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Circadiane Rhythmus

Würden wir ein Leben ganz ohne Uhr, ohne zeitliche Strukturen und ohne eng getakteten Tagesablauf führen, dann würde unser Körper bestimmen, wann wir einschlafen, aufwachen und essen. Er würde sich nach unserer angeborenen inneren Uhr richten, die grundsätzlich in 24-Stunden-Zyklen tickt. In der Wissenschaft bezeichnet man die natürlichen Schwankungen von Körperfunktionen im Laufe eines Tages als zirkadianen Rhythmus.

Dabei steht der Zyklus des Stoffwechsels unter dem Einfluss von äußeren und inneren Faktoren. Wichtigster äußerer Taktgeber ist das Licht. Durch Licht und Dunkelheit werden Zeitgeber-Gene in uns angeschaltet, die den 24-Stunden-Rhythmus von Stoffwechsel, körperlicher Aktivität und der Ausschüttung von Hormonen beeinflussen – und dem Körper damit erlauben, sich an die Erdrotation anzupassen. In der Abbildung 1 finden sich verhaltensbezogene und physiologische Funktionen einer Person, die morgens um 7 Uhr aufsteht.

Abb. 1: Die zirkadiane Uhr des Menschen[1]

[1] Devdhawala Mehul G et al., J. Chem. Pharm. Res., 2010


„Wir haben Uhren geschaffen, die perfekt mit der industriellen Maschinenwelt und dem Informationszeitalter synchronisiert sind, aber völlig asynchron sind mit der Natur und unserem zirkadianen Kreislauf.“

Khang Kijarro Nguyen

Tageszeit beeinflusst die OP

Die zirkadiane Uhr des Menschen ist für unsere Gesundheit wichtiger, als es sich der moderne Mensch heute vorstellen kann. In einer Studie des Universitätsklinikums Lille konnte 2018 gezeigt werden, dass sich der Zeitpunkt einer Operation auf ihren Verlauf auswirkt.[1] Für Herzklappen-Patienten war eine OP am Morgen mit einem erhöhten Risiko für eine schwere Herzschädigung verbunden. Bei entsprechenden Eingriffen am Nachmittag war das Risiko um rund 50% niedriger. Sollte sich auch für andere Operationen tageszeitabhängige Risikoveränderungen nachweisen lassen, hätte das erhebliche Konsequenzen für unser Gesundheitssystem: Denn wenn jeder nur noch am Nachmittag operiert werden wollte, wären die personellen und örtlichen Kapazitäten rasch erschöpft.

Auch Medikamente wirken tageszeitabhängig

Doch es kommt noch besser: Die Taktgeber in unserem Organismus sorgen auch dafür, dass Medikamente unterschiedlich wirken – abhängig vom Zeitpunkt ihrer Verabreichung. Die Pharmakokinetik legt nahe, dass nur Medikamente mit einer Halbwertszeit von 6 Stunden oder weniger Abhängigkeiten von der tageszeitlichen Einnahme aufweisen. Tatsächlich wird die Wirksamkeit aber auch bei rund zwei Drittel der Medikamente mit Halbwertszeiten von 8 bis 15 Stunden durch die Zeit der Einnahme beeinflusst (Abb. 2).

Dies deutet darauf hin, dass viele Medikamente enge therapeutische Fenster haben, deren Wirksamkeit von der Zeit der Einnahme beeinflusst wird. Auf den Beipackzetteln sucht man diese nicht ganz unwichtige Information allerdings vergeblich. Entweder wissen es die Pharmahersteller selbst nicht oder sie geben ihr Wissen nicht an die Patienten weiter.

Abb. 2: Zusammenhang zwischen Medikamenten-Halbwertszeit und Tageszeit-Effekt [2]
Und was hat das alles mit dem Thema Ernährung zu tun? Eine Parallele ist z. B. die individuelle Blutzuckerantwort auf eine Nahrungsaufnahme, die auch je nach Tageszeit unterschiedlich ausfällt. Aus diesem Grund werden seriöse medizinische Tests der Blutzuckerantwort sowohl morgens als auch abends durchgeführt.[3] Noch ist der tageszeitliche Effekt unserer Nahrungsaufnahme auf unseren Stoffwechsel ein relativ unbeschriebenes Blatt. Ein Grund mehr, sich etwas tiefer mit der zirkadianen Uhr des Menschen zu befassen.

 

Der zirkadiane Rhythmus

Maßgeblicher innerer Taktgeber ist eine Schaltung im Hypothalamus, die als zentrale Uhr bezeichnet wird. Sie aktiviert bzw. deaktiviert die Gene, deren Information zum Aufbau von Proteinen genutzt wird, die wiederum den zirkadianen Rhythmus regulieren. Darüber hinaus synchronisiert die zentrale Uhr nicht nur die peripheren Uhren in anderen Regionen des Nervensystems, sondern auch die zeitlichen Abfolgen in peripheren Organen, wie Leber oder Niere. Wie genau diese Steuerung funktioniert, wird gerade erforscht.

Das relativ junge Fach Chronobiologie untersucht unter anderem, wie sich Störungen des zirkadianen Rhythmus’ auf unseren Organismus, unseren Stoffwechsel und unsere Gesundheit auswirken. Denn Schichtarbeit, Jetlag oder künstliche Beleuchtung können die innere Uhr des Menschen durcheinanderbringen. Einige Studien belegen bereits, dass Stoffwechselerkrankungen, Depressionen und Übergewicht die Folge sein können.

 

Einflüsse auf unsere innere Uhr

Der zirkadiane Rhythmus besteht aus zwei Hauptwegen. Der erste reagiert auf Licht reagiert und ist bereits gut beschrieben. Der zweite wird von der Nahrungsaufnahme beeinflusst und gibt den Experten noch einige Rätsel auf. Sicher ist nur, dass sich unsere innere Uhr durch Ernährung beeinflussen lässt – und damit auch die periodische Abfolge von Stoffwechselvorgängen. Denn es besteht ein enges Wechselspiel zwischen den zirkadianen Rhythmen und den Stoffwechselwegen, die daran beteiligt sind, Energiestoffwechsel und Immunsystem an das Nahrungsangebot anzupassen.

Forschungen zeigen, dass Insulin, das nach dem Essen von der Bauchspeicheldrüse ausgeschüttet wird, an einem „Reset“ der biologischen Uhr beteiligt sein könnte.[4] Eine Insulin abhängige Korrektur der biologischen Uhr in ernährungsrelevanten Geweben könnte die Synchronisation zwischen Essenszeit und Gewebefunktion ermöglichen und für eine effektive Verdauung und Aufnahme von Nahrung sorgen. Anders ausgedrückt: Insulin könnte helfen, die innere Uhr unseres Magens mit der tatsächlichen Essenszeit zu synchronisieren. Mit welchen speziellen Lebensmitteln und mit welchen zeitlichen Verzehrempfehlungen können wir unseren zirkadianen Rhythmus unterstützen?

 

Gefährliche Rhythmusstörungen  
Ist unser zirkadianer Rhythmus intakt, produziert unsere Nebenniere jeden Morgen Glukokortikoid-Stresshormone. Die Freisetzung von hohen Mengen an Glukokortikoid vor dem Aufwachen veranlasst den Körper, Fettsäuren und Zucker als Energiequellen zu nutzen – damit wir ausgeruht in den Tag starten können. Ist der zirkadiane Rhythmus aber gestört – zum Beispiel durch Schichtarbeit oder Jetlag – oder ist der Glukokortikoid-Spiegel krankheitsbedingt verändert, können Erkrankungen wie Fettleibigkeit, Typ-2-Diabetes oder Fettleber die Folge sein.

 

Im Bunker für die Wissenschaft

In einer Untersuchung der Max-Planck-Gesellschaft ging man der Frage nach, ob der zirkadiane Rhythmus angeboren ist oder von externen Faktoren beeinflusst wird. Für die Untersuchung erklärten sich 400 Probanden bereit, drei bis vier Wochen in einem Bunker zu leben – abgeschieden von der Außenwelt und unabhängig von anderen zeitbestimmenden Faktoren. Auf den Schlafrhythmus hatte diese Isolation so gut wie keinen Effekt: Die Teilnehmer waren zu etwa zwei Dritteln der Zeit wach. Der zirkadiane Rhythmus wird also nicht von Tag und Nacht, sondern durch innere Faktoren bestimmt.

Dieselbe Untersuchung betrachtete auch das Mahlzeitenmuster. In der Regel geht man beim Menschen von einem Hungerrhythmus von vier bis fünf Stunden aus. Obwohl das Hungergefühl der Teilnehmer ohne externe Zeitgeber nicht im gewohnten Rhythmus einsetzte, nahm die Mehrzahl dennoch in der Regel drei Mahlzeiten am Tag zu sich – einige auch zwei. An einigen Tagen kam es zu einem abweichenden Ernährungsverhalten, das eine veränderte Schlaf-Wach-Periode mit sich brachte. Das Körpergewicht der Probanden blieb über den Zeitraum der Untersuchung konstant.

 

Drei Mahlzeiten pro Tag sind optimal

Es scheint chronobiologisch sinnvoll zu sein, täglich drei Mahlzeiten zu sich zu nehmen, denn dann verlaufen der Schlaf-Wach-Rhythmus und die anderen zirkadianen Rhythmen parallel zueinander. Werden diese entkoppelt, vermindern sich zunächst die Stimmung und die Leistungsfähigkeit. Es folgen Schlafstörungen, die Herz-Kreislauf-Erkrankungen, Verdauungsprobleme u. a. zur Folge haben können.

 

Schlaf unterbricht den Hungerrhythmus

Während der nächtlichen Schlafphase wird der Hungerrhythmus für etwa sieben bis acht Stunden unterbrochen. Reguliert wird dieses Phänomen vermutlich durch das Hormon Leptin. Wenn die Körpertemperatur nachts ihren niedrigsten Stand erreicht, ist gleichzeitig der Leptinspiegel im Blut sehr hoch. Ein hoher Leptinspiegel signalisiert Sättigung, aber er unterliegt keinem zirkadianen Rhythmus. Studien haben gezeigt, dass sich der Höhepunkt des Leptins parallel verschiebt sobald die letzte Mahlzeit sechs Stunden später als üblich stattfindet. Der Verlauf der zirkadianen Körpertemperatur passt sich dagegen nur verzögert an eine zeitliche Verschiebung an.

 

Unrhythmisch essen macht krank

Die Ergebnisse zeigen, dass die klassische Mahlzeitenstruktur von drei täglichen Mahlzeiten die Funktion des zirkadianen Rhythmus unterstützt. Ein Abweichen von dieser Struktur über einen längeren Zeitraum  – etwa durch nächtliche Mahlzeiten – kann zu Übergewicht, Diabetes mellitus und Koronaren Herzkrankheiten führen.

Die Chronobiologie ist ein faszinierendes neues Wissensgebiet, welches wir zum Vorteil des Menschen nutzen sollten: Forscher glauben, dass unsere Ernährung unsere biologische Uhr beeinflussen kann. Das könnte bei verschiedenen Krankheiten die Therapie unterstützen. Mit welchen Produkten und zirkadianen Verzehrempfehlungen können wir unsere innere Uhr unterstützen und gezielt für uns nutzbar machen?

 

[1] Montaigne D., Lancet, 2018

[2] Marc Ruban, et al., bioRxiv, March 15, 2019

[3] Beispielsweise der Blutzuckertest der Perfood GmbH, www.millionfriends.de

[4] Miho Sato et al., The Role of the Endocrine System in Feeding-Induced Tissue-Specific Circadian Entrainment. Cell Reports, 2014

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