Chu kỳ nhịp sinh học là gì? Các bài báo nghiên cứu khoa học

Định nghĩa chu kỳ nhịp sinh học

Chu kỳ nhịp sinh học, còn gọi là nhịp sinh học circadian, là chuỗi thay đổi sinh lý diễn ra theo chu kỳ khoảng 24 giờ trong cơ thể sống. Đây là một cơ chế nội sinh giúp sinh vật thích ứng với sự thay đổi ngày và đêm, chủ yếu thông qua ánh sáng mặt trời. Những thay đổi này ảnh hưởng đến hoạt động thần kinh, nội tiết, trao đổi chất và hành vi.

Ở người, chu kỳ nhịp sinh học kiểm soát các chức năng như thời điểm ngủ – thức, tiết hormone, nhiệt độ cơ thể và huyết áp. Các nghiên cứu chỉ ra rằng sự đồng bộ giữa chu kỳ nội sinh và chu kỳ môi trường có vai trò quan trọng trong duy trì sức khỏe. Nhịp sinh học hoạt động ngay cả khi không có tín hiệu môi trường, nhưng có thể được điều chỉnh lại nhờ các yếu tố ngoại sinh (zeitgebers), đặc biệt là ánh sáng.

Theo NCBI, nhịp sinh học ở động vật có vú bao gồm các gene đồng hồ (clock genes) hoạt động thông qua vòng lặp phiên mã – dịch mã ngược (TTFL). Vòng lặp này tạo ra biểu hiện dao động của các protein liên quan đến đồng hồ sinh học theo chu kỳ ~24 giờ.

Cơ chế hoạt động của đồng hồ sinh học

Đồng hồ sinh học trung ương được xác định nằm tại nhân trên chéo (SCN – suprachiasmatic nucleus) thuộc vùng dưới đồi. SCN nhận tín hiệu ánh sáng thông qua đường dẫn truyền từ võng mạc và đóng vai trò điều phối các đồng hồ ngoại vi tại gan, tim, phổi, tuyến tụy và các mô khác. Đây là trung tâm tạo nhịp chính trong hệ sinh vật có xương sống.

Các gene CLOCK và BMAL1 mã hóa protein hoạt hóa phiên mã, kích hoạt biểu hiện các gene PER và CRY. Sự tích tụ protein PER/CRY sau đó ức chế ngược sự hoạt động của CLOCK/BMAL1, tạo nên vòng lặp phản hồi âm tính có tính chu kỳ. Quá trình này có thể biểu diễn như sau: $Clock/Bmal1 \xrightarrow{transcription} Per/Cry \xrightarrow{inhibition} Clock/Bmal1$

Bên cạnh nhân SCN, một số mô cũng có thể giữ đồng hồ sinh học riêng biệt, gọi là đồng hồ ngoại vi. Dù các đồng hồ này có thể tự hoạt động, chúng vẫn bị chi phối bởi SCN qua tín hiệu thần kinh và hormone như cortisol hoặc melatonin. Việc mất đồng bộ giữa SCN và các đồng hồ ngoại vi dẫn đến rối loạn nhịp sinh học, ảnh hưởng đến sức khỏe chuyển hóa.

Ảnh hưởng của ánh sáng và các yếu tố ngoại sinh

Ánh sáng là yếu tố điều phối mạnh nhất của nhịp sinh học. Ánh sáng xanh (bước sóng 460–480 nm) có khả năng ức chế mạnh sự tiết melatonin, gây trì hoãn thời điểm bắt đầu giấc ngủ. Ngoài ánh sáng, các zeitgeber khác như thời gian ăn uống, hoạt động thể chất, nhiệt độ và thuốc cũng có ảnh hưởng điều chỉnh đồng hồ sinh học.

Một số yếu tố ngoại sinh chính ảnh hưởng đến nhịp sinh học:

• Ánh sáng nhân tạo (đèn LED, màn hình thiết bị số)
• Lịch trình làm việc không cố định (làm ca đêm, đổi ca)
• Thay đổi múi giờ (jet lag khi di chuyển liên lục địa)
• Ăn uống vào giờ khuya hoặc không đều đặn

Theo NIH (2017), việc tiếp xúc ánh sáng không phù hợp nhịp nội sinh có thể làm tăng nguy cơ rối loạn giấc ngủ, béo phì, tiểu đường type 2, bệnh tim mạch và rối loạn cảm xúc. Hiện tượng “jet lag xã hội” do lệch pha giữa giờ sinh học và giờ xã hội ngày càng phổ biến trong lối sống hiện đại.

Nhịp sinh học và chu kỳ ngủ - thức

Một trong những chức năng rõ rệt nhất của nhịp sinh học là điều chỉnh giấc ngủ – thức. Hormone melatonin được sản xuất tại tuyến tùng vào buổi tối, đạt đỉnh vào ban đêm và giảm mạnh sau khi tiếp xúc với ánh sáng ban ngày. Chu kỳ melatonin gắn liền với cảm giác buồn ngủ và thời điểm bắt đầu giấc ngủ tự nhiên.

Sự sai lệch trong hoạt động của nhịp sinh học có thể dẫn đến nhiều rối loạn liên quan đến giấc ngủ:

• Rối loạn pha ngủ trễ (DSPS): ngủ muộn, dậy muộn
• Rối loạn pha ngủ sớm (ASPS): buồn ngủ từ rất sớm
• Hội chứng ngủ lệch múi giờ (Jet lag disorder)

Biểu đồ minh họa chu kỳ melatonin và các giai đoạn trong ngày:

Thời điểm	Trạng thái sinh học	Mức melatonin
06:00 - 08:00	Thức dậy – ánh sáng mạnh	Thấp
20:00 - 22:00	Chuẩn bị ngủ	Bắt đầu tăng
02:00 - 04:00	Ngủ sâu – tối hoàn toàn	Đạt đỉnh

Ảnh hưởng của nhịp sinh học đến sức khỏe

Rối loạn nhịp sinh học có tác động sâu rộng đến sức khỏe thể chất và tinh thần. Các nghiên cứu dịch tễ và sinh học phân tử cho thấy mối liên hệ chặt chẽ giữa sự sai lệch chu kỳ sinh học với nhiều bệnh mạn tính như hội chứng chuyển hóa, tim mạch, ung thư, trầm cảm và suy giảm nhận thức.

Theo Nature Reviews Cardiology, sự mất đồng bộ giữa SCN và các đồng hồ ngoại vi gây biến động huyết áp, rối loạn lipid máu, tăng đề kháng insulin – những yếu tố nguy cơ trực tiếp của bệnh tim mạch. Ngoài ra, làm việc ca đêm kéo dài được ghi nhận có liên quan đến ung thư vú, tuyến tiền liệt và đại trực tràng do rối loạn tiết hormone và chu trình sao chép DNA.

Các vấn đề sức khỏe liên quan đến nhịp sinh học bị rối loạn:

• Rối loạn giấc ngủ mãn tính
• Tiểu đường type 2 và béo phì
• Suy giảm miễn dịch
• Rối loạn lo âu và trầm cảm
• Giảm hiệu suất nhận thức, rối loạn trí nhớ

Ứng dụng trong y học cá thể (chronomedicine)

Nhịp sinh học là nền tảng cho lĩnh vực y học theo thời gian (chronomedicine), một nhánh nghiên cứu nhắm đến việc cá nhân hóa điều trị dựa trên thời điểm sinh học tối ưu. Nhiều loại thuốc có dược động học và dược lực học thay đổi theo giờ trong ngày, do đó, việc lựa chọn thời điểm sử dụng phù hợp có thể tăng hiệu quả và giảm độc tính.

Theo Chronobiology International (2021), dùng statin vào buổi tối đạt hiệu quả giảm cholesterol tốt hơn do enzyme HMG-CoA reductase hoạt động mạnh vào đêm. Tương tự, thuốc chống tăng huyết áp nhóm ACEI nên dùng vào chiều tối để tối ưu hóa kiểm soát huyết áp về đêm.

Một số ứng dụng nổi bật của chronomedicine:

• Hóa trị ung thư: lên lịch theo nhịp tế bào để giảm tổn thương mô lành
• Điều trị tăng huyết áp: dùng thuốc vào thời điểm huyết áp có xu hướng tăng đột biến
• Điều chỉnh insulin và thuốc tiểu đường theo nhịp ăn uống – ngủ – hoạt động

Nhịp sinh học ở các nhóm tuổi khác nhau

Chu kỳ nhịp sinh học thay đổi theo giai đoạn phát triển sinh học. Trẻ sơ sinh chưa hình thành nhịp rõ ràng do hệ thần kinh chưa trưởng thành. Đến khoảng 3 tháng tuổi, đồng hồ sinh học bắt đầu đồng bộ dần với chu kỳ ngày – đêm. Trong tuổi thiếu niên, hiện tượng “pha muộn” xuất hiện rõ rệt, khiến nhiều thanh thiếu niên có xu hướng ngủ muộn và khó dậy sớm.

Người trưởng thành có nhịp sinh học tương đối ổn định, nhưng bước vào tuổi già, chu kỳ lại có xu hướng “pha sớm” – cảm thấy buồn ngủ từ rất sớm và thức giấc từ tờ mờ sáng. Điều này phần lớn do giảm tiết melatonin, giảm độ nhạy của đồng hồ SCN và ít tiếp xúc ánh sáng tự nhiên.

Bảng tóm tắt đặc điểm nhịp sinh học theo nhóm tuổi:

Nhóm tuổi	Chu kỳ đặc trưng	Vấn đề phổ biến
Sơ sinh (0–3 tháng)	Chu kỳ ngắn (~3–4h), chưa ổn định	Thức – ngủ ngắt quãng
Thiếu niên (12–18 tuổi)	Pha muộn, nhạy cảm với ánh sáng	Ngủ muộn, thiếu ngủ học đường
Người già (>60 tuổi)	Pha sớm, nhạy cảm âm thanh	Mất ngủ, thức dậy sớm

Nhịp sinh học ở động vật và thực vật

Nhịp sinh học không chỉ tồn tại ở người mà còn phổ biến ở hầu hết sinh vật sống. Ở động vật, chu kỳ hoạt động – nghỉ ngơi, săn mồi, sinh sản đều được lập trình theo nhịp nội sinh. Ở thực vật, hiện tượng mở – đóng lá, nở hoa, tổng hợp diệp lục diễn ra theo chu kỳ ngày – đêm.

Các mô hình nghiên cứu sinh học nhịp sử dụng động vật như chuột, ruồi giấm (Drosophila melanogaster), cá ngựa vằn (zebrafish). Trong các mô hình này, đột biến gene Clock, Bmal1, Per hoặc Cry có thể gây rối loạn hành vi hoạt động hoặc nhịp sinh học hoàn toàn bị mất.

Ở thực vật như cây Arabidopsis thaliana, gene TOC1 và LHY điều hòa biểu hiện enzyme quang hợp và đồng bộ với ánh sáng mặt trời. Nhờ nhịp nội sinh, cây trồng có thể dự đoán thời gian trong ngày để tối ưu hóa quá trình trao đổi chất.

Biến đổi nhịp sinh học do nghề nghiệp và lối sống

Lối sống hiện đại góp phần lớn vào sự gia tăng các trường hợp rối loạn nhịp sinh học. Làm việc theo ca, sử dụng thiết bị điện tử ban đêm, ăn uống không giờ giấc, ngủ thiếu hoặc lệch pha là những nguyên nhân phổ biến làm phá vỡ đồng bộ giữa SCN và các đồng hồ ngoại vi.

Các nhóm dễ bị ảnh hưởng gồm:

• Nhân viên y tế, công nhân làm ca đêm
• Pilot, tiếp viên hàng không (jet lag liên tục)
• Sinh viên, freelancer, streamer – giờ sinh hoạt đảo lộn

Một số chiến lược cải thiện nhịp sinh học bao gồm:

• Giới hạn ánh sáng xanh vào buổi tối
• Sử dụng liệu pháp ánh sáng sáng sớm (light therapy)
• Thiết lập giờ ăn, giờ ngủ cố định hằng ngày
• Uống melatonin có kiểm soát (theo chỉ định)

Tài liệu tham khảo

1. Reppert, S. M., & Weaver, D. R. (2002). Coordination of circadian timing in mammals. Nature. nature.com/articles/nature00965
2. Hood, S., & Amir, S. (2017). The aging clock: Circadian rhythms and later life. Journal of Clinical Investigation. PMC5388543
3. Smolensky, M. H., & Peppas, N. A. (2007). Chronobiology, drug delivery, and chronotherapeutics. Advanced Drug Delivery Reviews. sciencedirect.com
4. Duffy, J. F., & Czeisler, C. A. (2009). Effect of light on human circadian physiology. Sleep Medicine Clinics. NCBI
5. Martino, T. A., & Sole, M. J. (2016). Molecular time: circadian clocks and cardiovascular disease. Nature Reviews Cardiology. nrcardio.2016.225
6. Hermida, R. C. et al. (2021). Chronotherapy improves treatment outcomes. Chronobiology International. sciencedirect.com