Was ist Chronobiologie?

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1 Schicht- und Nachtarbeit aus der Sicht der Chronobiologie Chronobiologische Faktoren (Tagesrhythmik) Christian Cajochen Zentrum für Chronobiologie Universitäre Psychiatrische Kliniken, Basel, Schweiz Bewältigung von Schichtarbeitsproblemen Faktoren Soziale Faktoren (Haushalt, Familie) 4. Notfallpflege-Kongress 7. November 213, Interlaken Was ist Chronobiologie? Das circadiane Orchester Die Wissenschaft der biologischen Rhythmen - tägliche, monatliche, saisonale - Direktor des Orchester Zentrale Uhr im Nucleus suprachiasmaticus (SCN) um Orchesterpartitur (Uhrengene) Melodie (Circadianrhythmik) Bei allen lebenden Organismen (vom Bakterium zum Menschen) Auf allen Ebenen der Organisation (von den Genen bis zum Verhalten) Orchesterinstrumente (Peripheren Uhren) Nacht Tag Nacht Tag Melatonin Kortisol Wachstumshormon Leptin Körpertemperatur Die Taktfrequenz der inneren Uhr des Menschen Jeder Mensch hat eine andere Taktfrequenz Anzahl Versuchspersonen Median = 24.1 h 11 Junge Erwachsene (2-41 yr) 1 2 Personen (46M,6F) tau (Stunden) Morgentypen (Lerchen) Abentypen (Eulen) Czeisler et al., Science 1999 Plasma Melatonin (pmol/l) Plasma Melatonin (pmol/l) 24 Stunden später 3 4 Stunden später 64 Stunden später 2 Herr Müller Taktfrequenz: 24. Stunden Tageszeit (h) 24 Stunden später 3 4 Stunden später 64 Stunden später 2 Frau Maier Taktfrequenz: 23. Stunden Tageszeit (h) 1

2 Regulation zirkadianer -Wach-Rhythmen Zirkadianer -Wach-Rhythmus Externer 24h-Rhythmus Endogener zirkadianer Rhythmus Zeitgeber Auge Retina ENTRAINMENT SCN = Haupttaktgeber «Masterclock» SYNCHRONISATION Melatonin Körperkerntemperatur Stimmung [ C] [pg/ml] SCHLAF SCHLAF Oszillatoren in Organen Kognition Oszillatoren in Zellen «Uhrengene» Tageszeit Tagesrhythmik und Psyche Happiness. Sehr Glücklich.4 Globale Stimmungsschwankungen im Tagesverlauf Riesen-Archiv von Twitter Messages (9 Millions posts), die mit einem Textanalyse Programm auf positive und negative Affekte hin analysiert wurden. Neutral. -.4 Tagesgang des Positiven Affekts Traum- Erinnerungsvermögen.. Sehr Traurig Viele Träume Positiver Affekt Tageszeit Keine Träume Cajochen et al., Sleep Tagezeit(h) Golderand Macy, Science, 211 Unsere biologische Uhr wird durch den LICHT-DUNKEL Wechsel auf den 24-Stunden Tag synchronisiert -Wachrhythmus einer sehbehinderten Person Sehende Person Sehbehinderte Person Externe Zeit Interne Zeit Wach Wach Wach Wach 2

3 CC2 (h) Moderne Erfindungen ermöglichen eine 24-h Produktivität KSS 7 3 Karolinska Sleepiness Scale 2 Erfindung der Glühbirne Thomas Alva Edison, 179 pmol/l 1 Plasma Melatonin D C -1 Blood flow and heat loss pm -7 am Ermöglicht Nachtarbeit: am Tag % of -min epochs Slow Eye Movements Incidental Sleep Stage Elapsed Time Awake (h) Cajochen et al., Am. J. Physiol 1999 Papiermühle (m, 34) Morgen, nacht, nachmittag 2 Tage frei 2 Schichtarbeiter Lastwagenfabrik (m, 1) Nachtschichten, Wochenende frei Jetlag Zeitzonenverschiebung Schweiz-Kalifornien (h) m, 4 Jahre Lowden et al. 21 upublished data Schichtarbeitende und probleme Die 6 stärksten schlafbezogenen Störfaktoren Antwortkategorien stark, sehr stark zusammengefasst in Prozent, (n=1 47) 1 % 6 9 Schichtarbeitende (inkl. Nachtschicht) 4 Reguläre Nachtschicht arbeitende 2 Ehemalige Schichtarbeitende Nach Zulley, 1997 Quelle: DAK Gesundheitsreport 21, basierend auf der Bevölkerungsumfrage 29 3

4 Folie 14 CC2 PVT reaction time (median) einsetzen anstatt die eye blink rate. heat loss über dem Melatonin mit Händen von Kurt. hirnbildli von CAC welche areas affected sind mit sleep loss. Cajochen Christian (Chronobiologie);

5 Di Mi Fr Di Mi Fr Di Mi Fr Di Mi Fr Wachzyklen (Aktimetrie von 2 Lonza Mitarbeitern, schwarz inaktiv, weiss aktiv) März 1. April Lang/Kurz Schichtplan: «Lang» Mo Do Schichtpläne Sa So Mo Do Sa So Schichtteam Mai Schichtteam 2 12 Schichtteam 3 12 Schichtteam Juni 1. Juli Kurz/Kurz Schichtplan: «Kurz» Mo Do Sa So Mo Do Sa So Schichtteam 1 12 Schichtteam August Schichtteam 3 12 Schichtteam 4 12 Frühschicht 1. Sept Spätschicht Nachtschicht Frei Gemittelte circadiane -Wachzyklen nach Schicht Frühschicht (:-13: Uhr) Spätschicht (13:-21: Uhr) Nachtschicht (21:-: Uhr) Pittsburgh qualitätsindex Besser Schlechter qualität * Früh Spät Nacht Schicht Kurz Lang Grenze störung dauer Verschlechterung der qualität in Abhängigkeit der Schicht und Alter dauer (Stunden) Früh Spät Schicht * Nacht Kurz Lang Schweizer Durchschnitt Verschlechterung der qualität =qualität während Freitagen jährig 6-jährig Nachtschicht 2-jährig 6-j Frühschicht 4

6 Abendtyp Im Alter wird man eher eine Lerche (Morgentyp) Schichtarbeit, Sicherheit und Alter Es gibt keine Studie über die kombinierten Effekte von Schichtarbeit und Alter auf die Sicherheit und das Wohlbefinden am Arbeitsplatz Morgentyp Alter (Jahre) Sicher ist: 1. Verletzungen und Unfälle am Arbeitsplatz sind nachts häufiger und nehmen im Verlauf von mehreren Nachtschichten zu 2. Ältere verletzen sich am Arbeitsplatz weniger häufig, dafür meistens ernsthafter als Jüngere 3. Ältere haben grössere Schwierigkeiten, Ihre kognitiven Leistungsfähigkeit während der Nachtschicht und über mehre Nachtschichten aufrechtzuerhalten als Jüngere Folkard, Chronobiology International, 2 Konsequenzen zirkadianer -Wach-Störungen EMOTIONALE EBENE Depression Stimmungsschwankungen Erschöpfung Reizbarkeit Stress (HPA-Achse) Frustration, Ärger Erhöhte Impulsivität Manie und risikoreiches Verhalten Erhöhter Alkohol-und Substanzmittelmissbrauch KOGNITIVE EBENE Reduzierte Aufmerksamkeit und Konzentration Reduzierte Gedächtnisleistung Reduzierte Exekutivfunktionen Reduzierte Multitask- Fähigkeiten SOMATISCHE EBENE Schläfrigkeit, Mikroschlaf Erniedrigte Schmerz-und Temperaturschwelle Kardiovaskuläre Erkrankungen Erhöhtes Krebsrisiko Stoffwechselprobleme Reduziert Immunleistung für Erkrankungen und virale Infektionen Erhöhtes Diabetes-II Risiko 16% mehr Autounfälle nach einer >= 24 Stunden- Nachtschicht 46% mehr fast Autounfälle(near miss car crashes) CASE CONTROLLED ANALYSIS Number of reported crashes Number of commutes from hospital Rate for 1, commutes from hospital (WITHIN INDIVIDUALS) Extended shifts (> 24 hrs) Non-extended shifts (<24 hrs) 73 4,121 1,29 1.7*** [+16%] ***OR = 2.3 (1.6, 3.3).4 Χ 2 =21.4 df=1; p<.1 Barger LK, et al. N EnglJ Med 2 Dosiswirkungsbeziehungzwischen Wochen-Arbeitsstundenvon Assistenzärzten und dem Risiko eines fatalen Autounfalles Persönlich bedingte Faktoren, welche zu Problemen bei Schichtarbeit führen können > Jahre alt Zweitverdienst (second job) Viel Arbeit und Verantwortung im Haushalt Morgentypen ( Lerchen ) störungen Psychische Erkrankung Alkohol-/ Drogenmissbrauch Gastrointestinale Beschwerden Epilepsie Diabetes Herzkrankheiten Barger LK, et al. N EnglJ Med 2

7 Arbeitsbedingte Faktoren, die zu Problemen bei Schichtarbeit führen können Arbeitsbedingte Faktoren, die zu Problemen bei Schichtarbeit führen können Mehr als Nachtschichten hintereinander ohne Freitage Mehr als vier 12-Stunden Nachtschichten hintereinander Arbeitsbeginn der ersten Schicht früher als 7 Uhr früh Wöchentlicher Schichtwechsel Weniger als 4-Std Freizeit nach einem Früh-Spät- Nachtschichtplan Sehr viele Überstunden und Übermässiges Arbeiten an Wochenenden Rückwärtsrotierender Schichtplan (Nacht - Früh - Spätschicht) 12-Std Schichten mit kritischen Überwachungsaufgaben, starken körperlichen Anstrengungen, gefährlichen Substanzen Lange Arbeitswege Aufgeteilte Schichten mit zu kurzen Unterbrüchen Zu wenig Pausen während der Schichtarbeit Zu komplizierte Schichtpläne, wo ein Vorausplanen schwierig wird Behandlungsstrategien von störungen bei Schichtarbeit Arbeitszeitpläne Anzahl hintereinander liegenden Nachtschichten möglichst klein Ungünstige Schichtwechsel vermeiden: vorwärts rotieren (Früh-Spät- Nachtschicht) Feste /Wachzeiten auch an arbeitsfreien Tagen, wenn nicht möglich: viele kurze Nickerchen Verschreibungspflichtige mittel nicht empfehlenswert, keine Langzeitwirkung, können die Innere Uhr nicht umstellen Stimulantien (Koffein, Modafinil) können die Wachsamkeit erhöhen, sollten jedoch 4 Stunden vor dem Zubettgehen nicht eingenommen werden Melatonin Gegenstand der Forschung, noch nicht zugelassen in der Schweiz druck Tagesrhythmik Nickerchen Koffein Modafinil Licht Dürfen Schichtarbeiter während Pausen schlafen? Power Nap Erlaubt (aber diskret) 32% 32% Strenges Verbot mit Sanktionen Bei Politkern und Managern Managerschlaf 1% 21% In Japan Inemuri Erlaubt & Empfohlen Verboten ohne Sanktionen Quelle: Shiftwork Practices 2 6

8 Power Nap Melatoninspiegel bei zwei Schichtarbeitern ohne Lichtbehandlung (links) und rechts mit Lichtbehandlung Dosis 2 Minuten wenn möglich kombiniert mit einem Kaffee vor dem Nap Wirkung Senkt Müdigkeit Steigert die geistige und körperliche Leistungsfähigkeit für ca. 2-3 Stunden Vermindert das Herzinfarktrisiko (um ca. 37% bei 23 Probanden) Nebenwirkung Keine Wenn zu lang: trunkenheit, kurzeitige Verwirrtheit, Verstimmung Einschlafschwierigkeiten in der Nacht Shanahan et al., 1997 Die wachheitssteigernde Wirkung von Licht während der Nachtschicht Welche biologischen Faktoren sind wichtig für die Schichtarbeit? Müdigkeit (KSS) Montag Dienstag Mittwoch Donnerstag * * * * lux 2 lux Uhrzeit (h) * * Chronotypus: Abendtypen adaptieren besser als Morgentypen dauer: Kurzschläfer adaptieren besser als Langschläfer Frauen brauchen mehr als Männer Alter: mehr probleme ab Jahren, circadianer Rhythmus flacht ab Lowden et al., 24 WelchebiologischenFaktorensindwichtigfürdie Schichtarbeit? Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! Chronotypus:Abendtypen adaptieren im allgemeinen besser als Morgentypen dauer:kurzschläfer adaptieren besser als Langschläfer Geschlecht: Frauen brauchen mehr als Männer Alter:mehr probleme ab Jahren, circadianer Rhythmus flacht ab Zentrum für Chronobiologie Universitäre Psychiatrische Kliniken, Basel 7

9 Verschlechterung der qualität in Abhängigkeit der Schicht und Alter Melatoninmessung im Speichel als circadianer Marker (SLEEP CHECK) Verschlechterung der qualität =qualität während Freitagen jährig 6-jährig Nachtschicht 2-jährig 6-j Frühschicht BÜHLMANN Laboratories AG Baselstr. CH-4124 Schönenbuch Switzerland Fon: Fax: Suprachiasmatic Nucleus SCN Paraventricular Nucleus Pinealis Superior Cervical Ganglion Plasma Melatonin (pmol/l) (h) Pilotstudie: und Circadianrhythmik bei Schichtarbeitern der Lonza Werke Visp (Frühling/Sommer 21) Pilotstudie Lonza Werke Visp Pilotstudie Lonza Werke Visp Fragestellung: Welchen Einfluss haben zwei Versionen von kurzrotierenden Schichtplänen auf das -Wachverhalten, die qualität und das circadiane Profil der Melatoninausschüttung bei freiwilligen Studienteilnehmern, rekrutiert von Schichtarbeitenden der Lonza Werke Visp? Studiendesign: Das -Wachverhalten und die Circadianrhythmik der Studienteilnehmer wurden während 6 Monaten unter zwei verschieden kurzrotierenden Schichtplänen gemessen und quantifiziert.

10 Hypothesen: Chronobiologische Messmethoden 1. Die Nacht-und die Frühschicht führen zu einer Verschlechterung der qualität und einer Verkürzung der dauer, unabhängig vom Rotationsplan der Schicht. 2. Der kürzer rotierende Schichtplan führt zu weniger «circadianer Desynchronisation», d.h. weniger Verschiebungen des Melatoninrhythmus=bessere Abstimmung mit dem 24-h Tag. 3. Daher sollte der kürzer rotierende Schichtplan allgemein zu einer besseren qualität führen. Aktimetrie: zur Registrierung des -Wachzyklus und des Umgebungslichts. Kontinuierlich während 6 Monaten, in 1-min Intervallen (total > Datenpunkte pro Person) Melatonin: zur Registrierung der abendlichen Melatoninsekretion. Zweimal, jeweils am Beginn und am Ende der 6-monatigen Untersuchungsphase während freien Tagen (total 1 Datenpunkte pro Person) Diverse Fragebogen zum verhalten und der qualität. MunichChronotype Questionnaire, Pittsburgh SleepQuality Index:Monatlich während der 6-monatigen Untersuchungsphase (total > 1 Datenpunkte pro Person) Chronobiologische Messmethoden zur Untersuchung circadianer -Wachstörungen bei Schicht- und Nachtarbeitern Teilnehmer Teilnehmer: 22 Angestellte der Firma Lonza, Visp -Wach Tagebücher Kognitive Tests [Müdigkeit, Reaktionszeit] Time of Day Aktimetrie [Ruhe-Aktivitätszyklus] Hormone [Melatonin, Kortisol] Alter: 2-6 Jahre, Mittelwert: 3.9 ± 7.7 std Geschlecht: 19 Männer, 3 Frauen BMI: 21-33; Mittelwert: 2.1 ± 3. std Dienstjahre: 3-2 Jahre; Mittelwert: 9.4 ± 6. std Zuordnung der Schichten Resultate Code Date Shift start end Lonza nacht 1 21: : Lonza nacht 2 21: : Lonza frei 3 Lonza frei 4 Lonza früh : 13: Lonza früh 6 : 13: Lonza früh 7 : 13: Lonza spät 13: 21: Lonza spät 9 13: 21: Lonza nacht 1 21: : Lonza nacht 11 21: : Lonza frei 12 Lonza frei 13 Lonza frei 14 Lonza früh 1 : 13: Lonza früh 16 : 13: Lonza spät 17 13: 21: Lonza ferien 1 Lonza ferien 19 Lonza ferien 2 Lonza ferien 21 9

11 Lonza Lonza Lonza Lonza Lonza Lonza Lonza Lonza Lonza Lonza Gemittelte 24-Stunden Profile des Umgebungslichts nach Schicht 1 : : -h vor -h -h nach -h vor -h -h nach Schicht Schicht Schicht Schicht Schicht Schicht Circadiane -Wachzyklen nach Rotationsplan und Schicht Frühschicht (:-13: Uhr) Spätschicht (13:-21: Uhr) Nachtschicht (21:-: Uhr) 1 -h vor -h -h nach -h vor -h -h nach Frühschicht Licht Exposition Schicht Schicht Schicht Schicht Schicht Schicht 13: 13: -h vor -h -h nach -h vor -h -h nach Kurz Lang Spätschicht 2 Schicht Schicht Schicht Schicht Schicht Schicht : 23: Nachtschicht Circadiane -Wachzyklen nach Rotationsplan und Schicht -Wachrhythmus am Handgelenk Frühschicht Kurz Lang * Signifikanz für Faktor Rotationsplan Registrierung des - Wachrhythmus 1 Spätschicht Nicht Signifikant für Faktor Rotationsplan Krankheitsverlauf Actiwatch Cambridge Neurotechnology.1 1 Nachtschicht * Signifikanz für Faktor Rotationsplan Medikationswirkung 1 Subjektive parameter Normaler Zeitverlauf des Melatonins am Abend bei 1 Teilnehmern Parameter Kurz Lang Frühschicht Nachtschicht Spätschicht Frühschicht Nachtschicht Spätschicht Schichtbeginn Schichtende Bettgehzeit 21.6 ±.3.9±.1 23.± ±.2.9± ±.2 gehzeit 21.9 ±.3 6.1± ± ±.3 6.1± ±.2 latenz (min) 1.1±2.7 1.± ± ± ± ±2.1 Aufstehzeit 3.7± ±.4.3±.2 3.± ±.3.1±.2 Wecker (ja/nein) 1..2±.1.3± ±.1.3±.1 dauer.±.1.±.3.4±.3.9±.2 6.±.3.±.2 Aufwachzeit (min) 6.4± ± ±7.6.4± ± ±. Nickerchen (ja/nein).4±.1.±.1.3±.1.4±.1 Nickerchendauer (min).7± ± ± ±12.3 Zeit im Freien (outdoor) 2.±.2 2.±.4 1.7±.2 2.±.3 3.±.3 2.2±.3 qualität (PSQI) 6.6±.3 6.4±. 4.±.4.±.6 6.1±. 4.±. 1

12 Lonza Lonza Lonza Lonza Lonza Lonza Lonza Lonza Lonza Lonza Verspäteter Zeitverlauf des Melatonins am Abend bei 6 Teilnehmern Desynchronisierter Zeitverlauf des Melatonins bei 4 Teilnehmern Verfrühter Zeitverlauf Desynchronisiert Von total 2 Melatoninprofilen: Völlig desynchronisiert 1 normal 9 nicht normal ~ % (circadian auffällig) Zu wenig Speichel Melatonin im Speichel (pg/ml) Melatonin am Abend Kurz Lang Keine signifikanten Unterschiede Hypothese 1: Diskussion 1. Die Nacht-und die Frühschicht führen zu einer Verschlechterung der qualität und einer Verkürzung der dauer, unabhängig vom Rotationsplan der Schicht. Konnte bestätigt werden. In der Nacht-bzw. Frühschicht wird bis zu 2 Stunden weniger geschlafen als in der Spätschicht. Dies wurde mittels subjektiver Befragung als auch objektiver Aktimetriemessungbelegt. Die qualität war signifikant schlechter in der Früh-bzw. Nachtschicht im Vergleich zur Spätschicht. 19:3 2:3 21:3 22:3 23:3 :3 Fazit: Schichtarbeitende brauchten neben den häufigeren Nickerchen die Spätschicht mit. Stunden, um defizite der Früh-und Nachtschicht wettzumachen. Hypothese 2: Diskussion Hypothese 3: Diskussion 1. Der kürzer rotierende Schichtplan führt zu weniger «circadianer Desynchronisation», d.h. weniger Verschiebungen im Melatoninrhythmus=bessere Abstimmung mit dem 24-h Tage. Konnte nicht bestätigt werden. Erste Analysen ergaben keine signifikanten Unterschiede im zeitlichen Profil der abendlichen Melatoninausschüttung. Weitere Analysen (z.b. dim light melatonin onset) stehen noch an. Fazit: Schichtarbeitende waren auf den kurzrotierenden Schichtarbeitsplänen circadian nicht stark desychnronisiert. 1. Der kürzer rotierende Schichtplan führt allgemein zu einer besseren qualität. Konnte nicht bestätigt werden. Erste Analysen zeigten in vielen Parametern keine signifikanten Unterschiede zwischen den Rotationsplänen. Wenn es gab Anzeichen zu einer besseren qualität und dauer gab war dies im länger rotierenden Schichtplan. Fazit: Es war eher der länger rotierende Schichtplan, der zu einer bessern qualität und mehr führte, vor allem in der Früh- und Nachtschicht. 11

13 Vor- und Nachteile der Studie Vorteile der Studienanlage: 1. Lange Erhebung der Daten (6 Monate Aktigraphie) Robuste individuelle Werten 2. Studienteilnehmer sehr zuverlässig und «compliant» Nachteile der Studienanlage: Toni Holenweger Danksagung Dr. Ulrich Keuth Studienteilnehmer Diego Weisskopf (Zivildienstleistender) 1. Einflüsse der Saison nicht kontrollierbar (die meisten arbeiten zuerst «Kurz» und dann ab 1. Juni «Lang» 2. Anzahl der Teilnehmer zu gering, um repräsentative Aussagen zu machen Sponsoren der Studie: keine 12