Аннотация

В обзоре показана роль хронобиологического подхода как одного из перспективных путей при разработке и тестировании функциональных продуктов питания как раздела современной прикладной биотехнологии.

Ключевые слова

Функциональные продукты, лечебное питание, биоритмы

ВВЕДЕНИЕ

Введение В ряду важнейших проблем сохранения здоровья особое место занимает изучение вопросов питания, поскольку именно пищеварение обеспечивает энергетические и пластические этапы обмена веществ и нормализации функций. Одним из путей является разработка функциональных продуктов питания. Целью работы является анализ современной литературы для разработки теоретической основы создания функциональных продуктов, направленных на наиболее чувствительное «звено» организма - организацию биологических ритмов. Обсуждение В 80-х годах академией наук Японии было введено понятие «functional food», или функциональные продукты питания. В настоящее время Национальным институтом здоровья и питания в Японии выделяются две группы продуктов под общим названием «пища для здоровья» - Food with Health Claims (FHC). Первая группа Food with Nutrient Function Claims (FNFC) может рассматриваться как «пища для функционального питания», она содержит двенадцать витаминов, включая витамин А, тиамин, рибофлавин, B-6, B-12, C, E, D, биотин, пантотеновую кислоту, фолиевую кислоту, ниацин, а также кальций, железо, цинк, магний и медь. Порция содержит 30 % от суточной нормы и удовлетворяет минимальным стандартам ежедневного свободного использования. Вторая группа, получившая наибольшую известность во всем мире, Food for Specified Health Uses (FOSHU) - «специальная пища для здоровья», содержащая комбинации из нескольких ингредиентов, которые оказывают благоприятное воздействие на физиологические функции человеческого организма, поддерживая и укрепляя здоровье. Возможно использование данных продуктов как альтернатива медикаментозной терапии при соблюдении стандартизированных норм [1]. Наиболее сложным вопросом применения функциональных продуктов питания является поиск биомаркеров эффективности данных продуктов и путей их воздействия на организм. В настоящее время используются статические показатели всасывания, распределения и метаболизма. Это не дает полной «картины» физиологических процессов. В зарубежной литературе выдвигается тезис о необходимости оценки биомаркеров функциональности продуктов питания в динамике за сутки [2]. Какова же роль продуктов (как обычных, так и функциональных) в организации биоритмов и почему именно биоритмы рассматриваются в роли биомаркеров функциональности продуктов питания? Современные исследования в хронобиологии и хрономедицине позволяют рассмотреть этот вопрос с теоретических позиций. Ритмичность как неотъемлемо присущее живой природе свойство и одна из фундаментальных особенностей функционирования организма может быть индикатором и непосредственным механизмом действия пищевых продуктов. Основное назначение ритмичности заключается в поддержании гомеостаза при постоянных воздействиях факторов внешней среды. При этом гомеостаз понимается не как устойчивость внутренней среды, а как колебательный периодический процесс - ритмостаз. В современной биоритмологии сложилось представление о ритмостазе как лабильном соотношении ритмов различных частот для каждого показателя жизнедеятельности [3, с. 9]. Гармоничное согласование в живых системах достигается благодаря замечательной особенности колебательных процессов - стремлению к синхронизации, которая является оптимальным условием для существования организма. В результате эволюции ведущее значение приобрели суточные или циркадианные ритмы (ЦР), обнаруживающиеся на различных уровнях - от субклеточного до системного. Вся циркадианная система состоит из автономных колебателей, каждый характеризуется собственной ритмичностью, но система синхронизуется ведущим осциллятором, позволяя согласовать смену дня и ночи с живыми системами для оптимального существования организма. Это обусловливает синхронизацию физиологических процессов и молекулярных механизмов с внешними сигналами времени [4]. У млекопитающих регуляция РЦ осуществляется через управляющий центр, расположенный в супрахиазматических ядрах гипоталамуса (СХЯ). Свет через ретино-гипоталамический тракт (РГТ) изменяет (навязывает) функциональную активность клеток СХЯ, являясь «времязадателем» (Zeitgeber) гипоталамических часов. СХЯ синхронизирует другие осцилляторы организма через ядра гипоталамуса по путям вегетативной нервной системы и гормональным сигналам (рис. 1А - световой режим навязывает ритмичность). Рис. 1. Механизм синхронизации суточной ритмики физиологических функций [23]: РГТ - ретино-гипоталамический тракт; SCN (СХЯ) - супрахиазматические ядра гипоталамуса; FEO - food-entrainable oscillator (обусловленный пищей осциллятор); DMN - dorsomedial nucleus (дорсомедиальные ядра гипоталамуса) Рассогласование ритмов между собой или с внешними датчиками времени рассматривается как десинхроноз и характеризуется как состояние поиска адаптации. Так, при перемещении человека в другой часовой пояс циркадианный ритм становится неадекватным по отношению к датчикам нового времени и развивается внешний десинхроноз. Начинается перестройка сложившейся ранее системы ЦР организма. При этом физиологические функции перестраиваются с различной скоростью, нарушается фазовая структура ритмов физиологических функций - развивается внутренний десинхроноз, сопровождающий весь период приспособления организма к новым временным условиям и длящийся иногда на протяжении нескольких месяцев. Развитие внутреннего десинхроноза сопровождается рядом компенсаторных перестроек параметров ритмов, направленных на попытку прекратить развитие десинхроноза. Такие перестройки прежде всего отражаются на амплитуде, уровне, а в дальнейшем и на форме кривой суточного ритма функций организма [3, 5]. При экстренном рассогласовании датчиков времени и суточных ритмов организма (например, реакция на быстрое однократное перемещение в широтном направлении) развивается острый десинхроноз. Повторные рассогласования датчиков времени и суточных ритмов организма (например, реакция на повторяющиеся перемещения в трансмеридианном направлении или при адаптации к работе в ночную смену) могут вызвать хронический десинхроноз. Следовательно, факторы окружающей среды влияют на ритмичность физиологических функций и вызывают различные формы десинхроноза у взрослых, что может являться критерием адаптивных возможностей организма. Возможно либо успешное завершение синхронизации ритмов - физиологический десинхроноз, либо развитие патологии - патологический десинхроноз. Это подтверждается исследованиями патофизиологов, выявивших патологический десинхроноз как типовой патологический процесс в форме дезрегуляционной патологии. Любой патологический синдром сопровождается десинхронизацией ЦР, а ее исчезновение является объективным критерием выздоровления или нормализации функций [5, 6], например сна [7]. Исследования последних лет показывают возможность влиять на здоровье с целью его оптимизации через нормализацию функционирования циркадианной системы путем воздействия на СХЯ через свет [8]. Однако не все физиологические функции строго зависят от данного времязадателя. Эксперименты по удалению и трансплантации ткани СХЯ показали, что у реципиента восстанавливаются двигательный ЦР и ритмическая экспрессия CLOCK генов в некоторых периферических тканях (печень, почки). Ритмы мелатонина, секреции глюкокортикоидов и экспрессии CLOCK генов в сердце и селезенке не восстанавливаются [9-12]. Это подтверждается согласованием суточных ритмов с пищевым поведением, а также углеводным и липидным обменами [13-15] и суточными нарушениями обмена веществ при метаболическом синдроме (ожирение, диабет и болезни сердечно-сосудистой системы) [16-19]. В исследованиях на крысах повышение жирности пищи на 31 % привело к повышению массы тела на 25 % через 2 месяца и значительным нарушениям ЦР гормонов гипофиза, надпочечников и половых гормонов с признаками развития инсулинорезистентности и воспаления [20]. Содержание животных на высокобелковой безуглеводной диете приводит к потере веса, повышению потребления кислорода и выделения углекислого газа в светлое время суток, изменяется ЦР частоты дыхания и температуры [21]. Следовательно, компоненты пищи, изменяющие обмен веществ, могут повлиять на ритмическую организацию функций в стороны их нормализации или ухудшения. Так, у мышей, содержащихся на диете с высоким содержанием жира, приводила к нарушениям ЦР на молекулярном уровне с нарушением экспрессии генов [22]. В обзоре [23] приводятся подтверждения наличия сети осцилляторов в различных органах, которые изменяют суточную ритмичность поведения и физиологических функций, особенно в ситуации, когда свет не доминирует как времязадатель, например, при ограничении в питании. Эксперименты с ограничением кормления показывают существование других осцилляторов, обусловленных пищей, расположенных за пределами СХЯ, способных согласовывать поведение и физиологические функции с графиком кормления [24, 25]. Для поиска часов, лежащих в основе циркадианных ритмов и пищевого поведения, исследовали мутации генов - часов и нокаутных животных (гены: CLOCK и его гомологов NPAS2, CRY1/CRY2, BMAL1, PER1). Эти исследования позволяют предположить, что ген PER2 может иметь решающее значение организации функций осциллятора, обусловленного пищей, при этом периферические осцилляторы являются ведомыми, а печень и почки потенциально не могут претендовать на данную роль. Где же находится анатомически центр осциллятора, обусловленного пищей? Возможно, это ядра гипоталамуса, регулирующие гомеостаз и возбуждение, например паравентрикулярные и дорсомедиальные (рис. 1Б - пища и режим питания навязывают ритмичность) [23]. Гипоталамо-гипофизарно-надпочечниковая система может выступать как посредник в навязывании ритмичности периферическим органам и системам [26]. Кроме этого, возможен другой путь навязывания циркадианной ритмичности из коры больших полушарий. Так, в последние годы выдвигается висцеральная гипотеза функционального назначения сна [27] - во время сна прерывается поток информации от внешней среды в кору для освобождения нейронов и переключения их для обработки информации о текущем физическом состоянии тела, а в частности, от пищеварительной системы по нервным каналам [28]. Одновременно желудочно-кишечный тракт является крупнейшим эндокринным и паракринным органом, изменяющим уровень гормонов в крови, что воздействует на ритмическую организацию [29]. Обнаружена тесная взаимосвязь между пищевым рационом и возможностью коррекции биологических часов с увеличением продолжительности жизни лабораторных животных [30]. Теоретический анализ отечественной и зарубежной литературы позволяет говорить о пище как о наиболее доступной форме воздействия на ритмическую организацию функций органов и систем, а следовательно, на сохранение ритмостаза в рамках физиологической нормы. Это открывает большую возможность создания и использования функциональных продуктов со специальным дизайном для различных групп населения с учетом различных параметров (возраст, сменность работы, смена часовых поясов и т.д.).

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. 1. Yamada, K. Health claim evidence requirements in Japan / K. Yamada, N. Sato-Mito, J. Nagata, K. Umegaki // The Journal of Nutrition. - 2008. - № 138(6). - Р. 1192-1192.
2. 2. Verhagen, H. Assessment of the efficacy of functional food ingredients-introducing the concept «kinetics of biomarkers» / H. Verhagen, S. Coolen, G. Duchateau, M. Hamer, J. Kyle, A. Rechner // Mutation research. - 2004. V. 551. - Р. 65-78.
3. 3. Агаджанян, Н.А. Хроноархитектоника биоритмов и среда обитания / Н.А. Агаджанян, Г.Д. Губин, Д.Г. Губин, И.В. Радыш. - Тюмень: Изд-во Тюменского государственного университета, 1998. - 168 с.
4. 4. Reppert, S.M. Coordination of circadian timing in mammals / S.M. Reppert, D.R. Weaver // Nature. - 2002. V. 418. - № 6901. - Р. 935-941.
5. 5. Хетагурова, Л.Г. Хронопатофизиология доклинических нарушений здоровья / Л.Г. Хетагурова, К.Д. Салбиев. - Владикавказ: Проект-Пресс, 2000. - 175 с.
6. 6. Хильдебрант, Г. Хронобиология и хрономедицина / Г. Хильдебрант, М. Мозер, М. Лехофер. - М.: Арнебия, 2006. - 144 с.
7. 7. Индивидуальность циркадианнх показателей цикла сон-бодрствование / Р.О. Будкевич // Сон и тревожность / под общ. ред. Е.В. Вербицкого. - Ростов н/Д: Изд-во ЮНЦ РАН, 2008. - С. 157-174.
8. 8. Shirani, A. Illuminating rationale and uses for light therapy / A. Shirani, E.K. St. Louis // J Clin Sleep Med. - 2009. V. 5. - № 2. - Р. 155-163.
9. 9. Ralph, M.R. Transplanted suprachiasmatic nucleus determines circadian period / M.R. Ralph, R.G. Foster, F.C. Davis, M. Menaker // Science. - 1990. V. 247. - № 4945. - Р. 975-978.
10. 10. Silver, R. A diffusible coupling signal from the transplanted suprachiasmatic nucleus controlling circadian locomotor rhythms / R. Silver, J. LeSauter, P.A. Tresco, M.N. Lehman // Nature. - 1996. V. 382. - Р. 810-813.
11. 11. Sujino, M. Suprachiasmatic nucleus grafts restore circadian behavioral rhythms of genetically arrhythmic mice / M. Sujino, K.H. Masumoto, S. Yamaguchi, G.T. van der Horst, H. Okamura // Inouye Curr. Biol. - 2003. - № 13. - Р. 664-668.
12. 12. Guo, H. Suprachiasmatic regulation of circadian rhythms of gene expression in hamster peripheral organs: effects of transplanting the pacemaker / H. Guo, J.M. Brewer, M.N. Lehman, E.L. Bittman // J. Neurosci. - 2006. V. 26. - Р. 6406-6412.
13. 13. Rutter, J. Metabolism and the control of circadian rhythms / J. Rutter, M. Reick, S.L. McKnight // Annu. Rev. Biochem. - 2002. V. 71. - Р. 307-331.
14. 14. Kaasik, K. Reciprocal regulation of haem biosynthesis and the circadian clock in mammals / K. Kaasik, C.C. Lee // Nature. - 2004. V. 430. - Р. 467-471.
15. 15. Tu, B.P. Metabolic cycles as an underlying basis of biological oscillations / B.P. Tu, S.L. McKnight // Nat. Rev. Mol. Cell Biol. - 2006. - № 7. - Р. 696-701.
16. 16. Karlsson, B. Is there an association between shift work and having a metabolic syndrome? Results from a population based study of 27,485 people / B. Karlsson, A. Knutsson, B. Lindahl // Occup. Environ. Med. - 2001. V. 58. - Р. 747-752.
17. 17. Gangwisch, J.E. Inadequate sleep as a risk factor for obesity: analyses of the NHANES I. / J.E. Gangwisch, D. Malaspina, B. Boden-Albala, S.B. Heymsfield // Sleep. - 2005. V. 28. - Р. 1289-1296.
18. 18. Chaput, J.P. Relationship between short sleeping hours and childhood overweight/obesity: results from the 'Quebec en Forme' Project. / J.P. Chaput, M. Brunet, A. Tremblay // Int. J. Obes. (London). - 2006. V. 30. - Р. 1080-1085.
19. 19. Gallou-Kabani, C. Lifelong circadian and epigenetic drifts in metabolic syndrome / C. Gallou-Kabani, A. Vige, C. Junien // Epigenetics. - 2007. - № 2. - Р. 137-146.
20. 20. Cano, P. Effect of a high-fat diet on 24-hour pattern of circulating adipocytokines in rats / P. Cano, D.P. Cardinali, M.J. Ríos-Lugo, M.P. Fernández-Mateos, C.F. Reyes Toso, A.I. Esquifino // Obesity (Silver Spring). - 2009. V. 17. - № 10. - Р. 1866-1871.
21. 21.Yamaoka, I. Circadian changes in core body temperature, metabolic rate and locomotor activity in rats on a high-protein, carbohydrate-free diet / I. Yamaoka, M. Hagi, M. Doi // J Nutr Sci Vitaminol (Tokyo). - 2009. V. 55. - № 6. - Р. 511-517.
22. 22. Barnea, M. High-fat diet followed by fasting disrupts circadian expression of adiponectin signaling pathway in muscle and adipose tissue / M. Barnea, Z. Madar, O. Froy // Obesity (Silver Spring). - 2010. V. 18. - № 2. - Р. 230-238.
23. 23. Bechtold, D.A. Energy-responsive timekeeping / D.A. Bechtold // J of Genetics. - 2008. V. 87. - № 5. - Р. 447-458.
24. 24. Mistlberger, R.E. Circadian food-anticipatory activity: formal models and physiological mechanisms / R.E. Mistlberger // Neurosci. Biobehav. - 1994. V. 18. - Р. 171-195.
25. 25. Stephan, F.K. The «other» circadian system: food as a Zeitgeber / F.K. Stephan // J. Biol. Rhythms. - 2002. V. 17. - Р. 284-292.
26. 26. Girotti, M. Diurnal expression of functional and clock-related genes throughout the rat HPA axis: system-wide shifts in response to a restricted feeding schedule / M. Girotti, M.S. Weinberg, R.L. Spencer // Am J Physiol Endocrinol Metab. - 2009. V. 296. - № 4. - Р. 888-897.
27. 27. Pigarev, I. Cortical evoked responses to magnetic stimulation of macaque's abdominal wall in sleep-wake cycle / I. Pigarev, H. Almirall, M.L. Pigareva // Acta Neurobiol Exp. - 2008. V. 68. - № 1. - Р. 91-96.
28. 28. Pigarev, I. Visceral signals reach visual cortex during slow wave sleep: study in monkeys / I. Pigarev, H. Almirall, M.L. Pigareva, V. Bautista, A. Sánchez-Bahillo, C. Barcia, M.T. Herrero // Acta Neurobiol Exp. - 2006. V. 66. - № 1. - Р. 69-73.
29. 29. Thor, P.J. Melatonin and serotonin effects on gastrointestinal motility / P.J. Thor, G. Krolczyk, K. Gil, D. Zurowski, L. Nowak // J of Physiology and pharmacology. - 2007. V. 58. - № 6. - Р. 97-105.
30. 30. Froy, О. Effect of feeding regimens on circadian rhythms: Implications for aging and longevity / O. Froy, R. Miskin // Aging. - 2010. V. 2. - № 1. - Р. 7-27.