Wpływ czynników środowiskowych na wydzielanie melatoniny w organizmie człowieka

Melatonina (MLT) jest głównym hormonem wydzielanym przez szyszynkę, gruczoł dokrewny zlokalizowany w centralnej części mózgu człowieka. Hormon ten odpowiada za przekazywanie informacji o warunkach oświetleniowych do wewnętrznego zegara biologicznego, który następnie synchronizuje pracę całego organizmu. Wiele cykli fizjologicznych ma pośredni związek z rytmem wydzielania melatoniny. Obecność receptorów melatoninowych stwierdzono również w wielu narządach. Badania kliniczne wykazały, że rytm syntezy i sekrecji melatoniny jest charakterystyczny i stały dla danej osoby. Przyjmuje się zatem, że może on być wykorzystywany jako wskaźnik oceny rytmu okołodobowego a także kondycji zdrowotnej. Ze względu na wspomnianą sieć powiązań, zwraca się uwagę na istotną rolę melatoniny i stosuje w różnego rodzaju terapiach. Melatonina jest wytwarzana głównie w fazie ciemnej. Jej koncentracja w organizmie wykazuje rytmiczność okołodobową, związaną z cyklem oświetlenia. Dotychczas przeprowadzone badania laboratoryjne wykazały, że mechanizmy pobudzenia szyszynki i sekrecja melatoniny u ludzi są zależne od rodzaju, natężenia, charakterystyk spektralnych oraz momentu wystąpienia bodźca świetlnego i czasu ekspozycji. Stwierdzono, że siła odpowiedzi jest również zależna od poprzedzającej wystąpienie wspomnianego bodźca dziennej ekspozycji świetlnej, czyli tak zwanej historii fotycznej. Wspomniane badania, przeprowadzane były w ściśle kontrolowanych warunkach otoczenia. Rozpoznania wymaga, jakie cechy oświetlenia determinują wydzielanie melatoniny w warunkach rzeczywistych, dnia codziennego. Wstępne badania środowiskowych uwarunkowań produkcji melatoniny wykazały możliwą rolę czynników radiacyjno-klimatycznych (w miejscu stałego zamieszkania, w warunkach środowiskowych, do których dana osoba jest zaadaptowana). Stwierdzono występowanie sezonowych oraz regionalnych różnic sekrecji MLT w badanych populacjach polskiej, japońskiej i wietnamskiej. Na podstawie przytoczonych wyników przyjęto hipotezę, która zakłada, że ustalenie się charakterystycznego rytmu wydzielania melatoniny jest wynikiem długookresowej adaptacji do lokalnych warunków środowiskowych (oświetleniowych), stąd nagła zmiana warunków radiacyjnych będzie skutkować zmianą wydzielania melatoniny, zwłaszcza maksimum dobowego melatoniny. Założono, że określenie związków pomiędzy wybranymi czynnikami środowiskowymi a charakterystykami wydzielania melatoniny wymaga obserwacji wydzielania hormonu w warunkach środowiska typowych dla osoby badanej, jak również w warunkach, do których osoba ta nie jest zaadaptowana. Przyjęto, że do realizacji postawionego celu konieczne będzie przeprowadzenie badań terenowych. Zaprojektowano eksperyment, który zakładał obserwację wydzielania melatoniny u ośmiu ochotników z Polski w miejscu ich stałego zamieszkania (Warszawa) oraz w okresie pobytu w okołobiegunowej strefie oświetleniowej (Tromso). Każda sesja eksperymentu obejmowała 21 dni badań (7 dni kontrolnych, 7 dni w Tromso i 7 dni w Warszawie, po powrocie). Pomiary przeprowadzono dwukrotnie – w okresie przesilenia letniego (22 maja – 11 czerwca 2011) i zimowego (5 –25 stycznia 2012), czyli w okresie, kiedy w Tromso panowały warunki dnia polarnego i nocy polarnej. Eksperyment zakładał, że w każdej serii eksperymentu uczestnicy podejmować będą typowe dla siebie formy aktywności - prace biurowe, aktywność naukową, prace domowe oraz aktywność turystyczną (w Tromso). Ochotników zobowiązano jedynie do przestrzegania okresu spoczynku, który przypadał na godziny od 23 do 7 rano a także do przestrzegania terminów poboru materiału (w terminach 11:00, 15:00, 19:00, 23:00, 03:00, 07:00). Stężenia melatoniny oznaczono w próbkach śliny, z wykorzystaniem metody radioimmunologicznej RIA. Maksimum dobowe melatoniny: stężenie (MPV) i czas wystąpienia (MPT) obliczono na podstawie interpolacji matematycznej rozkładu Gaussa danych terminowych, wykorzystując oprogramowanie Spline. W czasie trwania eksperymentu prowadzono pomiar ciągły oświetlenia, w bezpośrednim otoczeniu ochotników - natężenia oświetlenia (lux), a także wielkość strumienia promieniowania widzialnego w 50-nm zakresach spektralnych oraz pomiar natężenia promieniowania całkowitego i aktywnego fotosyntetycznie w terenie otwartym. Na podstawie uzyskanych danych dokonano analizy charakterystyk oświetlenia oraz wydzielania melatoniny w badanej grupie. W celu określenia związku pomiędzy badanymi czynnikami środowiskowymi a charakterystykami wydzielania melatoniny przeprowadzono analizę z wykorzystaniem regresji liniowej. Uzyskano następujące wyniki: • Rzeczywista ekspozycja świetlna w miejscu stałego zamieszkania wykazuje zróżnicowanie sezonowe, pomimo dużego udziału światła sztucznego w indywidualnej ekspozycji, • Maksimum dobowe melatoniny (MPV i MPT) podlega niewielkiej zmienności sezonowej, choć model sekrecji u danej osoby jest stabilny – w populacji występują osoby o niskim i wysokim wydzielaniu hormonu, jak również o wczesnym lub późnym wystąpieniu dobowej wartości maksymalnej, • Indywidualny dobowy rytm wydzielania melatoniny pozostaje zachowany (wartości maksymalne obserwowane są w okresie nocy), nawet w czasie pobytu w warunkach naturalnego stałego oświetlenia i ciemności (dzień polarny i noc polarna), choć zmianie podlegają ekstrema rytmu – maksymalne dobowe stężenie (MPV) i czas jego wystąpienia (MPT), • Na kształtowanie maksimum dobowego melatoniny (MPV i MPT) najistotniejszy wpływ mają warunki oświetleniowe w okresie bezpośrednio poprzedzającym wystąpienie maksimum, a także charakteryzujące okres wieczorny. Wpływ mają jedynie warunki oświetleniowe w bezpośrednim otoczeniu badanego (oświetlenie naturalne i/lub sztuczne). Maksimum dobowe melatoniny nie wykazuje bezpośredniego związku ze zmianami oświetlenia zewnętrznego (naturalnego), • W warunkach rzeczywistych indywidualne zmiany wielkości maksimum dobowego melatoniny (MPV i MPT) wykazują związek ze zmianami poziomu aktywności oraz zmianami natężenia oświetlenia i rozkładu widmowego promieniowania, charakteryzujących ekspozycję świetlną. Zastosowany układ i harmonogram eksperymentu pozwoliły na uzyskanie wyników dotyczących dobowych i sezonowych wzorców wydzielania melatoniny u mieszkańców strefy umiarkowanej, jak również charakterystyk ich rzeczywistej ekspozycji świetlnej. W warunkach rzeczywistych wykazano występowanie związku pomiędzy zmianami poziomu aktywności, natężenia oświetlenia i charakterystyk spektralnych promieniowania a wydzielaniem melatoniny. Realizacja badań w strefie polarnej umożliwiła określenie zmian wydzielania melatoniny w skrajnych, naturalnych warunkach oświetleniowych. Badanie to jako pierwsze udokumentowało międzydobowe zmiany maksimum dobowego melatoniny (MP) u turystów, realizujących podróż do innej strefy oświetleniowej, bez zmiany strefy czasowej. Na podstawie uzyskanych wyników można również wskazać, że proces adaptacji (stabilizacji MP) do nowych warunków oświetleniowych przebiega w okresie tygodnia, po powrocie trwa nieco dłużej, jeśli podróż realizowana jest latem. Podróże zimowe zaburzają MP w większym stopniu, a adaptacja przebiega w okresie dłuższym niż tydzień i jest bardziej zróżnicowana osobniczo.

Melatonin (MLT) is the main hormone produced by the pineal gland, which is located in the central part of the human brain. This hormone is responsible for providing information about the lighting conditions to the internal biological clock, which synchronizes the operation of the entire body. Many physiological cycles have an indirect relationship with the rhythm of melatonin secretion. The presence of melatonin receptors have also been found in many organs. Clinical studies have shown that the rhythm of melatonin synthesis and secretion is characteristic and constant for a certain person. It is therefore assumed that it may be used as an indicator of circadian rhythm assessment and health status. That is why many researchers pay attention to the important role of melatonin and try to use it in various kinds of therapies. Melatonin is produced mainly in the dark phase. The concentration of MLT in the body has a circadian rhythm associated with the lighting cycle. So far, laboratory studies have shown that the mechanisms of stimulation of the pineal gland and melatonin secretion in humans depend on the type, intensity, spectral characteristics, the onset and the duration of the light stimuli. It was found that the power of the response is also dependent on the lighting conditions prior to studied light exposure, so-called the photic history. These studies were carried out under strictly controlled conditions. It is still to be identified which characteristics of light influence at melatonin secretion in real, everyday life. Preliminary studies of environmental determinants of melatonin production showed a possible role of climatic and radiation factors (in the place of habitual residence, in the environmental conditions to which a person is adopted). Seasonal and regional differences in the secretion of MLT in the studied populations (Polish, Japanese and Vietnamese) were found. On the basis of those results it was hypothesized that the determination of the individual characteristics of the melatonin secretion is the result of a long-term adaptation to local environmental conditions (lighting). Hence, a sudden change in the radiation conditions will result in a change of the melatonin secretion, especially the melatonin peak. It was assumed that the determination of the relationship between environmental factors and selected characteristics of the melatonin secretion requires observation of the secretion of the hormone in environmental conditions typical of the person examined, as well as the conditions to which the person is not adapted. To achieve this objective, a field experiment was established to be conducted necessarily. An experiment designed for this study assumed that the observations of melatonin secretion in eight Polish volunteers will be conducted in the place of their habitual residence (Warsaw) and during the stay in the circumpolar zone (Tromso). Each session of the experiment consisted of 21 days (7 control days, 7 days in Tromso and 7 days in Warsaw, after returning). The measurements were carried out twice - during the Summer (May 22 - June 11, 2011) and the Winter (5 -25 January 2012) solstice. In these periods in Tromso polar day and polar night conditions prevailed. The experiment assumed that in each part of the experiment, the participants will do their regular activities - office work, scholar activity, housework and tourist activity (Tromso). The volunteers were required to comply the period of wakefulness and rest (from 11 pm to 7 am) as well as the terms of the saliva collection (at 11:00, 15:00, 19:00, 23:00, 3:00, 7:00 ). Melatonin concentrations were determined in saliva samples using radioimmunoassay RIA. Daily melatonin maximum: concentration (MPV) and the time of its occurrence (MPT) were calculated by the mathematical interpolation (based on Gaussian distribution) of term data, using Spline software. During the experiment continuous measurement of lighting conditions were conducted: illuminance (lux) and the flux of visible radiation in the 50-nm spectral ranges - in the immediate surroundings of volunteers as well as outdoors measurements of global radiation and photosynthetically active radiation. Basing on the collected research material, an analysis was carried out: characteristics of lighting conditions and melatonin secretion as well as the relationships between the environmental factors and the melatonin secretion in the study group. The following results were obtained: - The real human light exposure, at the place of habitual residence, shows a seasonal variation despite the large proportion of an artificial light, - Daily melatonin peak (concentration: MPV and time of its occurrence: MPT) undergoes a slight seasonal variations, although the individual model of the secretion is stable - the human population consists of people with high or low secretion of the hormone, as well as with early or late daily maximum occurrence, - Individual circadian profile of melatonin secretion remains unchanged (with melatonin peak at night), even during the stay in natural conditions of constant light or darkness (polar day and polar night), although the extremes of the rhythm (MPV and MPT) are shifted, - The melatonin peak (MPV and MPT) is affected by the lighting conditions in the period immediately preceding its occurrence as well as in the period of the evening. Changes of the melatonin peak have no direct relationship with changes in the external (natural) lighting conditions - only the lighting conditions in the surroundings of the subject are important, - In real life conditions, changes of the individual melatonin peak (MPV and MPT) show a correlation with changes in activity level and changes in light exposure, characterized by intensity and spectral distribution, The results of the experiment showed the diurnal and seasonal patterns of melatonin secretion in the temperate zone residents, as well as the characteristics of theirs actual light exposure. In real conditions the relationship between changes in activity levels, brightness and spectral characteristics of the light and the secretion of melatonin has been demonstrated. Conducting this research in the polar zone enabled us to determine the changes in the melatonin secretion in extreme natural lighting conditions. It is the first study which has documented the changes of the daily melatonin maximum (MP) from day to day in tourists, who travel to different lighting zones, without changing the time zone. The obtained results may also indicate that the process of adaptation (stabilization of MP) to the new lighting conditions takes about a week and a little longer after the return. If the journey is performed in the Summer. Winter travels seem to result in greater disruption of MP. The adaptation takes place in a period longer than a week and varies more between individuals.