Schlaf und Zellschutz: Mechanismen der Nacht

Während wir schlafen, räumen unsere Zellen auf. Sie reparieren Schäden, bauen Abfall ab und recyceln Bausteine, und tagsüber kommen sie dazu weniger, weil Stoffwechsel und äußere Reize sie beschäftigen. Die National Sleep Foundation empfiehlt Erwachsenen 7 bis 9 Stunden pro Nacht. In diese Stunden fallen Vorgänge wie die Autophagie, der Abbau reaktiver Sauerstoffspezies (ROS) und die DNA-Reparatur, und 5 solcher Kernprozesse lassen sich biochemisch direkt beobachten und vom Wachzustand unterscheiden. Wie Schlaf und Trinken zusammenhängen, zeigen drei Studien, die wir in Schlafqualität und Hydration einzeln vorstellen. Hier geht es um die Zelle selbst und darum, wie sie in der Nacht geschützt wird.

Warum der schlafende Körper aktive Zellarbeit leistet

Im Schlaf fahren Gehirn und Körper eigene Regelprogramme, die sich vom Wachzustand biochemisch messbar unterscheiden. Der Kernschlaf mit seinen NREM- und REM-Phasen ist dabei ein ständiger Wechsel zwischen verschiedenen Aktivitätsmustern in Nerven und Stoffwechsel. Ein vollständiger Schlafzyklus dauert im Mittel 90 Minuten, in einer 8-Stunden-Nacht durchläuft man also rund 5 solcher Zyklen.

Die National Sleep Foundation legte 2015 in einem peer-reviewten Konsensverfahren 7 bis 9 Stunden für Erwachsene fest (Hirshkowitz et al., 2015, Sleep Health 1(1):40–43). Die American Academy of Sleep Medicine und die Sleep Research Society nennen in ihrem gemeinsamen Konsenspapier 7 oder mehr Stunden für Erwachsene (Watson et al., 2015, Sleep 38(6):843–844). Beide Empfehlungen stützen sich auf epidemiologische Beobachtungen, also auf Daten aus großen Bevölkerungsgruppen.

Nachts sinken Cortisol, Körpertemperatur und Stoffwechselrate. Gleichzeitig schüttet der Körper mehr Wachstumshormon aus, und bestimmte Immunfunktionen werden stärker. So entsteht ein Zeitfenster, in dem manche Zellprozesse bevorzugt ablaufen können.

Die wichtigsten zellulären Vorgänge in der Nacht sind:

• Autophagie: zelluläre Selbstreinigung und Recycling von Zellbestandteilen
• DNA-Schadensreparatur: Korrektur von Einzelstrang- und Doppelstrangbrüchen
• Abbau reaktiver Sauerstoffspezies (ROS): Verringerung oxidativen Stresses
• Proteinfaltungs-Qualitätskontrolle: Beseitigung fehlgefalteter Proteine (Proteostase)
• Immungedächtnis-Konsolidierung: Aktivitätsmuster bestimmter Immunzellen

Autophagie: Die zelluläre Reinigungsanlage der Nacht

Bei der Autophagie baut eine Zelle eigene beschädigte oder überflüssige Teile ab, etwa verklumpte Proteine oder Organellen, die nicht mehr richtig arbeiten, und verwertet die Bausteine neu. Das Wort kommt aus dem Griechischen und heißt wörtlich „Selbstessen“. Der japanische Zellbiologe Yoshinori Ohsumi erhielt 2016 den Nobelpreis für Physiologie oder Medizin, weil er die molekularen Mechanismen dieses Prozesses entschlüsselt hat (Nobel Prize 2016).

Gesteuert wird die Autophagie vor allem über den Signalweg mTOR (mechanistic Target of Rapamycin). Ist mTOR aktiv, weil genug Nährstoffe und Wachstumssignale da sind, bremst das die Autophagie. Wird die Energie knapper, etwa beim Fasten oder im Schlaf, kann die mTOR-Aktivität zurückgehen, und die Autophagie kommt leichter in Gang.

Wie Schlaf und Autophagie zeitlich zusammenhängen, untersucht die Chronobiologie. Im Tierversuch folgt die autophagische Aktivität in bestimmten Geweben einem Tagesrhythmus, mit einer höheren Rate in der Ruhephase. Am Menschen ist das methodisch anspruchsvoll zu messen, und die Forschung dazu läuft.

Gut untersucht ist dagegen der Schlafmangel. Wer dauerhaft weniger als 6 Stunden pro Nacht schläft, zeigt messbare Veränderungen in Markern des oxidativen Stresses und der zellulären Proteostase. In welche Richtung das wirkt, ob also Schlafmangel die Zellreparatur stört oder eine gestörte Zellreparatur den Schlaf, daran forschen Arbeitsgruppen noch.

Reaktive Sauerstoffspezies und oxidativer Stress

Reaktive Sauerstoffspezies (ROS) sind sehr reaktionsfreudige Moleküle, die beim Energiestoffwechsel der Zelle nebenbei entstehen. In kleinen Mengen braucht der Körper sie sogar, denn sie dienen als Signalmoleküle. Werden es mehr, als die Schutzsysteme der Zelle (Glutathion, Superoxid-Dismutase, Katalase) abfangen können, entsteht oxidativer Stress, und Zellmembranen, Proteine und DNA können Schaden nehmen.

Tagsüber entstehen mehr ROS. Muskelarbeit, Verdauung, UV-Licht und geistige Anstrengung treiben den oxidativen Stoffwechsel an. Im Schlaf sinkt der Grundumsatz, vor allem in den tiefen NREM-Phasen, und die antioxidativen Enzyme haben Zeit, Schäden zu neutralisieren und die Glutathion-Reserven wieder aufzufüllen.

Ein Marker, den man konkret messen kann, ist 8-OHdG (8-Hydroxy-2'-Desoxyguanosin), ein Oxidationsprodukt der DNA-Base Guanin. Die Zelle schneidet es aus der DNA heraus, und der Körper scheidet es über den Urin aus, deshalb gilt die ausgeschiedene Menge als Anhaltspunkt für die Reparaturarbeit. Eine Untersuchung an 50 Schichtarbeitenden verglich Nachtarbeit mit Nachtschlaf derselben Personen. Während der Nachtarbeit lag die 8-OHdG-Ausscheidung bei 20 Prozent des Werts aus der Nachtschlaf-Phase (95-%-Konfidenzintervall 10 bis 30 Prozent), und der Melatonin-Spiegel war gleichzeitig deutlich niedriger (Bhatti et al., 2017, Occupational and Environmental Medicine 74(9):680–683). Die Autoren deuten das als geringere Reparaturleistung und schreiben: „This study suggests that night work, relative to night sleep, is associated with reduced repair of 8-OH-dG lesions in DNA“ (Bhatti et al., 2017). Sinngemäß heißt das, dass Nachtarbeit im Vergleich zum Nachtschlaf mit einer geringeren Reparatur von 8-OH-dG-Schäden in der DNA einhergeht.

DNA-Reparatur und die Rolle des zirkadianen Rhythmus

Die Zelle repariert ihre DNA ständig. Jede menschliche Zelle behebt täglich Tausende Basenfehler und Strangbrüche, und dafür arbeiten mehrere Reparatursysteme parallel, etwa die Basenexzisionsreparatur (BER), die Nukleotidexzisionsreparatur (NER) und die homologe Rekombination. Ihre Aktivität folgt zum Teil einer zirkadianen Steuerung.

Das zirkadiane System ist unser inneres Zeitprogramm. Über Transkriptionsfaktoren wie CLOCK, BMAL1, PER und CRY stimmt es Tausende von Genen zeitlich ab, darunter auch Gene für Reparaturenzyme. So zeigen NER-Faktoren in Zellkulturen und Mausmodellen Expressionsmuster, die von der Tageszeit abhängen (Kang et al., 2009, PNAS, doi:10.1073/pnas.0812638106).

Repariert wird rund um die Uhr. Wie gut der zirkadiane Rhythmus und der Wechsel von Schlafen und Wachen zusammenpassen, beeinflusst aber, wie effizient und vollständig bestimmte Reparaturschritte ablaufen. Chronischer Schlafentzug und sozialer Jetlag, also wenn biologische und soziale Uhr dauerhaft auseinanderlaufen, stören diesen Gleichtakt messbar.

Das glymphatische System: Reinigung im Gehirn

Das glymphatische System ist ein Netzwerk im Gehirn, das Maiken Nedergaard und Kollegen erst 2012 beschrieben haben. Es spült Liquor cerebrospinalis, also Hirnflüssigkeit, durch das Hirngewebe und transportiert Stoffwechselprodukte ab, darunter Beta-Amyloid und Tau-Proteine (Iliff et al., 2012, Science Translational Medicine, doi:10.1126/scitranslmed.3003748).

Der zentrale Befund stammt aus einer Messung an Mäusen. Die Autoren schreiben: „natural sleep or anesthesia are associated with a 60% increase in the interstitial space, resulting in a striking increase in convective exchange of cerebrospinal fluid with interstitial fluid“ (Xie et al., 2013, Science 342(6156):373–377, doi:10.1126/science.1241224). Sinngemäß wird der Raum zwischen den Zellen im Schlaf um 60 Prozent größer, und Hirnflüssigkeit und Gewebeflüssigkeit tauschen sich deutlich stärker aus. Das passiert vor allem im Tiefschlaf.

Beta-Amyloid und Tau sind Proteine, deren abnorme Ablagerung man im Zusammenhang mit neurodegenerativen Prozessen untersucht. Im Tiermodell hängt die Reinigungsleistung des glymphatischen Systems von Schlafdauer und Schlafqualität ab, das haben mehrere Arbeitsgruppen gemessen. Wie groß dieser Effekt beim Menschen ist, erforscht man gerade.

Zustand	Interzellularspalte	Liquor-Fluss	Amyloid-Clearance
Wach	normal	gering	gering
NREM-Tiefschlaf	+60 %	hoch	hoch
REM-Schlaf	variabel	mittel	mittel

(Angaben nach Xie et al., 2013, Science, im Mausmodell gemessen und vereinfacht dargestellt)

Was Schlafroutinen auf Zellebene bewirken können

Eine Schlafroutine ist alles, was dir den Übergang in den Schlaf leichter macht und die Nacht stabil hält. Gemeint sind Uhrzeit, Umgebung und die kleinen Handgriffe davor, die zusammen den zirkadianen Rhythmus stärken.

Die Forschung zur Schlafhygiene zeigt, dass feste Zeiten zum Schlafengehen und Aufstehen das zirkadiane System stabiler machen. Das National Institute of Health (NIH) führt dazu eine Übersicht: NIH Sleep Basics.

Diese Faktoren untersucht die Forschung konkret:

• Lichtexposition: Blaues Licht am Abend, etwa vom Handy, hemmt die Ausschüttung von Melatonin aus der Zirbeldrüse. Melatonin wirkt dabei vor allem als zirkadianer Zeitgeber und weniger als Schlafhormon im engeren Sinn.
• Körpertemperatur: Wenn die Körperkerntemperatur um 0,5–1 °C fällt, ist das ein messbares Signal für den Schlafbeginn. Ein kühles Schlafzimmer (ca. 16–18 °C) hilft dabei.
• Entspannungsrituale: Lesen, Musik oder Atemübungen wirken bei jedem etwas anders auf das Einschlafen. Die Biologie dahinter, also die Aktivierung des Parasympathikus und der Abfall des Cortisols, ist gut dokumentiert.

Auch Qi Blanco-Produkte, die man am Abend trägt, gehören zu diesem Übergangsritual. Sie sind ein haptisches Signal, das den Körper in den Modus der Vorbereitung versetzt.

Häufige Fragen zu Schlaf und Zellschutz

Was genau ist Zellschutz während des Schlafs?

Damit sind alle biochemischen Prozesse gemeint, die in der Ruhephase Zellschäden begrenzen oder rückgängig machen: der Abbau von ROS, die DNA-Reparatur, die Autophagie und die Stabilisierung von Proteinen. Sie laufen auch am Tag, aber die Stoffwechsel- und Hormonlage der Nacht begünstigt sie.

Kann man Zellreparatur nach Schlafmangel nachholen?

Nach einer kurzen Phase mit wenig Schlaf kann eine Erholungsnacht bestimmte Werte wieder normalisieren. Wer über Wochen und Monate zu wenig schläft, sammelt dagegen Effekte auf molekularer Ebene an, die einzelne „Erholungsnächte“ nur teilweise ausgleichen. Was anhaltender Schlafmangel bewirkt, fasst die Sleep Foundation zusammen: Effects of Sleep Deprivation.

Welche Schlafphase ist für Zellreparatur am wichtigsten?

Jede Phase hat ihre eigene Aufgabe. Der NREM-Tiefschlaf (Slow-Wave-Sleep) hängt besonders mit der glymphatischen Reinigung und der Ausschüttung von Wachstumshormon zusammen. Der REM-Schlaf ist wichtig für das Gedächtnis und für bestimmte Erneuerungsprozesse in den Nervenzellen. Den vollständigen Reparaturzyklus ergeben erst beide zusammen.

Welche Rolle spielt Melatonin beim Zellschutz?

Melatonin ist vor allem ein zirkadianer Zeitgeber, es sagt dem Körper, dass es dunkel und Nacht ist. In der zellbiologischen Forschung hat Melatonin außerdem Eigenschaften gezeigt, die auf eine antioxidative Wirkung hinweisen könnten, und diese Forschung läuft. Melatonin-Präparate regulieren in erster Linie den Schlaf-Wach-Rhythmus und wirken dabei nicht direkt auf den Zellschutz.

Warum sind 7–9 Stunden die empfohlene Dauer?

Die National Sleep Foundation stützt diese Empfehlung auf große epidemiologische Studien. Darin gehen 7–9 Stunden Schlaf mit stabilen Gesundheitswerten einher, etwa bei Immunfunktion, Herz und Kreislauf und geistiger Leistung. Wer kürzer oder länger schläft (unter 6 und über 9 Stunden), zeigt in diesen Studien im Mittel abweichende Werte. Es sind Zusammenhänge in großen Gruppen, und der eigene Bedarf kann davon abweichen.

Kernaussagen zum nächtlichen Zellschutz

• Schlaf ist Stoffwechselarbeit: Zellreparatur, Autophagie und glymphatische Reinigung laufen bevorzugt in der Nacht ab.
• Im Mausmodell vergrößert sich der Zwischenzellraum im Hirngewebe während des Schlafs um 60 % (Xie et al., 2013). Das ist der Mechanismus hinter der nächtlichen Auswaschung von Stoffwechselprodukten.
• Reaktive Sauerstoffspezies (ROS) werden im Schlaf durch antioxidative Enzymsysteme effizienter neutralisiert als unter voller Stoffwechsellast.
• DNA-Reparaturenzyme folgen teilweise einem zirkadianen Muster, und chronischer Schlafmangel stört diese zeitliche Abstimmung.
• 7–9 Stunden pro Nacht empfiehlt die National Sleep Foundation für Erwachsene, AASM und SRS nennen 7 oder mehr Stunden, als Orientierung für den eigenen Rhythmus.
• Schlafroutinen stärken den zirkadianen Rhythmus, und haptische Rituale am Abend können diesen Übergang unterstützen.
• Daran arbeitet die Forschung gerade: an der Kausalrichtung bei Schlafmangel-Biomarkern, an der individuellen Varianz und daran, wie sich Autophagie-Daten aus Tierversuchen klinisch auf den Menschen übertragen lassen.

Quellen und weiterführende Literatur

1. Hirshkowitz M, Whiton K, Albert SM et al. (2015): National Sleep Foundation's sleep time duration recommendations: methodology and results summary. Sleep Health 1(1):40–43. doi:10.1016/j.sleh.2014.12.010. Eintrag bei PubMed, PMID 29073412
2. Watson NF, Badr MS, Belenky G et al. (2015): Recommended Amount of Sleep for a Healthy Adult — A Joint Consensus Statement of the American Academy of Sleep Medicine and Sleep Research Society. Sleep 38(6):843–844. doi:10.5665/sleep.4716. Eintrag bei PubMed, PMID 26039963
3. Xie L, Kang H, Xu Q et al. (2013): Sleep drives metabolite clearance from the adult brain. Science 342(6156):373–377. doi:10.1126/science.1241224
4. Iliff JJ et al. (2012): A Paravascular Pathway Facilitates CSF Flow Through the Brain Parenchyma and the Clearance of Interstitial Solutes, Including Amyloid β. Science Translational Medicine 4(147):147ra111. doi:10.1126/scitranslmed.3003748
5. Kang TH et al. (2009): Circadian oscillation of nucleotide excision repair in mammalian brain. PNAS 106(8):2864–2867. doi:10.1073/pnas.0812638106
6. Nobel Prize 2016 – Yoshinori Ohsumi, Autophagy. Zusammenfassung des Nobelkomitees
7. NIH – National Heart, Lung, and Blood Institute: Sleep Basics. Übersicht des NHLBI
8. Sleep Foundation: Effects of Sleep Deprivation. Übersicht der Sleep Foundation
9. Deutsche Gesellschaft für Schlafmedizin (DGSM): Leitlinien, Stellungnahmen und Positionspapiere — allgemeine Fachreferenz, sie belegt keine der Einzelzahlen dieses Artikels. Website der DGSM
10. Bhatti P, Mirick DK, Randolph TW et al. (2017): Oxidative DNA damage during night shift work. Occupational and Environmental Medicine 74(9):680–683. doi:10.1136/oemed-2017-104414. Eintrag bei PubMed, PMID 28652381