Circadian and metabolic consequences of shift work; a rat model

Abstract

Shift workers are at risk for metabolic health problems. Previous research suggests circadian rhythm disruption as an underlying mechanism. In my thesis, I investigate the circadian and metabolic consequences of shift work in a rat model, and discuss mechanisms responsible for the observed changes. To mimic human shift work, rats were kept awake/ working" in rotating wheels for 8h during resting (RW) or active (AW) phase. Body temperature, locomotor activity, food and water intake, and body weight were monitored for one shift work period (4d) and recovery (8d) in constant light conditions (12hL/D), and compared to baseline. A subset of rats was exposed to constant darkness recovery (DD) to assess endogenous rhythmicity. AW exhibited normal circadian rhythmicity throughout the protocol. RW shifted circadian rhythm during the shift work period, and parameters recovered at different rates: body temperature nadir immediately; locomotor activity nadir after 1day; % activity rhythm remained unrecovered. This indicates internal desynchrony. Data from DD recovery demonstrate desynchronization of endogenous nature. Both groups exhibited negative energy balance during the shift work period, but RW more than AW. Only AW regained body weight during recovery. RW unexpectedly developed resting phase hypothermia in the recovery period. In conclusion, four days of resting phase activity is sufficient to cause short- and long-lasting circadian and metabolic disruption. Findings are supported by data on circadian and metabolic gene expression, sleep and glucocorticoid levels in the same animals. This model is promising to increase our understanding of the mechanisms contributing to negative effects of shift work.

Skiftarbeid øker risiko for å utvikle metabolske forstyrrelser. En underliggende årsak kan være døgnrytmeforstyrrelser. I denne oppgaven har jeg undersøkt hvordan skiftarbeid påvirker døgnrytme og metabolisme i en rottemodell, og diskuterer mekanismene som forårsaker disse endringene. For å etterligne skiftarbeid hos mennesker ble rotter holdt våkne («i arbeid») i roterende hjul i 8t under hvilefase (RW) eller aktiv fase (AW). Kroppstemperatur, lokomotorisk aktivitet, mat- og vanninntak, og kroppsvekt ble målt i løpet av en skiftarbeidsperiode (4d) og recovery (8d), med konstante lysforhold (12tL/D). Data ble sammenliknet med baseline. En undergruppe rotter ble eksponert for konstant mørke (DD) under recovery for å måle endogene døgnrytmeendringer. AW opprettholdt normal døgnrytme gjennom hele protokollen. RW viste både kort- og langvarig døgnrytmeforskyvning under skiftarbeidsperioden. I løpet av recovery viste kroppstemperatur nadir en umiddelbar normalisering; lokomotorisk aktivitet nadir etter 1 dag; % aktivitetsrytme ble ikke gjenopprettet. Ulik tid for normalisering tyder på intern desynkronisering, og data fra DD-recovery viser at desynkroniseringen var endogen. Begge gruppene viste negativ energibalanse under skiftarbeidsperioden; RW mer enn AW. Kun AW gjenopprettet kroppsvekten i løpet av recovery. RW utviklet uventet hypotermi i hvilefasen i løpet av recovery. Jeg konkluderer med at fire dager med aktivitet i hvilefasen er tilstrekkelig til å forårsake både kort- og langvarige forstyrrelser i døgnrytme og metabolisme. Funnene støttes av endringer i gendata knyttet til døgnrytme og metabolisme, samt søvn og glukokortikoidnivåer, målt hos de samme dyrene. Denne modellen kan i fremtiden brukes til å øke forståelsen av mekanismene som bidrar til negative effekter av skiftarbeid.