Untersuchung von humanen circadianen Merkmalssystemen und der Nachtschlafstruktur unter Berücksichtigung von Alter und Schlafqualität Dissertation zur Erlangung des Doktorgrades der Mathematisch-Naturwissenschaftlichen Fakultät der Christian-Albrechts-Universität zu Kiel vorgelegt von Dipl.-Biol. Tina Hollerbuhl Kiel Oktober 2015 Referentin:............................................................................................. Prof. Dr. M. Dittmar Korreferent:............................................................................................ Prof. Dr. T. Roeder Tag der mündlichen Prüfung................................................................. 19.11.2015 Zum Druck genehmigt: Kiel, den 19.11.2015 Der Dekan Inhalt Abkürzungsverzeichnis ........................................................................................................................ vi Abbildungsverzeichnis .......................................................................................................................... x Tabellenverzeichnis ............................................................................................................................. xv 1 Einleitung ....................................................................................................................................... 1 1.1 Circadiane Rhythmik und Chronobiologie .............................................................................. 1 1.1.1 Circadiane Rhythmik ....................................................................................................... 1 1.1.2 Chronobiologie ................................................................................................................ 3 1.2 Das circadiane System und circadiane Rhythmen beim Menschen ........................................ 5 1.3 Schlaf und dessen Regulierung ............................................................................................... 9 1.4 Die Körpertemperatur ............................................................................................................ 16 1.4.1 Die Körperkerntemperatur ............................................................................................. 16 1.4.2 Die periphere Hauttemperatur ....................................................................................... 17 1.5 Cortisol .................................................................................................................................. 20 1.6 Uhrengene ............................................................................................................................. 23 1.7 Zusammenhang zwischen circadianer Rhythmik, Schlaf und Altern .................................... 27 2 Fragestellungen ............................................................................................................................ 33 3 Probandinnen ............................................................................................................................... 36 3.1 Rekrutierung .......................................................................................................................... 36 3.2 Ein- und Ausschlusskriterien ................................................................................................. 36 4 Materialien ................................................................................................................................... 39 5 Methoden ...................................................................................................................................... 42 5.1 Übersicht über den Studienverlauf ........................................................................................ 42 5.2 Fragebogenerhebungen.......................................................................................................... 44 5.2.1 Allgemeiner Fragebogen ............................................................................................... 44 5.2.2 Pittsburgh-Sleep-Quality-Index ..................................................................................... 45 5.2.3 Morningness-Eveningness Questionnaire ..................................................................... 45 5.2.4 Munich Chronotype Questionnaire ............................................................................... 46 5.2.5 Freiburger Fragebogen .................................................................................................. 47 5.2.6 Eppworth Sleepiness Scale ............................................................................................ 48 5.2.7 Schlaftagebuch und Tagesprotokoll .............................................................................. 49 5.3 Physiologische Methoden ...................................................................................................... 50 5.3.1 Anthropometrie und Bioelektrische Impedanzanalyse .................................................. 50 i 5.3.2 Aktigrafie ....................................................................................................................... 51 5.3.3 Elektroenzephalographie ............................................................................................... 58 5.3.4 Temperatursensoren ...................................................................................................... 61 5.4 Hormonanalyse ...................................................................................................................... 64 5.4.1 Speichelprobensammlung zur Messung von Cortisol-Konzentrationen ....................... 64 5.4.2 Enzyme linked immunosorbent assay ........................................................................... 66 5.5 Molekulargenetische Methoden ............................................................................................ 69 5.5.1 Sammeln von Mundschleimhautproben für molekulargenetische Analysen ................ 69 5.5.2 Auswahl von Haushaltsgen, Zielgenen und Messzeitpunkten ...................................... 70 5.5.3 Quantitative Echtzeit (Real Time)-PCR ........................................................................ 71 5.5.4 RNA-Extraktion mit dem CRYSTAL RNA Mini Kit ................................................... 73 5.5.5 RNA-Extraktion durch Phenol-Chloroform-Extraktion ................................................ 73 5.5.6 Photometrische Konzentrationsbestimmung von Nucleinsäuren .................................. 74 5.5.7 Enzymatischer Verdau mit dem DNaseI-Enzym ........................................................... 74 5.5.8 Synthese komplementärer DNA (cDNA) ...................................................................... 75 5.5.9 Die Polymerase-Ketten-Reaktion (PCR) ....................................................................... 76 5.5.10 Die quantitative Real Time-PCR ................................................................................... 80 5.6 Statistische Methoden ............................................................................................................ 89 6 Ergebnisse .................................................................................................................................... 94 6.1 Zu methodischen Aspekten ................................................................................................... 94 6.1.1 Interassay-Vergleich der Cortisol-ELISAs .................................................................... 94 6.1.2 Etablierung des hCRY1-Assays ..................................................................................... 94 6.2 Deskriptive Kennzeichen der Probandinnen ....................................................................... 100 6.2.1 Zusammensetzung und Altersverteilung des Kollektivs ............................................. 100 6.2.2 Anthropometrische Merkmale und Körperzusammensetzung .................................... 100 6.2.3 Allgemeine Kennzeichen des Probandenkollektivs .................................................... 101 6.2.4 Morgen- und Abendpräferenz ..................................................................................... 104 6.2.5 Schlafqualität und Tagesschläfrigkeit ......................................................................... 105 6.2.6 Körperlicher Aktivitätsgrad ......................................................................................... 107 6.2.7 Zeitraum im Freien ...................................................................................................... 110 6.2.8 Allgemeine und Lebensstil-bezogene Merkmale in der Untersuchungswoche ........... 111 6.3 Gruppenvergleiche nach Uhrengen-Expression, Cortisol-Konzentration und peripherer Hauttemperatur .................................................................................................................... 113 6.3.1 Expression von Uhrengenen ........................................................................................ 113 6.3.2 Distale und proximale periphere Hauttemperatur ....................................................... 126 6.3.3 Cortisol-Sekretion am Abend und am Morgen ............................................................ 144 ii 6.4 Gruppenvergleiche nach Schlaf-Wach-Rhythmus und Nachtschlafstruktur ....................... 149 6.4.1 Der Schlaf-Wach-Rhythmus ....................................................................................... 149 6.4.2 Die Nachtschlafstruktur ..............................................................................................