熬夜不睡，免疫崩潰：張二荃團(tuán)隊(duì)發(fā)表Cell論文，揭示睡眠不足誘發(fā)細(xì)胞因子風(fēng)暴及死亡的機(jī)制

（圖片來源：攝圖網(wǎng)）

作者|王聰 來源|生物世界(ID：ibioworld)

所有已知的動(dòng)物都會(huì)都會(huì)睡眠或表現(xiàn)出某種形式的睡眠行為，對(duì)于人類而言，我們有將近三分之一的時(shí)間是在睡眠中度過，但睡眠的確切功能和機(jī)制仍然存在爭(zhēng)議。

睡眠在許多生物過程中起著至關(guān)重要的作用，包括免疫調(diào)節(jié)、認(rèn)知表現(xiàn)和代謝。長(zhǎng)期睡眠剝奪（Sleep Deprivation，SD）可導(dǎo)致一系列模式動(dòng)物（包括果蠅、小鼠、大鼠和狗）過早死亡。此外，睡眠不足還會(huì)導(dǎo)致許多健康問題，包括但不限于對(duì)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(jīng)系統(tǒng)（CNS）代謝物和蛋白質(zhì)的清除異常、CNS中細(xì)胞因子的產(chǎn)生（例如IL-1和腫瘤壞死因子）以及氧化應(yīng)激有關(guān)。

然而，睡眠調(diào)節(jié)免疫的詳細(xì)機(jī)制，以及睡眠不足如何導(dǎo)致不良健康影響尚未被闡明。

2023年11月27日，北京生命科學(xué)研究所/清華大學(xué)生物醫(yī)學(xué)交叉研究院張二荃團(tuán)隊(duì)在國(guó)際頂尖學(xué)術(shù)期刊 Cell 上發(fā)表了題為：Prolonged sleep deprivation induces a cytokine storm-like syndrome in mammals 的研究論文。

該研究發(fā)現(xiàn)長(zhǎng)期睡眠剝奪觸發(fā)小鼠危及生命的細(xì)胞因子風(fēng)暴，并進(jìn)一步闡明了背后的機(jī)制——睡眠剝奪誘導(dǎo)PGD在大腦內(nèi)積累，隨后ABCC4轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白介導(dǎo)的腦源性PGD外排穿過血腦屏障，導(dǎo)致促炎細(xì)胞因子的過量產(chǎn)生，最終導(dǎo)致細(xì)胞因子風(fēng)暴樣表型和多器官功能障礙綜合征（MODS）。

睡眠時(shí)間的實(shí)驗(yàn)操作為解析睡眠如何調(diào)控人類和動(dòng)物模型的先天免疫提供了可靠的方法，這些實(shí)驗(yàn)操作包括總睡眠剝奪、慢性睡眠限制和睡眠中斷。在實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)中，總睡眠剝奪是最常用的睡眠操作，許多睡眠剝奪實(shí)驗(yàn)方法已經(jīng)在小鼠身上開發(fā)出來。但這些傳統(tǒng)的睡眠剝奪方式并不能有效地長(zhǎng)時(shí)間抑制所有睡眠，因?yàn)閯?dòng)物具有一種內(nèi)穩(wěn)態(tài)機(jī)制，在最初的睡眠剝奪后會(huì)驅(qū)動(dòng)強(qiáng)勁的恢復(fù)。之前研究小鼠睡眠影響的實(shí)驗(yàn)方法一直無法持續(xù)剝奪其快速眼動(dòng)睡眠（REMS）和非快速眼動(dòng)睡眠（NREMS）。

因此，需要一種更有效的實(shí)驗(yàn)范式來誘導(dǎo)長(zhǎng)期和持續(xù)的睡眠剝奪，以嚴(yán)格探索睡眠的功能。

在這項(xiàng)研究中，研究團(tuán)隊(duì)開發(fā)了一種小鼠睡眠剝奪系統(tǒng)——curling prevention by water（簡(jiǎn)稱為CPW），CPW系統(tǒng)能夠在長(zhǎng)時(shí)間尺度（>4天）內(nèi)顯著消耗了小鼠的快速眼動(dòng)睡眠（REMS）和非快速眼動(dòng)睡眠（NREMS），在此期間，小鼠在96%的時(shí)間里被保持清醒，從而幫助研究人員觀察長(zhǎng)期睡眠剝奪帶來的后果。

2020年6月，哈佛大學(xué)醫(yī)學(xué)院的 Dragana Rogulja 團(tuán)隊(duì)在 Cell 發(fā)表論文【2】，該研究發(fā)現(xiàn)，嚴(yán)重睡眠不足導(dǎo)致活性氧（ROS）在果蠅的腸道中積累，增加氧化應(yīng)激，進(jìn)而引起死亡。該研究也發(fā)現(xiàn)，溫和的睡眠剝奪會(huì)導(dǎo)致小鼠腸道中活性氧水平升高，但并未導(dǎo)致小鼠死亡。

在這項(xiàng)最新研究中，張二荃團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，小鼠腸道中活性氧的積累與睡眠剝奪后免疫反應(yīng)強(qiáng)度有關(guān)，這表明活性氧的產(chǎn)生是睡眠剝奪導(dǎo)致的免疫激活的結(jié)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(duì)小鼠的致死作用。這些結(jié)果表明，在小鼠中，睡眠剝奪導(dǎo)致的死亡與腸道中的活性氧無關(guān)。

研究團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步使用CPW系統(tǒng)對(duì)小鼠進(jìn)行了連續(xù)4天的長(zhǎng)時(shí)間睡眠剝奪，結(jié)果顯示，這些小鼠表現(xiàn)出嚴(yán)重的全身炎癥，約80%的小鼠死亡。這些全身炎癥以細(xì)胞因子風(fēng)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(xì)胞因子的上調(diào)和循環(huán)中性粒細(xì)胞的積累。

進(jìn)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(jié)合盒轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白C4（ABCC4）介導(dǎo)的PGD通過血腦屏障的外排升高，可誘導(dǎo)循環(huán)中性粒細(xì)胞的積累和細(xì)胞因子風(fēng)暴樣綜合征。而通過藥理學(xué)或遺傳學(xué)阻斷PGD/PGD受體1（DP1）軸，可顯著減少睡眠剝奪誘發(fā)的炎癥。 因此，這項(xiàng)研究揭示了中樞神經(jīng)系統(tǒng)中與睡眠相關(guān)的PGD變化在外周免疫系統(tǒng)中驅(qū)動(dòng)深刻的病理后果。

總的來說，該研究開發(fā)了新型小鼠睡眠剝奪系統(tǒng)——CPW，它能夠更有效地誘導(dǎo)睡眠剝奪。研究團(tuán)隊(duì)使用CPW系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)了長(zhǎng)期睡眠剝奪觸發(fā)小鼠危及生命的細(xì)胞因子風(fēng)暴樣綜合征病闡明了機(jī)制。睡眠剝奪SD誘導(dǎo)PGD在腦內(nèi)積累，隨后ABCC4轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白介導(dǎo)的腦源性PGD外排穿過血腦屏障，導(dǎo)致促炎細(xì)胞因子的過量產(chǎn)生，最終導(dǎo)致細(xì)胞因子風(fēng)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(qiáng)驅(qū)動(dòng)慢性睡眠剝奪引起的免疫后果，包括中性粒細(xì)胞增多和促炎細(xì)胞因子的誘導(dǎo)。

睡眠行為深度參與了廣泛的生物學(xué)過程，包括免疫調(diào)節(jié)、認(rèn)知表現(xiàn)和新陳代謝，睡眠不足對(duì)健康有著多種不利影響。該研究引入了一個(gè)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(diào)。這些發(fā)現(xiàn)為破譯睡眠剝奪驅(qū)動(dòng)其他不利健康影響的機(jī)制以及睡眠如何與其他生物過程相互作用奠定了基礎(chǔ)。

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(zhuǎn)載自微信公眾號(hào)：生物世界(ID：ibioworld)，作者：王聰