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Dysfonctionnements de l’horloge biologique et leurs traitements

Authors:
  • Fondation A. de Rothschild Paris

Abstract and Figures

Biological rhythms are periodic phenomena entrained to environmental changes by exogenous factors called synchronizers or entraining agents namely the light–dark cycle, the rest-activity cycle and the seasons, among others. In humans the major synchronizers are the light–dark and rest activity cycles. The endogenous component of a biological rhythm is dependent upon a number of clock genes. The main biological clock (oscillator or pacemaker) is the suprachiasmatic nucleus (SCN) of the anterior hypothalamus. The photoperiod (light–dark cycle) perceived by the retina acts on the SCN genes. Peripheral clocks have also been described in a number of tissues e.g. retina, adrenals. In a number of occurrences the synchronizers are badly perceived (transmeridian flights, shiftwork, nightwork…) or are not at all perceived (blindness). This situation is named rhythm desynchronization, it is external when the desynchronization is strictly related to the environment or internal when it is related to a dysfunction of the clock like in e.g. aging, Alzheimer disease, seasonal affective disorders (SAD) or hormone-dependent cancers which results in fatigue, sleep and mood disorders… A number of drugs called resynchronizing agents or chronobiotics which act on the biological clock are able to resynchronize the clock and to improve the patients’ condition. Bright light is used in the treatment of SAD, melatonin, the pineal hormone, is also of interest when administered at precise timings in the 24 hours scale. Other drugs like B12 vitamin or psychotropic drugs have also been proposed as chronobiotics.
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Annales Pharmaceutiques Françaises (2008) 66, 146—157
Disponible en ligne sur www.sciencedirect.com
SÉANCE THÉMATIQUE : RYTHMES BIOLOGIQUES ET THÉRAPEUTIQUES
Dysfonctionnements de l’horloge biologique et leurs
traitements
Dysfunctions of biological clocks and their treatments
Y. Touitou
Service de biochimie médicale et biologie moléculaire, faculté de médecine
Pierre-et-Marie-Curie, Inserm U 713, 91, boulevard de l’Hôpital, 75013 Paris, France
Disponible sur Internet le 20 juin 2008
MOTS CLÉS
Horloge biologique ;
Mélatonine ;
Lumière ;
Désordres
circadiens ;
Désynchronisation
des rythmes
Résumé Les rythmes biologiques sont des phénomènes périodiques entraînés (modulés et
non créés) par les facteurs externes appelés synchroniseurs ou agents donneurs de temps que
sont les alternances de l’environnement comme la lumière et l’obscurité, la veille et le som-
meil, les saisons (chaud et froid). Chez l’homme les synchroniseurs prépondérants sont les
alternances lumière—obscurité et veille—sommeil. La composante endogène des rythmes bio-
logiques est mise en évidence dans des expériences réalisées en dehors de tout repère temporel,
comme les expériences de spéléologie dites «hors du temps »ou encore dans des protocoles
d’expérimentations en «routine constante »: les rythmes sont alors conservés avec une période
légèrement différente de 24 heures. Cette composante interne est sous la dépendance de
facteurs génétiques (gènes d’horloges). Chez l’homme, la principale horloge biologique (ou
oscillateur ou pacemaker) est constituée par les neurones des noyaux suprachiasmatiques de
l’hypothalamus. L’alternance photopériodique perc¸ue par la rétine active certains gènes expri-
més par cet oscillateur interne, puis l’information est transmise à l’ensemble de l’organisme.
D’autres horloges existent dans les tissus périphériques, comme la rétine et les surrénales par
exemple. La perception des synchroniseurs est altérée dans un certain nombre de conditions
soit parce qu’ils sont supprimés (expérience d’isolement...), soit parce qu’ils sont manipu-
lés (vols transméridiens, travail posté, travail de nuit...), soit parce qu’ils ne sont plus du
tout perc¸us (cécité). La désynchronisation liée à la perturbation de la perception correcte
de l’environnement est dite externe, alors qu’elle est dite interne si elle n’est pas liée à
l’environnement mais à un dysfonctionnement de l’horloge. On l’observe, entre autres, dans le
vieillissement, la maladie d’Alzheimer, la dépression saisonnière, les cancers hormonodépen-
dants. Ce dysfonctionnement de l’horloge, quel qu’en soit le type, entraîne fatigue, troubles du
sommeil, de l’humeur, de l’appétit... La remise à l’heure de l’horloge par des agents de resyn-
chronisation, appelés pour cette raison chronobiotiques, amende l’ensemble de ces troubles.
Présenté lors de la séance thématique du 20 février 2008.
Adresse e-mail : touitou@ccr.jussieu.fr.
0003-4509/$ — see front matter © 2008 Elsevier Masson SAS. Tous droits réservés.
doi:10.1016/j.pharma.2008.05.001
Perturbations de l’horloge biologique 147
Elle est obtenue essentiellement par l’exposition du sujet à la lumière forte (traitement de
la dépression saisonnière) et/ou par l’administration de mélatonine, hormone de la glande
pinéale, selon des protocoles de traitement dont l’horaire très précis est fondamental à prendre
en compte pour leur succès. D’autres molécules (vitamine B12, certains psychotropes) ont fait
l’objet de travaux dont il sera fait état.
© 2008 Elsevier Masson SAS. Tous droits réservés.
KEYWORDS
Biological clock;
Melatonin;
Bright light;
Circadian disorders;
Rhythm
desynchronization
Summary Biological rhythms are periodic phenomena entrained to environmental changes
by exogenous factors called synchronizers or entraining agents namely the light—dark cycle,
the rest-activity cycle and the seasons, among others. In humans the major synchronizers are
the light—dark and rest activity cycles. The endogenous component of a biological rhythm
is dependent upon a number of clock genes. The main biological clock (oscillator or pace-
maker) is the suprachiasmatic nucleus (SCN) of the anterior hypothalamus. The photoperiod
(light—dark cycle) perceived by the retina acts on the SCN genes. Peripheral clocks have
also been described in a number of tissues e.g. retina, adrenals. In a number of occur-
rences the synchronizers are badly perceived (transmeridian flights, shiftwork, nightwork...)
or are not at all perceived (blindness). This situation is named rhythm desynchronization,
it is external when the desynchronization is strictly related to the environment or inter-
nal when it is related to a dysfunction of the clock like in e.g. aging, Alzheimer disease,
seasonal affective disorders (SAD) or hormone-dependent cancers which results in fatigue,
sleep and mood disorders... A number of drugs called resynchronizing agents or chronobio-
tics which act on the biological clock are able to resynchronize the clock and to improve
the patients’ condition. Bright light is used in the treatment of SAD, melatonin, the pineal
hormone, is also of interest when administered at precise timings in the 24 hours scale.
Other drugs like B12 vitamin or psychotropic drugs have also been proposed as chronobio-
tics.
© 2008 Elsevier Masson SAS. Tous droits réservés.
La notion d’horloge biologique
Un organisme dont l’horloge biologique (encore appe-
lée pacemaker ou oscillateur) fonctionne en résonance
avec les facteurs de l’environnement est dit synchronisé.
Cette synchronisation est réalisée par les alternances des
facteurs environnementaux appelés synchroniseurs dont
les deux principaux chez l’être humain sont l’alternance
lumière—obscurité et le cycle veille—sommeil qui entraînent
notre horloge biologique. La mieux connue actuellement
est représentée par les noyaux suprachiasmatiques (NSC)
de l’hypothalamus, petites structures grises constituées
d’environ 10 000 neurones situées dans l’hypothalamus
au-dessus du chiasma optique, à la base du troisième
ventricule. Les NSC sont eux-mêmes le siège de rythmes
circadiens parmi lesquels l’activité électrique, le méta-
bolisme oxydatif ou encore les variations de synthèse de
neuropeptides [1]. Ils rec¸oivent directement de la rétine le
signal photopériodique par l’intermédiaire du tractus réti-
nohypothalamique (Fig. 1). Leur destruction chez l’animal
de laboratoire entraîne la disparition de certains rythmes
circadiens (mélatonine, température corporelle, rythme
veille—sommeil), mais pas de tous les rythmes, ce qui
suggère l’existence d’autres horloges. Un certain nombre
d’entre elles ont été localisées dans de nombreuses régions
du cerveau et dans des tissus périphériques comme le foie,
le cœur, le rein... Ces horloges périphériques paraissent
coordonnées, au moins pour certaines d’entre elles, par les
NSC, mais la hiérarchisation du fonctionnement de ces hor-
loges et leur interdépendance sont encore mal appréciées
[2].
La synchronisation de l’horloge
Deux grands groupes de facteurs interviennent sur la syn-
chronisation des rythmes biologiques, les uns sont externes,
de nature socioécologique et correspondent aux facteurs de
l’environnement, les autres sont internes, d’origine endo-
gène et correspondent à notre code génétique.
La composante exogène
La composante exogène correspond aux différentes alter-
nances de notre environnement : nuit—jour, veille—sommeil,
chaud—froid, saisons... Ces facteurs de l’environnement,
appelés synchroniseurs, donneurs de temps ou encore
agents d’entraînement, ne créent pas les rythmes biolo-
giques mais les calibrent sur, par exemple, 24 heures. Les
synchroniseurs prépondérants chez l’homme sont essentiel-
lement de nature socioécologique, comme les alternances
lumière—obscurité et veille—sommeil. À cet égard, il faut
souligner l’importance du sommeil dans la structuration des
rythmes circadiens [3—5], rôle bien mis en évidence chez
l’homme dans les expériences de privation de sommeil [6,7],
ainsi que l’importance de la lumière dans l’entraînement
du système circadien chez l’homme [8,9]. De même, dans
les conditions de travail s’accompagnant d’une inversion
ou de modifications importantes des horaires de la vie
sociale comme dans le travail posté ou le travail de nuit,
l’horloge biologique n’est plus en phase avec son envi-
ronnement ce qui entraîne des troubles de l’organisme
connus sous le terme d’intolérance au travail posté
[10].
148 Y. Touitou
Figure 1. Concept de base du système circadian.
Concept of the circadian system.
Les facteurs exogènes interviennent de fac¸on sensible sur
le rythme circadien de la température, de la pression arté-
rielle, des battements cardiaques, du calibre bronchique,
car le niveau de ces différentes variables ou fonctions est
augmenté avec les activités physique ou mentale et est dimi-
nué pendant le sommeil [11]. De même, on connaît le rôle
de la lumière dans la suppression de la sécrétion de mélato-
nine [12], le rôle des horaires des repas sur certains profils
circadiens [13], enfin la dépendance vis-à-vis du sommeil
des concentrations de l’hormone de croissance (GH) et de
la prolactine [14].
La composante endogène
La composante endogène des rythmes biologiques d’un
organisme est mise expérimentalement en évidence
lorsque celui-ci est soustrait aux facteurs cycliques de
l’environnement, comme lors d’expériences d’isolement
dites hors du temps (grottes ou laboratoires aménagés) : les
rythmes circadiens persistent mais se mettent en libre cours
par rapport aux facteurs de l’environnement (free-run des
anglo-saxons), c’est-à-dire que la période est légèrement
différente de 24 heures car elle n’est plus entraînée par
les synchroniseurs de l’environnement. Cette situation se
retrouve également chez l’aveugle qui ne perc¸oit plus le
signal synchroniseur de la lumière.
La composante endogène des rythmes biologiques est
sous la dépendance de facteurs génétiques complexes.
L’oscillateur circadien intracellulaire chez les mammifères
nécessite l’activité de plusieurs éléments, les uns agissant
négativement comme les homologues de la période PER1et
PER2et les cryptochromes (CRY1et CRY2), d’autres étant
des protéines agissant positivement comme CLOCK et BMAL1
[15]. Le terme circa (environ) souligne l’existence d’un tel
programme génétique et le fait qu’un rythme peut avoir une
période différente de celle des synchroniseurs, c’est-à-dire
différente de 24 heures; il s’agit alors de la période endo-
gène propre du rythme mise en évidence en l’absence des
synchroniseurs.
Les dysfonctionnements de l’horloge
biologique : la désynchronisation
Lorsque l’horloge biologique n’est plus en phase avec les
signaux de l’environnement, il en résulte un dysfonction-
nement de l’horloge conduisant à une désynchronisation
de l’organisme. Ce dysfonctionnement est lié au fait que
les synchroniseurs qui entraînent (calibrent) les rythmes
circadiens sur 24 heures ne jouent plus leur rôle. Cette
désynchronisation est donc l’expression des modifications
de la synchronisation normale du sujet, c’est-à-dire de la
dissociation temporelle du fonctionnement de l’horloge bio-
logique de celui de l’horloge astronomique (notre montre).
La mauvaise perception des synchroniseurs par l’horloge bio-
logique se retrouve dans un certain nombre de situations :
lorsque les synchroniseurs sont supprimés totalement,
comme dans les expériences d’isolement dites hors du
temps ;
lorsque les synchroniseurs sont manipulés dans des condi-
tions telles que l’horloge biologique et l’environnement
sont à contre-courant l’un de l’autre, comme lors de vols
transméridiens (jet lag), du travail de nuit, du travail
posté...;
lorsque les synchroniseurs ne sont plus du tout perc¸us,
comme dans la cécité ;
enfin, dans les désordres circadiens du cycle veille—
sommeil.
Perturbations de l’horloge biologique 149
La désynchronisation est d’origine externe lorsqu’elle
est strictement liée aux facteurs de l’environnement : soit
parce que l’horloge biologique fonctionne à contre-courant
de l’environnement, comme dans le jet lag, le travail posté,
le travail de nuit, soit parce que les signaux environnemen-
taux sont mal ou pas perc¸us par l’horloge, comme chez
l’aveugle.
La désynchronisation est d’origine interne lorsqu’elle
est liée à un dysfonctionnement propre de l’horloge sans
lien évident avec l’environnement, comme dans certaines
maladies telles que la dépression, les cancers hormono-
dépendants (sein, ovaire, prostate) ou encore dans le
vieillissement.
Quelle qu’en soit l’origine, la désynchronisation se mani-
feste par des symptômes cliniques atypiques tels que
fatigue persistante, troubles du sommeil pouvant aboutir
à une insomnie chronique, troubles de l’humeur pouvant
conduire à une dépression, troubles de l’appétit, etc.
[16].
Les désordres circadiens du cycle
veille—sommeil
Dans les désordres circadiens du sommeil, le cycle
veille—sommeil est décalé par rapport au système cir-
cadien de l’individu ou par rapport à l’environnement
(Fig. 2) alors que les mécanismes du sommeil ne sont
pas du tout altérés. C’est la raison pour laquelle ces
désordres répondent mal au traitement par les hypno-
tiques qui interviennent sur le sommeil lui-même. On
y trouve les désordres liés aux vols transméridiens (jet
lag), au travail posté, aux profils irréguliers du cycle
veille—sommeil, aux syndromes de retard ou d’avance
de phase, au syndrome hypernycthéméral observé chez
l’aveugle.
Ainsi dans le traitement des désordres circadiens du
sommeil, il y a lieu de différencier les molécules qui ont
des propriétés chronobiotiques, c’est-à-dire qui recalent
l’horloge, de celles qui sont de simples hypnotiques. La
différence essentielle étant qu’un chronobiotique agit sur
le sommeil en avanc¸ant la phase du cycle veille—sommeil
pour que le sommeil s’installe plus tôt, tandis qu’un hypno-
tique induira le sommeil sans aucune action sur le système
circadien.
Le décalage horaire lors des vols
transméridiens
Le syndrome du décalage horaire (jet lag) s’observe à partir
du passage de trois fuseaux horaires. Un décalage horaire
ne peut pas être supérieur à 12 heures, car lorsqu’on tra-
verse 14 fuseaux horaires vers l’est cela revient (pour ce
qui est du décalage) à n’en traverser que dix vers l’ouest
(2414 heures).
L’adaptation au décalage horaire est plus facile lorsqu’on
va vers l’ouest (Paris—New York; on suit le soleil et l’on
s’endort facilement après une longue journée), que lorsque
l’on va vers l’est (New York—Paris; troubles du décalage
plus importants, car la journée est courte ou la nuit est
raccourcie) [11].
Le syndrome de retard de phase du sommeil
Ce syndrome débute en général à l’adolescence, associe un
endormissement (après deux à trois heures du matin) et un
réveil très tardifs vers 10 h 00—11 h 00 [17] ; il ne doit pas
être confondu avec l’insomnie d’endormissement. Sa préva-
lence est relativement importante dans certaines maladies
psychiatriques [18]. La plainte du patient est liée à une
dette de sommeil car la durée de son sommeil est infé-
rieure à cinq heures s’il est soumis aux contraintes sociales
(Fig.2et3). En revanche, s’il est libre de choisir ses horaires
de sommeil et de réveil, son sommeil est qualitativement
et quantitativement normal. On observe une amélioration
de ce trouble chez le sujet âgé en raison de la tendance
physiologique de celui-ci à l’avance de phase.
Environ 40 % des patients ont un désordre d’origine fami-
liale et des familles avec mutation des gènes du rythme
circadien (Per, Clock, Tim) ont été décrites.
Le syndrome d’avance de phase du sommeil
Ce désordre associe un début de sommeil et un réveil pré-
coces (coucher 18 h 00—21 h 00, réveil 1 h 00—3 h 00) ce qui
entraîne une somnolence en fin d’après-midi (Figs. 2 et 3).
Il s’observe essentiellement chez les personnes âgées,
contrairement au syndrome de retard de phase du sommeil.
Il existe des formes familiales dont une anomalie génétique
pourrait être responsable (mutation dominante du gène Per2
sur le chromosome 2q).
Le rythme irrégulier de la veille et du sommeil
Il s’agit d’une désorganisation totale du rythme veille—
sommeil, sans possibilité pour le patient de trouver des
horaires fixes de sommeil. La plupart des patients pré-
sentent des lésions dégénératives (démence d’Alzheimer
par exemple), traumatiques, vasculaires ou tumo-
rales de la région suprachiasmatique (localisation de
l’horloge biologique) et/ou des centres de régulation
veille—sommeil. Les perturbations du rythme sont de plus
accentuées par l’état de dépendance et de grabatisation
[19].
Le syndrome hypernycthéméral
Chez les sujets normaux, le rythme physiologique endo-
gène qui est de 25 heures est entraîné en permanence sur
24 heures grâce aux donneurs de temps. Dans le syndrome
hypernycthéméral, encore appelé syndrome en libre cours,
cette période endogène circadienne de 25 heures ne peut
pas être resynchronisée sur 24 heures par les synchroniseurs
de l’environnement ce qui entraîne un décalage chronique
des horaires de sommeil d’une à deux heures tous les jours.
En fonction de la date de sa consultation, le patient présen-
tera donc des signes cliniques en rapport avec un syndrome
d’avance de phase ou de retard de phase de sommeil ou
encore une absence de signes si son rythme endogène coïn-
cide à ce moment-là avec le rythme social normal. Ce
trouble rare s’observe chez les aveugles n’ayant plus de
structures anatomiques sensibles à la lumière, chez les
patients vivant en isolement complet (troubles de la per-
sonnalité) et donc sans aucune synchronisation sociale, enfin
150 Y. Touitou
Figure 2. Désynchronisation des rythmes circadiens dans différentes conditions. Retard de phase du sommeil (DSPS); avance de phase du
sommeil (ASPS) ; dépression saisonnière (SAD).
Circadian desynchronization in different situations. Delayed sleep phase syndrome (DSPS); advanced Sleep phase syndrome (ASPS); seasonal
affective disorder (SAD).
chez les patients ayant des lésions traumatiques ou tumo-
rales de la région suprachiasmatique. Un polymorphisme
d’un gène codant la mélatonine paraît être à l’origine d’une
prédisposition à ce syndrome [19].
Les traitements des perturbations de
l’horloge
Le traitement des désordres de l’horloge évoqués ci-dessus
est différent selon le mécanisme à l’origine du trouble :
chronothérapie par manipulation des rythmes circadiens,
utilisation de la lumière forte ou encore de molécules
(mélatonine et ses agonistes, vitamine B12, certains psycho-
tropes) capables de remettre l’horloge à l’heure et appelées
pour cette raison «chronobiotiques ».
Un agent physique (lumière) ou une molécule (chrono-
biotique) pouvant agir comme signal au niveau du tractus
rétinohypothalamique sur l’horloge sont considérés comme
des agents de resynchronisation, s’ils sont capables de modi-
fier la phase d’un rythme circadien en l’avanc¸ant ou en
la retardant. Diverses molécules ont été proposées comme
agents chronobiotiques.
La mélatonine comme chronobiotique
dans le traitement des désordres
circadiens
Un chronobiotique intervient soit directement sur l’horloge
biologique (le pacemaker circadien), soit indirectement
en agissant sur diverses molécules biologiques (hormones,
neurotransmetteurs...) elles-mêmes actives sur le système
Figure 3. Caractéristiques des désordres circadiens du sommeil. Retard de phase du sommeil (DSPS); avance de phase du sommeil (ASPS).
Circadian disorders of sleep. Delayed sleep phase syndrome (DSPS); advanced sleep phase syndrome (ASPS).
Perturbations de l’horloge biologique 151
circadien. Les sites d’action des chronobiotiques sont donc
nombreux : l’horloge elle-même ou les mécanismes de
son entraînement, ou ses afférences, ou les systèmes de
couplage des rythmes, ou les horloges périphériques ou
encore le rétrocontrôle de divers systèmes circadiens entre
eux [20].
Dans le traitement des désordres circadiens du sommeil,
il y a lieu de différencier les molécules qui ont des pro-
priétés chronobiotiques, c’est-à-dire qui recalent l’horloge
de celles qui sont de simples hypnotiques. Alors qu’un
hypnotique induit le sommeil sans aucune action sur le sys-
tème circadien, un chronobiotique agit sur le sommeil en
avanc¸ant la phase du cycle veille—sommeil pour que ce der-
nier s’installe plus tôt.
La mélatonine est l’agent donneur de temps de notre
organisme auquel elle apporte la notion du jour et de la
nuit. La perturbation de sa sécrétion témoigne d’une désyn-
chronisation de l’horloge biologique avec l’environnement,
d’où l’intérêt de rechercher les effets de l’hormone dans
les situations s’accompagnant de ce type de désynchro-
nisation externe : cécité, jet lag, travail posté, travail
de nuit, vieillissement... et d’essayer d’y remédier par
l’administration de l’hormone [21].
Figure 4. Rythmes circadiens comparés de la mélatonine et du
cortisol plasmatiques [115].
Plasma melatonin and cortisol circadian profiles [115].
Elle présente aussi le grand avantage d’être considérée,
avec la température corporelle et le cortisol plasmatique,
comme un marqueur circadien de l’organisme en raison de
la grande reproductibilité de son profil de sécrétion sur le
long terme (Fig. 4).
Il n’y a pas de preuves expérimentales formelles que
les concentrations physiologiques de mélatonine soient
capables d’intervenir dans le cycle du sommeil, bien que
l’hypothèse ait été faite que l’élévation de la fréquence
des désordres du sommeil chez le sujet âgé est liée à la
diminution importante de sa concentration de mélatonine
nocturne [22]. L’administration pharmacologique de méla-
tonine réduit le temps de latence à l’endormissement et
augmente la qualité et la durée totale du sommeil [22,23]
sans altérer son architecture [24,25]. Comme la mélatonine
abaisse la température corporelle [24], elle peut réguler le
cycle veille—sommeil à travers des mécanismes thermoré-
gulateurs [26].
L’administration de mélatonine le matin retarde la phase
des rythmes circadiens, alors que son administration en
soirée avance leur phase (Fig. 5). Ainsi, la mélatonine admi-
nistrée cinq à sept heures avant le début du sommeil aux
patients avec un sommeil avec retard de phase est beaucoup
plus efficace pour avancer le début du sommeil par compa-
raison à un placebo [18,27—32]. De plus, il a été récemment
montré que la mélatonine avance l’horloge circadienne et le
sommeil de fac¸on phase-dépendante chez les patients ayant
un retard de phase [33], l’administration la plus efficace
étant en début de matinée. Des résultats expérimentaux
concordants ont été obtenus dans les troubles du sommeil
chez l’aveugle [34,35], dans la maladie d’Alzheimer [36] et
dans l’amélioration des symptômes liés à un vol transmé-
ridien [14]. Il est également intéressant de noter que son
administration facilite le sevrage aux benzodiazépines.
Bien que cela ait été récemment controversé comme
étant un traitement efficace des désordres secondaires du
sommeil dans une méta-analyse [37], un consensus semble
avoir été atteint sur les propriétés chronobiotiques de la
mélatonine ou de ses agonistes et sur leur utilisation poten-
tielle du traitement des désordres du sommeil.
Figure 5. La mélatonine avance ou retarde la phase de son propre
rythme circadien selon l’heure d’administration.
Melatonin is able to advance or delay the phase of its own circadian
rhythm according to the timing of its administration.
152 Y. Touitou
La mélatonine se lie aussi à un récepteur MT3 qui n’est
pas impliqué dans les effets de la mélatonine sur les rythmes
circadiens. Les effets incluent la promotion du sommeil
et de fac¸on probable les effets négatifs de la mélatonine
sur la coordination motrice observée en combinaison avec
le diazépam. Cependant, les agonistes de la mélatonine,
comme le rameltéon, ne se lient pas aux récepteurs MT3
[38] : ce qui expliquerait l’absence d’effets indésirables et
l’absence également de dépendance avec ce médicament.
Chez le chat et chez le singe, l’agoniste de la mélatonine
paraît avoir un effet plus prolongé et plus important sur le
sommeil que la mélatonine elle-même [39,40], sans modi-
fier la structure du sommeil. La posologie, la formulation,
l’heure d’administration de la mélatonine et de ses ago-
nistes dans les désordres du sommeil sont encore matières
à débat, mais la tolérance, la facilité d’utilisation et les
avantages sur d’autres moyens, comme la thérapeutique
par la lumière par exemple, font de ces médicaments des
produits précieux et reconnus en thérapeutique.
Le NSC semble être un site important des effets
d’entraînement de la mélatonine et la présence de récep-
teurs à la mélatonine paraît être un prérequis [41], mais
l’effet de déplacement immédiat de la phase de la méla-
tonine sur les mécanismes de rétrocontrôle moléculaire
dans le noyau suprachiasmatique (horloge circadienne)
implique des sites d’action post-translationnels plutôt
que post-transcriptionnels car il n’y a pas de modification
immédiate de l’expression d’un certain nombre de gènes
clock après injection in situ de mélatonine dans le NSC
[42]. L’effet de la mélatonine sur le sommeil paraît être la
conséquence d’un mécanisme double :
l’augmentation de la propensité au sommeil par aug-
mentation de l’amplitude des oscillations de l’horloge
circadienne via les récepteurs MT1 ;
la synchronisation de l’horloge circadienne via les récep-
teurs MT2 [43].
Mélatonine et vols transméridiens (jet lag)
L’utilité de la mélatonine pour compenser les effets du jet
lag a été démontrée sur 17 sujets faisant un vol transmé-
ridien de Londres à San Francisco [44], étude confirmée
par de nombreuses autres rapportant l’amélioration de
l’adaptation de l’organisme à diverses situations de dépla-
cement de phase par l’administration orale de mélatonine
[45—50] ou de ses agonistes [51—54].
Une étude Cochrane [55] fournit une base pratique sur
la prévention et le traitement du jet lag. La mélatonine
administrée à proximité du coucher à la destination (22 h 00
à minuit) diminue les effets du jet lag des vols traversant
cinq fuseaux horaires ou plus. Les doses quotidiennes entre
0,5 et 5 mg sont efficaces de manière similaire à l’exception
près que les sujets s’endorment plus rapidement et mieux
après 5 mg que 0,5 mg. Les posologies au-dessus de 5mg ne
paraissent pas plus efficaces. L’inefficacité relative de la
mélatonine à libération prolongée de 2 mg suggère qu’une
concentration plus élevée du pic de mélatonine fonctionne
mieux. Le bénéfice paraît plus grand lorsqu’il y a davantage
de fuseaux horaires traversés et est moins important pour
les vols vers l’ouest.
Mélatonine et travail posté
Travail posté et jet lag partagent des facteurs de causalité
proches (déplacement de phase), mais le jet lag est le
résultat d’un simple déplacement avec des changements
parallèles de l’environnement, tandis que le travail posté
est une situation chronique faite de conflits répétés par
rapport aux synchroniseurs physiques et sociaux. Le travail
posté est associé à de nombreux problèmes de santé et
des risques d’accidents au travail en raison d’une dette de
sommeil chronique entraînant une altération des fonctions
d’éveil et de performances au travail [56—59]. La plupart
des études ont ainsi montré que les rythmes circadiens de
la vigilance et des performances cognitive et psychomotrice
sont parallèles au rythme circadien de la température cor-
porelle [60,61] avec un minimum qui coïncide avec le trou
du rythme circadien de la température. La diminution des
effets délétères du travail posté par la mélatonine dépend
du type de rotation. Les rotations lentes (par exemple tous
les sept jours) nécessitent de créer un retard de phase
pour améliorer la durée du sommeil pendant le jour et la
qualité de la vigilance nocturne, ainsi que l’efficacité au
travail [48,49,62—64]. Lors des rotations rapides pendant
lesquelles l’adaptation n’est pas désirée, l’administration
de mélatonine aide à l’induction du sommeil avant la
nuit de travail sans déplacement de la phase circadienne
[65].
Mélatonine et cécité
Comme la mélatonine est capable d’entraîner les rythmes
en libre cours sur des modèles animaux [66], son utilisation
a été proposée chez les personnes aveugles en libre cours
[46,63,67—71] et chez les patients souffrant de désordres
du cycle veille—sommeil irrégulier [72]. La grande difficulté
reste de déterminer le meilleur moment d’administration
de l’hormone. La plupart des personnes aveugles sont en
libre cours, en dépit de la présence de synchroniseurs
circadiens, et ont une périodicité circadienne supérieure à
24 heures ce qui nécessite leur remise à l’heure. Le début du
sommeil se décale tous les jours et s’observe donc plus tard
chaque jour. Il est alors nécessaire de déterminer «l’heure
biologique interne »pour chaque individu, afin d’évaluer
à partir de la courbe de réponse de phase (PRC) l’heure
adéquate d’administration de mélatonine permettant un
déplacement de phase du cycle veille—sommeil dans la
bonne direction. Alors que de nombreuses études concor-
dantes ont rapporté les effets de la mélatonine sur les
patients en avance de phase lorsque l’hormone est adminis-
trée en début de soirée, les travaux sur son administration
tôt le matin pour contrer les effets du retard de phase
sont sujet à controverse [73,74]. Les larges différences
interindividuelles de la pharmacocinétique de l’hormone
peuvent être une partie de l’explication de ces résultats
contradictoires.
En pratique, le traitement est réalisé juste avant l’heure
du coucher quand les sujets sont dans la «bonne »phase
du sommeil, c’est-à-dire quand le désir d’aller se coucher
est conforme aux impératifs environnementaux ou sociaux.
Quand le traitement par la mélatonine est commencé dans
les heures correspondant à l’avance de phase du PRC de
l’hormone, les sujets aveugles en libre cours peuvent alors
Perturbations de l’horloge biologique 153
être entraînés en une semaine environ, sur une période
proche de 24 heures [75].
Mélatonine et irrégularité du cycle
veille—sommeil
L’organisation stricte du nycthémère (repas, activité,
siestes...) peut permettre une amélioration en synchroni-
sant le patient sur les donneurs de temps. Mélatonine et
vitamine B12 ont été utilisées sans faire la preuve de leur
efficacité.
Mélatonine et dépression
La perturbation de l’organisation circadienne a été proposée
comme un des facteurs d’explication possible de certains
troubles de l’humeur dans la dépression. Le pic nocturne
de mélatonine est diminué chez les patients déprimés et le
profil circadien de l’hormone présente, selon les patients,
soit une avance de phase, soit un retard de phase [76].
L’activité antidépressive de la mélatonine, puis plus récem-
ment celle d’un agoniste mélatoninergique non encore
commercialisé (agomélatine, S20098) a été montrée dans
une étude pilote sur le traitement des dépressions majeures
[77].
Les chronobiotiques autres que la
mélatonine
D’autres molécules que la mélatonine ont été annoncées
comme ayant des propriétés chronobiotiques et donc
capables de reentraîner une horloge désynchronisée.
La vitamine B12
Avec le succès du traitement par la vitamine B12 d’un
patient avec un cycle veille—sommeil irrégulier [78], cette
vitamine a été considérée comme capable d’entraîner
les rythmes circadiens dans divers troubles circadiens du
sommeil [78—80] et même d’avancer la phase du rythme
circadien de la mélatonine chez les sujets en bonne santé
[81]. Chez le rat, la perfusion de vitamine B12 a montré
la prévention de la diminution de l’éveil et l’augmentation
du sommeil rapid eye movement (REM) et non REM après
une avance de huit heures du cycle lumière—obscurité [82].
Alors que chez le rat l’administration intraveineuse [83] et
l’infusion intracérébroventriculaire de méthyl-cobalamine
[84] ont montré des effets promoteurs du sommeil, les rares
études sur l’homme avec 3 mg de méthyl-cyanocobalamine
ou de cyanocobalamine donnés pendant deux semaines
à des sujets en bonne santé diminuaient l’excrétion de
6-sulfatoxymélatonine et réduisaient la durée du sommeil
sans aucun effet sur la température corporelle ou la corti-
solurie [85]. Par contraste, aucun effet de la vitamine B12
n’a été trouvé après quatre semaines de traitement chez 50
patients souffrant d’un sommeil avec retard de phase [86].
Au total, les mécanismes possibles d’action de la vitamine
B12 sur le sommeil, s’ils existent, ne sont donc pas très clairs
et les bénéfices de son utilisation dans le traitement des
désordres circadiens chez l’homme ne sont pas démontrés.
Les benzodiazépines
Les benzodiazépines facilitent le re-entraînement des
rythmes circadiens chez le rat après des déplacements du
cycle lumière—obscurité ou après des pulses de lumière chez
des animaux en libre cours étudiés en condition d’obscurité
constante [87—89]. L’intérêt s’est accru après la démons-
tration chez le hamster doré qu’une administration aiguë de
triazolam entraînait un déplacement de phase de l’activité
locomotrice [90—92] selon une courbe de réponse de phase
inverse de celle de la lumière [93,94]. Une augmentation
de l’activité motrice des animaux semble être requise pour
que les effets prennent place, suggérant l’implication des
systèmes centraux mono-aminergiques. Il a été récemment
montré que cet effet du triazolam sur le hamster est poten-
tialisé par l’administration conjointe de mélatonine [95].
Malheureusement, les effets du triazolam paraissent spéci-
fiques du hamster doré, car ils n’ont pas été observés dans
d’autres espèces de rongeurs.
Chez l’homme, des résultats contradictoires ont été
publiés sur le triazolam : absence d’effets sur le sommeil
après un vol transméridien de huit zones vers l’est [96] ou
au contraire accélération significative du re-entraînement
après un vol transméridien sur huit zones vers l’ouest [97].
Une autre benzodiazépine, le témazépam, comparée aux
effets de la mélatonine et d’un placebo [98], diminue les
performances neurocomportementales et, contrairement
aux hamsters pour lesquels les benzodiazépines sont stimu-
lantes, le témazépam a des effets sédatifs prononcés. Le
risque important d’addiction devrait prohiber l’utilisation
des benzodiazépines comme chronobiotiques chez l’homme
au moins dans des conditions d’utilisation chronique pour
resynchroniser l’horloge.
Autres médicaments
De nombreux autres médicaments ont été testés. La caféine
à libération prolongée (300 mg) entraîne une resynchroni-
sation des rythmes hormonaux plus rapide après un vol
vers l’est sur sept zones [99]. Parmi les antidépresseurs, la
gépirone, un agoniste partiel de récepteurs 5-HT1A avance
la phase des rythmes quand elle est injectée au hamster
pendant le jour subjectif, mais n’a pas d’effet pendant
la nuit subjective [100]. Enfin, la comparaison chez 78
patients souffrant de dépression saisonnière des effets de
l’administration de fluoxétine accompagnée d’une exposi-
tion à la lumière faible contre un placebo accompagné d’une
exposition à la lumière forte a établi que les deux types
de protocoles entraînaient un effet antidépresseur et une
avance de phase observée sur les caractéristiques du som-
meil [101].
La lumière dans les désordres des rythmes
circadiens
La lumière transmise à travers la rétine est le synchroniseur
le plus important pour l’entraînement de l’horloge et par
voie de conséquence d’un certain nombre de rythmes cir-
cadiens, y compris celui de la mélatonine, utilisée dans le
traitement des désordres chronobiologiques [102,103]. Dans
154 Y. Touitou
tous les cas où le cycle lumière—obscurité est modifié, par
exemple vols transméridiens [104,105], lors du travail posté
de nuit [106,107] ou en cas de cécité, le profil sécrétoire de
la mélatonine est perturbé.
La lumière agit sur la sécrétion de mélatonine dif-
féremment en fonction de l’heure d’exposition. Lorsque
l’exposition a lieu la nuit au moment du pic de sécrétion
2 h 00—3 h 00), on observe une inhibition totale de la sécré-
tion de mélatonine, qui persiste pendant toute la durée
d’exposition [14]. En fonction de l’heure d’exposition, la
lumière avance ou retarde la phase des rythmes circadiens.
Outre l’heure d’exposition, l’effet de la lumière dépend
de l’espèce et de ses caractéristiques (intensité, durée,
spectre).
En l’absence totale de lumière (à l’obscurité), le rythme
circadien de la mélatonine n’est plus synchronisé avec
l’environnement et est en déphasage avec le cycle exté-
rieur lumière—obscurité (phénomène de libre cours) [102].
Comme la lumière est la portion visible du spectre élec-
tromagnétique, d’autres longueurs d’onde pourraient être
susceptibles d’intervenir sur la sécrétion de la mélato-
nine. Nous avons récemment montré l’absence d’effets chez
l’homme exposé à des champs magnétiques de 50 Hz, même
lorsque l’exposition a duré 20 ans [108].
La lumière forte et la mélatonine exogène peuvent dépla-
cer l’horloge circadienne selon une courbe de réponse de
phase dans laquelle l’importance et la direction du dépla-
cement dépendent de l’heure d’application du stimulus
(Fig. 6), mais les deux signaux agissent différemment. Chez
l’homme, l’exposition à la lumière forte le matin, à la fin
du sommeil, entraîne une avance de phase, tandis que la
mélatonine donnée pendant la période du sommeil et le
matin entraîne un retard de phase. Par ailleurs, l’exposition
à la lumière en soirée au début de la période du sommeil
retarde la phase des rythmes circadiens, tandis que la méla-
tonine donnée en fin d’après-midi ou en soirée entraîne une
avance de phase. L’exposition à la lumière est recommandée
quand des déplacements de phase importants sont néces-
saires rapidement, comme par exemple lors du jet lag ou
du travail posté, alors que l’administration orale de mélato-
Figure 6. Courbes de réponse de phase de la lumière sur l’activité
motrice d’un rongeur (d’après Moore-Ede).
Phase response curve of light on rodent motor activity (from Moore-
Ede).
nine est plus intéressante dans la plupart des conditions, en
particulier dans le sommeil avec retard ou avance de phase
et dans les désordres du sommeil irrégulier, ce qui nécessite
une remise à l’heure continuelle de la phase. Il a été observé
que le traitement par la lumière ou par la mélatonine peut
avoir des effets additifs [109,110].
Chronothérapie des perturbations de
l’horloge
Elle a pour but de remettre à l’heure l’horloge biologique
dans les syndromes d’avance ou de retard de phase du
sommeil en décalant l’heure de coucher du patient. Ces pro-
tocoles de chronothérapie, assez contraignants, nécessitent
une grande motivation et devront être préférablement
réalisés en milieu hospitalier. Ils donnent des résultats satis-
faisants, mais nécessitent que les horaires de sommeil soient
maintenus strictement par la suite (week-ends et vacances
compris).
Chronothérapie du syndrome de retard de
phase du sommeil
Elle consiste à retarder l’heure du coucher, c’est-à-dire que
le patient doit se coucher chaque jour trois heures plus
tard que la veille, en gardant une durée de sommeil fixe.
Le patient est ainsi soumis à un cycle veille—sommeil de
27 heures. Il se recale en sept jours.
Chronothérapie du syndrome d’avance de
phase du sommeil
Elle consiste à avancer les horaires de coucher de
trois heures tous les jours pendant sept jours jusqu’à un
recalage du coucher vers 22 h 00—23h 00. Elle est plus diffi-
cile à mettre en œuvre que la précédente, car les patients
ont de grandes difficultés à s’endormir aux heures indiquées
car on diminue la période circadienne.
Photothérapie
Elle consiste à exposer le patient à une lumière blanche
de 2500 lux pendant une à deux heures le matin ou en soi-
rée selon le type de décalage à traiter, et elle permet de
consolider la chronothérapie.
Conclusions
L’importance du respect des rythmes biologiques et de
l’horloge, des horloges qui les gouvernent, le traitement
approprié de leurs désordres ont été récemment souli-
gnés dans des études épidémiologiques montrant le lien
entre mélatonine—lumière—travail posté—travail de nuit. La
perturbation des rythmes biologiques fait ainsi dorénavant
partie intégrante des questions de santé publique.
En effet, le risque relatif de cancer du sein est aug-
menté de fac¸on significative chez les femmes travaillant
régulièrement la nuit. Une étude portant sur 814 cancers
du sein et 794 témoins fait état d’une augmentation, après
Perturbations de l’horloge biologique 155
ajustement des facteurs confondants, de 60 % du risque de
cancer du sein (RR = 1,6 ; 1—25 ; p< 0,05) avec augmentation
du risque lorsque le nombre d’années d’exposition est plus
élevé [111]. Une étude prospective de cohorte a porté sur
78 562 infirmières suivies dix ans (Nurses Health Study). Par
comparaison avec les infirmières ne travaillant pas la nuit,
celles qui avaient un travail nocturne (au moins trois nuits
par mois) pendant 30 ans présentaient une augmentation
significative du risque relatif de 36 % (RR =1,36 ; 1,05—1,78;
p< 0,05) [112].
La troisième étude, portant sur 7565 femmes ayant un
cancer du sein, montre un risque relatif significatif de 1,5
(1,2—1,7 ; p< 0,05) [113] pour celles qui travaillaient la nuit.
L’hypothèse mécanistique avancée est la diminution du pic
nocturne de mélatonine, liée à l’éclairement la nuit, entraî-
nant une augmentation des estrogènes, de l’estradiol en
particulier, ce qui augmente la croissance et la proliféra-
tion des cellules hormonosensibles du sein. Si ces données
étaient confirmées, elles poseraient un important problème
de santé publique. Le Centre international de recherche sur
le cancer a ainsi classé tout récemment le travail posté et
le travail de nuit dans la liste des situations possiblement
cancérogènes pour l’homme [114]. Il reste à préciser cepen-
dant si d’autres facteurs de confusion que ceux recherchés
par les auteurs ne sont pas susceptibles d’expliquer ces
résultats.
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... A desynchronization is therefore a temporal dissociation of biological clock function from that of the astronomical clock. It occurs in several circumstances, either related to environmental factors when synchronizers are suppressed (isolation), altered as with jet lag, night-work, and shiftwork (Reinberg et al., 1989;Reinberg and Ashkenazi, 2008;Touitou et al., 1990;Touitou, 2008;Wirz and Nachreiner, 2010;Lombardi et al., 2010), no longer perceived like in blindness (Leger et al., 1999), or related to a failure of the biological clock to entrain rhythms (circadian disorders of the sleep-wake cycle) (for a review, see Touitou, 2011). In addition, desynchronization can occur in a number of diseases involving modifications in the rhythm period or phase such as mood disorders (McClung, 2007), hormone-dependent cancers , alcoholism (Reinberg et al., 2010;Danel and Touitou, 2004;Danel et al., 2009), use of certain medications (Dispersyn et al., 2008(Dispersyn et al., , 2009a(Dispersyn et al., ,b, 2010. ...
Article
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Sleep is a key element, both physiologically and psychologically, in adolescent development. The prevalence of sleep disorders in western countries is important, as with age the sleep-wake cycle of adolescents becomes irregular and delayed in relation with later sleep onset and waking time resulting in rhythm desynchronization. A large number of adolescents sleep for 7-8 hours instead of 9-10 hours per night, which can lead to a cumulative sleep debt with fatigue, behavioral problems and poor academic achievement. The effect of electronic media use (such as television, mobile phone, computer, electronic gaming) on sleep has been the object of several international studies, though pubertal changes may also impact adolescent sleep. Adolescents and their parents should be educated by rofessionnals, including physicians and nurses, on the key role of sleep in adolescent well being and quality of life. A number of basic rules are proposed to improve sleep in adolescents. The permanent social jet lag experienced by a number of adolescents should be considered as a matter of public health.
Chapter
Discovered in the 1950s, melatonin is a natural hormone produced by our body. Its secretion is influenced by the alternation of day and night and by environmental factors. Because of its pharmacological properties, it is given many properties, some of which are still to be explored, such as antioxidant effects, oncostatic, antiaging, or a role in the immune system. More recently, more and more research on this molecule has focused on the potential hypnotic power of melatonin, nicknamed “sleep hormone.” Because of its pharmacological properties, it has many properties, some of which are still to be explored, such as antioxidant effects, oncostatic, anti-aging, or a role in the immune system. More recently, more and more research on this molecule has focused on the potential hypnotic power of melatonin, nicknamed “sleep hormone.” Indeed, insomnia is a widespread phenomenon in the population, and we find sleep disorders at any age of life. Insomnia affects nearly a quarter of French people, especially women and the elderly. Melatonin has a certain role in the resynchronization of our biological clock; it is wise to ask if this hormone can bring a benefit in insomnia, in a country that remains the leading consumer of sleeping pills in Europe and at a time when we find more and more a desire to heal by natural methods. Its efficacy has been demonstrated in the treatment of circadian rhythm desynchronization syndromes; this thesis aims to clarify the place that a melatonin intake can occupy in the therapeutic arsenal of the management of insomnia and to recall the advice promoting better sleep.
Article
This review presents an analysis of published data and the results of our own studies of the question of the circannual dynamics of hormone levels. This analysis demonstrates the existence of significant disagreements in relation to this problem, generating the need for further studies of circannual variations in the functioning of the body’s endocrine system.
Article
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The circadian time structure of an organism can be desynchronized in a large number of instances, including the intake of specific drugs. We have previously found that propofol, which is a general anesthetic, induces a desynchronization of the circadian time structure in rats, with a 60–80 min significant phase advance of body temperature circadian rhythm. We thus deemed it worthwhile to examine whether this phase shift of body temperature was related to a modification of the circadian period Tau. Propofol was administered at three different Zeitgeber Times (ZTs): ZT6 (middle of the rest period), ZT10 (2 h prior to the beginning of activity period), ZT16 (4 h after the beginning of the activity period), with ZT0 being the beginning of the rest period (light onset) and ZT12 being the beginning of the activity period (light offset). Control rats (n = 20) were injected at the same ZTs with 10% intralipid, which is a control lipidic solution. Whereas no modification of the circadian period of body temperature was observed in the control rats, propofol administration resulted in a significant shortening of the period by 96 and 180 min at ZT6 and ZT10, respectively. By contrast, the period was significantly lengthened by 90 min at ZT16. We also found differences in the time it took for the rats to readjust their body temperature to the original 24-h rhythm. At ZT16, the speed of readjustment was more rapid than at the two other ZTs that we investigated. This study hence shows (i) the disruptive effects of the anesthetic propofol on the body temperature circadian rhythm, and it points out that (ii) the period Tau for body temperature responds to this anesthetic drug according to a Tau-response curve. By sustaining postoperative sleep–wake disorders, the disruptive effects of propofol on circadian time structure might have important implications for the use of this drug in humans.
Article
Hormones have circadian, infradian and ultradian secretion rhythms. Biological rhythms are under endogenous gene control but under the influence of external factors such as light, social rhythms or xenobiotics. Among xenobiotics, alcohol is one which may act on biological rhythms: sleep-wake rhythm, central temperature and hormonal secretions. Beyond alcohol action on biological rhythms, it seems that alteration of these latter may have an influence on alcoholization behavior and more generally on addictive disorders.
Article
Increased oxidative stress and mitochondrial dysfunction have been identified as common pathophysiological phenomena associated with neurodegenerative disorders such as Alzheimer's disease (AD). As the age-related decline in the production of melatonin (MT) can contribute to increased levels of oxidative stress in the elderly, the role of this neuroprotective agent is attracting increasing attention. Melatonin has multiple actions as a regulator of antioxidant and prooxidant enzymes, radical scavenger and antagonist of mitochondrial radical formation. The ability of melatonin and its kynuramine metabolites to interact directly with the electron transport chain by increasing the electron flow and reducing electron leakage are unique features by which melatonin is able to increase the survival of neurons under enhanced oxidative stress. Moreover, antifibrillogenic actions have been demonstrated in vitro and in vivo, in a transgenic mouse model. Amyloid-β (Aβ) toxicity is antagonized by melatonin. Melatonin secretion decreases in AD patients, and its administration improves sleep efficiency, sundowning and, to some extent, cognitive function. This effect can be particularly important in mild cognitive impairment (MCI), an etiologically heterogeneous syndrome characterized by cognitive impairment preceding dementia. Approximately 12% of MCI patients convert to AD or other dementia disorders every year. Recent studies indicate that melatonin can be a useful add-on drug for treating MCI in a clinical setting.
Article
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Our previous studies revealed that application of the inhalation anesthetic, sevoflurane, reversibly repressed the expression of Per2 in the mouse suprachiasmatic nucleus (SCN). We aimed to examine whether sevoflurane directly affects the SCN. We performed in vivo and in vitro experiments to investigate rat Per2 expression under sevoflurane-treatment. The in vivo effects of sevoflurane on rPer2 expression were examined by quantitative in situ hybridization with a radioactively-labeled cRNA probe. Additionally, we examined the effect of sevoflurane anesthesia on rest/activity rhythms in the rat. In the in vitro experiments, we applied sevoflurane to SCN explant cultures from Per2-dLuc transgenic rats, and monitored luciferase bioluminescence, representing Per2 promoter activity. Bioluminescence from two peripheral organs, the kidney cortex and the anterior pituitary gland, were also analyzed. Application of sevoflurane in rats significantly suppressed Per2 expression in the SCN compared with untreated animals. We observed no sevoflurane-induced phase-shift in the rest/activity rhythms. In the in vitro experiments, the intermittent application of sevoflurane repressed the increase of Per2-dLuc luminescence and led to a phase delay in the Per2-dLuc luminescence rhythm. Sevoflurane treatment did not suppress bioluminescence in the kidney cortex or the anterior pituitary gland. The suppression of Per2-dLuc luminescence by sevoflurane in in vitro SCN cultures isolated from peripheral inputs and other nuclei suggest a direct action of sevoflurane on the SCN itself. That sevoflurane has no such effect on peripheral organs suggests that this action might be mediated through a neuron-specific cellular mechanism or a regulation of the signal transduction between neurons.
Article
Some anesthetics can affect gene expression. Previously, we reported that sevoflurane anesthesia drastically and reversibly repressed the expression of mouse Per2 (mPer2), a core clock gene in the suprachiasmatic nucleus (SCN). In the current study, we examined the time-dependent effect of sevoflurane on mPer2 expression and its interactions with the circadian rest/activity rhythm of mice. During certain hours of the day, mice were anesthetized with 2.5% sevoflurane in 40% oxygen for 4h. The expression level of mPer2 in the SCN was measured by in situ hybridization using a radiolabeled cRNA probe. Anesthesia during the morning hours showed the greatest repressive effect on mPer2 expression. Sevoflurane anesthesia repressed mPer2 expression during the conditions of light/dark and constant dark, and the light conditions modified the repression rate under anesthesia. Moreover, anesthesia in the morning also repressed mPer2 expression the following day. This dominant effect of anesthesia in the morning indicates that sevoflurane anesthesia affects the onset of mPer2 transcription. Behavior analysis revealed that the anesthetic treatment also induced a phase-delay in the rest/activity rhythm. However, no time-dependent effects of anesthesia on the circadian rest/activity rhythm were observed. Further investigation into the molecular events caused by anesthesia are required to explain atypical clinical signs observed in patients after surgical procedures, such as fatigue, sleep disorder, mood alteration and delirium.
Article
It has been hypothesized that abnormalities in the molecular clock underlie the development of mood disorders, in the direction of higher prevalence in individuals with a reduced flexibility to adapt to important regulations of mood in response to changes in seasons, stress levels, sleep schedules, and time zones. In particular, a T/C change (rs1801260) at the 3111 position of the circadian locomotor output cycles kaput (CLOCK) gene has been explored in psychiatry disorders. This meta-analysis has been undertaken to investigate the association between rs1801260 and both mood disorders and depression severity, shedding light on previous controversial results and providing better power to detect smaller effect sizes. PubMed and ISI databases were searched for studies focused on the association between rs1801260 and mood disorders spectrum. Quality of studies was assessed. We found no association between CLOCK genotypes and mood disorders, even when we separately investigated ethnical homogeneous or unipolar disorder studies. No association was found regarding severity of depression either. The methodological quality of the studies has been found to be medium-high. Our meta-analysis shows no association between rs1801260 and mood disorders (as a complete phenotype) or depression severity and points out the necessity of further research in order to better understand the underlying biological machinery of circadian dysfunction in subjects affected by mood disorders.
Article
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There has been scant evidence for a phase-shifting effect of melatonin in shift-work or jet-lag protocols. This study tested whether melatonin can facilitate phase shifts in a simulated night-work protocol. Subjects (n = 32) slept in the afternoons/evenings before night work (a 7-h advance of the sleep schedule). They took melatonin (0.5 mg or 3.0 mg) or placebo before the first four of eight afternoon/evening sleep episodes at a time when melatonin has been shown to phase advance the circadian clock. Melatonin produced larger phase advances than placebo in the circadian rhythms of melatonin and temperature. Average phase advances (+/-SD) of the dim light melatonin onset were 1.7 +/- 1.2 h (placebo), 3.0 +/- 1.1 h (0.5 mg), and 3.9 +/- 0.5 h (3.0 mg). A measure of circadian adaptation, shifting the temperature minimum enough to occur within afternoon/evening sleep, showed that only subjects given melatonin achieved this goal (73% with 3.0 mg, 56% with 0.5 mg, and 0% with placebo). Melatonin could be used to promote adaptation to night work and jet travel.
Book
Everyone has heard of nature's "biological clocks", the phenomenon of periodic activity in plants, animals and humans. But what does chronobiology have to do with modern medicine? This book presents in a concise but comprehensive fashion the basic principles of chronobiology and their application to clinical medicine. The chapters are written by specialists in the field; they summarize the physiology, pathophysiology and pathology of the human time structure and outline the application of chronobiologic principles and techniques for diagnosis and treatment.
Article
Ramelteon, approved in the US for the treatment of insomnia characterised by difficulty with sleep onset, is a highly selective agonist for the melatonin MT1/MT2 receptors, which are believed to mediate the circadian rhythm in mammals. ▲ Ramelteon has negligible affinity for the MT3 binding sites and other receptors in the brain, including the opiate, dopamine, benzodiazepine and serotonin receptors, which may explain the lack of significant adverse events and lack of abuse or dependence potential observed with ramelteon. ▲ In three clinical trials in patients with chronic insomnia, ramelteon 8mg was effective in reducing sleep latency, without being associated with any significant or clinically relevant residual effects. It also generally increased total sleep time and, where assessed, sleep efficiency. ▲ In a first-night-effect model of transient insomnia, ramelteon 8mg was significantly more effective than placebo at reducing sleep latency and increasing total sleep time. ▲ Ramelteon was generally well tolerated; the most commonly reported adverse events occurring in more ramelteon than placebo recipients were somnolence (5% vs 3%), fatigue (4% vs 2%) and dizziness (5% vs 3%). Adverse events were mostly mild or moderate in nature. Ramelteon has been shown to have no potential for abuse or dependence.
Article
Vitamin 1312 (VB12) has been reported to normalize the entrainment of circadian rhythms in the non-24-h sleep wake cycle and delayed sleep phase insomnia in humans. The purpose of this work was to clarify whether the peripheral administration of VB12 has any sleep-promoting effect on the sleep-wake rhythm in freely moving rats. After a baseline day of saline infusion, VB12 (500 μg/kg/day) was administered continuously for 4 days via the jugular vein. Polysomnographic recordings were carried out concurrently. In both the light and the 24-h periods, the amount of non-rapid eye movement (NREM) sleep increased significantly on VB12-days 2 and 3, while the amount of REM sleep increased significantly on VB12-day 2. In the light period, the increase in NREM sleep was due to increased duration of the episode, while the tendency to an increase in REM sleep was due to an increased number of episodes. Changes in the diurnal sleep-wake rhythm tended to appear in the earlier light period. The serum VB12 concentrations in the VB12 group were 40 times higher than in controls. These findings suggest that peripherally infused VB12 has promoting effects on the rat's sleep, especially in the light period.
Article
Kiuchi, T., H. Sei, H. Seno, A. Sano and Y. Morita. Effect of vitamin B12 on the sleep-wake rhythm following an 8-hour advance of the light-dark cycle in the rat. Physiol Behav 61(4) 551–554, 1997.—We have studied the effect of vitamin B12 (VB12) on the sleep-wake rhythm following an 8-h advance of the light-dark (LD) cycle in the rat. The electroencephalogram and electromyogram were recorded on chart paper via a two-channel telemetry system. Infusion of VB12 (Mecobalamin; 0.25 μg/h) or saline into the abdominal cavity was performed using an implanted miniosmotic pump. Before the phase shift, there was no significant difference between the two groups in terms of the mean daily amount of each vigilance stage. Following the phase advance, in the saline group, wake gradually decreased and nonrapid-eye-movement (NREM) sleep and REM sleep increased. In the VB12 group, no significant change was seen in any of the vigilance states, except for REM sleep on day 3. The results suggest that VB12 may maintain homeostasis of sleep and/or wake amount following an 8-h advance of the LD cycle in the rat.