Obligation de déclaration des liens d’intérêts prévu à l’article L4113-13 du Code de la Santé Publique Dr Karine SPIEGEL Période 2009-2011 Industrie pharmaceutique, prestataire, fabriquant d’orthèses ou de ventilateurs Coordonnateur études Investigateur études Consultant Invitation à des congrès Orateur rémunéré Actionnaire XGSK, Danone, IPSEN, VitalAire Sommeil, rythmes endocriniens et métabolisme Karine Spiegel, PhD Centre de Recherche en Neurosciences de Lyon INSERM U1028 - UMR 5292 Physiologie intégrée du système d'éveil 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. SOMMEIL, RYTHMES ENDOCRINIENS ET METABOLISME PARTIE I Interactions sommeil et rythmicité circadienne PARTIE II Sommeil de durée courte PARTIE III Sommeil de mauvaise qualité SOMMEIL, RYTHMES ENDOCRINIENS ET METABOLISME PARTIE I Interactions sommeil et rythmicité circadienne PARTIE II Sommeil de durée courte PARTIE III Sommeil de mauvaise qualité Sleep-wake state and circadian rhythmicity on hormonal secretion Modified from Van Cauter and Copinschi, Endocrinology, 2006 PROFILS NYCTHEMERAUX (24H) DES HORMONES Interaction entre l’horloge circadienne et l’homéostasie veillesommeil 200 Cortisol (ng/ml) 150 100 50 0 5 Pulse de sécrétion, rhythmicité ultradienne Modulés par des facteurs exogènes : - cycle lumière / obscurité - prise alimentaire - changements de posture - niveaux d’activité physique TSH (µU/ml) 4 3 2 1 20 GH (µg/L) 15 10 5 0 10 14 18 22 02 06 10 HEURE Protocol “12-hour shift” pour différencier les effets de la rythmicité circadienne et de l’homéostasie veille-sommeil sur les profils nycthéméraux des hormones Perfusion constante de glucose Sommeil nocturne Nuit de Sommeil privation de diurne de sommeil récupération 18 22 02 06 10 14 18 22 02 06 10 14 18 22 HEURES HORMONE ESSENTIELLEMENT CONTROLEE PAR LA RYTHMICITE CRCADIENNE: CORTISOL 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 L’ HOMEOSTASIE VEILLE-SOMMEIL MODULE LA SECRETION DE CORTISOL 100 Taux de cortisol plasmatique (% des taux avant endormissement) 75 50 25 0 Avant Après endormissement endormissement L’endormissement est associé à une inhibition transitoire de la sécrétion de cortisol Caufriez et al., Am J Physiol 282 (2002) HORMONES ESSENTIELLEMENT CONTROLEE PAR L’HOMEOSTASIE VEILLE-SOMMEL: HORMONE DE CROISSANCE (GH) PROLACTINE ARCHITECTURE DU SOMMEIL: HYPNOGRAMME EEG Eveil SP ou REM NREM 1 NREM 2 NREM 3 1er cycle 2ème cycle 3ème cycle 4ème cycle 5ème cycle ARCHITECTURE DU SOMMEIL: HYPNOGRAMME EEG Eveil 1er cycle 2ème cycle 3ème cycle 4ème cycle 5ème cycle SP ou REM NREM 1 NREM 2 NREM 3 Ondes lentes delta NREM 3 = Sommeil Lent Profond (SLP) WAKE 1 Sleep stages 2 3 4 REM 600 Slow-wave activity (µV2) 400 200 0 23 1 3 CLOCK TIME 5 7 GROWTH HORMONE 30 20 µg/L 10 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 sleep-wake homeostasis from Van Cauter & Spiegel, in Neurobiology of sleep and circadian rhythms, 1999 Slow wave sleep and growth hormone W SLEEP STAGES 1 2 3 4 REM 600 SLOW WAVE ACTIVITY (µV2) 400 200 0 PLASMA GROWTH HORMONE (µg/L) 25 20 15 10 5 0 GROWTH HORMONE SECRETORY RATE (µg/min) 8 6 4 2 0 9 11 13 15 17 19 21 23 CLOCK TIME 1 3 5 7 9 Unpublished individual data QUANTITATIVE CORRELATION BETWEEN THE AMOUNT OF GH SECRETED AND THE AMOUNT OF SWA 100 75 AMOUNT OF GH SECRETED 50 (%) 25 0 0 25 50 75 100 AMOUNT OF DELTA (%) Data from Gronfier et al., Sleep 19 (1996) Growth hormone and slow wave sleep High SWS Low 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 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 PROFILS NYCTHEMERAUX DE PROLACTINE n = 10 hommes jeunes en bonne santé Spiegel et al. Sleep 1994 PROFILS NYCTHEMERAUX INDIVIDUELS DES CONCENTRATIONS PLASMATIQUES ET DE LA VITESSE DE SECRETION DE PROLACTINE plasma PRL PRL Secretory Rates Spiegel et al. Sleep 1994 PROLACTINE ET ARCHITECTURE DU SOMMEIL plasma PRL PRL Secretory Rates Spiegel et al. Sleep 1994 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 HORMONE CONTROLEE PAR LA RYTHMICITE CIRCADIENNE ET L’HOMEOSTASIE VEILLE SOMMEIL : TSH 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 sleepwake homeostasis in a more balanced manner from Van Cauter & Spiegel, in Neurobiology of sleep and circadian rhythms, 1999 TEMPORAL RELATIONSHIP BETWEEN SLEEP STAGES AND TSH LEVELS The inhibitory influence of sleep is primarily exerted by slow wave sleep. Goichot B. et al, J. Sleep Research 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 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. Profils de 24 heures de glucose et d’insuline 150 GLUCOSE (mg/dl) 130 110 90 600 INSULINE (pmol/l) 400 200 0 21 23 1 3 5 7 9 11 13 Heures 15 17 19 21 12-h shift protocol : glucose and insulin profiles Continuous glucose infusion at a constant rate 140 120 GLUCOSE (mg/dL) 100 80 25 INSULIN (µU/mL) 20 15 10 18 NOCTURNAL SLEEP 22 02 06 10 14 18 22 CLOCK TIME NOCTURNAL SLEEP DEPRIVATION 02 06 10 14 18 22 DAYTIME RECOVERY SLEEP from Spiegel, Leproult, & Van Cauter. In: Kushida Clete A (ed): SLEEP DEPRIVATION Volume 1. Marcel Dekker. 2005. CONCLUSION PARTIE I Le sommeil et la rythmicité circadienne modulent les sécrétions hormonales et le métabolisme glucidique QUESTIONS ? SOMMEIL, RYTHMES ENDOCRINIENS ET METABOLISME PARTIE I Interactions sommeil et rythmicité circadienne PARTIE II Sommeil de durée courte PARTIE III Sommeil de mauvaise qualité La restriction volontaire de sommeil est un comportement de plus en plus courant dans nos sociétés modernes USA La durée du sommeil des adultes a diminué d’envion 1h30 au cours de 40 dernières années. 9 8 7 6 5 1950 1 2 1960 1970 1980 1990 2000 2010 Kripke DF et al. Arch Gen Psychiatry. 1979; 36(1). National Sleep Foundation. "Sleep in America" Poll. 2000, 2001 and 2002. 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 FRANCE Durée du sommeil des 18-55 ans : 6H58 en semaine Dorment 6 H ou moins : 33% Dorment 7 ou 8 H : 63% Dorment 9 H ou + : 4% 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 USA: 3-11 mois 1-3 ans 3-5 ans 5-11 ans 11 à 17 ans 2004 & 2006 Sleep in America polls durée de sommeil recommandée 14-15 h 12-14 h 11-13 h 10-11 h 8.5-9.25 h durée de sommeil obtenue 12.7 h 11.7 h 10.4 h 9.5 h 50%: <8h USA DUREE DU SOMMEIL DES ADOLESCENTS EN 2004 Recommended sleep duration 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 USA: 3-11 mois 1-3 ans 3-5 ans 5-11 ans 11 à 17 ans durée de sommeil recommandée 14-15 h 12-14 h 11-13 h 10-11 h 8.5-9.25 h durée de sommeil obtenue 12.7 h 11.7 h 10.4 h 9.5 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 FRANCE : ADOLESCENTS (15-19 ans) BESOIN DE SOMMEIL ESTIME : 9h02min DUREE DU SOMMEIL OBTENUE VEILLE D’UN JOUR DE SEMAINE VEILLE D’UN JOUR DE REPOS 9h10mn 7h45mn < 7H 14 8H 7H ou moins : 26 78% 8H ≥9H 38 22 <8H 17 8H 17 9H 16 29 10 H ≥ 11 H 10 H ou plus: 50 % 21 78% des adolescents ont une dette de sommeil en semaine qu’ils tentent de récupérer le WE 2004 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 GROWTH HORMONE (µg/L) 20 0 20 CORTISOL (µg/dL) 0 18 NOCTURNAL SLEEP 22 02 06 10 14 18 22 02 CLOCK TIME NOCTURNAL SLEEP DEPRIVATION 06 10 14 18 22 DAYTIME SLEEP from Van Cauter & Spiegel, in Neurobiology of sleep and circadian rhythms, 1999 PROTOCOLE - 6 nuits de restriction de sommeil - : DAY CONDITIONS BASALES 8h au lit RESTRICTION DE SOMMEIL 4h au lit EXTENSION DE SOMMEIL 12h au lit R R R R R R IVGTT R R R R R IVGTT R R R R R 09 13 17 21 01 HEURES 11 hommes en bonne santé (âge : 22 ±1 ans; IMC : 23.4 ± 0.5 kg/m2) B1 B2 B3 R1 R2 R3 R4 R5 R6 E1 E2 E3 E4 E5 E6 E7 05 09 SLEEP AMOUNTS SLOW WAVE SLEEP REM SLEEP WAKE 200 MINUTES 160 120 80 40 0 4H NIGHT12H NIGHT 4H NIGHT12H NIGHT 4H NIGHT12H NIGHT 1 3 5 7 9 11 13 15 1 3 5 7 9 11 13 15 1 3 5 7 9 11 13 15 DAY OF THE STUDY 24-H CORTISOL PROFILES CORTISOL (ng/ml) AFTER 6 NIGHTS OF 4 HOURS IN BED 3h49' OF SLEEP AFTER 6 NIGHTS OF 12 HOURS IN BED 9H03' OF SLEEP 150 100 50 0 9 13 17 21 1 5 CLOCK TIME Duration of the quiescent period (min) Onset of the quiescent period 16-21 cortisol levels (ng/ml) 9 9 13 17 21 1 5 9 CLOCK TIME 537 ± 44 634 ± 24 p<0.05 19:26 ± 47min 17:01 ± 43min p<0.05 62 ± 3 47 ± 3 p<0.005 Spiegel et al., Lancet, 354 (1999) GH SECRETORY RATE (µg/min) 24-H GROWTH HORMONE SECRETORY RATE PROFILE 4 HOURS IN BED 3h49' OF SLEEP 12 HOURS IN BED 9H03' OF SLEEP 4 2 0 9 13 17 21 1 CLOCK TIME 5 Amount secreted during the 24 hrs (µg) Duration of elevated concentrations 9 9 13 915 ± 115 4h 12’ ± 25’ 17 21 1 CLOCK TIME 5 9 789 ± 94 p < 0.08 3h 25’ ± 33’ p < 0.001 Spiegel et al., Am J Physiol Regulatory Integrative Comp Physiol, 2000 TSH (µU/ml) 24-HOUR TSH PROFILE 2.1 1.3 0.5 FT I4 (µg/dl) 10 24-HOUR FREE THYROXIN INDEX PROFILE 9 8 24-hour mean: 9 13 17 21 1 5 CLOCK TIME TSH level (µU/ml) Free Thyroxin Index (µg/dl) 9 9 13 17 21 1 5 CLOCK TIME 0.95 ± 0.10 9.1 ± 0.3 1.43 ± 0.18 8.5 ± 0.3 9 p level p<0.01 p<0.01 Spiegel et al., Lancet, 1999 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. Alterations that are similar to those of older subjects. These results suggest that the decrease in sleep quality and quantity during aging could be partly responsible for the age-related endocrine alterations. (4-H BEDTIMES) (12-H BEDTIMES) AGING (8-H BEDTIMES) 150 CORTISOL (ng/ml) 0 2.1 TSH (µU/ml) 0.5 18 GH (µg/L) 0 9 13 17 21 1 5 9 9 13 17 21 1 5 9 CLOCK TIME 9 13 17 21 1 5 9 QUESTIONS ? 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 Obesité, diabète, syndrome X: une épidémie Obésité Diabète Cpmportements impliqués dans ces épidémies : Activité physique & prise alimentaire & …… Sommeil? TEST INTRAVEINEUX DE TOLERANCE AU GLUCOSE 250 GLUCOSE (mmol/L) Tolérance au Glucose 150 50 Sensibilité à l’insuline 2000 INSULINE (mU/L) Réponse aigüe de l’insuline 1000 0 -10 10 30 50 70 Efficience du glucose 90 110 130 150 170 190 210 230 minutes t0 = injection de glucose t19 = injection d’insuline ou de tolbutamide DISPOSITION INDEX (SI * AIRg): UN MARQUEUR DU RISQUE DE DIABETE Réponse aigüe de l’insuline (AIRg) SI = 0.4 AIRG = 2000 DI = 800 SI = 2.0 AIRG = 400 DI = 800 Risque accru de diabète Sensibilité à l’insuline (SI) Le DI reflète la capacité des cellules ß a sécréter plus d’insuline pour compenser différents degrés d’insulino-résistance TEST INTRAVEINEUX DE TOLERANCE AU GLUCOSE APRES 5 NUITS DE 4H AU LIT APRES 5 NUITS DE 12 H AU LIT 11 hommes en bonne santé (âge : 22 ±1 ans; IMC : 23.4 ± 0.5 kg/m2) 250 GLUCOSE 150 (mg.dl-1) 50 600 INSULINE 400 (pM) 200 0 25 50 75 TEMPS (min) P≤0.003 100 -25 3 0 TOLERANCE AU GLUCOSE %.min-1 pM.min %.min-1 1 25 50 75 TEMPS (min) P≤0.05 P≤0.03 3 2 0 400 200 0 REPONSE AIGUE DE L’INSULINE 2 1 0 EFFICIENCE DU GLUCOSE 100 P≤0.04 10-5.min-1.pM-1 0 -25 10 5 0 SENSIBILITE A L’INSULINE Spiegel et al., Lancet, 1999 & Morselli et al, Eur J Physiol in press TOLERANCE AU GLUCOSE Kg : pente de décroissance des taux de glucose après injection intraveineuse de glucose SIGNIFICATIVITE CLINIQUE Kg (% / min) Sujets de 18-27 ans en dette de sommeil 1.45 ± 0.31 Sujets de 18-27 ans bien reposés 2.40 ± 0.41 Kg (% / min) Sujets de 61-80 ans présentant une altération de la tolérance au glucose (1) 1.30 - 2.10 Sujets de 21-30 ans en bonne forme physique (2) 2.20 - 2.90 (1) from Garcia et al, J Am Geriatr Soc 45: 813-7, 1997. (2) from Prigeon et al, Metabolism 44: 1259-63, 1995. DISPOSITION INDEX : UN MARQUEUR DU RISQUE DE DIABETE p<0.0006 3500 Disposition Index : 3000 Réponse aigüe de l’insuline (µU.ml-1.min) 2500 2000 X 1500 Sensibilité à l’insuline 1000 (104.min-1.(µU/ml)-1) 500 0 APRES 5 NUITS DE 4H AU LIT APRES 5 NUITS DE 12H AU LIT Glucose tolerance (% change from rested condition) (% change from rested condition) -20 20 men 26,8 ± 5,2 yo BMI 23,3 ± 3,1 kg/m2 0 1 -20 -40 -60 -60 ** 0 1 -40 0 -15 (% change from rested condition) -30 * * 40 * 0 -40 0 1 -15 * 0 Insulin Sensitivity -15 (% change from rested condition) -30 (% change from rested condition) 11 men 18-27 yo BMI 23,8 ± 0,5 kg/m2 -40 Glucose effectiveness Disposition Index 6 nights of 5-h bedtime Buxton et al 2010 0 40 Acute insulin response to glucose 5 nights of 4-h bedtime Spiegel et al 1999 -30 0 1 0 -20 -15 * 1 -40 -60 1 -30 0 -20 -40 ** -60 ** 1 * Morselli et al, Eur J Physiol, in press Glucose et HOMA : réponse à des repas identiques APRES 6 NUITS DE 4H AU LIT APRES 6 NUITS DE 12H AU LIT 9 9 140 GLUCOSE (mg/dL) 120 100 80 40 HOMA (INSULINE (mU/L) * 20 GLUCOSE (mmol/L) / 22.5) 0 13 17 HEURES AIRE SOUS LA COURBE 9772 ± 211 Glucose (mg/dL) 1954 ± 188 Index HOMA 21 9205 ± 314 1399 ± 152 13 17 HEURES 21 p<0.04 p<0.03 Spiegel et al, J. Clin Endocrinol. Metab., 89 (2004) EXPERIMENTAL RESTRICTION OF SLEEP DURATION AND GLUCOSE REGULATION Outcome measure DECREASED GLUCOSE TOLERANCE # of studies # of subjects Average time in bed duration (range) Average duration of sleep restriction (range) INSULIN RESISTANCE # of studies # of subjects Average time in bed duration (range) Average duration of sleep restriction (range) BETA-CELL DYSFUNCTION # of studies # of subjects Average time in bed duration (range) Average duration of sleep restriction (range) Studies with positive effect reported Studies with no effect reported 6 2 81 (74 M, 7 F) 36 5h (4-5.5) 6 nights (1-14) 7h (5.25-7.7 h) 1 night-8 weeks 7 3 93 (82 M, 11 F) 46 (16 M, 30 F) 5h (4-5.5) 6 nights (1-14) 7.5 h (4-7.7) 1 night-8 weeks 5 66 (59 M, 7 F) 5h (4-5.5) 7 nights (2-14) 1 14 F 5.75 h 4 nights Morselli et al, Eur J Physiol, in press SOMMEIL COURT ET/OU DE MAUVAISE QUALITE ET RISQUE DE DIABETE: META-ANALYSE 10 ETUDES EPIDEMIOLOGIQUES LONGITUDINALES SUIVI > 3 ANS SOMMEIL COURT (≤ 5-6 H / NUIT) RR = 1.28 (95% CI, 1.03-1.60; p=0.024) DIFFICULTES D’ENDORMISSEMENT RR = 1.57 (95% CI, 1.25-1.97; p<0.0001) DIFFICULTES A RESTER ENDORMI RR = 1.84 (95% CI, 1.39-2.43; p<0.0001) Cappuccio et al. Diabetes Care, 2010 Association Américaine De Diabète Mécanismes susceptibles d’être impliqués dans les altérations du métabolisme glucidique Elevation de la balance sympatho-vagale Diminution de l’utilisation du glucose par le cerveau Augmentation des taux de cortisol en soirée Durée prolongée de concentrations élevées d’hormone de croissance MECANISMES SUSCEPTIBLES D’ETRE IMPLIQUES DANS L’ALTERATION DE LA TOLERANCE AU GLUCOSE rRR BALANCE SYMPATHO-VAGALE 0.8 Tonus sympathique 0.6 Tonus vagal 0.4 SSS SCORE DE SOMNOLENCE DE STANFORD 6 5 4 3 2 1 SOMNOLENT ALERT 9 1 Spiegel et al., Lancet, 1999 10 rRR 11 12 HEURES 13 SSS 9 0.77 ± 0.02 Tonus sympathique 2 14 4.4 ± 0.4 10 11 12 13 HEURES 0.66 ± 0.04 Cellule ß 14 p<0.02 Tonus vagal + 2.1 ± 0.2 p<0.0005 HORMONES CONTRE-REGULATRICES APRES 6 NUITS DE 4H AU LIT 3h49’± 5’ DE SOMMEIL APRES 6 NUITS DE 12H AU LIT 9H03' ± 15’ DE SOMMEIL 150 CORTISOL (ng/ml) 100 50 0 VITESSE DE SECRETION DE L’HORMONE DE CROISSANCE (µg/min) 4 2 0 9 13 17 21 1 5 9 9 13 21 1 5 9 HEURES HEURES 3 Taux de cortisol de 16h-21h (ng/ml) 4 Durée concentrations élevées d’hormone de croissance 17 62 ± 3 4h12’ ± 25’ 47 ± 3 3h25’ ± 33’ p < 0.005 p < 0.001 Spiegel et al., Lancet, 354 (1999) & Am J Physiol, 279 (2000) CORTISOL, HOMA AND SLEEP DURATION 4 HOURS IN BED 3h48' OF SLEEP 8 HOURS IN BED 6h52' OF SLEEP 12 HOURS IN BED 8h52' OF SLEEP 15 CORTISOL (µg/dL) 10 5 0 40 HOMA (INSULIN (mU/L) * 20 GLUCOSE(mmol/L) / 22.5) 0 9 13 17 21 1 CLOCK TIME 5 9 9 13 17 21 1 CLOCK TIME 5 9 9 13 17 21 1 5 9 CLOCK TIME Dose-response relationship between sleep duration and magnitude of metabolic and endocrine alterations Spiegel et al., J Clin Endocrinol Metab, 2004 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 QUESTIONS ? 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 Etudes épidémiologiques : lien entre un sommeil court et un IMC élevé. ENFANTS, ADOLESCENTS & ADULTES # ETUDES # RAPPORTANT TOTAL CE LIEN ETUDES ENFANTS & ADOLESCENTS # ETUDES # RAPPORTANT TOTAL CE LIEN ETUDES ADULTES # ETUDES # RAPPORTANT TOTAL CE LIEN ETUDES ETUDES TRANSVERSALES 55 59 25 25 30 34 ETUDES LONGITUDINALES 14 16 8 8 6 8 TOUTES LES ETUDES 69 75 33 33 36 42 Reviews : 2008 : Patel & Hu, Obesity; Van Cauter & Knutson, Eur J Endocr. 2010 : Knutson, Best Practice & Research Clinical Endocrinology & Metabolism Additional studies : 2008 : Berkey, Gunderson, Liu, Touchette, Hitze, Ievers-Landis, Landhuis, Patel, Van den Berg , Vgontzas, Wells. 2009 : Padez, Jiang, Ozturk, Park, Bawazeer, Bayer, Shaikh. 2010 : Anic, Danielsen, Lyytikainen, Hairston, Park, Shan, St-Onge, Theorell-Haglow, Watanabe, Watson. Etudes épidémiologiques : lien entre un sommeil court et un IMC élevé. ENFANTS, ADOLESCENTS & ADULTES # ETUDES # RAPPORTANT TOTAL CE LIEN ETUDES ENFANTS & ADOLESCENTS # ETUDES # RAPPORTANT TOTAL CE LIEN ETUDES ADULTES # ETUDES # RAPPORTANT TOTAL CE LIEN ETUDES ETUDES TRANSVERSALES 55 59 25 25 30 34 ETUDES LONGITUDINALES 14 16 8 8 6 8 TOUTES LES ETUDES 69 75 33 33 36 42 Reviews : 2008 : Patel & Hu, Obesity; Van Cauter & Knutson, Eur J Endocr. 2010 : Knutson, Best Practice & Research Clinical Endocrinology & Metabolism Additional studies : 2008 : Berkey, Gunderson, Liu, Touchette, Hitze, Ievers-Landis, Landhuis, Patel, Van den Berg , Vgontzas, Wells. 2009 : Padez, Jiang, Ozturk, Park, Bawazeer, Bayer, Shaikh. 2010 : Anic, Danielsen, Lyytikainen, Hairston, Park, Shan, St-Onge, Theorell-Haglow, Watanabe, Watson. Quelle est l’importance de la durée du sommeil sur le risque d’obésité en comparaison avec d’autres facteurs de risque reconnus? Facteurs de risque de surpoids/obésité: “ Quebec Family Study “ Les gens dormant peu (<6h vs ≥7h) ont près de 4 fois plus de chance de présenter une obésité High alcohol intake High lipid intake Non-consumption of vitamins High restraint behaviour No vigorous physical activity High hunger behaviour Low calcium intake High disinhibition behaviour Short sleep duration 3.8 Adjusted OR 4 2.88 3 2 3.81 1.37 1.64 1.86 2.01 2.03 2.2 1 0 Logistic regression analysis adjusted for age, sex, and socioeconomic status. n = 537 adultes de 18 à 64 ans Chaput et al. Obesity (2009) Facteurs de risque de surpoids / obésité chez l’enfant Les enfants dormant peu (8-10h vs ≥ 12h) ont 3.45 plus de chance de présenter une obésité Low familial income Physical inactivity Low parental education Watching TV Parental obesity Short sleep duration Odds ratio 4 3.45 3 2.08 2 1.41 1.45 2.39 1.69 1 0 N = 422 enfants de 5 à 10 ans Chaput et al. Int J Obes (2006) Results from Meta-Analysis : Association Between Short Sleep Duration and Obesity Adults: OR (95% CI) = 1.55 (1.43-1.68) Cappuccio et al., Sleep 2008 Children: OR (95% CI) = 1.89 (1.46-2.43) Cappuccio et al., Sleep 2008 sleep duration cutoff: 10h OR (95% CI) = 1.58 (1.26-1.98) Sleep duration cutoff 11h 10h 9h Chen et al., Obesity 2008 age group (yrs) <5 5 to 10 ≥ 10 Association durée de sommeil courte & IMC élevé : Une Meta-Analyse chez l’adulte (20-102 ans) durée de sommeil limite (long vs court) : 5h Cappuccio et al., Sleep 2008 Association durée de sommeil courte & IMC élevé : Résultats de Meta-Analyses chez l’enfant 0-18 ans Limite (long vs court) de durée de sommeil (heures) 11 10 9 âge (ans) <5 5 to 10 ≥ 10 Chen et al., Obesity 2008 0-20 ans Limite (long vs court) durée de sommeil : 10h Cappuccio et al., Sleep 2008 Short Sleep Duration and Obesity in Children: Gender differences Chen et al., Obesity 2008 Short Sleep Duration and Obesity in Children : Trend for a dose-response relationship For each hour increase in sleep, the risk of overweight / obesity was reduced by 9% Chen et al., Obesity 2008 Impact de la durée du sommeil sur la régulation neuroendocrinienne de l’appétit ? Nous avons mesuré 2 hormones clefs impliquées dans la régulation de l’appétit lors de 2 études conduites chez des hommes jeunes en bonne santé, tout en contrôlant l’activité physique et l’apport calorique. Leptine Ghréline - + Appétit Appétit 24-H LEPTIN PROFILES meal meal meal AFTER 6 DAYS OF 12-H BEDTIMES 5.5 (9H03' OF SLEEP) LEPTIN (ng/ml) 3.5 AFTER 6 DAYS OF 4-H BEDTIMES (3h49' OF SLEEP) 1.5 9 13 17 21 1 CLOCK TIME 24-h leptin levels (ng/ml) 4.5 ± 0.8 Amplitude (ng/ml) 1.5 ± 0.3 3.6 ± 0.6 1.1 ± 0.2 5 9 p level p=0.003 p=0.007 % change - 19 % - 28 % Spiegel et al, J. Clin Endocrinol. Metab., 89 (2004) SIGNIFICATIVITE CLINIQUE? • La diminution des concentrations de leptine en restriction de sommeil est similaire à celle observée après une restriction calorique de ± 900 Kcal par jour pendant 3 jours 1. • Un manque de sommeil semble altérer la capacité de la leptine à informer correctement le cerveau sur la balance energétique. 1. Chin-Chance C. et al. J. Clin. Endocrinol. Metab. 85: 2685-2691,2000. PROFILS DE 24H DE LEPTINE 4H AU LIT 3h48' DE SOMMEIL 8H AU LIT 6h52' DE SOMMEIL 12H AU LIT 8h52' DE SOMMEIL 5.5 3.5 1.5 9 13 17 21 1 HEURES 5 99 13 17 21 1 HEURES Moyenne des 24h (ng/ml) 3.3 ± 0.6 Acrophase du rythme (ng/ml) 3.8 ± 0.8 Amplitude du rythme (ng/ml) 1.0 ± 0.2 5 99 4.1 ± 1.1 4.4 ± 1.2 1.2 ± 0.3 13 17 21 1 HEURES 4.3 ± 0.9 5.5 ± 1.2 1.4 ± 0.3 5 p<0.06 p<0.01 p<0.02 Relation dose dépendante entre la durée du sommeil et les caractéristiques du profil nycthéméral de leptine Spiegel et al, J. Clin Endocrinol. Metab., 89 (2004) 9 PROTOCOLE: 2 NUITS DE RESTRICTION DE SOMMEIL dîner dîner 22 06 14 22 06 14 22 HEURES 10h 10h JOUR 1 4h 4h Perfusion de glucose 12 hommes en bonne santé Age : 22 ± 2 ans IMC : 23.6 ± 2.0 kg/m2 JOUR 2 5g/kg/24h Prélèvements sanguins q20' Questionnaires de faim et d’appétit q60' Spiegel et al, Ann Int Med, 2004 Restriction de sommeil: leptine diminuée, ghréline augmentée LEPTINE (hormone anorexigène) (ng/ml) 3.5 18% p<0.04 3.0 2.5 2.0 1.5 APRES 2 NUITS DE 4 HEURES AU LIT APRES 2 NUITS DE 10 HEURES AU LIT GHRELINE (hormone orexigène) (ng/ml) 3.4 28% 2.8 p<0.04 2.2 9 11 13 15 17 HEURES 19 21 Spiegel et al, Ann Int Med, 2004 THE AUTONOMIC NERVOUS SYSTEM : A POSSIBLE MECHANISM UNDERLYING THE DECREASE IN LEPTIN & THE INCREASE IN GHRELIN 6.5 4 HOURS IN BED 3h48' OF SLEEP 8 HOURS IN BED 6h52' OF SLEEP 12 HOURS IN BED 8h52' OF SLEEP LEPTIN (ng/ml) 1.5 Sympathetic tone 0.80 Vagal tone CARDIAC SYMPATHOVAGAL BALANCE (rRR) 0.60 9 Sympathetic tone Vagal tone 17 1 CLOCK TIME - 9 9 17 1 CLOCK TIME 9 9 17 1 CLOCK TIME 9 Leptin Ghrelin Spiegel et al, JCEM 2004 & BEEM 2010 Restriction de sommeil: Sensation de faim et d’appétit augmentée FAIM (cms) 7.5 5.5 APRES 2 NUITS DE 4 HEURES AU LIT 24%; p<0.01 3.5 APPETIT (cms) 23%; p<0.01 APRES 2 NUITS DE 10 HEURES AU LIT 52 42 32 22 9 11 13 15 17 19 CLOCK TIME 21 Spiegel et al, Ann Int Med, 2004 L’augmentation de la faim est proportionnelle à l’ampleur des modifications hormonales 3 1.5 AUGMENTATION DE LA FAIM 0 rSp = 0.867, p = 0.014 -1.5 -1.5 0 1.5 3.0 AUGMENTATION DU RAPPORT GHRELINE SUR LEPTINE Spiegel et al, Ann Int Med, 2004 SCORES D’APPETIT APRES 2 NUITS DE 4H AU LIT VS 2 NUITS DE 10H AU LIT CATEGORIES D’ALIMENT p Différence % ALIMENTS RICHES EN GRAISSES ET EN SUCRES SUCRERIES ALIMENTS SALES total 0.03 0.02 0.02 +33% +45% +33% ALIMENTS PAUVRES EN GRAISSES ET RICHES EN GLUCIDES FECULENTS FRUITS ET JUS DE FRUIT LEGUMES total 0.03 0.07 0.02 0.01 +33% +17% +21% +23% ALIMENTS RICHES EN PROTEINES VIANDE, POISSON, OEUF I PRODUITS LAITIERS total 0.11 0.21 0.12 +21% +19% +17% APPETIT GLOBAL 0.01 +23% Spiegel et al, Ann Int Med, 141 (2004) EXTRAPOLATION Si ces 23 à 24 % d’augmentation de faim et d’appétit se traduisent en une augmentation de prise calorique, cela correspondrait à un excès calorique de 350 à 500 kcal par jour, ce qui pour un adulte jeune sédentaire de poids normal est susceptible d’entraîner une prise de poids conséquente. 12 Healthy men [22 ± 3 yrs; BMI 22 ± 2] 22 %, p<0.01 (559 ± 617 kcal) UNE RESTRICTION DE SOMMEIL DURANT 14 JOURS AUGMENTE LA PRISE CALORIQUE LIEES AUX SNACKS 11 sujets en bonne santé (5F/6M) Age : 39 ± 5 yrs; IMC : 26.5 ± 1.5 kg/m2 14 nuits de 8.5h au lit 14 nuits de 5.5h au lit Différence p level Temps total de sommeil (h:min) 7:13 ± 0:26 5:11 ± 0:07 -2:02 ± 0:25 <0.01 Prise calorique liée au repas (kcal/day) 2536 ± 943 2611 ± 873 76 ± 368 NS Prise calorique liée aux snacks (kcal/day) 866 ± 365 1087 ± 541 221 ± 283 0.026 Dépense énergétique totale 2390 ± 369 (kcal/day) 2526 ± 537 136 ± 437 NS Nedeltcheva et al., Am J Clin Nut 2008 2010 PERTE DE POIDS (kg) Totale 0 1 Masse maigre Masse grasse 10 adultes en surpoids (3F/7H) soumis à un régime modéré -0.5 -1 -1.5 -2 Age : 41 ± 5 ans; IMC ± 27.4 ± 2.0 kg/m2 -2.5 -3 -3.5 60%; p=0.002 55%; p=0.04 8,5 h au lit pendant 14 nuits (durée de sommeil: 7h25 ± 10 min) 5,5 h au lit pendant 14 nuits (durée de sommeil: 5h14 ± 2 min) EXPERIMENTAL RESTRICTION OF SLEEP DURATION AND WEIGHT REGULATION Outcome measure Effect reported No effect reported Increased caloric intake # of studies 6 1 # of subjects 84 (45M, 39F) 4.9h (4h-5.75h) 5 nights (1-14) 15 (15M) 4.25h 2 1 Average time in bed duration (range) Average duration of sleep restriction (range) 2 nights Increased weight or adiposity # of studies # of patients Average time in bed duration (range) Average duration of sleep restriction (range) 24 11 (17F, 7M) (6M, 5F) 5.6 h 5.5h (5.5h - 5.75h) 9 nights (4 - 14) 14 nights Morselli et al, Eur J Physiol, in press LE SYSTEME OREXINERGIQUE : Sommeil APO/GABA CORTEX Neurones à orexine Orexin system HL DMA LH - PFA- Récompense AVT/NA Système ascendant de l’éveil Noyau arqué NPV NTS NPY PRISE ALIMENTAIRE HEDONIQUE ET HOMEOSTATIQUE Leptine Ghréline ACTIVITE NERVEUSE SYMPATHIQUE EVEIL Knutson et al, Ann. N.Y. Acad. Sci., 2008 PRIVATION DE SOMMEIL Sommeil APO/GABA ? CORTEX Neurones Orexin system à orexine LH - PFAHL DMA Récompense AVT/NA Système ascendant de l’éveil NPV Noyau arqué NTS NPY PRISE ALIMENTAIRE Leptine Ghréline ACTIVITE NERVEUSE SYMPATHIQUE Knutson et al, Ann. N.Y. Acad. Sci., 2008 Obésité et Sommeil aux Etats-Unis 9 8 DUREE DU 7 SOMMEIL (HEURES) 6 25% 20% 15% PREVALENCE DE 10% L’OBESITE 5% 5 0% 1950 1960 1970 1980 1990 2000 2010 Kripke DF, 1979. The Gallup Study of Sleeping Habits, 1979. Breslau, N. et al., 1997. Sleep in America Poll, 1995, 2001, 2002, 2005. Flegal et al. 1998 & 2002 Van Cauter et al. Sleep Medicine 9 suppl.1 (2008) CONCLUSION 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 QUESTIONS ? SOMMEIL, RYTHMES ENDOCRINIENS ET METABOLISME PARTIE I Sommeil et rythmicité circadienne PARTIE II Sommeil de durée courte PARTIE III Sommeil de mauvaise qualité Peu de sommeil lent profond PEU DE SOMMEIL LENT PROFOND EST COMMUN Vieillissement Nocturnal sleep 20 yr old 54 yr old 67 yr old Wake Stage 1 Stage 2 Stage 3 Stage 4 REM 23 01 03 05 Time 07 23 01 03 05 Time 07 23 01 03 05 Time 07 L’ACTIVITE DES ONDES DELTA EST HAUTEMENT REPRODUCTIBLE ACTIVITE DES ONDES DELTA CHEZ DES SUJETS JEUNES (µV2) Nuit 1 800 ACTIVITE DES ONDES DELTA CHEZ DES SUJETS AGES (µV2) Nuit 1 Nuit 2 25 ans, M 400 Nuit 2 200 60 ans, F 100 0 800 0 21 ans, M 73 ans, F 200 400 100 0 800 0 20 ans, M 400 67 ans, M 200 100 0 0 23 1 3 5 HEURES 7 23 1 3 5 HEURES 7 23 1 3 5 HEURES 7 23 1 3 5 HEURES 7 17 - 24 years 70 - 83 years PLASMA GROWTH HORMONE (ng/ml) 12 8 4 0 Van Cauter et al. JAMA 2000; 284: 861-868 AMOUNT OF GH SECRETED DURING SLEEP (µg) STAGES 3+4 % OF SLEEP PERIOD 400 20 300 10 200 0 16- 26- 36- 51- 61- 7125 35 50 60 70 83 100 AGE (years) 0 1625 2635 3650 5160 6170 7183 AGE (years) Changes per decade: EA -> ML: - 221 µg ML -> LL: - 16 µg Van Cauter et al. JAMA 2000; 284: 861-868 EFFETS DE L’AGE SUR LE SOMMEIL ET LES PROFILS DE GH Le sommeil lent profond et la quantité d’hormone de croissance sécrétée au cours de la nuit diminuent de façon exponentielle au cours de la vie. Certaines altérations hormonales rencontrées lors du vieillissement pourraient être la conséquence d’altérations de l’architecture du sommeil. Des stratégies visant à prévenir ou corriger les altérations du sommeil liées à l’âge chez des adultes d’âge moyen ou âgés sont susceptibles d’avoir des effets bénéfiques sur les sécrétions hormonales. PEU DE SOMMEIL LENT PROFOND EST COMMUN Vieillissement Syndrome d’apnées du sommeil (défini par le nombre d’apnées ou d’hypopnées par h de sommeil (IAH) > 5) - IAH > 5 + somnolence excessive : 2 à 7 % de la population adulte (Punjabi et al., 2008) - IAH > 5 : 17% de la population adulte (Young et al, 2005) PROFILS NOCTURNES D’HORMONE DE CROISSANCE ET SYNDROME D’APNEES DU SOMMEIL AVANT TRAITEMENT APRES TRAITEMENT Saini et al. Horm Metab Res 1993 Privation de sommeil lent profond + sommeil fragmenté et risque de diabète PROTOCOLE EXPERIMENTAL CONDITIONS BASALES SUPPRESSION DE SOMMEIL LENT PROFOND IVGTT 14 16 18 20 22 24 02 04 06 08 10 12 14 HEURE IVGTT 14 16 18 20 22 24 02 04 06 08 10 12 14 Sommeil non perturbé HEURE Sommeil fragmenté IVGTT: Test Intraveineux de Tolérance au Glucose Sujets : hommes (n=5) et femmes (n=4) en bonne santé; âge : 24 ±1ans; IMC : 21 ± 1 kg/m2 Tasali et al., PNAS 2008 Résultats: Sommeil 500 120 400 80 300 40 200 0 Baseline N1 N2 N3 90 360 60 240 30 * * * N2 N3 0 Baseline N1 120 Baseline N1 N2 N3 * * Baseline N1 N2 N3 Baseline N1 N2 N3 * 120 0 45 90 30 60 15 30 0 Baseline N1 N2 N3 0 Delta (µv2) Baseline 4,000 3,000 2,000 1,000 Night 1 Delta (µv2) 0 4,000 3,000 2,000 1,000 0 Night 2 Delta (µv2) 4,000 3,000 2,000 1,000 0 Night 3 Delta (µv2) 4,000 3,000 2,000 1,000 0 NREM REM Cycle 1 NREM REM Cycle 2 NREM REM Cycle 3 NREM REM Cycle 4 Tasali et al., PNAS 2008 Résultats: Métabolisme glucidique (IVGTT) Sensibilité à l’insuline (mU/l-1. min-1) Réponse aigüe de l’insuline (mU/l-1. min) 10 400 8 * 300 6 200 4 25% 2 0 Baseline 100 0 Après 3 nuits de suppression de SLP Baseline Après 3 nuits de suppression de SLP Tasali et al., PNAS 2008 Résultats: Métabolisme glucidique (IVGTT) Sensibilité à l’insuline (mU/l-1. min-1) Réponse aigüe de l’insuline (mU/l-1. min) 10 400 8 * 6 300 200 4 2 25% 100 0 0 Disposition Index Tolérance au glucose (%. min-1) 2 1 2,800 * 2,100 * 1,400 23% 20% 700 0 Baseline 0 Après 3 nuits de suppression de SLP Baseline Après 3 nuits de suppression de SLP Tasali et al., PNAS 2008 Markers of cardiac sympathovagal balance HFn (%) vagal activity 15% LFn (%) sympathetic activity 11% LF / HF sympathovagal balance 14% Tasali et al., PNAS 2008 Profils nycthéméraux de cortisol Cortisol (µg/dL) 20 Baseline Suppression de SLP 15 10 5 0 9:00 12:00 15:00 18:00 21:00 Heures 0:00 3:00 6:00 9:00 3 nights of SWS suppression Tasali PNAS 2008 2 nights of random sleep fragmentation Stamatakis Chest 2010 5 men, 4 women 20-31 yo BMI 19-24 kg/m2 9 men, 2 women 18-29 yo BMI 24,3 ± 0,9 kg/m2 0 Glucose tolerance -20 (% change from rested condition) -40 -60 1 NA * 4040 Acute insulin response to glucose 40 00 (% change from rested condition) 0 1 -40 -40 0 1 Glucose effectiveness -15 -15 -30 -30 0 -15 -30 0 Disposition Index (% change from rested condition) ** p<0.01, * p<0.05; † p<0.10 0 1 Insulin sensitivity (% change from rested condition) 1 -40 0 (% change from rested condition) † -20 -40 -60 1 -15 ** 1 * -30 0 -20 -40 -60 ** 1 Morselli et al, Eur J Physiol, in press SOMMEIL DE MAUVAISE QUALITE ET RISQUE DE DIABETE Un sommeil de mauvaise qualité (léger et fragmenté) altère la régulation du métabolisme glucidique. Une faible quantité de sommeil lent profond, telle que rencontrée au cours du vieillissement et dans le syndrome d’apnées du sommeil, est susceptible d’augmenter le risque de diabète. SOMMEIL COURT ET/OU DE MAUVAISE QUALITE ET RISQUE DE DIABETE: META-ANALYSE 10 ETUDES EPIDEMIOLOGIQUES LONGITUDINALES SUIVI > 3 ANS SOMMEIL COURT (≤ 5-6 H / NUIT) RR = 1.28 (95% CI, 1.03-1.60; p=0.024) DIFFICULTES D’ENDORMISSEMENT RR = 1.57 (95% CI, 1.25-1.97; p<0.0001) DIFFICULTES A RESTER ENDORMI RR = 1.84 (95% CI, 1.39-2.43; p<0.0001) Cappuccio et al. Diabetes Care, 2010 PARTIE III Sommeil de mauvaise qualité QUESTIONS? REMERCIEMENTS Sleep and Neuroendocrinology Lab Clinical Research Staff University of Chicago [email protected] Centre de Neurosciences de Lyon INSERM U1028 - UMR 5292 Université Claude Bernard de Lyon Recherche financée par des crédits INSERM, UCBL, Rhône Alpes, DHOS, NIH des USA, et FRSM de Belgique