ПОЛОМКА БИОЛОГИЧЕСКИХ ЧАСОВ В ПАТОГЕНЕЗЕ САХАРНОГО ДИАБЕТА

DOI: 10.22138/2500-0918-2023-20-3-5-17

УДК 616-021.3

Ю.В. Быков

ФГБОУ «Ставропольский государственный медицинский университет» Министерства здравоохранения Российской Федерации, г. Ставрополь, Российская Федерация;
Государственное бюджетное учреждение здравоохранения Ставропольского края
«Городская детская клиническая больница имени Г.К. Филиппского»,
г. Ставрополь, Российская Федерация

Резюме. Цель. Статья посвящена обзору нарушения биологических часов (БЧ), в качестве возможного патофизиологического механизма при развитии сахарного диабета (СД) 1 и 2 типа. Материал и методы. Проведен анализ 69 научных работ с использованием баз данных Cochrane Library, PubMed, eLibrary.ru, Medscape. Период электронного поиска: 2012–2023 гг., использованы комбинации ключевых слов: “diabetes mellitus”, “biological clock”, “melatonin”. Результаты. Рассмотрены основные физиологические аспекты функционирования БЧ и их роль в поддержании гомеостаза организма. Освещены вопросы регуляции уровня глюкозы и инсулина под влиянием БЧ. Проведено обоснование поломки биологических часов в патогенезе СД за счет процессов десинхронизации, активации митохондриальной дисфункции и оксидативного стресса. Разобрана проблематика нарушения выработки мелатонина как маркера поломки БЧ и возможного триггера в развитии СД. Выводы. Поломка БЧ в патогенезе СД является современной, научно обоснованной теорией, требующей дальнейшего изучения в данном направлении.

Ключевые слова: сахарный диабет, биологические часы, мелатонин

Конфликт интересов отсутствует.
Контактная информация автора, ответственного за переписку:
Быков Юрий Витальевич
yubykov@gmail.com
Дата поступления: 31.08.2023
Образец цитирования:
Быков Ю.В. Поломка биологических часов в патогенезе сахарного диабета. [Электронный ресурс] Вестник уральской медицинской академической науки. 2023, Том 20, № 3, с. 5–17, DOI: 10.22138/2500-0918-2023-20-3-5-17

ЛИТЕРАТУРА

1. Onaolapo A.Y., Onaolapo O.J. Circadian dysrhythmia-linked diabetes mellitus: Examining melatonin’s roles in prophylaxis and management. World J Diabetes. 2018; 9(7): 99–114. DOI: 10.4239/wjd.v9.i7.99.
2. Быков Ю.В., Батурин В.А. Когнитивные нарушения при сахарном диабете 1 типа. Сибирский научный медицинский журнал. 2023(a);43(1):4–12. DOI: 10.18699/SSMJ20230101.
3. Бунятян Н.Д., Бухтиярова И.П., Дроговоз С.М., Кононенко А.В., Олефир Ю.В., Прокофьев А.Б., Проскурина И.А., Горячев Д.В. Влияние биоритмов человека на концентрацию глюкозы в крови и эффективность гипогликемических лекарственных препаратов (обзор). Химико-фармацевтический журнал. 2017;5:47-50.
4. Jin С.Y., Yu S.W., Yin J.T.; et al. Corresponding risk factors between cognitive impairment and type 1 diabetes mellitus: A narrative review. Heliyon. 2022;8(8):e10073. DOI: 10.1016/j.heliyon.2022.e10073.
5. Agrawal M., Agrawal A.K. Pathophysiological Association Between Diabetes Mellitus and Alzheimer’s Disease. Cureus. 2022;14(9):e29120. DOI: 10.7759/cureus.29120.
6. Gupta M., Pandey S., Rumman M.; et al. Molecular mechanisms underlying hyperglycemia associated cognitive decline. IBRO Neurosci Rep. 2022;14:57-63. DOI: 10.1016/j.ibneur.2022.12.006.
7. Vargas-Soria M., García-Alloza M., Corraliza-Gómez M. Effects of diabetes on microglial physiology: a systematic review of in vitro, preclinical and clinical studies. J Neuroinflammation. 2023;20(1):57. DOI: 10.1186/s12974-023-02740-x.
8. Быков Ю.В. Оксидативный стресс и диабетическая энцефалопатия: патофизиологические аспекты. Современные проблемы науки и образования. 2022; 6-2. DOI: 10.17513/spno.32314.
9. Bhat M.A., Bhat S.A., Ahmad S.B.; et al. Biochemical profile and genetic polymorphism of MTHFRC677T in risk of type 2 diabetes mellituss. Int J Diabetes Endocrinol. 2017;2:19–25.
10. Potenza M.A., Sgarra L., Desantis V.; et al. Diabetes and Alzheimer’s Disease: Might Mitochondrial Dysfunction Help Deciphering the Common Path? Antioxidants (Basel). 2021;10(8):1257. DOI: 10.3390/antiox10081257.
11. Быков Ю. В., Батурин В. А. Хронобиологические механизмы в патофизиологии сахарного диабета 1-го типа у детей. Вестник НовГУ. 2023 (b);2(131):234-241. DOI: 10.34680/2076-8052.2023.2(131).234-241.
12. Lee J., Ma K., Moulik M., Yechoo V. Untimely oxidative stress in β-cells leads to diabetes — Role of circadian clock in β-cell function. Free Radic Biol Med. 2018;119:69-74. DOI: 10.1016/j.freeradbiomed.2018.02.022.
13. Banday M.Z., Sameer A.S., Nissar S. Pathophysiology of diabetes: An overview. Avicenna J Med. 2020;10(4):174–188. DOI: 10.4103/ajm.ajm_53_20.
14. Parameswaran G., Ray D.W. Sleep, circadian rhythms, and type 2 diabetes mellitus. Clin Endocrinol (Oxf). 2022; 96(1): 12–20. DOI: 10.1111/cen.14607
15. Petersmann A., Müller-Wieland D., Müller U.A.; et al. Definition, Classification and Diagnosis of Diabetes Mellitus. Exp. Clin. Endocrinol. Diabetes. 2019;127:S1–S7. DOI: 10.1055/a-1018-9078.
16. Beck J., Greenwood D.A., Blanton L.; et al. (2018). 2017 National standards for diabetes self-management education and support. The Diabetes Educator, 44, 35–50. DOI: 10.1177/0145721718754797.
17. Javeed N., Matveyenko A.V. Circadian Etiology of Type 2 Diabetes Mellitus. Physiology (Bethesda). 2018;33(2):138-150. DOI: 10.1152/physiol.00003.2018.
18. Li M.D., Li C.M., Wang Z. The role of circadian clocks in metabolic disease. Yale J Biol Med. 2012;85:387–401.
19. Allada R., Bass J. Circadian mechanisms in medicine. The New England Journal of Medicine. 2021;384(6):550–561. DOI: 10.1056/NEJMra1802337.
20. Sridhar G.R., Sanjana N.S. Sleep, circadian dysrhythmia, obesity and diabetes. World J Diabetes. 2016;7(19) 515–522. DOI:10.4239/wjd.v7.i19.515
21. Быков Ю.В., Батурин В.А. Нарушение адаптационных возможностей у детей с инсулинозависимым сахарным диабетом на основе методики оценки временных отрезков Вестник современной клинической медицины. 2021;5:112–116. DOI: 10.20969/VSKM.2021.14(5).112-116.
22. Sankaranarayanan C., Subramanian P. Molecular mechanisms interlinking biological clock and diabetes mellitus: Effective tools for better management. Diabetes Metab Syndr. 2022;16(11):102639. DOI: 10.1016/j.dsx.2022.102639.
23. Tian Y., Zhang D. Biological Clock and Inflammatory Bowel Disease Review: From the Standpoint of the Intestinal Barrier. Gastroenterol Res Pract. 2022;2022:2939921. DOI: 10.1155/2022/2939921.
24. Giebfried J., Lorentz A. Relationship between the Biological Clock and Inflammatory Bowel Disease. Clocks Sleep. 2023;5(2):260-275. DOI: 10.3390/clockssleep5020021.
25. Zee P.C., Attarian H., Videnovic A. Circadian rhythm abnormalities. Continuum (Minneap Minn) 2013;19:132–147. DOI: 10.1212/01.CON.0000427209.21177.aa.
26. Copertaro A., Bracci M. Working against the biological clock: a review for the Occupational Physician Ind Health. 2019;57(5):557-569. DOI: 10.2486/indhealth.2018-0173.
27. Цветкова Е.С., Романцова Т.И., Рунова Г.Е., Беляев Н.С., Гольдшмид А.Е. Влияние сменного графика работы на показатели метаболического здоровья. Ожирение и метаболизм. 2019;3:11-19. DOI: 10.14341/omet10015.
28. Yu Q. Biological clock: the oscillator of gene expression. Sci China Life Sci. 2018;61(1):128-130. DOI: 10.1007/s11427-017-9239-6.
29. Neves A.R., Albuquerque T., Quintela T., Costa D. Circadian rhythm and disease: Relationship, new insights, and future perspectives. J. Cell. Physiol. 2022;237:3239–3256. DOI: 10.1002/jcp.30815.
30. Губин Д.Г., Коломейчук С.Н. Точность биологических часов, хронотип, здоровье и долголетие. Хрономедицинский журнал. 2019;2:14-27. DOI: 10.36361/2307-4698-2019-21-2-14-27.
31. Chrościcki P., Usarek M., Bryla J. [The role of biological clock in glucose homeostasis]. [Article in Polish]. Postepy Hig Med Dosw (Online). 2013;67:569-83. DOI: 10.5604/17322693.1053906.
32. Fagiani F., Di Marino D., Romagnoli A.; et al. Molecular regulations of circadian rhythm and implications for physiology and diseases. Signal Transduct. Target. Ther. 2022;7:41. DOI: 10.1038/s41392-022-00899-y.
33. Ramkisoensing A., Meijer J.H. Synchronization of Biological Clock Neurons by Light and Peripheral Feedback Systems Promotes Circadian Rhythms and Health. Front Neurol. 2015;6:128. DOI: 10.3389/fneur.2015.00128.
34. Maiese K. Cognitive impairment with diabetes mellitus and metabolic disease: innovative insights with the mechanistic target of rapamycin and circadian clock gene pathways. Expert Rev Clin Pharmacol. 2020;13(1):23-34. DOI: 10.1080/17512433.2020.1698288.
35. Seshadri N., Doucette C.A. Circadian Regulation of the Pancreatic Beta Cell. Endocrinology. 2021;162(9):bqab089. DOI: 10.1210/endocr/bqab089.
36. Mohawk J.A., Green C.B., Takahashi J.S. Central and peripheral circadian clocks in mammals. Annu. Rev. Neurosci. 2012;35:445–462. DOI: 10.1146/annurev-neuro-060909-153128.
37. Coomans C.P., Lucassen E.A., Kooijman S.; et al. Plasticity of circadian clocks and consequences for metabolism. Diabetes Obes. Metab. 2015;17((Suppl. S1)):65–75. DOI: 10.1111/dom.12513.
38. Woller A., Gonze D. Circadian Misalignment and Metabolic Disorders: A Story of Twisted Clocks. Biology (Basel). 2021;10(3):207. DOI: 10.3390/biology10030207.
39. Farhud D., Aryan Z. Circadian Rhythm, Lifestyle and Health: A Narrative Review. Iran J Public Health. 2018;47(8):1068-1076.
40. Cox K.H., Takahashi J.S. Circadian clock genes and the transcriptional architecture of the clock mechanism. J. Mol. Endocrinol. 2019;63:R93–R102. DOI: 10.1530/JME-19-0153.
41. Diallo A.B., Coiffard B., Leone M.; et al. For Whom the Clock Ticks: Clinical Chronobiology for Infectious Diseases. Front Immunol. 2020;11:1457. DOI: 10.3389/fimmu.2020.01457.
42. Barandas R., Landgraf D., McCarthy M., Welsh D. Circadian clocks as modulators of metabolic comorbidity in psychiatric disorders. Curr Psychiatry Rep. (2015) 17:98. DOI: 10.1007/s11920-015-0637-2.
43. Yan X., Xu P., Sun X. Circadian rhythm disruptions: A possible link of bipolar disorder and endocrine comorbidities. Front Psychiatry. 2022;13:1065754. DOI: 10.3389/fpsyt.2022.1065754.
44. Richards J., Gumz M.L. Advances in understanding the peripheral circadian clocks. FASEB J. Off. Publ. Fed. Am. Soc. Exp. Biol. 2012;26:3602–3613. DOI: 10.1096/fj.12-203554.
45. Perelis M., Marcheva B., Ramsey K.M.; et al. Pancreatic beta cell enhancers regulate rhythmic transcription of genes controlling insulin secretion. Science. 2015;350(6261):aac4250. DOI: 10.1126/science.aac4250.
46. Fishbein A., Knutson K., Zee P. Circadian disruption and human health. J Clin Invest. (2021) 131:e148286. DOI: 10.1172/JCI148286.
47. Panda S. Circadian physiology of metabolism. Science. (2016) 354:1008–15. DOI: 10.1126/science.aah4967.
48. Нелаева Ю.В., Рымар О.Д., Петров И.М., Нелаева А.А., Южакова А.Е. Роль индивидуальной организации суточных ритмов в формировании нарушений углеводного обмена. Сахарный диабет. 2023;3:224-235. DOI: 10.14341/DM12909.
49. Eckel-Mahan K., Sassone-Corsi P. Metabolism and the circadian clock converge. Physiol Rev. 2013;93:107–135. DOI: 10.1152/physrev.00016.2012.
50. Cribbet M.R., Logan R.W., Edwards M.D.; et al. Circadian rhythms and metabolism: from the brain to the gut and back again. Ann N Y Acad Sci. 2016;1385:21–40. DOI: 10.1111/nyas.13188.
51. Stenvers D.J., Scheer F.A., Schrauwen P.; et al. Circadian clocks and insulin resistance. Nat Rev Endocrinol. 2019;15(2):75-89. DOI: 10.1038/s41574-018-0122-1.
52. Peek C.B., Affinati A.H., Ramsey K.M.; et al. Circadian clock NAD+ cycle drives mitochondrial oxidative metabolism in mice. Science. 2013;342:1243417. DOI: 10.1126/science.1243417.
53. Ramsey K.M., Yoshino J., Brace C.S.; et al. Circadian clock feedback cycle through NAMPT-mediated NAD+ biosynthesis. Science. 2009;324:651–654. DOI: 10.1126/science.1171641.
54. Wilking M., Ndiaye M., Mukhtar H., Ahmad N. Circadian Rhythm Connections to Oxidative Stress: Implications for Human Health. Antioxid Redox Signal. 2013;19(2):192–208. DOI: 10.1089/ars.2012.4889
55. Ye L., Wu H., Xu W. Deletion of Bmal1 impairs pancreatic Β-cell function via mitochondrial signaling pathway. Biomed. Res. Int. 2020;2020:9803024. DOI: 10.1155/2020/9803024.
56. Gerber P.A., Rutter G.A. The role of oxidative stress and hypoxia in pancreatic beta-cell dysfunction in diabetes mellitus. Antioxid. Redox Signal. 2017;26:501–518. DOI: 10.1089/ars.2016.6755.
57. Быков Ю.В., Батурин В.А. Нарушение хода биологических часов у подростков с сахарным диабетом 1 типа в стадии ремиссии. Забайкальский медицинский вестник. 2022;4:19-26. DOI: 10.52485/19986173_2022_4_19.
58. Espino J., Pariente J.A., Rodríguez A.B. Role of melatonin on diabetes-related metabolic disorders World J Diabetes. 2011; 2(6): 82–91. DOI: 10.4239/wjd.v2.i6.82.
59. Golombek D.A., Rosenstein R.E. Physiology of circadian entrainment. Physiol Rev. 2010;90:1063–1102. DOI: 10.1152/physrev.00009.2009.
60. Costes S, Boss M, Thomas AP, Matveyenko AV. Activation of Melatonin Signaling Promotes β-Cell Survival and Function. Mol Endocrinol. 2015;29:682–692. DOI: 10.1210/me.2014-1293.
61. Ладожская-Гапеенко М.С. Сдвиг суточных ритмов и риск развития сахарного диабета. Forcipe. 2019;1:246.
62. Sharma S., Singh H., Ahmad N; et al. The role of melatonin in diabetes: therapeutic implications. Arch Endocrinol Metab. 2015;59:391–399. DOI: 10.1590/2359-3997000000098.
63. Agil A., Rosado I., Ruiz R.; Melatonin improves glucose homeostasis in young Zucker diabetic fatty rats. J Pineal Res. 2012;52:203–210. DOI: 10.1111/j.1600-079X.2011.00928.x.
64. Bazwinsky-Wutschke I., Bieseke L., Muhlbauer E., Peschke E. Influence of melatonin receptor signalling on parameters involved in blood glucose regulation. J Pineal Res. 2014;56:82–96. DOI: 10.1111/jpi.12100.
65. Peschke E., Bähr I., Mühlbauer E. Melatonin and pancreatic islets: interrelationships between melatonin, insulin and glucagon. Int J Mol Sci. 2013;14:6981–7015. DOI: 10.3390/ijms14046981.
66. Fonken L.K., Nelson R.J. The /effects of light at night on circadian clocks and metabolism. Endocr Rev. 2014;35:648–670. DOI: 10.1210/er.2013-1051.
67. Hajam Y.A., Rai S., Pandi-Perumal S.R.; et al. Coadministration of melatonin and insulin improves diabetes-induced impairment of rat kidney function. Neuroendocrinology. 2022;112:807–822. DOI: 10.1159/000520280.
68. Hajam Y.A., Rai S. Melatonin and insulin modulates the cellular biochemistry, histoarchitecture and receptor expression during hepatic injury in diabetic rats. Life Sci. 2019;239:117046. DOI: 10.1016/j.lfs.2019.117046.
69. Thomas A.P., Hoang J., Vongbunyong K. et al. Administration of melatonin and metformin prevents deleterious effects of circadian disruption and obesity in male rats. Endocrinology 157: 4720–4731, 2016. DOI: 10.1210/en.2016-1309.

Автор
Быков Юрий Витальевич
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение «Ставропольский государственный медицинский университет» Министерства здравоохранения Российской Федерации;
Государственное бюджетное учреждение здравоохранения Ставропольского края «Городская детская клиническая больница имени Г.К. Филиппского»
Кандидат медицинских наук, доцент кафедры анестезиологии, реаниматологии с курсом ДПО, врач анестезиолог-реаниматолог
yubykov@gmail.com
ORCID ID: https://orcid. org/0000-0003-4705-3823
Ставрополь, Российская Федерация