熬夜不睡，免疫崩溃：张二荃团队发表Cell论文，揭示睡眠不足诱发细胞因子风暴及死亡的机制

2023-11-29 09:42

什么是生物钟？生物钟如何进行调控？研究生物钟有何重要意义？

撰文丨王聪

编辑丨王多鱼

排版丨水成文

所有已知的动物都会都会睡眠或表现出某种形式的睡眠行为，对于人类而言，我们有将近三分之一的时间是在睡眠中度过，但睡眠的确切功能和机制仍然存在争议。

睡眠在许多生物过程中起着至关重要的作用，包括免疫调节、认知表现和代谢。长期睡眠剥夺 （Sleep Deprivation，SD）可导致一系列模式动物（包括果蝇、小鼠、大鼠和狗）过早死亡。此外，睡眠不足还会导致许多健康问题，包括但不限于对感染的易感性增加、慢性炎症性疾病和炎症。睡眠不足还与中枢神经系统（CNS）代谢物和蛋白质的清除异常、CNS中细胞因子的产生（例如IL-1和肿瘤坏死因子）以及氧化应激有关。

然而，睡眠调节免疫的详细机制，以及睡眠不足如何导致不良健康影响尚未被阐明。

2023年11月27日，北京生命科学研究所/清华大学生物医学交叉研究院张二荃团队在国际顶尖学术期刊 Cell 上发表了题为：Prolonged sleep deprivation induces a cytokine storm-like syndrome in mammals 的研究论文。

该研究发现长期睡眠剥夺触发小鼠危及生命的细胞因子风暴，并进一步阐明了背后的机制——睡眠剥夺诱导PGD₂在大脑内积累，随后ABCC4转运蛋白介导的脑源性PGD₂外排穿过血脑屏障，导致促炎细胞因子的过量产生，最终导致细胞因子风暴样表型和多器官功能障碍综合征（MODS）。

睡眠时间的实验操作为解析睡眠如何调控人类和动物模型的先天免疫提供了可靠的方法，这些实验操作包括总睡眠剥夺、慢性睡眠限制和睡眠中断。在实验室实验中，总睡眠剥夺是最常用的睡眠操作，许多睡眠剥夺实验方法已经在小鼠身上开发出来。但这些传统的睡眠剥夺方式并不能有效地长时间抑制所有睡眠，因为动物具有一种内稳态机制，在最初的睡眠剥夺后会驱动强劲的恢复。之前研究小鼠睡眠影响的实验方法一直无法持续剥夺其快速眼动睡眠（REMS）和非快速眼动睡眠（NREMS）。

因此，需要一种更有效的实验范式来诱导长期和持续的睡眠剥夺，以严格探索睡眠的功能。

在这项研究中，研究团队开发了一种小鼠睡眠剥夺系统 ——curling prevention by water（简称为CPW）， CPW系统能够在长时间尺度（>4天）内显著消耗了小鼠的快速眼动睡眠（REMS）和非快速眼动睡眠（NREMS），在此期间，小鼠在96%的时间里被保持清醒，从而帮助研究人员观察长期睡眠剥夺带来的后果。

2020年6月，哈佛大学医学院的 Dragana Rogulja 团队在 Cell 发表论文【2】，该研究发现，严重睡眠不足导致活性氧（ROS）在果蝇的肠道中积累，增加氧化应激，进而引起死亡。该研究也发现，温和的睡眠剥夺会导致小鼠肠道中活性氧水平升高，但并未导致小鼠死亡。

在这项最新研究中， 张二荃 团队发现，小鼠肠道中活性氧的积累与睡眠剥夺后免疫反应强度有关，这表明活性氧的产生是睡眠剥夺导致的免疫激活的结果，而非原因。此外，使用抗氧化剂清除肠道中积累的活性氧，并不能减少睡眠剥夺对小鼠的致死作用。这些结果表明，在小鼠中，睡眠剥夺导致的死亡与肠道中的活性氧无关。

研究团队进一步使用CPW系统对小鼠进行了连续4天的长时间睡眠剥夺，结果显示，这些 小鼠表现出严重的全身炎症，约80%的小鼠死亡 。这些全身炎症以细胞因子风暴样症状为特征，伴有多器官功能障碍综合征（MODS）、多种促炎细胞因子的上调和循环中性粒细胞的积累。

进一步分析显示，睡眠剥夺增加了大脑中前列腺素D ₂ （PGD2）的水平，通过ATP结合盒转运蛋白C4（ABCC4）介导的PGD ₂ 通过血脑屏障的外排升高，可诱导循环中性粒细胞的积累和细胞因子风暴样综合征。而通过药理学或遗传学阻断PGD ₂ /PGD ₂ 受体1（DP1）轴，可显著减少睡眠剥夺诱发的炎症。因此，这项研究揭示了中枢神经系统中与睡眠相关的PGD ₂ 变化在外周免疫系统中驱动深刻的病理后果。

总的来说，该研究开发了新型小鼠睡眠剥夺系统——CPW，它能够更有效地诱导睡眠剥夺。研究团队使用CPW系统发现了长期睡眠剥夺触发小鼠危及生命的细胞因子风暴样综合征病阐明了机制。睡眠剥夺SD诱导PGD ₂ 在脑内积累，随后ABCC4转运蛋白介导的脑源性PGD ₂ 外排穿过血脑屏障，导致促炎细胞因子的过量产生，最终导致细胞因子风暴样表型和多器官功能障碍综合征（MODS）。此外，该研究还证明了脑源性PGD ₂ 外排增强驱动慢性睡眠剥夺引起的免疫后果，包括中性粒细胞增多和促炎细胞因子的诱导。

睡眠行为深度参与了广泛的生物学过程，包括免疫调节、认知表现和新陈代谢，睡眠不足对健康有着多种不利影响。该研究引入了一个睡眠剥夺新范式，揭示了脑源性PGD ₂ 参与睡眠剥夺期间的免疫失调。这些发现为破译睡眠剥夺驱动其他不利健康影响的机制以及睡眠如何与其他生物过程相互作用奠定了基础。