового воздействия визуализируется путем построения графика нормализованной спектральной информации во времени, где изменение относительной мощности показано с помощью градиентной цветовой карты. Здесь показан индивидуальный репрезентативный пример за 1 день, а средние значения для каждого участника за дни 1–4 показаны на рисунке S1 . Обратите внимание, что искусственный свет демонстрирует отчетливые пики на определенных длинах волн, типичных для смешанного люминесцентного и светодиодного освещения, тогда как естественный свет демонстрирует высокую насыщенность почти во всем видимом спектре света. Обратите внимание, что для искусственного офисного освещения вариации не показаны, поскольку настройки ламп были одинаковыми для всех участников. (D) Средний уровень освещенности в дневное время и меланопический индекс EDI за 1–4 дня для всех участников при естественном (красные точки и линия) и искусственном освещении в офисе (синие точки и линия). (E) Обзор периода вмешательства, а также время проведения всех измерений, выполненных в течение этого периода. Данные представлены как среднее значение ± стандартная ошибка среднего.

Рисунок 2. Результаты , полученные с помощью непрерывного мониторинга уровня глюкозы (НМГ). (A) Уровень интерстициальной глюкозы ( n = 10) в течение всего 4,5-дневного светового воздействия при естественном (красная линия) и искусственном офисном освещении (синяя линия). Данные представлены как среднее значение ± стандартная ошибка среднего. (B) Индивидуальные данные по среднему уровню глюкозы за 4,5 дня. Данные непрерывного мониторинга глюкозы были дополнительно разделены на категории в соответствии с рекомендациями Комитета профессиональной практики Американской диабетической ассоциации 32 : гипогликемия <4,0 ммоль/л, низкий уровень глюкозы в крови 4,0–4,3 ммоль/л, нормальный диапазон 4,4–7,2 ммоль/л, высокий уровень глюкозы в крови 7,3–9,9 ммоль/л и гипергликемия >10,0 ммоль/л. (C–G) Результаты представлены в процентах времени, проведенного в соответствующих категориях: (C) % времени в состоянии гипогликемии, (D) % времени в состоянии низкого уровня глюкозы в крови, (E) % времени в пределах нормального уровня глюкозы, (F) % времени в состоянии высокого уровня глюкозы в крови и (G) % времени в состоянии гипергликемии. (H) Схема, иллюстрирующая математическую модель, которая использует события приема пищи (пунктирная серая линия) для моделирования уровня глюкозы как суперпозиции постпрандиальных пиков уровня глюкозы после приема пищи (оранжевая линия) поверх базового 24-часового ритма (черная линия). (I) Иллюстративный пример данных одного участника исследования при естественном (слева) и искусственном (справа) освещении, показывающий данные непрерывного мониторинга глюкозы (серый цвет), стандартизированное время приема пищи (пунктирная серая линия), модель, учитывающую приемы пищи и циркадные ритмы базового уровня глюкозы (оранжевый цвет), а также модель циркадного ритма базового уровня глюкозы отдельно (черный цвет). R обозначает коэффициент корреляции Пирсона между данными и моделью.

(J) Параметр амплитуды от пика до минимума базового циркадного ритма уровня глюкозы в условиях естественного и искусственного освещения, а p представляет собой значение p парного критерия знаковых рангов Вилкоксона.

(K) Фазовый график, где расстояние от центра представляет амплитуду, а угол — параметры пикового времени основного циркадного ритма базового уровня глюкозы, полученные из математической модели.

(L) Процент времени, проведенного в пределах нормального диапазона (4,4–7,2 ммоль/л), как функция параметра амплитуды пика и минимума базового циркадного ритма уровня глюкозы. Взаимосвязь оценивалась с помощью линейной смешанной модели, где— это коэффициент регрессии (с 95% доверительными интервалами), а p — соответствующее значение p . Серым цветом обозначена регрессионная модель; синим цветом — 95% доверительный интервал.

Рисунок 3. Непрямая калориметрия всего тела и метаболиты крови. Окисление субстратов во всем организме, расход энергии и метаболиты крови в ответ на естественное (красные линии) и искусственное офисное освещение (синие линии), оцененные на 4-й день ( n = 13) и 5-й день ( n = 12). (A–D) Общие энергетические затраты организма в состоянии покоя (A), коэффициент дыхательного обмена (B), окисление углеводов (C) и окисление жиров (D) в период бодрствования на 4-й день. (E–G) Обзор 24-часовых метаболитов плазмы на 4-й день: уровни глюкозы в плазме (E), свободных жирных кислот в сыворотке (F) и триацилглицеролов в сыворотке (G). Темно-серая область обозначает период сна (23:00–07:00 ч). (H–K) Общие энергетические затраты организма в состоянии покоя (H), коэффициент дыхательного обмена (I), окисление углеводов (J) и окисление жиров (K) в ответ на тест MMTT на 5-й день. (L–O) Постпрандиальные метаболиты плазмы: уровни глюкозы в плазме (L), инсулина в сыворотке (M), свободных жирных кислот в сыворотке (N) и триацилглицеролов (O). Данные представлены как среднее значение ± стандартная ошибка среднего. ∗ p < 0,05 на основе апостериорного теста Бонферрони.

Рисунок 4. Вечерний уровень мелатонина и работа скелетных мышц в соответствии с биологическими часами. (A) Уровень мелатонина в слюне оценивали вечером (18:00–23:00) 4-го дня в условиях слабого освещения как при естественном (красная линия), так и при искусственном офисном освещении (синяя линия). Данные представлены как среднее значение ± стандартная ошибка среднего. (B и C) Индивидуальные данные DLMO; n = 9) (B) и площадь под кривой уровней мелатонина ( n = 13) с 21:00 до 23:00 ч (C). (D–K) Экспрессия основных генов циркадных часов в единственном образце биопсии скелетной мышцы ( n = 13), собранном в период с 07:30 до 08:30 часов на 5-й день, предшествующий тесту со смешанной пищей: показаны индивидуальные уровни мРНК Bmal1 (D), Clock (E ), Reverba (F), Rora (G), Per1 (H), Per2 (I), Per3 (J) и Cry1 (K). Нормализованные уровни экспрессии определялись относительно геометрического среднего двух генов домашнего хозяйства. (L и M) Колебания молекулярных часов в дифференцированных миотрубках, измеренные с помощью репортерного анализа BMAL1-luc. Усредненные профили ± SEM ( n = 11) показаны в виде исходных (L) и скорректированных (M) значений за 12–72 часа после синхронизации, а индивидуальные профили этих результатов показаны на рисунке S9 . (N–Q) Циркадные параметры колебаний, полученные из синусоидальной аппроксимации, сгенерированной программным обеспечением Chronostar 3.0: фаза (N), длительность циркадного периода (O), амплитуда (P) и затухание колебаний (Q). Указанные значения p были определены на основе парных t- критериев.

Рисунок 5. Мультиомическая сигнатура сыворотки . Диаграммы SUS (A, C, E и G), сравнивающие метаболиты сыворотки (A), семейства липидов (C) и виды липидов (E), а также транскрипты моноцитов крови (G). Оси представляют собой масштабированные нагрузки корреляции Пирсона из моделей OPLS-DA, различающих условия освещения в каждой временной точке. Эти значения отражают, насколько сильно каждая целевая переменная различает естественные (положительные) или искусственные (отрицательные) условия в каждой временной точке ( ось x , 16:00; ось y , 08:00). Эта визуализация позволяет интерпретировать влияние света в обеих временных точках: признаки, расположенные далеко вдоль оси x , сильно связаны с условиями освещения в 16:00, признаки, расположенные далеко вдоль оси y в 08:00, а признаки, расположенные ближе к диагонали, постоянно подвержены влиянию света в обе временные точки. Признаки, расположенные ближе к началу координат, показывают слабые связи в обеих временных точках. Метаболиты, липиды и транскрипты, показанные на графиках (A), (C) и (G) соответственно, окрашены в соответствии с их положительной корреляцией с естественным (красным) или искусственным (синим) светом. Виды липидов на графиках (E) окрашены в соответствии с их семействами липидов. Соответствующие диаграммы размаха (B, D, F и H) выделяют парные профили экспрессии выбранных основных мишеней из (B) метаболитов, (D) семейств липидов и (F) видов липидов и (H) транскриптов моноцитов крови, измеренные в 08:00 и 16:00 при обоих условиях освещения. Значимость p -значения обозначена ∗ p < 0,05 и ∗∗ p < 0,01 на основе парного критерия знаковых рангов Вилкоксона.