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Sommeil, rythmes endocriniens et m étabolisme Karine Spiegel, PhD

Obligation de déclaration des liens d’intérêts prévu à l’article L4113-13 du Code de la Santé Publique Dr Karine SPIEGEL. Sommeil, rythmes endocriniens et m étabolisme Karine Spiegel, PhD Centre de Recherche en Neurosciences de Lyon INSERM U1028 - UMR 5292

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Sommeil, rythmes endocriniens et m étabolisme Karine Spiegel, PhD

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  1. Obligation de déclaration des liens d’intérêts prévu à l’article L4113-13 du Code de la Santé Publique Dr Karine SPIEGEL

  2. Sommeil, rythmes endocriniens et métabolisme Karine Spiegel, PhD Centre de Recherche en Neurosciences de LyonINSERM U1028 - UMR 5292 Physiologie intégrée du système d'éveil

  3. Objectifs Apprendre que toutes les sécrétions hormonales sont modulés à la fois par le sommeil et par une composante circadienne. Savoir décrire les principales caractéristiques des profils de 24h des hormones. Comprendre les conséquences endocriniennes et métaboliques d’un comportement de restriction volontaire de sommeil. Comprendre l’impact de la qualité du sommeil, indépendamment de sa durée, sur les sécrétions endocriniennes et sur le métabolisme glucidique.

  4. SOMMEIL, RYTHMES ENDOCRINIENS ET METABOLISME PARTIE I Interactions sommeil et rythmicité circadienne PARTIE II Sommeil de durée courte PARTIE III Sommeil de mauvaise qualité

  5. SOMMEIL, RYTHMES ENDOCRINIENS ET METABOLISME PARTIE I Interactions sommeil et rythmicité circadienne PARTIE II Sommeil de durée courte PARTIE III Sommeil de mauvaise qualité

  6. Sleep-wake state and circadian rhythmicity on hormonal secretion Modified from Van Cauter and Copinschi, Endocrinology, 2006

  7. PROFILS NYCTHEMERAUX (24H) DES HORMONES 200 Interaction entre l’horlogecircadienne et l’homéostasie veille-sommeil 150 Cortisol (ng/ml) 100 50 0 5 Pulse de sécrétion, rhythmicité ultradienne 4 TSH (µU/ml) 3 2 1 Modulés par des facteurs exogènes : - cycle lumière / obscurité - prise alimentaire - changements de posture - niveaux d’activité physique 20 15 GH (µg/L) 10 5 0 10 14 18 22 02 06 10 HEURE

  8. Perfusion constante de glucose Nuit de privation desommeil Sommeildiurne derécupération Sommeilnocturne 18 22 02 06 10 14 18 22 02 06 10 14 18 22 HEURES Protocol “12-hour shift” pour différencier les effets de la rythmicité circadienne et de l’homéostasie veille-sommeil sur les profils nycthéméraux des hormones

  9. HORMONE ESSENTIELLEMENT CONTROLEE PAR LA RYTHMICITE CRCADIENNE: CORTISOL

  10. CORTISOL 20 CORTISOL (µg/dL) 0 18 22 02 06 10 14 18 22 02 06 10 14 18 22 CLOCK TIME NOCTURNAL SLEEP NOCTURNAL SLEEP DEPRIVATION DAYTIME SLEEP  Hormone primarily controlled by the circadian clock from Van Cauter & Spiegel, in Neurobiology of sleep and circadian rhythms, 1999

  11. L’ HOMEOSTASIE VEILLE-SOMMEIL MODULE LA SECRETION DE CORTISOL 100 75 Taux de cortisol plasmatique 50 (% des taux avant endormissement) 25 0 Avantendormissement Aprèsendormissement L’endormissement est associé à une inhibition transitoire de la sécrétion de cortisol Caufriez et al., Am J Physiol 282 (2002)

  12. HORMONES ESSENTIELLEMENT CONTROLEE PAR L’HOMEOSTASIE VEILLE-SOMMEL: HORMONE DE CROISSANCE (GH) PROLACTINE

  13. ARCHITECTURE DU SOMMEIL:HYPNOGRAMME EEG 1er cycle 2ème cycle 3ème cycle 4èmecycle 5èmecycle Eveil SP ou REM NREM 1 NREM 2 NREM 3

  14. ARCHITECTURE DU SOMMEIL:HYPNOGRAMME EEG Ondes lentes delta 1er cycle 2ème cycle 3ème cycle 4èmecycle 5èmecycle Eveil SP ou REM NREM 1 NREM 2 NREM 3 NREM 3 = Sommeil Lent Profond (SLP)

  15. WAKE 1 2 Sleep stages 3 4 REM 600 Slow-wave activity (µV2) 400 200 0 23 1 3 5 7 CLOCK TIME

  16. 30 20 10 0 18 22 02 06 10 14 18 22 02 06 10 14 18 22 CLOCK TIME GROWTH HORMONE µg/L NOCTURNAL SLEEP NOCTURNAL SLEEP DEPRIVATION DAYTIME SLEEP  Hormone primarily controlled by the sleep-wake homeostasis from Van Cauter & Spiegel, in Neurobiology of sleep and circadian rhythms, 1999

  17. Slow wave sleep and growth hormone W 1 SLEEP STAGES 2 3 4 REM 600 SLOW WAVE ACTIVITY (µV2) 400 200 0 25 20 PLASMA GROWTH HORMONE (µg/L) 15 10 5 0 8 GROWTH HORMONE SECRETORY RATE (µg/min) 6 4 2 0 9 11 13 15 17 19 21 23 1 3 5 7 9 CLOCK TIME Unpublished individual data

  18. 100 75 50 25 0 0 25 50 75 100 QUANTITATIVE CORRELATION BETWEEN THE AMOUNT OF GH SECRETED AND THE AMOUNT OF SWA AMOUNT OF GH SECRETED (%) AMOUNT OF DELTA (%) Data from Gronfier et al., Sleep 19 (1996)

  19. Growth hormone and slow wave sleep Low SWS High SWS 30 SWS (% of sleep period) 20 10 0 400 Nocturnal secretion of Growth Hormone (µg) 300 200 100 0 n = 15 n = 15 25 ± 0.8 years 25 ± 1 years 23 ± 0.5 kg/m2 23 ± 0.5 kg/m2 Modified from Van Cauter et al., JAMA, 2000

  20. EVIDENCE FOR A CIRCADIAN MODULATION OF GH SECRETION BY REPEATED INJECTIONS OF GHRH from Jaffe et al. J. Clin. Endocrinol. Metab. 1995; 80:3321-3326

  21. PROFILS NYCTHEMERAUX DE PROLACTINE n = 10 hommes jeunes en bonne santé Spiegel et al. Sleep 1994

  22. PROFILS NYCTHEMERAUX INDIVIDUELS DES CONCENTRATIONS PLASMATIQUES ET DE LA VITESSE DE SECRETION DE PROLACTINE plasma PRL PRL Secretory Rates Spiegel et al. Sleep 1994

  23. PROLACTINE ET ARCHITECTURE DU SOMMEIL plasma PRL PRL Secretory Rates Spiegel et al. Sleep 1994

  24. PROFILS NOCTURNES DE PROLACTINE ET ACTIVITE DES ONDES DELTA 3 MEILLEURES CORRELATIONS 3 PLUS MAUVAISES CORRELATIONS n=10 PRL Secretory Rates Delta Wave Activity Spiegel et al. Sleep 1995

  25. HORMONE CONTROLEE PAR LA RYTHMICITE CIRCADIENNE ET L’HOMEOSTASIE VEILLE SOMMEIL : TSH

  26. TSH 4 (µU/ml) 1 18 22 02 06 10 14 18 22 02 06 10 14 18 22 CLOCK TIME NOCTURNAL SLEEP NOCTURNAL SLEEP DEPRIVATION DAYTIME SLEEP  Hormone controlled by the circadian clock and sleep-wake homeostasis in a more balanced manner from Van Cauter & Spiegel, in Neurobiology of sleep and circadian rhythms, 1999

  27. TEMPORAL RELATIONSHIP BETWEEN SLEEP STAGES AND TSH LEVELS The inhibitory influence of sleep is primarily exerted by slow wave sleep. GoichotB. et al, J. Sleep Research

  28. Sommeil et régulation du métabolisme glucidique Chez l’homme, le sommeil est généralement consolidé en une période de 7-9h et est donc associé à un jeûne prolongé Des mécanismes spécifiques au sommeil interviennent pour maintenir des niveaux de glucose stable

  29. REGULATION DU GLUCOSE & DIABETE • Des taux sanguins élevés de glucose sont toxiques. • Les taux sanguins de glucose augmentent après des repas riches en glucides. Le foie est capable de produire du glucose indépendamment de la prise alimentaire. • Pour utiliser le glucose comme carburant et donc diminuer les taux sanguins de glucose, la plupart des tissus périphériques (ex: muscle, tissu adipeux) ont besoin d’insuline. • L’insuline est une hormone secrétée par les cellules ß du pancréas; dans le diabète de type 1, les cellules ß sont détruites; dans le diabète de type 2, les cellules ß ne sécrètent pas assez d’insuline.

  30. 150 GLUCOSE (mg/dl) 130 110 600 INSULINE (pmol/l) 400 200 0 21 23 1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 Heures Profilsde 24 heures de glucose et d’insuline 90

  31. Continuous glucose infusion at a constant rate NOCTURNAL SLEEP NOCTURNAL SLEEP DEPRIVATION DAYTIME RECOVERY SLEEP 12-h shift protocol : glucose and insulin profiles 140 120 GLUCOSE (mg/dL) 100 80 25 20 INSULIN (µU/mL) 15 10 18 22 02 06 10 14 18 22 02 06 10 14 18 22 CLOCK TIME from Spiegel, Leproult, & Van Cauter. In: Kushida Clete A (ed): SLEEP DEPRIVATION Volume 1. Marcel Dekker. 2005.

  32. CONCLUSION PARTIE I Le sommeil et la rythmicité circadienne modulent les sécrétions hormonales et le métabolisme glucidique QUESTIONS ?

  33. SOMMEIL, RYTHMES ENDOCRINIENS ET METABOLISME PARTIE I Interactions sommeil et rythmicité circadienne PARTIE II Sommeil de durée courte PARTIE III Sommeil de mauvaise qualité

  34. La restriction volontaire de sommeil est un comportement de plus en plus courant dans nos sociétés modernes

  35. USA La durée du sommeil des adultes a diminué d’envion 1h30 au cours de 40 dernières années. 9 8 7 6 5 1950 1960 1970 1980 1990 2000 2010 1 Kripke DF et al. Arch Gen Psychiatry. 1979; 36(1). 2 National Sleep Foundation. "Sleep in America" Poll. 2000, 2001 and 2002.

  36. USA Pourcentage d’adultes dormant 6h ou moins par nuit en 1985 et en 2004 SOURCES: Unpublished data, National Health Interview Survey, 2004. MMWR, 2005, 54(37);933

  37. Dorment 6 H ou moins : 33% Dorment 7 ou 8 H : 63% Dorment 9 H ou + : 4% FRANCE Durée du sommeil des 18-55 ans : 6H58 en semaine

  38. USA: durée de sommeil durée de sommeil recommandée obtenue 3-11 mois 14-15 h 12.7 h 1-3 ans 12-14 h 11.7 h 3-5 ans 11-13 h 10.4 h 5-11 ans 10-11 h 9.5 h 11 à 17 ans 8.5-9.25 h 50%: <8h 2004 & 2006 Sleep in America polls LE SOMMEIL CHEZ LES ENFANTS Sleep is the forgotten country. It plays out in the home, in the pediatrician's office, and in school. Mary A. Carskadon

  39. USA DUREE DU SOMMEIL DES ADOLESCENTS EN 2004 Recommended sleep duration

  40. USA: durée de sommeil durée de sommeil recommandée obtenue 3-11 mois 14-15 h 12.7 h 1-3 ans 12-14 h 11.7 h 3-5 ans 11-13 h 10.4 h 5-11 ans 10-11 h 9.5 h 11 à 17 ans 8.5-9.25 h 50%: <8h 2004 & 2006 Sleep in America polls En France, un manque chronique de sommeil affecte 2/3 des 3-5 ans 3/4 des 5-17 ans Mantz et al. 1991, 1995, 2000. & Patois et al. 1993 LE SOMMEIL CHEZ LES ENFANTS Sleep is the forgotten country. It plays out in the home, in the pediatrician's office, and in school. Mary A. Carskadon

  41. 78% des adolescents ont une dette de sommeil en semaine qu’ils tentent de récupérer le WE DUREE DU SOMMEIL OBTENUE VEILLE D’UN JOUR DE SEMAINE VEILLE D’UN JOUR DE REPOS 9h10mn 7h45mn < 8 H 17 14 < 7H 8 H ou moins : 78% 17 8 H 26 7 H 16 9 H 38 8 H 10 H ou plus: 50 % 29 10 H 21 ≥ 11 H 22 ≥ 9 H FRANCE : ADOLESCENTS (15-19 ans) BESOIN DE SOMMEIL ESTIME : 9h02min 2004

  42. PARTIE II Sommeil de durée courte A Conséquences sur les hormones hypothalamo hypophysaires (Cortisol, GH, TSH) B Conséquences métaboliques 1. risque de diabète 2. risque d’obésité

  43. 20 GROWTH HORMONE (µg/L) 0 20 CORTISOL (µg/dL) 0 18 22 02 06 10 14 18 22 02 06 10 14 18 22 CLOCK TIME NOCTURNAL SLEEP NOCTURNAL SLEEP DEPRIVATION DAYTIME SLEEP from Van Cauter & Spiegel, in Neurobiology of sleep and circadian rhythms, 1999

  44. PROTOCOLE - 6 nuits de restriction de sommeil - : IVGTT R R R IVGTT R R R DAY DAY CONDITIONS BASALES 8h au lit B 1 R R R B 2 R R R B 3 R 1 R 2 RESTRICTIONDE SOMMEIL 4h au lit R 3 R 4 R 5 R R R 6 E 1 E 2 E 3 EXTENSIONDE SOMMEIL 12h au lit E 4 E 5 R R E 6 E 7 13 09 17 21 01 05 09 HEURES 11 hommes en bonne santé(âge : 22 ±1 ans; IMC : 23.4 ± 0.5 kg/m2)

  45. SLEEP AMOUNTS SLOW WAVE SLEEP REM SLEEP WAKE 200 160 120 MINUTES 80 40 0 12H NIGHT 12H NIGHT 12H NIGHT 4H NIGHT 4H NIGHT 4H NIGHT 11 13 15 11 13 15 11 13 15 1 3 1 3 1 3 5 7 9 5 7 9 5 7 9 DAY OF THE STUDY

  46. Duration of the quiescent period (min)537 ± 44 634 ± 24 p<0.05 16-21 cortisol levels (ng/ml)62 ± 3 47 ± 3 p<0.005 24-H CORTISOL PROFILES AFTER 6 NIGHTS OF 4 HOURS IN BED3h49' OF SLEEP AFTER 6 NIGHTS OF 12 HOURS IN BED 9H03' OF SLEEP 150 100 CORTISOL (ng/ml) 50 0 9 13 17 21 1 5 9 9 13 17 21 1 5 9 CLOCK TIME CLOCK TIME Onset of the quiescent period19:26 ± 47min 17:01 ± 43min p<0.05 Spiegel et al., Lancet, 354 (1999)

  47. 24-H GROWTH HORMONE SECRETORY RATE PROFILE 4 HOURS IN BED3h49' OF SLEEP 12 HOURS IN BED 9H03' OF SLEEP 4 GH SECRETORY RATE (µg/min) 2 0 13 17 21 13 17 21 9 1 5 9 9 1 5 9 CLOCK TIME CLOCK TIME Amount secreted during the 24 hrs (µg) 915 ± 115 789 ± 94 p < 0.08 Duration of elevated concentrations 4h 12’ ± 25’3h 25’ ± 33’ p < 0.001 Spiegel et al., Am J Physiol Regulatory Integrative Comp Physiol, 2000

  48. 24-HOUR TSH PROFILE 2.1 TSH (µU/ml) 1.3 0.5 24-HOUR FREE THYROXIN INDEX PROFILE 10 FT I (µg/dl) 9 4 8 9 13 17 21 1 5 9 9 13 17 21 1 5 9 CLOCK TIME CLOCK TIME 24-hour mean: p level TSH level (µU/ml) p<0.01 0.95 ± 0.10 1.43 ± 0.18 Free Thyroxin Index (µg/dl) p<0.01 9.1 ± 0.3 8.5 ± 0.3 Spiegel et al., Lancet, 1999

  49. Alterations that are similar to those of older subjects. 24-H PROFILES OF HYPOTHALAMO-PITUITARY HORMONES AFTER ONE WEEK OF SLEEP RESTRICTION • Biphasic secretion of growth hormone around sleep onset; • Obliterated circadian rhythm of TSH + reduced 24-h TSH levels, and elevated 24-h thyroid hormone levels; • Failure to suppress cortisol levels at night. These results suggest that the decrease in sleep quality and quantity during aging could be partly responsible for the age-related endocrine alterations.

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