Die alten Ägypter identifizierten drei Jahreszeiten basierend auf den Zyklen des Nils:Überschwemmung, Entstehung und Ernte. In tropischen Ländern ist es der Regen, der das Jahr in zwei Teile teilt:eine Regen- und eine Trockenzeit. An anderer Stelle grenzt der Kalender vier Jahreszeiten ab:Herbst, Winter, Frühling und Sommer.
Aber jetzt haben Forscher der Stanford University herausgefunden, dass die menschliche Biologie anstelle von Flüssen, Regenfällen oder Kalendern verwendet werden könnte, um die Jahreszeiten zu bestimmen. In ihrer Studie, veröffentlicht in der Zeitschrift Nature Communications Im Oktober 2020 entdeckten die Stanford-Forscher, dass unser Körper anscheinend seinen eigenen Rhythmus festlegt und das Jahr in zwei saisonale Zeiträume unterteilt.
Zumindest ist das der Fall, wenn Sie in Kalifornien leben, wo die Studie durchgeführt wurde. Da jeder geografische Ort einzigartige Umweltbedingungen hat, kann ihr Ansatz auch in anderen Teilen der Welt zur Zählung der Jahreszeiten verwendet werden.
„Die Leute sagen, es gibt vier Jahreszeiten mit jeweils drei Monaten. Aber warum vier? Es könnten 15 oder 2 sein. Warum lassen wir es uns nicht von der Biologie sagen?“ fragt Prof. Michael Snyder, Hauptforscher der Studie.
Um die menschlichen Jahreszeiten zu bestimmen, erstellte Snyders Team über einen Zeitraum von vier Jahren ein Profil der Biologie von 105 Freiwilligen in der San Francisco Bay Area. Sie entnahmen und maßen regelmäßig Zehntausende von Molekülen und Mikroben aus Blut, Nase und Eingeweiden der Teilnehmer. Diese Art von Studie wird als „tiefe Längsschnitt-Multiomik-Profilerstellung“ bezeichnet.
An Probetagen sammelten die Forscher auch meteorologische Daten (wie Lufttemperatur und Sonneneinstrahlung) und Pollenflugwerte.
Diese massive Anstrengung wurde unternommen, um ein besseres Bild davon zu erhalten, wie sich die wechselnden Jahreszeiten auf unsere Physiologie und Gesundheit auswirken könnten.
Was ist Multiomik?
Wenn es einem molekularen oder mikrobiellen Begriff hinzugefügt wird, bezieht sich das Suffix „-omics“ auf die umfassende Analyse einer Sammlung dieser Moleküle oder Mikroben. Genomik ist beispielsweise die umfassende Untersuchung aller Gene eines Organismus. Die Genomik unterscheidet sich von der Genetik, die einzelne Gene oder deren Varianten betrachtet.
Wissenschaftler sprechen informell oft von „Omics“ oder „Omics-Gruppen“, zu denen Genomik, Metabolomik, Proteomik, Transkriptomik, Epigenomik, Mikrobiomik und andere gehören können.
Multiomics, das die Grundlage der von Snyder geleiteten Studie bildete, ist ein Zweig der Molekularbiologie, in dem Forscher große Datensätze kombinieren und analysieren, die verschiedene Omics-Gruppen repräsentieren. Das Ziel von Multiomics ist es, Beziehungen zwischen den Ansammlungen von Molekülen und ihren Funktionen hervorzuheben.
Wie viele Jahreszeiten hat der Körper?
Nach vier Jahren des Testens von Kot, der Entnahme von Blutproben und der Protokollierung des Wetters verwendete das Team leistungsstarke Computerwerkzeuge, um zu versuchen, Muster zwischen der Biologie der Freiwilligen und ihrer Umgebung zu finden. Was sie fanden, überraschte sie.
Es gab zwei Signale. Eines war eine Gruppe von Molekülen, die im Dezember ihren Höhepunkt zu erreichen schienen – eine Jahreszeit, die die Forscher Spätherbst/Frühwinter nannten. Dazu gehörten Marker im Zusammenhang mit Immunantworten wie dem Komplementsystem, einer Sammlung von Proteinen, die zusammenarbeiten, um infektiöse Mikroorganismen zu eliminieren, die in dieser Zeit ihren Höhepunkt erreichten. Es überrascht nicht, dass dies mit dem Zeitraum korreliert, von dem wir wissen, dass Virusinfektionen ebenfalls hoch sind.
Das zweite Signal kam jedoch überraschend.
„Ich dachte, die andere [Saison] wäre im Juni oder Juli, wenn es ziemlich heiß ist, aber das stimmte nicht“, sagt Snyder. Stattdessen erreichte die zweite Saison Ende April ihren Höhepunkt – eine Saison, die sie „Spätfrühling“ nannten.
Der Höhepunkt dieser Saison machte im Nachhinein Sinn, da Ende April auch mit einer Zeit hoher Pollenzahlen am Ende der kalifornischen Regenzeit zusammenfiel. Der Pollen löste bei einer ausreichend großen Untergruppe von Menschen eine Reaktion aus, um zum saisonalen Höhepunkt der Immunantwort beizutragen.
Die Ergebnisse ergänzten frühere Erkenntnisse darüber, wie die Humanbiologie mit saisonalen Mustern in Gegenwart oder Abwesenheit von Krankheiten interagiert. Wissenschaftler hatten beispielsweise gewusst, dass der Krankheitsrisikomarker HbA1c (ein Indikator für aktuelle durchschnittliche Blutzuckerwerte) bei Diabetikern im Winter oft höher war als im Sommer.
Was sie nicht wussten, war, wie sich die Werte bei Nicht-Diabetikern im Laufe des Jahres veränderten. Diese Studie ergab, dass Teilnehmer im Allgemeinen – ob Diabetiker oder nicht – Ende April Spitzenwerte des HbA1c-Wertes aufwiesen. Snyder verdeutlichte dies, indem er feststellte, dass Ende April eine Zeit ist, in der Menschen aus einer etwas ruhigeren Phase herauskommen, in der sie sich nicht so viel bewegen.
Das Team beobachtete auch, dass PER1, ein Gen, das für circadiane Rhythmen verantwortlich ist, ein saisonales Muster aufwies, mit seiner höchsten Expression im Frühling. Darüber hinaus haben andere Studien herausgefunden, dass PER1 möglicherweise eine Rolle bei der Entstehung von Krebs spielt und dass die Inzidenz von lokalisierten Tumoren im Frühjahr am höchsten zu sein scheint.
Snyders Team schlägt vor, dass ihre Beobachtung eines Frühjahrspeaks für PER1 zusätzliche Beweise dafür liefert, dass das Gen in irgendeiner Weise zum Krebswachstum beitragen kann.
Ein individueller Gesundheitsansatz
Wie könnte diese Forschung also nützlich sein? Zunächst einmal wird es uns helfen, die Schwankungen im menschlichen Körper von Patient zu Patient zu verstehen – Schwankungen, die in den Tests, die wir normalerweise erhalten, wenn wir den Hausarzt aufsuchen, nicht gemessen werden können.
Aber auch ein eigenständiges Maß, wie z. B. ein Temperaturmesswert, wird oft im Vergleich zu einem Bevölkerungsdurchschnitt interpretiert, ohne den Kontext der normalen, gesunden Basislinie des Individuums. Laut einem Journal of Internal Medicine beträgt die durchschnittliche Körpertemperatur eines Menschen beispielsweise 36,5 °C, obwohl selbst das je nach Geschlecht, Alter und Tagesverlauf variiert studieren.
Die „normale“ Temperatur einer Person kann jedoch zwischen 36,1 und 37,2 °C liegen. Ein Patient mit einem niedrigen Ausgangswert, der eine Temperatur registriert, die am oberen Ende des normalen Bereichs liegt, kann tatsächlich Fieber haben, auch wenn der Arzt, der die Temperatur dieses Patienten misst, dies möglicherweise nicht bemerkt.
„Die Leute gehen normalerweise zum Arzt, wenn sie krank sind. Sie gehen nicht oft, wenn sie gesund sind. Wir nutzen niemals den Längsschnitt von Daten – das Sammeln von Daten im Laufe der Zeit. Das ist die Essenz dessen, was wir zu tun versuchen“, sagt Snyder.
Außerdem können die Temperatur oder andere Gesundheitskennzahlen einer Person über ein bestimmtes Jahr hinweg variieren, selbst wenn sie gesund sind. Auch Krankheitsmarker für Erkrankungen wie Arthritis, Schlafstörungen und viele neurologische und psychiatrische Erkrankungen können sich im Laufe des Jahres ändern. All dies wirft Fragen zu saisonalen Einflüssen auf die Gesundheit auf.
„Wenn Ihr Cholesterinspiegel im Winter höher ist als im Sommer, ist das eine normale biologische Schwankung oder deutet das auf ein potenzielles Gesundheitsproblem hin?“ fragt Dr. Laura Cox, Professorin für Molekularmedizin an der Wake Forest School of Medicine, die nicht an der Studie beteiligt war.
Personalisierte Gesundheit
Bis fast zum Ende des 20. Jahrhunderts verstanden Forscher die Existenz oder Nützlichkeit eines Multiomik-Ansatzes für die Humanbiologie nicht. Stattdessen führten sie gezielte Studien durch, die den Einfluss eines einzelnen Gens oder eines einzelnen Proteins auf Gesundheit oder Krankheit untersuchten.
In den letzten Jahrzehnten haben es Forscher jedoch durch Multiomik wie Genomik und Proteomik (Sammlungen von Genen bzw. Proteinen) ermöglicht, ein umfassenderes Verständnis der biologischen Auswirkungen auf Gesundheit und Krankheit zu erlangen.
„Die Gene und die Proteine und die Metaboliten und die Lipide sprechen ständig miteinander“, erklärt Cox. Durch die Quantifizierung von Zehntausenden dieser Messungen in einem tiefen longitudinalen Multiomics-Profil können die Forscher dann bestimmen, was wahrscheinlich biologisch wichtig ist und was nicht.
Snyders Studie bietet personalisierte Gesundheitsmodelle – eines für jeden Studienteilnehmer – die Gesundheitsverläufe verfolgen und vorhersagen. Die Modelle zeichnen ein Bild der normalen biologischen Variation in den verschiedenen Omics-Gruppen für den Patienten im Laufe des Jahres, was der Schlüssel zum Erkennen von Krankheiten in ihren frühen Stadien ist.
Beweise, die diesen Ansatz unterstützen, sind überzeugend. Snyder berichtet, dass die tiefen Multiomics-Längsschnittprofile bei fast der Hälfte der Teilnehmer wichtige gesundheitliche Entdeckungen aufgedeckt haben, darunter Frühdiagnosen von Lymphomen, Herzproblemen und
einer BRCA-Genmutation, die auf ein hohes Risiko für Brustkrebs hinweist.
Snyder selbst ist ein überzeugter Gesundheitslogger. Er veröffentlichte sogar Ergebnisse seines personalisierten Omics-Profils in einem Artikel aus dem Jahr 2012 in der Zeitschrift Nature Reviews Genetics (er war sowohl Autor als auch einziger Teilnehmer der Studie).
Heute trägt er acht tragbare Geräte, um seine tägliche Gesundheit zu verfolgen, darunter vier Smartwatches, ein kontinuierliches Glukosemessgerät, ein Messgerät, das Umweltbelastungen misst, einen Gesundheits-Tracker-Ring und ein Pulsoximeter. Kürzlich zeigten seine Smartwatch und sein Pulsoximeter an, dass sein Blutsauerstoffspiegel gleichzeitig mit einem Anstieg seiner Herzfrequenz gesunken war, was sich als erster Hinweis auf eine bevorstehende Diagnose der Lyme-Borreliose herausstellte.
Die saisonale Studie, die Snyder und sein Team durchgeführt haben, ist eine Forschungsversion der personalisierten Gesundheitsmedizin, die ein tiefes Profiling darstellt, aber er akzeptiert, dass dies für die gesamte Bevölkerung schwierig sein wird.
„Das wirst du nicht für alle tun. Aber wir können versuchen herauszufinden, was am nützlichsten ist, und dann versuchen, eine billigere Version mit höherem Nutzen und dem besten Preis-Leistungs-Verhältnis herauszubringen“, sagt Snyder. Er erwähnt auch, dass sein ultimatives Ziel darin besteht, Big Data zu verwenden, um personalisierte Gesundheitsmodelle zu erstellen, die die Lebenswege für jede einzelne Person auf dem Planeten darstellen.
Cox, der keine Verbindung zu Snyder hat, nennt die Studie eine „tour de force“, da nur wenige andere über einen so langen Zeitraum so viele Multiomics-Daten untersucht haben. „Oft sehen wir eine sehr kurze Momentaufnahme und folgern auf der Grundlage dieser einen kurzen Momentaufnahme eine ganze, kontinuierliche Zeitachse“, sagt sie. „Es kommt zur Sprache:Wie viel fehlt uns?“
Vorsorge
Es ist klar zu sehen, wie die Verfolgung jeder Körperflüssigkeit, Mikrobe und jedes Moleküls einer Person über einen Zeitraum von vier Jahren ein hochauflösenderes Bild ihrer Gesundheit erstellen und es Ärzten ermöglichen würde, vorbeugende Maßnahmen zu ergreifen, um sie vor Krankheiten zu schützen. Leider wird dies in der realen Welt nicht zu bewältigen sein.
Zunächst einmal müsste die medizinische Kultur ihren Fokus vom derzeitigen Modell der Diagnose und Behandlung von Patienten anhand ihrer Symptome auf Früherkennung und Prävention verlagern. Dies setzt voraus, dass die hohen Kosten für die umfassende Verfolgung aller Gesundheitsdaten – ganz zu schweigen von Datenschutzbedenken – angegangen werden könnten.
Nichtsdestotrotz legt diese Studie nahe, dass saisonale Einflüsse berücksichtigt werden sollten, wenn es um die menschliche Gesundheit und das Krankheitsmanagement geht, da sie zeigen, dass Nordkalifornier gemäß ihrer Biologie zwei Jahreszeiten erleben und nicht die traditionellen vier, die wir mit dem Kalender assoziieren.
Außerdem bietet die Studie eine Vorlage zur Identifizierung saisonaler Zahlen und Einflüsse in anderen Teilen der Welt, die sich auf unser Verständnis der menschlichen Gesundheit und des Krankheitsmanagements in diesen Regionen auswirken können.
Wie viele Jahreszeiten gibt es also? Nun, es ist schwer mit Sicherheit zu sagen, aber Ihre Gesundheit hängt wahrscheinlich von der Antwort ab. „Trotzdem“, bemerkt Snyder, „sagte ich voraus, dass es keine vier Staffeln mit jeweils drei Monaten geben wird.“
- Dieser Artikel erschien zuerst in Ausgabe 359 des BBC Science Focus Magazine –