Potenzielle circadiane und circannual Rhythm Beiträge zur Adipositas-Epidemie bei Kindern im Grundschulalter

Studien, die saisonale Trends bei der Gewichtszunahme bei Kindern untersuchen, haben ergeben, dass in den USA und Japan das Schuljahr eine Verbesserung des Gewichtsstatus fördert (d. H. eine Abnahme des Body-Mass-Index (BMI), während Kinder ihren BMI während der Sommerferien von der Schule erhöhen . Unsere Daten, die über 5 Jahre der Grundschule gesammelt wurden, zeigten, dass nicht alle Kinder, die während der Sommerferien eine beschleunigte Gewichtszunahme zeigen, Übergewicht oder Fettleibigkeit entwickeln; Etwa 18% der Kinder beginnen jedoch, während der Grundschule von einem gesunden Gewicht zu einem übergewichtigen oder fettleibigen Status überzugehen, wobei die meisten Zuwächse im Sommer auftreten . Neun Prozent zeigten Beweise für diesen Übergang während der Sommerferien nach dem Kindergarten, während weitere 9% während der Sommerferien nach der 2. Klasse begannen, wodurch ein klares Fenster für Präventionsbemühungen während der frühen Grundschule geschaffen wurde. Saisonale Gewichtszunahme, angetrieben durch circannual Veränderungen in der Umwelt (dh Änderungen in der Länge und Zeitpunkt des Tageslichts und der Temperatur im Laufe eines Jahres) ist im Tierreich üblich, wo es evolutionären Vorteil verleiht, über die Vorbereitung auf den Winter oder Reproduktion . Unabhängig davon, ob die saisonale Gewichtszunahme den vorindustrialisierten Menschen Vorteile verschaffte oder nicht, führt sie derzeit zu evolutionären Nachteilen, indem sie zu steigenden Raten von Übergewicht und Adipositas beiträgt .

Traditionelle Ansätze zur Erklärung saisonaler Schwankungen der Gewichtszunahme konzentrierten sich auf Unterschiede in den Ernährungs- und Bewegungsgewohnheiten während der schulischen und außerschulischen Zeiten (d. H. Schultage und Wochenenden oder Schulferien) . Die Hypothese der strukturierten Tage erklärt die beschleunigte Gewichtszunahme im Sommer unter Verwendung der verhaltensökonomischen Theorie, um zu verstehen, wie Kinder Entscheidungen über ihre Zeitnutzungszuweisungen in Bezug auf energiebilanzbezogene Verhaltensweisen an strukturierten (d. H. Schultagen) im Vergleich zu unstrukturierten Tagen (d. h. Schultagen) treffen., freie Tage, wenn Kinder nicht in der Schule sind, wie Wochenende oder Schulferien). Diese Hypothese schlägt vor, dass die Struktur, die durch das Schuljahr bereitgestellt wird, ein gesundes Gewicht durch obligatorische Möglichkeiten für körperliche Aktivität, regulierten Zugang zu einer gesunden, ausgewogenen Ernährung, begrenzte Zeit für sitzende Aktivitäten außerhalb der Schule und konsistente, frühere Schlafens- und Weckzeiten unterstützt . In Ermangelung ähnlicher Strukturen während der Sommerferien haben Kinder eine größere Autonomie bei Entscheidungen im Zusammenhang mit dem Verhalten der Energiebilanz, was die Entscheidung für sitzende über intensivere körperliche Aktivität, mehr kalorische und weniger ernährungsphysiologisch dichte Lebensmittel und später einschließen kann Schlafenszeiten und Weckzeiten . Diese Theorie impliziert, dass Kinder im Wesentlichen hedonistisch sind und sich bei Gelegenheit für weniger gesunde Optionen entscheiden. Infolgedessen konzentrierten sich typische Interventionen zur Prävention von Fettleibigkeit darauf, Kindern zu helfen, bessere Entscheidungen innerhalb ökologischer / sozialer Einschränkungen zu treffen. Ein fast ausschließlicher Fokus auf Willenskontrolle, basierend auf einem einfachen Energiebilanzmodell der Fettleibigkeit, hat es versäumt, das Verständnis der potenziellen biologischen und circannual Ursachen der Gewichtszunahme . Dieses Papier untersucht die Rolle der chronobiologischen Ursachen der saisonalen Gewichtszunahme bei Kindern und identifiziert mögliche Verhaltensstrategien, um diese Einflüsse zu mildern. Dabei nehmen wir eine breitere Perspektive auf menschliche biologische Systeme ein und untersuchen die Interdependenz von Verhalten, sozialen Anforderungen (z., soziales Timing, das sich aus Anforderungen wie Schul- oder Arbeitsplänen, sozialen Aktivitäten, Engagement in der Gemeinschaft, familiären Verpflichtungen und Routinen, Erziehungspraktiken usw. ergibt.), circadiane und circannual Uhren und Stoffwechsel, um mögliche Mechanismen zu berücksichtigen, durch die eine Fehlausrichtung dieser täglichen und jährlichen Muster zur Fettleibigkeit bei Kindern beitragen kann. Fortschritte in den Biowissenschaften müssen die Verhaltenswissenschaften informieren, damit parallele komplementäre Fortschritte erzielt werden können.

Chronobiologie bezieht sich auf das Studium biologischer Rhythmen, die zyklisch oder periodisch auftreten und physiologische Prozesse (z. B. Stoffwechsel) zeitlich organisieren mit Verhaltensausgaben des zirkadianen Systems (z. B. Schlaf / Wachzustand, Essen / Fasten) . Circadiane Rhythmen (d. H. Tägliche Zyklen innerer Rhythmen) treten im Durchschnitt in Zyklen von etwa 24,2 Stunden auf und werden hauptsächlich durch die Exposition gegenüber dem 24-Stunden-Hell-Dunkel-Zyklus der Erde mitgerissen oder synchronisiert. Da unser zirkadianer Zyklus etwas länger als 24 Stunden ist, ist eine konsistente Eingabe aus dem Hell-Dunkel-Zyklus erforderlich, um einen 24-Stunden-Tag aufrechtzuerhalten. Die Körperuhren befinden sich in Zellen, Geweben und Organen im ganzen Körper und sind hierarchisch organisiert. An der Spitze der Hierarchie steht die zentrale Uhr, die als suprachiasmatischer Kern (SCN) bekannt ist . Der SCN wird hauptsächlich durch Eingaben aus dem Hell-Dunkel-Zyklus mitgerissen . Ähnlich wie bei einem Orchesterdirigenten verwendet der SCN die Eingaben aus dem Hell-Dunkel-Zyklus, um die Tageszeit zu bestimmen und die physiologische Funktion des Körpers zeitlich zu ordnen, indem er Zeitmesssignale an die Instrumente oder peripheren Uhren des Körpers sendet, die sich im gesamten Zentralnervensystem befinden und der Körper, wie Leber, Bauchspeicheldrüse, Muskeln und Fettgewebe (dh Fett) . Periphere Uhren im Körper steuern physiologische Prozesse (z. B. Stoffwechsel, Körpertemperatur, Hormonsekretion und Immunantworten) . Schlaf, körperliche Aktivität und Essgewohnheiten sind Verhaltensausgaben der zirkadianen Uhr. Der Zeitpunkt der Nahrungsaufnahme reißt oder synchronisiert die peripheren Uhren des Körpers , und infolgedessen können Änderungen der Essgewohnheiten (z. B. spätes Essen in der Nacht) zu einer Fehlausrichtung der zentralen und peripheren Uhren führen. Eine optimale Funktion hängt von der richtigen Ausrichtung zwischen dem Hell-Dunkel-Zyklus, der zentralen zirkadianen Uhr (d. H. SCN), den peripheren Uhren und den Verhaltensausgaben (z. B. Schlaf, Essen, Aktivität) ab . Sozialer Jetlag ist ein Beispiel für chronische zirkadiane Fehlausrichtung, die sich ergibt, wenn soziale Anforderungen (z. B. Arbeit oder Schule) erfordern, dass Einzelpersonen nach einem Zeitplan leben, der für ihre internen Rhythmen nicht optimal ist, was es schwierig macht, einzuschlafen und aufzuwachen sozial vorgeschriebene Zeiten für Schule oder Arbeit. Dies führt zu einem ungedeckten Schlafbedarf und einer akkumulierten Schlafschuld an Schul- oder Arbeitstagen (d. H. Sozialer Jetlag). An Tagen mit weniger Verpflichtungen (z. B. Wochenendtagen) kompensieren Einzelpersonen dies, indem sie später aufwachen, was zu mehr Variabilität beim Zeitpunkt von Mahlzeiten, Schlaf und Aktivitätsmustern führen kann. Die daraus resultierende Fehlausrichtung zwischen den zentralen und peripheren Uhren des Körpers führt zu negativen gesundheitlichen Folgen wie Fettleibigkeit, Typ-2-Diabetes, Herz-Kreislauf-Erkrankungen und Krebs .

Es gibt zunehmend Hinweise darauf, dass zirkadiane Fehlausrichtung an der Gewichtszunahme und der Entwicklung von Fettleibigkeit beteiligt ist . Tierversuche haben gezeigt, dass falsche Fütterung (z. B. Essen während der biologischen Nacht) , eine fettreiche Ernährung , Jetlag und Schichtarbeit die zirkadiane Ausrichtung stören und zu Gewichtszunahme führen. Hinweise auf den Zusammenhang zwischen zirkadianer Fehlausrichtung und Fettleibigkeit beim Menschen stammen hauptsächlich aus Beobachtungsstudien. Zum Beispiel ist Schichtarbeit mit einem erhöhten Risiko für Fettleibigkeit, Typ-2-Diabetes, metabolisches Syndrom und Herz-Kreislauf-Erkrankungen bei Erwachsenen verbunden, insbesondere bei Langzeitschichtarbeitern . Sozialer Jetlag wurde auch mit Fettleibigkeit bei Erwachsenen sowie Jugendlichen und Kindern in Verbindung gebracht . Nachtessensyndrom, eine Essstörung, bei der 25% oder mehr der täglichen Kalorien nach dem Abendessen verzehrt werden, war mit einem erhöhten Risiko für Fettleibigkeit und Veränderungen des Timings und der Amplitude von Stoffwechselhormonen wie Glukose, Insulin, Ghrelin und Leptin bei Erwachsenen verbunden . Schließlich wurde in Beobachtungsstudien bei Erwachsenen und Kindern ein Zusammenhang zwischen dem Zeitpunkt der späten Mahlzeit und der Gewichtszunahme oder Fettleibigkeit beobachtet . Darüber hinaus hat sich gezeigt, dass der Zeitpunkt der späten Mahlzeit die Ergebnisse der Gewichtsabnahme bei Interventionen zur Behandlung von Fettleibigkeit beeinflusst .

Theoretische Grundlagen des circadianen und circannualen Rhythmusmodells der beschleunigten Sommergewichtszunahme

Roenneberg entwickelte ein umfassendes Modell zur Rolle der circadianen Fehlausrichtung bei der Entwicklung von Fettleibigkeit und anderen Gesundheitszuständen, in dem er die Interdependenz von circadianer Uhr, Verhalten und Gesundheit veranschaulicht . Diese intraindividuellen Faktoren innerhalb des Individuums werden durch zwei Elemente aus der Umwelt beeinflusst: 1) exogene Signale, die den zirkadianen Rhythmus synchronisieren (z. B. Exposition gegenüber dem Hell-Dunkel-Zyklus) und 2) soziale Anforderungen (z., Schul- oder Arbeitszeiten, soziale Aktivitäten, Engagement in der Gemeinschaft, familiäre Verpflichtungen und Routinen, Erziehungspraktiken usw.). Der Hauptbeitrag unseres Modells zum Roenneberg-Modell ist der Vorschlag, dass die circannual Clock, synchronisiert durch saisonale Veränderungen der Umweltsignale (z. B. Hell-Dunkel-Zyklus), auch eine wichtige Rolle bei den Gesundheitsergebnissen spielt (z. B. die Entwicklung von Fettleibigkeit; Abb. 1). Wir schlagen vor, dass Kinder ein gesundes saisonales Muster der Gewichtszunahme und des Höhenwachstums aufweisen, das durch eine circannual Uhr gesteuert wird. Des Weiteren, Wir schlagen vor, dass die Sommerferienumgebung einer zirkadianen Fehlausrichtung förderlich ist, die auf Veränderungen der sozialen Anforderungen beruht, die zu einer Zunahme der Variabilität des Schlafes führen, Essen, und körperliche Aktivitätsmuster und Erleichterung einer beschleunigten Gewichtszunahme im Sommer. Während die Schulferienpläne in Bezug auf Zeitpunkt und Länge auf der ganzen Welt variieren, haben viele Länder einen Agrarschulkalender eingeführt, der Kindern Sommerferien von etwa 6-12 Wochen bietet, die normalerweise in den Monaten Juni bis August auf der Nordhalbkugel und Dezember bis Februar auf der Südhalbkugel stattfinden. Wir nehmen an, dass das gleichzeitige Auftreten des Zeitpunkts der Schulferien (d. H., förderlich für circadiane Fehlausrichtung) während der Saison, in der Kinder auf Gewichtszunahme vorbereitet sind, können die circannual Wachstumsmuster von Kindern stören, was zu einer beschleunigten Gewichtszunahme und der Entwicklung von Fettleibigkeit beiträgt. Um unsere Theorie zu stützen, werden wir die Literatur über die Saisonalität beim Menschen, das saisonale Wachstum bei Kindern und die biologischen Mechanismen überprüfen, durch die die circannual Clock und die Circadian Clock den Zeitpunkt und die Geschwindigkeit der Gewichtszunahme von Kindern beeinflussen können.

Modell für circadiane und Circannual Beiträge zur Gewichtszunahme von Kindern. Abbildung 1 Fußnote. Wir schlagen vor, dass das Individuum in seiner Umgebung verschachtelt ist, was die Einflüsse sozialer Anforderungen einschließt (z. B. soziales Timing, das sich aus Anforderungen wie Schul- oder Arbeitsplänen, sozialen Aktivitäten, familiären Verpflichtungen und Routinen, Erziehungspraktiken, Engagement in der Gemeinschaft, Zeitzone usw.).), die moderne Beleuchtung und die klimakontrollierte Umwelt sowie die Wirkung der natürlichen Umwelt der Erde. Innerhalb des Individuums gibt es eine gegenseitige Abhängigkeit der zirkadianen Uhren, des Verhaltens und der Gesundheit. Der Hauptbeitrag dieses Modells besteht darin, dass die Circannual-Uhr mit den circadianen Uhren interagiert, um eine optimale Gesundheit zu fördern, und dass Störungen der Circannual-Einflüsse von Kindern gesundheitliche Folgen haben können . Wir schlagen Interaktionen innerhalb der einzelnen und über die Ebenen dieses Modells vor. Zum Beispiel beeinflussen soziale Anforderungen das Verhalten eines Individuums, das die Ausrichtung der Uhren beeinflusst, entweder durch direkte Mitnahme der peripheren Uhren (d. h., Essenszeitpunkt und Konsistenz) oder durch Beeinflussung der Exposition gegenüber dem Hell-Dunkel-Zyklus durch Schlafzeitpunkt und -konsistenz, körperliche Aktivität und nächtliche Exposition gegenüber künstlichem Licht. Es wird auch vorgeschlagen, dass zirkadiane Störungen, die durch die Schulferien verursacht werden, zur Störung des zirkannualen Wachstumsrhythmus beitragen können, was zu einer beschleunigten Gewichtszunahme im Sommer führt und zur Entwicklung von Übergewicht und Fettleibigkeit während der Grundschule beiträgt. Dieses Modell wurde von Roenneberg T, Merrow M. Die circadiane Uhr und die menschliche Gesundheit angepasst. In: Curr Biol. 2016;26(10):R432–443

Die circannual clock

Ähnlich wie die täglichen circadianen Rhythmen werden die jährlichen Rhythmen teilweise durch die Exposition gegenüber dem Hell-Dunkel-Zyklus der Erde gesteuert, der sich aus der Neigung der Erde um 23,5 ° um ihre Achse, ihrer täglichen Rotation und der jährlichen Umlaufbahn um die Sonne sowie aus klimatischen Wettermustern ergibt . Die Auswirkungen dieser Neigung sind am deutlichsten an den extremen Polen zu sehen. Um die Sommersonnenwende (d. H. den 21. Juni) erleben Menschen, die über 66,5 ° N in der Arktis leben, 24 Stunden Sonnenlicht, während Regionen unter 66,5 ° S 24 Stunden Dunkelheit (d. H. Winter) . In Breiten, die näher am Äquator liegen, gibt es das ganze Jahr über weniger Unterschiede in der Tageslänge. Die Neigung beeinflusst nicht nur die Tageslänge, sondern auch die Fähigkeit der Sonne, die Erde zu erwärmen. Die wärmende Wirkung der Sonne wird in Gebieten der Welt erhöht, die zu jeder Jahreszeit mehr direkte Sonnenstrahlung erhalten, was auch mit einer längeren Tageslänge zusammenfällt, die eine längere Erwärmung und kürzere Abkühlperiode während der Nacht ermöglicht . Die Menge an Tageslicht, die ein bestimmtes Gebiet erhält, kann auch durch klimatische Wettermuster wie Regen- und Trockenzeiten bestimmt werden .

Unter natürlichen Lichtverhältnissen (d. h. ohne künstliche Beleuchtung) zeigen Erwachsene einen 24-Stunden-Schlaf-Wach-Rhythmus, der auf saisonale Veränderungen im Hell-Dunkel-Zyklus reagiert . Der SCN (d. H. Die zentrale Uhr) zeigt Plastizität, um diese saisonalen Änderungen der Tageslichtlänge zu kodieren, wodurch eine interne Darstellung der Tageslänge erstellt wird . Informationen über die Tageslänge werden der Zirbeldrüse (d. H. Dem Bereich des Gehirns, der Melatonin freisetzt) signalisiert . Die Länge der Melatoninfreisetzung, die die biologische Nacht markiert, variiert saisonal als Reaktion auf Änderungen in der Länge der dunklen Periode der Erde . Ein Bi-Oszillator-Modell der zirkadianen Regulation legt nahe, dass die saisonale Anpassung an den Hell-Dunkel-Zyklus durch zwei Oszillatoren erleichtert wird, von denen einer über die Dämmerung (dh synchronisiert mit einem Umgebungshinweis wie Licht) den Beginn von Melatonin steuert und der andere über die Morgendämmerung den Offset von Melatonin steuert . Das Vorhandensein von zwei Oszillatoren kann individuelle Unterschiede in Reaktion auf saisonale Veränderungen der Tageslänge erklären . Unter natürlichen Lichtverhältnissen, bei denen die Dunkelperiode im Winter im Vergleich zum Sommer viel länger ist, zeigen Erwachsene im Winter eine längere Melatoninfreisetzung als im Sommer. Wenn sie jedoch modernen Lichtverhältnissen ausgesetzt sind, bei denen die dunklen Perioden zwischen den Jahreszeiten weniger variieren, haben Erwachsene einen Mangel an Saisonalität in ihren Melatonin-Rhythmen gezeigt , was möglicherweise eine Form der zirkannualen Störung darstellt, die wichtige gesundheitliche Folgen haben kann . Nach unserem Kenntnisstand haben keine Studien die zirkadiane Mitnahme unter natürlichen und modernen Lichtverhältnissen bei Kindern untersucht. Daher ist es unklar, ob Kindern die Saisonalität fehlt wie Erwachsenen; Wir nehmen jedoch an, dass der Übergang vom schulischen Umfeld in die Sommerferien mit Veränderungen der Exposition gegenüber dem Hell-Dunkel-Zyklus verbunden sein kann, die dem Gehirn saisonale Veränderungen signalisieren können.

Obwohl nicht klar ist, ob Kinder saisonale Veränderungen des Melatonins aufweisen, gibt es Hinweise auf Saisonalität in ihrem Wachstum (d. H. Größe) und Gewichtszunahme, was auf einen endogenen Rhythmus von Wachstum und Gewichtszunahme bei Kindern hindeutet . Nur wenige neuere Studien haben monatliche Wachstumsänderungen bei Kindern untersucht; mehrere Studien aus den späten 1800er bis Mitte der 1900er Jahre legen jedoch nahe, dass Kinder im Frühjahr und Frühsommer tendenziell an Größe zunahmen und im Spätsommer und Herbst an Gewicht zunahmen . Eine Studie mit blinden und sehenden Kindern in Südengland ergab, dass sehende Kinder zwischen Januar und Juni maximale Höhengewinne aufwiesen, während Perioden mit maximalem Wachstum bei blinden Kindern gleichmäßig über das Jahr verteilt waren . Dies liefert überzeugende Beweise dafür, dass saisonale Schwankungen im Hell-Dunkel-Zyklus das Wachstum bei Kindern durch die visuelle Kodierung der Tageslänge über das SCN vorhersagen können (d. H., zentrale Uhr). Andere Studien haben bestätigt, dass die Jahreszeiten, in denen die Lichtexposition häufiger auftritt, mit der Zunahme der Körpergröße bei sehenden Kindern übereinstimmen . Während die Wirkung des Hell-Dunkel-Zyklus auf die Gewichtszunahme nicht experimentell getestet wurde, deuten Beobachtungsstudien, die das Gewicht regelmäßig messen (d. H. Häufiger als alle zwei Jahre), darauf hin, dass maximale Gewichtszunahmen im Spätsommer und Herbst auftreten, wenn die Tage lang, aber kürzer sind . Weitere Studien, die saisonale Wachstumsmuster bei Kindern in der Schule und bei Kindern ohne Schulbesuch untersuchen, haben unabhängig vom Schulstatus ähnliche Muster beobachtet . Insgesamt unterstützen diese Studien die potenzielle Rolle der circannual Clock, die durch die saisonale Variation von Hell und Dunkel in den Wachstumsmustern von Kindern mitgerissen wird.

Beschleunigte Gewichtszunahme im Sommer

Neuere Studien, die den Zeitpunkt des Anstiegs des Body-Mass-Index von Kindern (d. H. BMI, ein Verhältnis von Größe zu Gewicht) untersuchten, haben auch eine beschleunigte Gewichtszunahme im Sommer und frühen Herbst beobachtet; es hat sich jedoch gezeigt, dass diese beschleunigte Gewichtszunahme zu einer erhöhten Adipositasrate während der Grundschule beiträgt . Während wir aus unserer eigenen 5-Jahres-Längsschnittstudie schlossen, dass die obesogene außerschulische Sommerumgebung für diese Ergebnisse verantwortlich war, erlaubte uns unser Studiendesign nicht, den Einfluss von Circannual-Effekten auf die Wachstumsmuster von Kindern auszuschließen . Eine Zunahme der Körpergröße im Frühjahr / Frühsommer und eine Gewichtszunahme im Spätsommer und Frühherbst deuten auf die Aufrechterhaltung des BMI hin, es sei denn, die Höhenzunahme wird verzögert oder die Gewichtszunahme beschleunigt. Die konsistenten jüngsten Ergebnisse eines Anstiegs des BMI im Sommer, der zu erhöhten Adipositasraten beiträgt, deuten auf den potenziellen Beitrag von Störungen zu normalen zirkannualen Wachstumsmustern hin. Zusätzliche Studien sind erforderlich, um diese Hypothesen zu testen, um die mögliche Wechselwirkung zwischen den Auswirkungen von circannual Rhythmen, circadianer Fehlausrichtung und traditionellem Energiebilanzverhalten auf den Gewichtsstatus von Kindern zu klären.

Die Biologie, die dem Zusammenhang zwischen der circannual Clock und der saisonalen Gewichtszunahme zugrunde liegt

Der Energieverbrauch nimmt während des Schlafes ab und infolgedessen mag es kontraintuitiv erscheinen, dass eine Verkürzung des Schlafes oder der biologischen Nacht zu einer Gewichtszunahme führen würde . Beim Menschen ist die biologische Nacht jedoch durch einen hohen Melatoninspiegel gekennzeichnet, der eine Rolle beim Zeitpunkt der Lipidoxidation (d. H. Der Nutzung der im Fettgewebe gespeicherten Energie) und der Thermogenese von braunem Fett (d. H. Der Umwandlung von Fettsäuren) spielt und Glukose in Wärme) . Der biologische Tag beim Menschen ist durch das Fehlen von Melatonin gekennzeichnet, das zu Prozessen beiträgt, die am Kohlenhydratstoffwechsel beteiligt sind und zur Lipogenese (d. H. Zur Bildung von Lipiden) und zur Speicherung von Energie als Fett in der Fettzelle führen . Das Yin und Yang des biologischen Tages und der Nacht fördert den Energiehaushalt. Melatonin synchronisiert die metabolische Funktion der Adipozyten für eine hohe Lipolyse (d. H. Fett- oder Lipidabbau) während der Melatoninphase und eine hohe Lipogenese (d. H. Lipidbildung) während der Abwesenheit von Melatonin . Melatonin synchronisiert auch die Aktivierung von weißem Fettgewebe . Bei sibirischen Hamstern, die im Winter nicht an Gewicht zunehmen, führten kurze winterähnliche Tage zu einer längeren nächtlichen Melatoninfreisetzung mit einer stärkeren Stimulation der Melatoninrezeptoren im Vorderhirn, wodurch die Aktivierung des weißen Fettgewebes aktiviert wurde, was zu einer Lipolyse und einer Abnahme der saisonalen Adipositas führte . Im Gegensatz zum Menschen sind Hamster nachtaktive Tiere und daher ist die Melatoninfreisetzung mit ihrem biologischen Tag verbunden, an dem das Tier aktiv ist und sich ernährt. Melatonin-induzierte Bräunung von weißem Fettgewebe (d.h., Umwandlung von weißem Fettgewebe in metabolisch aktiveres beige oder braunes Fettgewebe) erhöht den Energieverbrauch, indem Fettsäuren und Glukose in Wärme umgewandelt werden, wodurch ihre thermogene Aktivität erhöht wird, was zu Gewichtsverlust führt . Eine stärkere Aktivierung des weißen Fettgewebes aufgrund längerer Melatoninrhythmen, die sich aus längeren Nächten im Winter ergeben, kann erklären, warum Kinder im Winter tendenziell nicht an Gewicht zunehmen und an den längeren Sommertagen eine schnellere Gewichtszunahme zeigen .

Zirkadiane Fehlausrichtung und Gewichtszunahme

Obwohl der genaue Mechanismus, durch den Chronodisruption zu Gewichtszunahme führt, unbekannt ist, führt Chronodisruption durch Schichtarbeit oder sozialen Jetlag zu einer Verringerung der Produktion von Melatonin . Angesichts der Rolle von Melatonin im Energiehaushalt kann eine zirkadiane Fehlausrichtung aufgrund der Desynchronisation von Prozessen, die an einem optimalen Energiehaushalt beteiligt sind, wichtige metabolische Konsequenzen haben . Beim Menschen führte sogar eine kurzfristige Fehlausrichtung der zirkadianen Rhythmen mit Schlaf- / Wach- und Schnell- / Futterverhalten zu einer erhöhten postprandialen (d. h. Glukose und Insulin, nimmt das Leptin ab und kehrt den Cortisolrhythmus um, so dass das Cortisol zu Beginn des Schlafes hoch war, anstatt nach dem Aufwachen, was darauf hindeutet, dass selbst kurzfristige Fehlausrichtungen zu einer Störung der Rhythmen im Zusammenhang mit dem Energiehaushalt führen können .

Zusätzlich zum Schlaf können Veränderungen des Essverhaltens und der körperlichen Aktivität im Sommer auch zu einer zirkadianen Fehlausrichtung führen, die mit einer erhöhten Adipositas einhergeht, die durch die Fehleinschätzung von Verhaltensrhythmen mit endogenen Rhythmen vermittelt wird . Eine Fehlausrichtung des Verhaltens mit endogenen Rhythmen wurde mit Veränderungen des Stoffwechsels und der Entwicklung von Fettleibigkeit in Verbindung gebracht . Es wurde gezeigt, dass körperliche Aktivität die zirkadiane Uhr vorangebracht hat, möglicherweise weil Bewegung die Amplitude der zirkadianen und homöostatischen Tagesrhythmen wie Kernkörpertemperatur, Erregung und Schlafneigung erhöht, was zu einer schnelleren Anhäufung von Schlafdruck führt (d. H. Der Schlafantrieb des Körpers, der sich mit zunehmender Wachzeit ansammelt), was zu früheren Schlafzeiten führt . So könnte eine Steigerung der körperlichen Aktivität frühere Schlafenszeiten bei Kindern fördern. Körperliche Aktivität kann auch die zentrale Uhr beeinflussen, indem die Belichtung im Freien maximiert wird, da die Zeit im Freien mit erhöhter körperlicher Aktivität verbunden ist , was die Synchronisation der internen Uhren mit der äußeren Umgebung erleichtert. Darüber hinaus gibt es immer mehr Hinweise darauf, dass Lebensmittel periphere Uhren wie Leber, Bauchspeicheldrüse und Darm synchronisieren . Da der Mensch aufgrund der verbesserten Insulinsensitivität einen täglichen Rhythmus der Glukoseverwertung mit einer effizienteren Glukoseverwertung am Morgen aufweist, gefolgt von einer schlechteren Glukoseverwertung und Insulinunempfindlichkeit am Abend , führt das Essen später am Tag zu einer akuten Exposition gegenüber höheren postprandialen Blutzuckerspiegeln, wobei die negativen Auswirkungen bis zum nächsten Morgen anhalten . Darüber hinaus ist eine verkürzte Schlafdauer mit einer Verschiebung der Melatoninrhythmen verbunden, was zu einem hohen Melatoninspiegel am Morgen nach dem Aufwachen und dem Verzehr der Morgenmahlzeit während der biologischen Nacht führt , was eine Fehlausrichtung der zentralen und peripheren Uhren widerspiegelt. Eine langfristige Dysregulation des Glukosespiegels kann zu Veränderungen der Kalorienaufnahme und -speicherung führen, die auch auf eine verkürzte Schlafdauer zurückzuführen sind , was darauf hindeutet, dass das falsche Timing von Ess- und Schlaf- / Wachmustern mit endogenen Rhythmen das Risiko für Typ-2-Diabetes und möglicherweise Fettleibigkeit erhöhen kann .

Zusammenfassung des vorgeschlagenen konzeptionellen Modells

Unter Berücksichtigung dieser Ergebnisse stellen wir das in Abb. 1. Wir schlagen vor, dass alle Kinder eine saisonale Rhythmik in ihren Größen- und Gewichtswachstumsmustern aufweisen, die durch die Exposition gegenüber dem saisonalen Hell-Dunkel-Zyklus der Erde synchronisiert werden. Eine längere Dauer der Melatoninsekretion während der Winternächte kann mit einer langsameren Gewichtszunahme im Winter verbunden sein, während die beschleunigte Gewichtszunahme von Kindern im Sommer auf eine kürzere Dauer der Melatoninsekretion (d. h., wegen der kürzeren Sommernächte). Wir schlagen vor, dass größere Veränderungen der sozialen Anforderungen von Kindern während der Sommerferien zu späteren und variableren Schlafenszeiten, einer stärkeren Exposition gegenüber künstlichem Licht in der Nacht, späteren und variableren Essenszeiten und reduzierter körperlicher Aktivität führen können. Die Variabilität dieser sich überschneidenden Tagesrhythmen kann zu einer Abstumpfung der zirkadianen Rhythmik beitragen, was die Menge an Melatonin, der Kinder im Sommer ausgesetzt sind, weiter reduzieren kann. circannual rhythm Disruption) und trägt so zu einer beschleunigten Gewichtszunahme bei, die die Entwicklung von Übergewicht oder Fettleibigkeit während der Sommerferien fördert.

Bereiche für zukünftige Forschung

Obwohl es Hinweise darauf gibt, dass das Wachstum von Kindern ein saisonales Muster aufweist (das durch die Exposition gegenüber dem Hell-Dunkel-Zyklus mitgerissen wird) , ist die Bedeutung der Circannual Clock für das Wachstum von Kindern und im weiteren Sinne für die menschliche Gesundheit relativ unbekannt. Forschung ist erforderlich, um die Umweltsignale zu bestimmen, die den Circannual-Rhythmus bei Erwachsenen und Kindern synchronisieren (d. H. b. Verlängerung oder Verkürzung der Tageslänge, Änderung des Zeitpunkts von Sonnenaufgang oder Sonnenuntergang, Änderungen der Lichtintensität und Temperatur) und wie sich die Circannual-Rhythmen zwischen Klimazonen und geografischen Standorten unterscheiden. Die Untersuchung des Jahresrhythmus beim Menschen ist schwierig, da der Mensch ein ganzes Jahr lang keinen experimentell kontrollierten Lichtplänen ausgesetzt werden kann. Es kann jedoch möglich sein, Umgebungshinweise zu manipulieren, um hervorstechende Synchronisatoren jährlicher Rhythmen in verschiedenen Entwicklungsstadien zu bestimmen. Zum Beispiel stellte eine Studie fest, dass die Lichttherapie im Winter zu einer Zunahme der Körpergröße bei jugendlichen Männern im gleichen Zeitraum führte, einer Jahreszeit, in der eine Höhenzunahme typischerweise nicht auftritt . Ähnliche Studien könnten durchgeführt werden, um die Gewichtszunahme zu untersuchen. Wir würden erwarten, dass die Lightbox-Therapie zu einer Verschiebung des zirkannualen Wachstumsrhythmus führen würde, der durch einen früheren Zeitpunkt der erhöhten Höhengeschwindigkeit gekennzeichnet ist, gefolgt von einem früheren Beginn der erhöhten Gewichtsgeschwindigkeit. Des Weiteren, Viel von dem, was über die menschliche Saisonalität und die Mitnahme an natürlicher und künstlicher moderner Beleuchtung bekannt ist, stammt aus Studien mit Erwachsenen . Kinder scheinen aufgrund transparenterer Augenlinsen und größerer Pupillen empfindlicher auf Lichteinwirkung zu reagieren . Daher sind Studien erforderlich, um zu verstehen, wie die zirkadianen Systeme von Kindern und insbesondere die Melatonin-Rhythmen unter natürlichen Lichtverhältnissen (z. B. Camping) und modernen Lichtverhältnissen über Jahreszeiten, geografische Standorte und in Schul- und Sommerferienumgebungen hinweg reagieren. Da Kinder empfindlicher auf die Auswirkungen von Licht reagieren , können sie möglicherweise einen einjährigen Rhythmus beibehalten, auch wenn Erwachsene dies nicht tun. Auch die Art der Schul- und Schulferienumgebung kann sich von der typischen erwachsenen Büroangestellten so sehr unterscheiden, dass sie ihren Circannual-Rhythmus auf unbekannte Weise beeinflussen kann. Es ist zwar nicht klar, wie sich die moderne Beleuchtungsumgebung auf das Wachstum von Kindern auswirkt, jüngste Studien legen jedoch nahe, dass das derzeitige Umfeld einer beschleunigten Gewichtszunahme im Sommer förderlich ist, was wiederum zu hohen Fettleibigkeitsraten bei Kindern beiträgt.

Um zu untersuchen, inwieweit ein beschleunigter Anstieg des BMI im Sommer mit circadianen und / oder circannualen Einflüssen zusammenhängt, wären experimentelle Laborstudien ideal. Es gibt jedoch viele praktische und ethische Überlegungen, die ihre Machbarkeit bei Kindern einschränken können. Daher können Tiermodelle verwendet werden, um Aspekte unserer Hypothese wie den Einfluss der zirkadianen Fehlausrichtung auf die saisonale Gewichtszunahme zu testen. Beobachtungsstudien, die den Schlaf, die körperliche Aktivität, die Essgewohnheiten, die Lichtexposition und das Wachstum von Kindern monatlich und über geografische Standorte und Kulturen hinweg messen, könnten Zusammenhänge zwischen diesen Faktoren untersuchen. Beobachtungsstudien wären entscheidend für die Untersuchung, ob sich die zirkannualen Rhythmen im Wachstum von Kindern nach Geschlecht, ethnischer Zugehörigkeit, Alter und Pubertätsstatus unterscheiden. Eine solche Forschung kann zu wichtigen Entdeckungen hinsichtlich der Ätiologie von gesundem Wachstum und Fettleibigkeit bei Kindern sowie zu wirksameren Interventionsinstrumenten führen.

Tatsächlich wurde die Gewichtszunahme im Sommer nicht bei allen Kindern beobachtet, und kritische individuelle Faktoren sind nach wie vor wenig bekannt. Es ist möglich, dass die Auswirkungen der Melatonin-Dauer auf das Wachstum allein durch die zirkadianen Uhren vermittelt werden; Dies wurde jedoch noch nicht untersucht. Schließlich soll unsere Theorie der Gewichtszunahme im Sommer nicht die zentrale Rolle von Ernährung und körperlicher Aktivität ersetzen, sondern schlägt zusätzliche Elemente zum Verständnis von Gewichtsveränderungen vor, die nicht nur durch willkürliche Zu- oder Abnahmen von Ernährung und körperlicher Aktivität erklärt werden.

Auswirkungen auf die Prävention und Behandlung von Fettleibigkeit bei Kindern

Circadiane und circannual Fehlausrichtung durch Änderungen in der Zeit der Belichtung, Schlaf / Wach-Zeitpläne und Essgewohnheiten verursacht scheinen kritische Faktoren für ungesunde Gewichtszunahme zu sein . Interventionen zur Prävention von verhaltensbedingter Adipositas, die auf die außerschulische Sommerferienumgebung abzielen, können daher von der Förderung einer optimalen zirkadianen Gesundheit im Sommer profitieren, indem ein konsistentes Schlaf-Timing auf beiden Seiten (z. schule) und freie Tage, optimale Schlafdauer, Begrenzung der Exposition gegenüber künstlichem Licht am Abend , Förderung der Lichtexposition während des Tages, insbesondere am Morgen , Förderung der körperlichen Aktivität (zur Verbesserung der abendlichen Müdigkeit) , Förderung eines Nachtfastens durch Begrenzung der Nahrungsaufnahme am Abend und Aufrechterhaltung konsistenter Essensmuster . Es ist möglich, dass Verhaltensänderungen im Zusammenhang mit der Lichtexposition akzeptabler oder einfacher umzusetzen sind als Empfehlungen zur Reduzierung der Kalorienaufnahme und zur Steigerung der körperlichen Aktivität, wodurch die Interventionsrate erhöht wird Einhaltung.