Нарушение циркадной ритмики в патофизиологии сахарного диабета

Сахарный диабет (СД) - ведущая эндокринопатия с неуклонным ростом заболеваемости, имеющая большое количество диабетических осложнений и высокие затраты со стороны здравоохранения. Патофизиологические механизмы развития СД до конца не выяснены. Нарушение циркадных ритмов (ЦР) рассматривается как возможное звено в патогенезе данного заболевания. ЦР - автономная система нейроэндокринных сигналов и факторов клеточной транскрипции, которые координируют основные физиологические процессы с суточным циклом. Циркадные часы (ЦЧ) подразделяются на центральные (расположенные в супрахиазматических ядрах гипоталамуса) и периферические (расположенные в органах и клетках). ЦЧ обеспечивают ежедневные циркадные колебания клеток, в том числе и β-клетках поджелудочной железы. Поломка в работе ЦЧ лежит в основе циркадного десинхроноза (ЦД). Метаболизм глюкозы и выработка инсулина имеют чёткий ЦР, нарушение которого может быть одним из триггеров развития СД. Выработка гормона мелатонина (МТ) как важного регулятора ЦР может быть нарушена при СД, что является ещё одним доказательством вовлечённости ЦД в патофизиологию данной эндокринопатии. Для СД характерен низкий уровень МТ. МТ обладает антиоксидантной активностью, что может играть важную роль в предотвращении диабетических осложнений при СД. ЦД - самостоятельный патологический синдром, причинами которого могут быть: смена часовых поясов, нарушение режима дня и питания. На данный момент ЦД рассматривается как важная причина, приводящая к СД. Патофизиологические механизмы, приводящие к СД на фоне ЦД, до конца не выяснены. В первую очередь рассматривается генетическая гипотеза поломки биологических часов в β-клетках поджелудочной железы. Важную роль в развитии СД на фоне ЦД может играть окислительный стресс. Своевременная диагностика и специфическое лечение ЦД на фоне СД могут предотвратить развитие и тяжесть диабетических осложнений.

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. https://doi.org/10.4239/wjd.v9.i7.99

2. Zheng Y., Ley S.H., Hu F.B. Global aetiology and epidemiology of type 2 diabetes mellitus and its complications. Nat. Rev. Endocrinol. 2018;14(2):88-98. https://doi.org/10.1038/nrendo.2017.151

3. Wajid F., Poolacherla R., Mim F.K., Bangash A., Rutkofsky I.H. Therapeutic potential of melatonin as a chronobiotic and cytoprotective agent in diabetes mellitus. J. Diabetes Metab. Disord. 2020;19(2):1797-1825. https://doi.org/10.1007/s40200-020-00585-2

4. Henry C.J., Kaur B., Quek R.Y.C. Chrononutrition in the management of diabetes. Nutr. Diabetes. 2020;10(1):6. https://doi.org/10.1038/s41387-020-0109-6

5. Zimmet P., Alberti K.G., Magliano D.J., Bennett P.H. Diabetes mellitus statistics on prevalence and mortality: facts and fallacies. Nat. Rev. Endocrinol. 2016;12:616-622. https://doi.org/10.1038/nrendo.2016.105

6. Saeedi P., Petersohn I., Salpea P., Malanda B., Karuranga S., Unwin N., Colagiuri S., Guariguata L., Motala A.A., Ogurtsova K., Shaw J.E., Bright D., Williams R. Global and regional diabetes prevalence estimates for 2019 and projections for 2030 and 2045: Results from the international diabetes federation diabetes atlas, 9(th) edition. Diabetes Res. Clin. Pract. 2019;157:107843. https://doi.org/10.1016/j.diabres.2019.107843

7. Javeed N., Matveyenko A.V. Circadian Etiology of Type 2 Diabetes Mellitus. Physiology (Bethesda). 2018;33(2):138-150. https://doi.org/10.1152/physiol.00003.2018

8. Papatheodorou K., Banach M., Bekiari E., Rizzo M., Edmonds M. Complications of diabetes 2017. J. Diabetes Res. 2018:3086167. https://doi.org/0.1155/2018/3086167

9. Khan M.A.B., Hashim M.J., King J.K., Govender R.D., Mustafa H., Al Kaabi J. Epidemiology of type 2 diabetes - global burden of disease and forecasted trends. J. Epidemiol. Glob. Health. 2020;10(1):107-111. https://doi.org/10.2991/jegh.k.191028.001

10. Lee J., Ma K., Moulik M., Yechoor V. Untimely oxidative stress in в-cells leads to diabetes - Role of circadian clock in в-cell function. Free Radic. Biol. Med. 2018;119:69-74. https://doi.org/10.1016/j.freerad-biomed.2018.02.022

11. Lee Y., Field J.M., Sehgal A. Circadian Rhythms, Disease and Chronotherapy. J. Biol. Rhythms. 2021;36(6):503-531. https://doi.org/10.1177/07487304211044301

12. 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. https://doi.org/10.1002/jcp.30815

13. Fagiani F., Di Marino D., Romagnoli A., Travelli C., Voltan D., Di Cesare Mannelli L., Racchi M., Govoni S., Lann C. Molecular regulations of circadian rhythm and implications for physiology and diseases. Signal Transduct. Target. Ther. 2022;7:41. https://doi.org/10.1038/s41392-022-00899-y.

14. 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. https://doi.org/10.52485/19986173_2022_4_19

15. Быков Ю.В., Батурин В.А. Нарушение адаптационных возможностей у детей с инсулинозависимым сахарным диабетом на основе методики временных отрезков. Вестник современной клинической медицины. 2021;14(5):112-116. https://doi.org/10.20969/VSKM.2021.14(5).112-116

16. Parameswaran G., Ray D.W. Sleep, circadian rhythms, and type 2 diabetes mellitus. Clin. Endocrinol. (Oxf). 2022;96(1):12-20. https://doi.org/10.1111/cen.14607

17. Akinci E., Orhan F.O. Sirkadiyen ritim uyku bozukluklari. Psikiyatride Guncel Yaklasimlar - Current Approaches in Psychiatry. 2016;8(2):178-189. https://doi.org/10.18863/pgy.81775

18. Serin Y., Acar Tek N.. Effect of Circadian Rhythm on Metabolic Processes and the Regulation of Energy Balance. Ann. Nutr. Metab. 2019;74(4):322-330. https://doi.org/10.1159/000500071

19. Peng X., Fan R., Xie L., Shi X., Dong K., Zhang S., Tao J., Xu W., Ma D., Chen J., Yang Y. A Growing Link between Circadian Rhythms, Type 2 Diabetes Mellitus and Alzheimer's Disease. Int. J. Mol. Sci. 2022;23(1):504. https://doi.org/10.3390/ijms23010504

20. Kuang Z., Wang Y., Li Y., Ye C., Ruhn K.A., Behrendt C.L., Olson E.N., Hooper L.V. The intestinal microbiota programs diurnal rhythms in host metabolism through histone deacetylase 3. Science. 2019;365(6460):1428-1434. https://doi.org/10.1126/science.aaw3134

21. Liu F., Chang H.C. Physiological links of circadian clock and biological clock of aging. Protein. Cell. 2017;8(7):477-488. https://doi.org/10.1007/s13238-016-0366-2

22. Bass J., Lazar M.A. Circadian time signatures of fitness and disease. Science. 2016;354(6315):994-999. https://doi.org/10.1126/science.aah4965

23. Guldur T., Otlu H.G. Circadian rhythm in mammals: time to eat time to sleep. Biol. Rhythm. Res. 2017;48(2):243-261. https://doi.org/10.1080/09291016.2016.1251968

24. Sato F., Kohsaka A., Bhawal U.K., Muragaki Y. Potential roles of Dec and Bmal1 Genes in interconnecting circadian clock and energy metabolism. Int. J. Mol. Sci. 2018;19(3):E781. https://doi.org/10.3390/ijms19030781

25. Yadlapalli S., Jiang C., Bahle A., Reddy P., Meyhofer E., Shafer O.T. Circadian clock neurons constantly monitor environmental temperature to set sleep timing. Nature. 2018;555(7694):98-102. https://doi.org/10.1038/nature25740

26. Ikeda Y., Kamagata M., Hirao M., Yasuda S., Iwami S., Sasaki H., Tsubosaka M., Hattori Y., Todoh A., Tamura K., Shiga K., Ohtsu T., Shibata S. Glucagon and/or IGF-1 production regulates resetting of the liver circadian clock in response to a protein or amino acid-only diet. EBioMedicine. 2018;28:210-224. https://doi.org/10.1016/j.ebiom.2018.01.012

27. Olaoye O.A., Masten S.H., Mohandas R., Gumz M.L. Circadian Clock Genes in Diabetic Kidney Disease (DKD). Curr. Diab. Rep. 2019;19(7):42. https://doi.org/10.1007/s11892-019-1156-z

28. Atger F., Mauvoisin D., Weger B., Gobet C., Gachon F. Regulation of Mammalian Physiology by Interconnected Circadian and Feeding Rhythms. Front. Endocrinol. (Lausanne). 2017;8:42. https://doi.org/10.3389/fendo.2017.00042

29. Herzog E.D., Hermanstyne T., Smyllie N.J., Hastings M.H. Regulating the suprachiasmatic nucleus (SCN) circadian clockwork: interplay between cell-autonomous and circuit-level mechanisms. Cold. Spring. Harb. Perspect. Biol. 2017;99(1):027706. https://doi.org/10.1101/cshperspect.a027706

30. Angelousi A., Kassi E., Nasiri-Ansari N., Weickert M.O., Randeva H., Kaltsas G. Clock genes alterations and endocrine disorders. Eur. J. Clin. Invest. 2018;48(6):12927. https://doi.org/10.1111/eci.12927

31. Machicao F., Peter A., Machann J., Königsrainer I., Böhm A., Lutz S.Z., Heni M., Fritsche A., Schick F., Konigsrainer A., Stefan N., Haring H.U., Staiger H. Glucose-Raising Polymorphisms in the Human Clock Gene Cryptochrome 2 (CRY2) Affect Hepatic Lipid Content. PLoS One. 2016;11(1):0145563. https://doi.org/10.1371/journal.pone.0145563

32. Pivovarova O., Gogebakan O., Sucher S., Groth J., Murahovschi V., Kessler K., Osterhoff M., Rudovich N., Kramer A., Pfeiffer A.F. Regulation of the clock gene expression in human adipose tissue byweight loss. Int. J. Obes. (Lond). 2016;40(6):899-906. https://doi.org/10.1038/ijo.2016.34

33. Кицышин В.П., Салухов В.В., Демидова Т.А., Сардинов Р.Т. Циркадная модель регуляции углеводного обмена в норме. Consilium Medicum. 2016;4:38-42. https://doi.org/10.26442/2075-1753_2016.4.38-42

34. Kuehn B.M. Resetting the circadian clock might boost metabolic health. JAMA. 2017;317(13):1303-1305. https://doi.org/10.1001/jama.2017.0653

35. Qian J., Scheer F.A. Circadian system and glucose metabolism: implications for physiology and disease. Trends. Endocrinol. Metab. 2016;27(5):282-293. https://doi.org/10.1016/j.tem.2016.03.005

36. Сорокин М.Ю., Пинхасов Б.Б., Селятицкая В.Г. Циркадный ритм углеводного обмена в норме и при патологии. Acta Biomedica Scientifica. 2023;8:124-137. https://doi.org/10.29413/ABS.2023-8.2.12

37. Mason I.C., Qian J., Adler G.K., Scheer FAJL. Impact of circadian disruption on glucose metabolism: implications for type 2 diabetes. Diabetologia. 2020;63(3):462-472. https://doi.org/10.1007/s00125-019-05059-6.

38. Poggiogalle E., Peterson C.M. Circadian Regulation of Glucose, Lipid, and Energy Metabolism in Humans. Metabolism. 2018;84:11-27. https://doi.org/10.1016/j.metabol.2017.11.017

39. Harada N., Inagaki N. Role of clock genes in insulin secretion. J. Diabetes. Investig. 2016;7(6):822-823. https://doi.org/10.1111/jdi.12517

40. Shen S., Liao Q., Wong Y.K., Chen X., Yang C., Xu C., Sun J., Wang J. The role of melatonin in the treatment of type 2 diabetes mellitus and Alzheimer's disease. Int. J. Biol. Sci. 2022;18(3):983-994. https://doi.org/10.7150/ijbs.66871

41. Yapislar H., Haciosmanoglu E., Sarioglu T., Degirmencioglu S., Sogut I., Poteser M., Ekmekcioglu C. Anti-Inflammatory Effects of Melatonin in Rats with Induced Type 2 Diabetes Mellitus. Life (Basel). 2022;12(4):574. https://doi.org/10.3390/life12040574

42. Pourhanifeh M.H., Hosseinzadeh A., Dehdashtian E., Hemati K., Mehrzadi S. Melatonin: new insights on its therapeutic properties in diabetic complications. Diabetol. Metab. Syndr. 2020;12:30. https://doi.org/10.1186/s13098-020-00537-z

43. Sun H., Wang X., Chen J., Gusdon A.M., Song K., Li L. Melatonin treatment improves insulin resistance and pigmentation in obese patients with acanthosis nigricans. Int. J. Endocrinol. 2018;2018:2304746. https://doi.org/10.1155/2018/2304746

44. Owino S., Sánchez-Bretaño A., Tchio C., Cecon E., Karamitri A., Dam J., Jockers R., Piccione G., Noh H.L., Kim T., Kim J.K., Baba K., Tosini G. Nocturnal activation of melatonin receptor type 1 signaling modulates diurnal insulin sensitivity via regulation of PI3K activity. J. Pineal. Res. 2018;64(3):10.1111/jpi.12462. https://doi.org/10.1111/jpi.12462

45. Simoes D., Riva P., Peliciari-Garcia R.A., Cruzat V.F., Graciano M.F., Munhoz A.C., Taneda M., Cipolla-Neto J., Carpinelli A.R. Melatonin modifies basal and stimulated insulin secretion via NADPH oxidase. J. Endocrinol. 2016;231(3):235-244. https://doi.org/10.1530/JOE-16-0259

46. Ulhôa M.A., Marqueze E.C., Burgos L.G., Moreno C.R. Shift work and endocrine disorders. Int. J. Endocrinol. 2015;2015:826249. https://doi.org/10.10.1155/2015/826249

47. Breasson L., Becattini B., Sardi C., Molinaro A., Zani F., Marone R., Botindari F., Bousquenaud M., Ruegg C., Wymann M.P., Solinas G. PI3Kgamma activity in leukocytes promotes adipose tissue inflammation and early-onset insulin resistance during obesity. Sci. Signal. 2017;10(488):eaaf2969. https://doi.org/10.1126/scisignal.aaf2969

48. Garaulet M., Qian J., Florez J.C., Arendt J., Saxena R., Scheer F.A. Melatonin Effects on Glucose Metabolism: Time To Unlock the Controversy. Trends. Endocrinol. Metab. 2020;31(3):192-204. https://doi.org/10.1016/j.tem.2019.11.011

49. Balmik A.A., Chinnathambi S. Multi-Faceted Role of Melatonin in Neuroprotection and Amelioration of Tau Aggregates in Alzheimer's Disease. J. Alzheimers. Dis. 2018;62(4):1481-1493. https://doi.org/10.3233/JAD-170900

50. Cardinali D.P. Melatonin: clinical perspectives in neurodegeneration. Front. Endocrinol (Lausanne). 2019;10:480. https://doi.org/10.3389/fendo.2019.00480

51. Garda-Serrano C., Pujol Salud J., Aran-Sole L., Sol J., Ortiz-Congost S., Artigues-Barbera E., Ortega-Bravo M. Enhancing Night and Day Circadian Contrast through Sleep Education in Prediabetes and Type 2 Diabetes Mellitus: A Randomized Controlled Trial. Biology (Basel). 2022;11(6):893. https://doi.org/10.3390/biology11060893

52. Harder L., Oster H. Zirkadiane Rhythmen - Wie beeinflussen sie unser Leben? [Circadian rhythms - how do they influence our lives?]. Dtsch. Med. Wochenschr. 2019;144(15):1014-1017. https://doi.org/10.1055/a-0662-1950

53. Vetter C., Dashti H.S., Lane J.M., Anderson S.G., Schernhammer E.S., Rutter M.K., Saxena R., Scheer FAJL. Night Shift Work, Genetic Risk, and Type 2 Diabetes in the UK Biobank. Diabetes Care. 2018;41(4):762-769. https://doi.org/10.2337/dc17-1933

54. Luo Q., Xiao Y., Alex A., Cummins T.R. Bhatwadekar A.D. The diurnal rhythm of insulin receptor substrate-1 (IRS-1) and Kir4.1 in diabetes: implications for a clock gene Bmal1. Invest. Ophthalmol. Vis. Sci. 2019;60(6):1928-1936. https://doi.org/10.1167/iovs.18-26045

55. Stenvers D.J., Scheer F.A.J.L., Schrauwen P., Fleur S.E., Kalsbeek A. Circadian clocks and insulin resistance. Nat. Rev. Endocrinol. 2019;15(2):75-89. https://doi.org/10.1038/s41574-018-0122-1

56. Kelly R.M., Healy U., Sreenan S., McDermott J., Coogan A.N. An exploratory study of associations between sleep timing variability and cardiometabolic health in middle-aged adults with type 2 diabetes mellitus. Chronobiol. Int. 2022;39(4):569-578. https://doi.org/10.1080/07420528.2021.2005083

57. Schipper S.B.J., Van Veen M.M., Elders P.J.M., van Straten A., Van Der Werf Y.D., Knutson K.L., Rutters F. Sleep disorders in people with type 2 diabetes and associated health outcomes: a review of the literature. Diabetologia. 2021;64(11):2367-2377. https://doi.org/10.1007/s00125-021-05541-0

58. Sakimura K., Maekawa T., Kume S.I., Ohta T. Spontaneously Diabetic Torii (SDT) Fatty Rat, a Novel Animal Model of Type 2 Diabetes Mellitus, Shows Blunted Circadian Rhythms and Melatonin Secretion. Int. J. Endocrinol. 2018;2018:9065690. https://doi.org/10.1155/2018/9065690

59. Hergenhan S., Holtkamp S., Scheiermann C. Molecular interactions between components of the circadian clock and the immune system. J. Mol. Biol. 2020;432(12):3700-3713. https://doi.org/10.1016/j.jmb.2019.12.044

60. Bhatwadekar A.D., Beli E., Diao Y., Chen J., Luo Q., Alex A., Caballero S., Dominguez J.M., Salazar T.E., Busik J.V., Segal M.S., Grant M.B. Conditional deletion of Bmal1 accentuates microvascular and macrovascular injury. Am. J. Pathol. 2017;187(6):1426-1435. https://doi.org/10.1016/j.ajpath.2017.02.014

61. Molzof H.E., Wirth M.D., Burch J.B., Shivappa N., Hebert J.R., Johnson R.L., Gamble K.L. The impact of meal timing on cardiometabolic syndrome indicators in shift workers. Chronobiol. Int. 2017;34(3):337-348. https://doi.org/10.1080/07420528.2016.1259242

62. Strohmaier S., Devore E.E., Zhang Y., Schernhammer E.S. A Review of Data of Findings on Night Shift Work and the Development of DM and CVD Events: a Synthesis of the Proposed Molecular Mechanisms. Curr. Diab. Rep. 2018;18(12):132. https://doi.org/10.1007/s11892-018-1102-5

63. Gao Y.Y., Gan T., Jiang L.L., Tang D., Wang Y., Li X., Ding G. Association between shift work and risk of type 2 diabetes mellitus: a systematic review and dose-response meta-analysis of observational studies. Chronobiol. Int. 2020;37(1):29-46. https://doi.org/10.1080/07420528.2019.168357

64. Sharma A., Laurenti M.C., Dalla Man C., Varghese R.T., Cobelli C., Rizza R.A., Matveyenko A., Vella A. Glucose metabolism during rotational shift-work in healthcare workers. Diabetologia. 2017;60(8):1483-1490. https://doi.org/10.1007/s00125-017-4317-0