Interacción genes reloj - ambiente en el paciente con patología cardiaca admitido en la unidad de cuidados intensivos

Abstract

Introducción: Los ritmos circadianos regulan múltiples funciones fisiológicas fundamentales, incluyendo el sueño, el metabolismo, la secreción hormonal y la actividad cardiovascular. Estos ritmos están controlados por un sistema jerárquico de relojes biológicos, cuyo núcleo principal es el núcleo supraquiasmático del hipotálamo, sincronizado principalmente por el ciclo luz-oscuridad. A nivel molecular, los genes reloj forman bucles de retroalimentación transcripcional que generan oscilaciones de aproximadamente 24 horas en la expresión génica y la función celular. El adecuado funcionamiento de este sistema circadiano es esencial para la homeostasis; su desalineación, conocida como cronodisrupción, se ha asociado con un mayor riesgo de enfermedades metabólicas, neurodegenerativas, oncológicas y cardiovasculares. En el entorno clínico, la Unidad de Cuidados Intensivos (UCI) representa un espacio particularmente propenso a la cronodisrupción. Factores como la exposición continua a luz artificial, el ruido, la inmovilidad o el uso de fármacos acción intensa alteran profundamente la señalización circadiana y la secreción de melatonina, principal marcador hormonal del ritmo día-noche. Estas alteraciones afectan el sueño, el metabolismo, la respuesta inmunitaria y, especialmente, la función cardiovascular, contribuyendo potencialmente a un peor pronóstico en pacientes críticos. En pacientes con patologías cardiovasculares, esta desincronización circadiana puede tener implicaciones clínicas relevantes, dado que la función cardíaca, la presión arterial y la variabilidad del ritmo cardíaco también siguen patrones circadianos. Además, la evidencia experimental y clínica sugiere que los genes reloj y la melatonina están implicados directamente en la regulación de estos parámetros. Por tanto, comprender la interacción entre los ritmos circadianos, los genes reloj y las condiciones ambientales de la UCI resulta esencial para optimizar el tratamiento de los pacientes cardiovasculares admitidos en UCI.

Metodología: Se llevó a cabo un estudio observacional en pacientes ingresados en la UCI por patología cardiovascular, conforme a criterios éticos y clínicos definidos. Se recogieron datos fisiológicos y clínicos durante la estancia en la UCI, incluyendo parámetros vitales, escalas de sedación y nivel de conciencia (RASS, GCS), así como el índice APACHE II para valorar la gravedad del estado clínico. La expresión de genes reloj (CLOCK, BMAL1, CRY1, CRY2, PER1, PER2, RORA y NR1D1) se cuantificó a partir de células mononucleares de sangre periférica (PBMCs) aisladas de muestras de sangre obtenidas a intervalos fijos (a las 08:00, 13:00, 18:00 y 23:00 horas) durante 48 horas. Paralelamente, se midió la 6-sulfatoximelatonina (aMT6s) en orina, metabolito principal de la melatonina, como estimador indirecto de los niveles plasmáticos de melatonina, mediante ELISA. Para analizar los datos, se aplicaron pruebas de normalidad (Shapiro- Wilk), ANOVA de dos vías para explorar la influencia del tiempo de estancia o del índice APACHE II sobre la expresión génica y los niveles hormonales y Modelos Aditivos Generalizados Mixtos (GAMMs) para evaluar asociaciones dinámicas y no lineales entre genes reloj, variables fisiológicas y melatonina. Finalmente, se emplearon series de Fourier para identificar patrones rítmicos circadianos en los niveles hormonales. Este enfoque integrado permitió examinar de forma detallada la relación entre la cronobiología molecular y el estado clínico de pacientes críticos. Además, se evaluó la relación entre los marcadores circadianos y las variables cardiovasculares clave (frecuencia cardíaca, presión arterial sistólica y diastólica) mediante modelos aditivos generalizados mixtos. Resultados: Este estudio analizó el impacto de la cronodisrupción en pacientes con patologías cardiovasculares ingresados en la UCI, centrándose en los ritmos circadianos, la secreción de melatonina y la expresión de genes reloj. Se observó que, a pesar de la variabilidad interindividual, existen alteraciones significativas en los ritmos circadianos de los pacientes, especialmente en aquellos con estancias prolongadas o mayor gravedad clínica. La concentración urinaria de 6-sulfatoximelatonina mostró un patrón alterado en estos pacientes, con pérdida o desplazamiento de la acrofase y reducción de la amplitud del ritmo. La expresión de genes reloj (CLOCK, BMAL1, CRY1, CRY2, PER1, PER2, RORA y NR1D1) también evidenció diferencias en función del tiempo de estancia en UCI y de la puntuación APACHE-II. Se identificaron variaciones estadísticamente significativas en la expresión de varios genes en función del momento de la toma de muestra y del grupo de gravedad, con una menor expresión generalizada en los pacientes más graves. El estudio de la relación entre los marcadores circadianos y las variables cardiovasculares clave mostró que tanto la melatonina como ciertos genes reloj explican una proporción significativa de la variabilidad en dichas variables, especialmente en pacientes con estancias cortas y menor gravedad. Conclusiones: Este estudio demuestra que la cronodisrupción inducida por el entorno de la UCI tiene un impacto significativo sobre el sistema circadiano de pacientes con patología cardiovascular. Se observaron alteraciones relevantes en los niveles de melatonina y en la expresión de genes reloj, particularmente en pacientes con estancias prolongadas o con mayor gravedad clínica. Estas alteraciones se asocian a su vez con modificaciones en variables cardiovasculares clave como la frecuencia cardíaca y la presión arterial sistólica y diastólica. A través del uso de Modelos Aditivos Generalizados Mixtos, se confirmó que la melatonina y genes reloj como BMAL1 o PER1 explican gran parte de la variabilidad observada en los parámetros hemodinámicos. Asimismo, los análisis temporales de melatonina urinaria (aMT6s) pusieron en evidencia la pérdida de ritmicidad circadiana en los pacientes más comprometidos, lo que sugiere una desorganización molecular profunda. Estos hallazgos respaldan la utilidad del estado circadiano como posible marcador pronóstico y abren la puerta a intervenciones dirigidas a restaurar dicha ritmicidad como estrategia terapéutica en pacientes críticos. Además, los resultados obtenidos sugieren una desregulación del sistema circadiano en pacientes críticos con patología cardiovascular, con implicaciones potenciales en el pronóstico y la evolución clínica. La melatonina y los genes reloj se perfilan como biomarcadores relevantes para comprender el impacto fisiológico de la cronodisrupción en el entorno de cuidados intensivos. En conjunto, los resultados refuerzan la importancia de considerar los ritmos biológicos en el manejo integral de pacientes ingresados en la UCI.

Introduction: Circadian rhythms regulate multiple fundamental physiological functions, including sleep, metabolism, hormonal secretion, and cardiovascular activity. These rhythms are governed by a hierarchical system of biological clocks, whose central pacemaker is the suprachiasmatic nucleus of the hypothalamus, primarily synchronized by the light-dark cycle. At the molecular level, clock genes form transcriptional feedback loops that generate approximately 24-hour oscillations in gene expression and cellular function. Proper functioning of this circadian system is essential for homeostasis; its misalignment, known as chronodisruption, has been associated with an increased risk of metabolic, neurodegenerative, oncological, and cardiovascular diseases. In the clinical setting, the Intensive Care Unit (ICU) represents an environment particularly prone to chronodisruption. Factors such as continuous exposure to artificial light, noise, immobility, and the use of potent drugs profoundly alter circadian signaling and melatonin secretion, the main hormonal marker of the day-night rhythm. These alterations affect sleep, metabolism, immune response, and especially cardiovascular function, potentially contributing to poorer outcomes in critically ill patients. In patients with cardiovascular pathologies, this circadian desynchronization may have relevant clinical implications, given that cardiac function, blood pressure, and heart rate variability also follow circadian patterns. Moreover, experimental and clinical evidence suggests that clock genes and melatonin are directly involved in the regulation of these parameters. Therefore, understanding the interaction between circadian rhythms, clock genes, and the ICU environmental conditions is essential to optimize the treatment of critically ill cardiovascular patients. Methodology: An observational study was conducted in patients admitted to the ICU due to cardiovascular pathology, in accordance with defined ethical and clinical criteria. Physiological and clinical data were collected during the ICU stay, including vital signs, sedation scales, and level of consciousness (RASS, GCS), as well as the APACHE II index to assess the severity of the clinical condition. The expression of clock genes (CLOCK, BMAL1, CRY1, CRY2, PER1, PER2, RORA and NR1D1) was quantified from peripheral blood mononuclear cells (PBMCs) isolated from blood samples obtained at fixed intervals (at 8:00, 13:00, 18:00 and 23:00) over a 48-hour period. In parallel, urinary 6-sulfatoxymelatonin was measured as an indirect estimate of plasma melatonin levels using ELISA. To analyze the data, normality tests (Shapiro-Wilk), two-way ANOVA to explore the influence of length of stay or APACHE II score on gene expression and hormone levels and Generalized Additive Mixed Models (GAMMs) were applied to evaluate dynamic and non-linear associations between clock genes, physiological variables, and melatonin. Finally, Fourier series were used to identify circadian rhythmic patterns in hormone levels. This integrated approach enabled a detailed examination of the relationship between molecular chronobiology and the clinical status of critically ill patients. Results: This study analyzed the impact of chronodisruption in patients with cardiovascular pathologies admitted to the ICU, focusing on circadian rhythms, melatonin secretion, and clock gene expression. Despite interindividual variability, significant alterations in patients' circadian rhythms were observed, especially among those with prolonged stays or greater clinical severity. Urinary concentrations of 6-sulfatoxymelatonin (aMT6s), the main metabolite of melatonin, showed an altered pattern in these patients, with a loss or shift of the acrophase and a reduction in rhythm amplitude. The expression of clock genes (CLOCK, BMAL1, CRY1, CRY2, PER1, PER2, RORA and NR1D1) also showed differences based on ICU length of stay and APACHE II score. Statistically significant variations in the expression of several genes were identified depending on the time of sampling and severity group, with a generally lower expression in the most severely ill patients. In addition, the relationship between these circadian markers and key cardiovascular variables (heart rate, systolic and diastolic blood pressure) was evaluated using Generalized Additive Mixed Models, showing that both melatonin and certain clock genes explain a significant proportion of the variability in these variables, especially in patients with shorter stays and lower severity. These findings suggest a dysregulation of the circadian system in critically ill patients with cardiovascular pathology, with potential implications for prognosis and clinical evolution. Melatonin and clock genes emerge as relevant biomarkers for understanding the physiological impact of chronodisruption in the intensive care setting. Conclusions: This study demonstrates that ICU-induced chronodisruption has a significant impact on the circadian system of patients with cardiovascular pathology. Relevant alterations were observed in melatonin levels and clock gene expression, particularly in patients with prolonged stays or greater clinical severity. These alterations were associated with changes in key cardiovascular variables such as heart rate and systolic and diastolic blood pressure. Using Generalized Additive Mixed Models, it was confirmed that melatonin and clock genes such as BMAL1 and PER1 account for a large part of the variability observed in hemodynamic parameters. Moreover, temporal analyses of urinary melatonin (aMT6s) revealed a loss of circadian rhythmicity in the most severely affected patients, suggesting profound molecular disorganization. These findings support the utility of circadian status as a potential prognostic marker and open the door to interventions aimed at restoring rhythmicity as a therapeutic strategy in critically ill patients. Taken together, the results reinforce the importance of considering biological rhythms in the comprehensive management of ICU-admitted patients.