Кратко — план междисциплинарного исследования, методы для установления причин‑следственных связей и рекомендации по интервенциям.
Цели
- Оценить временную и причинную связь между изменениями сна/психофизиологии, иммунитета и состава/функцией кишечной микробиоты при многодневной изоляции.
- Тестировать влияние адресованных интервенций (на сон и на микробиом) на восстановление иммунитета и психофизиологии.
Гипотезы
- H1: Нарушение сна первично вызывает изменения микробиоты и снижение иммунного ответа.
- H2: Изменение микробиоты (или её метаболитов) опосредует влияние изоляции на сон и иммунитет.
- H3: Целенаправленные интервенции на сон или микробиом улучшат иммунный статус и восстановят нормальный микробиом/сон.
Дизайн исследования
1) Фаза наблюдения (лонгитюдинальная):
- Набор: здоровые добровольцы $N$ перед изоляцией, во время (многодневная, напр. 14–30 дней) и после (восстановление 30 дн).
- Частые измерения: ежедневная (или через день) сдача стула, слюны/крови, актиграфия, дневники сна, 1–2 PSG (полисомнография) на ключевых точках.
- Цель: получить временные ряды биомаркеров и микробиоты.
2) Рандомизированное контролируемое вмешательство (факторный дизайн $2\times 2$):
- Факторы: сон‑интервенция (CBT‑I / световая терапия / мелатонин) vs контроль; пробиотик/пребиотик vs плацебо. Четыре группы.
- Продолжительность вмешательств: минимум 3–4 недели (совмещать с изоляцией/после неё).
- Основные конечные точки: улучшение архитектуры сна (увеличение SWS/REM, уменьшение латентности), восстановление иммунных маркеров, изменения микробиоты/metabolome.
Выбор размеров выборки (пример)
- Для обнаружения среднего эффекта $d=0.5$ при $\alpha =0.05$, мощность $1-\beta =0.8$:
$$n_{\text{на группу}}\approx {\left(\frac{Z_{1-\alpha /2}+Z_{1-\beta }}{d}\right)}^2={\left(\frac{1.96+0.84}{0.5}\right)}^2\approx 32.$$ Итого для $2\times 2$ дизайна $N\approx 4\times 32=128$ (с учётом потерь добавить 15–25%).
Измеряемые переменные и методики
- Сон: актиграфия (ежедневно), PSG для архитектуры, субъективные шкалы (PSQI, ESS), дневники.
- Психофизиология: HRV (ночной и дневной), непрерывный пульс/температура, когнитивные тесты, шкалы тревоги/депрессии.
- Гормоны/стресс: слюна/кровь — кортизол (диурнальный профиль), DHEA.
- Иммунитет: CRP, IL‑6, TNF‑α, IFN‑γ, уровень иммуноглобулинов (IgA), NK‑клеточная активность, лейкоцитарная формула.
- Микробиота: стул — shotgun metagenomics (рекомендую) + 16S как альтернатива; метаболомика стула/плазмы (SCFA: ацетат, пропионат, бутират), триптофан/серотонин пути.
- Генетика/эпигенетика (опционально): SNP для инструментальных переменных (см. Mendelian randomization).
Аналитика и методы установления причинности
- Предварительная обработка микробиоты: методы для композиционных данных (CLR/ALR), ANCOM‑BC для differential abundance.
- Временные модели:
- Кросс‑лаговые панели (cross‑lagged):
$$M_t={\alpha }_1{M}_{t-1}+{\beta }_1{P}_{t-1}+{ϵ}_t,P_t={\alpha }_2{P}_{t-1}+{\beta }_2{M}_{t-1}+{\eta }_t,$$ где $M$ — микробиом/метаболиты, $P$ — психофизиологический параметр (сон/HRV).
Значимые ${\beta }_1,{\beta }_2$ укажут направление влияния.
- Granger‑ причинность для временных рядов (там, где равномерные измерения).
- Медиативный анализ (для проверки опосредования микробиомом):
- Пути: влияние $X$ на $Y$ через $M$: прямой $c^{\prime }$, непрямой $ab$, общий $c$:
$$a=\text{Effect}(X\to M),b=\text{Effect}(M\to Y|X),\text{indirect}=a\times b.$$ - Статистика непрямого эффекта с бутстрэпом.
- Интервенционные доказательства: эффект RCT (сон‑интервенция изменяет микробиом и иммунитет; пробиотик изменяет сон/иммунитет) даёт сильные основания для каузальности.
- Управление конфаундерами: смешанные эффекты (random intercepts), контроль за диетой, физической активностью, антибиотиками.
- Мультиомная интеграция: sPLS‑DA/DIABLO, MOFA, Bayesian networks, causal discovery (PC/FCI алгоритмы) для генерации гипотез.
- Опционально: Mendelian randomization при наличии генетических инструментов, чтобы оценить направление микробиом → болезнь.
Статистические модели примеры
- Лонгитюдинальная модель с эффектом микробиоты и сна:
$$Y_{it}={\beta }_0+{\beta }_1{\text{Sleep}}_{it}+{\beta }_2{\text{Microbiome}}_{it}+u_i+{ϵ}_{it}.$$ - Медиативная модель с бутстрэпом для оценки $a$ и $b$.
Контроль качества и логистика
- Стандартизированная диета/контроль потребления пробиотиков/антибиотиков.
- Сбор стула в одно и то же время суток.
- Протоколы хранения/анализа метаболитов.
- Препарирование планов на анализ подкабинетно (pre‑registered analysis plan) и корректировка множественных сравнений.
Рекомендованные интервенции (на основе ожидаемых механизмов)
1) Интервенции на сон:
- Когнитивно‑поведенческая терапия при бессоннице (CBT‑I) или яркая дневная светотерапия для нормализации циркадных ритмов.
- Мелатонин короткими курсами при нарушениях начала сна (дозировка и безопасность по протоколу).
- Ожидаемый эффект: восстановление диурнального кортизола, улучшение HRV, позитивные сдвиги в микробиоме (увеличение SCFA‑продуцирующих таксонов).
2) Интервенции на микробиом:
- Пробиотические штаммы с доказанным психобиотическим действием (напр., некоторые штаммы Bifidobacterium/Lactobacillus) или пребиотики (инактивируемые волокна) для увеличения SCFA.
- Диетические изменения: повышение потребления растворимых волокон, больше полиненасыщенных жиров, ограничение ультра‑переработанных продуктов.
- В тяжёлых/рекалцитрантных случаях — целевые микробные терапии (FMT) только в рамках клинических триалов.
- Ожидаемый эффект: снижение провоспалительных маркеров, улучшение сна/настроения через метаболиты (SCFA, триптофан).
Комбинированный подход
- Факторный RCT даст наиболее строгие доказательства: если улучшение сна улучшает иммунитет и изменяет микробиом — будет эффект в сон‑интервенции; если пробиотик улучшает сон/иммунитет — обратный путь доказан.
Критерии каузальности (применять совместно)
- Временная последовательность, воспроизводимость, доза‑ответ, вмешательственные доказательства, биологическая правдоподобность (метаболиты SCFA/триптофан как механизмы).
Этические и практические замечания
- Информированное согласие, мониторинг побочных эффектов (особенно при пробиотиках/FMT, мелатонине), контроль диеты и медикаментов.
- Регистрация исследования и пред‑регистрация аналитических планов.
Краткий итог
- Стратегия: лонгитюдинальное наблюдение + факторный RCT (сон × микробиом) + многомодальная фенотипизация (сон, HRV, гормоны, иммунитет, метагеномика, метаболомика) + современные методы временного причинного анализа (cross‑lag, Granger, mediation, intervention effects).
- Интервенции: сначала немедикаментозные (CBT‑I, свет), диета/пребиотики, при необходимости пробиотики; использовать RCT для верификации причинности.