（圖片來源：攝圖網）

作者|王聰 來源|生物世界(ID：ibioworld)

所有已知的動物都會都會睡眠或表現出某種形式的睡眠行為，對于人類而言，我們有將近三分之一的時間是在睡眠中度過，但睡眠的確切功能和機制仍然存在爭議。

睡眠在許多生物過程中起著至關重要的作用，包括免疫調節、認知表現和代謝。長期睡眠剝奪（Sleep Deprivation，SD）可導致一系列模式動物（包括果蠅、小鼠、大鼠和狗）過早死亡。此外，睡眠不足還會導致許多健康問題，包括但不限于對感染的易感性增加、慢性炎癥性疾病和炎癥。睡眠不足還與中樞神經系統（CNS）代謝物和蛋白質的清除異常、CNS中細胞因子的產生（例如IL-1和腫瘤壞死因子）以及氧化應激有關。

然而，睡眠調節免疫的詳細機制，以及睡眠不足如何導致不良健康影響尚未被闡明。

2023年11月27日，北京生命科學研究所/清華大學生物醫學交叉研究院張二荃團隊在國際頂尖學術期刊 Cell 上發表了題為：Prolonged sleep deprivation induces a cytokine storm-like syndrome in mammals 的研究論文。

該研究發現長期睡眠剝奪觸發小鼠危及生命的細胞因子風暴，并進一步闡明了背后的機制——睡眠剝奪誘導PGD在大腦內積累，隨后ABCC4轉運蛋白介導的腦源性PGD外排穿過血腦屏障，導致促炎細胞因子的過量產生，最終導致細胞因子風暴樣表型和多器官功能障礙綜合征（MODS）。

睡眠時間的實驗操作為解析睡眠如何調控人類和動物模型的先天免疫提供了可靠的方法，這些實驗操作包括總睡眠剝奪、慢性睡眠限制和睡眠中斷。在實驗室實驗中，總睡眠剝奪是最常用的睡眠操作，許多睡眠剝奪實驗方法已經在小鼠身上開發出來。但這些傳統的睡眠剝奪方式并不能有效地長時間抑制所有睡眠，因為動物具有一種內穩態機制，在最初的睡眠剝奪后會驅動強勁的恢復。之前研究小鼠睡眠影響的實驗方法一直無法持續剝奪其快速眼動睡眠（REMS）和非快速眼動睡眠（NREMS）。

因此，需要一種更有效的實驗范式來誘導長期和持續的睡眠剝奪，以嚴格探索睡眠的功能。

在這項研究中，研究團隊開發了一種小鼠睡眠剝奪系統——curling prevention by water（簡稱為CPW），CPW系統能夠在長時間尺度（>4天）內顯著消耗了小鼠的快速眼動睡眠（REMS）和非快速眼動睡眠（NREMS），在此期間，小鼠在96%的時間里被保持清醒，從而幫助研究人員觀察長期睡眠剝奪帶來的后果。

2020年6月，哈佛大學醫學院的 Dragana Rogulja 團隊在 Cell 發表論文【2】，該研究發現，嚴重睡眠不足導致活性氧（ROS）在果蠅的腸道中積累，增加氧化應激，進而引起死亡。該研究也發現，溫和的睡眠剝奪會導致小鼠腸道中活性氧水平升高，但并未導致小鼠死亡。

在這項最新研究中，張二荃團隊發現，小鼠腸道中活性氧的積累與睡眠剝奪后免疫反應強度有關，這表明活性氧的產生是睡眠剝奪導致的免疫激活的結果，而非原因。此外，使用抗氧化劑清除腸道中積累的活性氧，并不能減少睡眠剝奪對小鼠的致死作用。這些結果表明，在小鼠中，睡眠剝奪導致的死亡與腸道中的活性氧無關。

研究團隊進一步使用CPW系統對小鼠進行了連續4天的長時間睡眠剝奪，結果顯示，這些小鼠表現出嚴重的全身炎癥，約80%的小鼠死亡。這些全身炎癥以細胞因子風暴樣癥狀為特征，伴有多器官功能障礙綜合征（MODS）、多種促炎細胞因子的上調和循環中性粒細胞的積累。

進一步分析顯示，睡眠剝奪增加了大腦中前列腺素D（PGD2）的水平，通過ATP結合盒轉運蛋白C4（ABCC4）介導的PGD通過血腦屏障的外排升高，可誘導循環中性粒細胞的積累和細胞因子風暴樣綜合征。而通過藥理學或遺傳學阻斷PGD/PGD受體1（DP1）軸，可顯著減少睡眠剝奪誘發的炎癥。 因此，這項研究揭示了中樞神經系統中與睡眠相關的PGD變化在外周免疫系統中驅動深刻的病理后果。

總的來說，該研究開發了新型小鼠睡眠剝奪系統——CPW，它能夠更有效地誘導睡眠剝奪。研究團隊使用CPW系統發現了長期睡眠剝奪觸發小鼠危及生命的細胞因子風暴樣綜合征病闡明了機制。睡眠剝奪SD誘導PGD在腦內積累，隨后ABCC4轉運蛋白介導的腦源性PGD外排穿過血腦屏障，導致促炎細胞因子的過量產生，最終導致細胞因子風暴樣表型和多器官功能障礙綜合征（MODS）。此外，該研究還證明了腦源性PGD外排增強驅動慢性睡眠剝奪引起的免疫后果，包括中性粒細胞增多和促炎細胞因子的誘導。

睡眠行為深度參與了廣泛的生物學過程，包括免疫調節、認知表現和新陳代謝，睡眠不足對健康有著多種不利影響。該研究引入了一個睡眠剝奪新范式，揭示了腦源性PGD參與睡眠剝奪期間的免疫失調。這些發現為破譯睡眠剝奪驅動其他不利健康影響的機制以及睡眠如何與其他生物過程相互作用奠定了基礎。

論文鏈接：

1. https://doi.org/10.1016/j.cell.2023.10.025

2. https://doi.org/10.1016/j.cell.2020.04.049

編者按：本文轉載自微信公眾號：生物世界(ID：ibioworld)，作者：王聰