長時間睡眠不足會誘發(fā)哺乳動物細胞因子風暴樣綜合征
睡眠對于絕大多數(shù)動物來說都是不可或缺的，睡眠不足會導致嚴重的生理和病理后果，甚至死亡。早在2007年，國際癌癥研究機構(gòu)（IARC）就把熬夜和晝夜節(jié)律打亂的行為定義為2A類致癌物。然而，目前關(guān)于睡眠調(diào)節(jié)免疫力的內(nèi)在機制以及睡眠不足對健康的不良影響機制尚未得以闡明。不久前，來自清華大學生物醫(yī)學研究院的團隊在《Cell》上發(fā)表了題為“Prolonged sleep deprivation induces a cytokine-storm-like syndrome in mammals”的文章。他們研發(fā)出的“水箱睡眠剝奪“模式，使小鼠能在96%的時間內(nèi)保持清醒。研究發(fā)現(xiàn)，睡眠剝奪增加了大腦中前列腺素D2（PGD2）的水平，由ATP結(jié)合盒亞家族C4轉(zhuǎn)運蛋白（ABCC4）介導的PGD2穿過血腦屏障（BBB）的流出量升高會誘導循環(huán)中性粒細胞的積累和細胞因子風暴樣綜合征。而PGD2/DP1軸的實驗性破壞能顯著減少睡眠剝奪引起的炎癥。這項研究揭示了中樞神經(jīng)系統(tǒng)中PGD2與睡眠相關(guān)的變化會對周圍免疫系統(tǒng)產(chǎn)生深遠的病理影響。
圖1. 概要圖
（圖片源自《Cell》）
首先，研究者建立了一種新的小鼠睡眠剝奪（SD）系統(tǒng)，命名為CPW模式。該模式可持續(xù)剝奪小鼠96%以上的睡眠。為了檢驗延長SD的生理后果，作者將成年小鼠置于CPW模式下。在短短4天的時間內(nèi)，80%的SD小鼠經(jīng)歷了在SD開始后72h-96h過早死亡。SD小鼠病理檢查顯示多系統(tǒng)臟器損傷，包括肝臟、脾臟、肺、腸和腎?？偟膩碚f，這些發(fā)現(xiàn)揭示了長期的SD會導致危及生命的多器官功能障礙綜合癥（MODS）。
圖2. 長時間的睡眠剝奪會導致小鼠全身炎癥和過早死亡
（圖片源自《Cell》）
在人類中，細胞因子風暴的特征是促炎細胞因子的過度釋放，并可導致器官損傷、發(fā)病率和死亡率升高。由于SD小鼠表現(xiàn)出器官損傷和炎癥特征，研究者推測它們可能遭受了細胞因子風暴的病理后果。為了研究這一動態(tài)，他們檢測了SD后小鼠血清中27種促炎細胞因子和趨化因子的水平，結(jié)果表明，隨著時間推移，大多數(shù)促炎因子上調(diào)。值得注意的是，IL-6和IL-17A是SD誘導變化最顯著的促炎細胞因子，而這兩種因子恰好也是介導人類細胞因子風暴的主要炎癥因子。為了研究SD誘導細胞因子產(chǎn)生的機制，研究者在SD過程中對小鼠血液白細胞進行了RNA測序分析，轉(zhuǎn)錄組比較分析表明，細胞因子的產(chǎn)生隨著SD的進展而增強，并且不同亞型的白細胞對SD表現(xiàn)出不同的反應。結(jié)合MODS表型，這些結(jié)果表明SD在小鼠中引發(fā)了細胞因子風暴樣綜合征。研究者進一步比較了細胞因子在SD誘導死亡中的作用，SD小鼠給予抗細胞因子風暴劑，用這些藥物治療的小鼠對SD誘導的死亡產(chǎn)生明顯抗性。對免疫缺陷小鼠的研究也表明，這些小鼠在SD 96h后都存活下來?？傊?，這些發(fā)現(xiàn)表明，SD誘導的死亡可以通過抑制促炎細胞因子信號通路來預防。
圖3. 睡眠剝奪會誘發(fā)血液中促炎細胞因子的積累
（圖片源自《Cell》）
由于測序數(shù)據(jù)顯示，中性粒細胞相關(guān)基因在SD 24h后上調(diào)，研究者接下來對對照組、SD 24h和SD 48h小鼠進行了單細胞RNA測序分析，以探究SD誘導的白細胞亞群的變化。結(jié)果顯示中性粒細胞和單核細胞的比例在SD 24h上調(diào)，而淋巴細胞的比例則相反。這與前面RNA測序的結(jié)果一致。對中性粒細胞在SD 24h和SD 48h上調(diào)的基因進行GO分析發(fā)現(xiàn)，中性粒細胞脫顆粒、中性粒細胞和細胞因子介導的免疫信號通路等的富集。這些結(jié)果表明，SD期間循環(huán)中性粒細胞積聚并被激活，可能是由細胞因子信號通路介導的。為了評估循環(huán)中性粒細胞對SD誘導死亡的貢獻，研究者通過腹腔內(nèi)注射抗Ly6G抗體來耗盡中性粒細胞。與同型對照相比，中性粒細胞耗竭的小鼠確實表現(xiàn)出對SD誘導的死亡的抵抗力。
圖4. 循環(huán)中性粒細胞的積累導致了睡眠剝奪導致的死亡
（圖片源自《Cell》）
接下來，作者探究了SD誘導的免疫反應是否需要跨BBB的轉(zhuǎn)運。使用普通ABC轉(zhuǎn)運蛋白底物羅丹明 B（RHB）進行了體內(nèi)外排實驗，以評估BBB內(nèi)皮細胞中ABC轉(zhuǎn)運蛋白的活性。結(jié)果表明，SD小鼠的晝夜節(jié)律振蕩明顯減弱，外排增強。此外，通過體外ABC轉(zhuǎn)運蛋白流出實驗也同樣觀察到此現(xiàn)象，說明大腦影響SD誘導的免疫反應不是通過交感神經(jīng)系統(tǒng)，而是通過ABC轉(zhuǎn)運蛋白介導的BBB外排。
圖5. 睡眠剝奪期間由ABCC轉(zhuǎn)運體經(jīng)由血腦屏障的外排增強引起全身炎癥
（圖片源自《Cell》）
由于PGD2是最有效的內(nèi)源性睡眠促進物質(zhì)之一，腦源性GPD2主要由脂鈣蛋白型PGD合成酶（PTGDS或L-PGDS）產(chǎn)生。隨后，作者通過靜脈注射G蛋白偶聯(lián)受體DP1和DP2激動劑來模擬血液中PGD2水平的增加，以驗證腦源性PGD2是否會引發(fā)SD誘導的免疫反應。結(jié)果發(fā)現(xiàn)DP1激動劑導致靜息小鼠血液中中性粒細胞的比例呈劑量依賴性增加。表明PGD2在SD期間介導的免疫反應中起了作用。通過基于GPCR激活的（GRAB）傳感器監(jiān)測SD期間大腦中的PGD2水平，發(fā)現(xiàn)該熒光傳感器對PGD2有特異性響應。且SD 24h小鼠大腦中PGD2的水平和對照組相比升高了158%，表明SD升高了大腦中PGD2的水平。
圖6. 睡眠剝奪期間大腦中PGD2水平增加
（圖片源自《Cell》）
為了研究PGD2外排是否隨著SD的增加而增加，作者采用腦外排指數(shù)（BEI）進行測定。結(jié)果表明，SD 24h、SD 48h和對照小鼠在SD期間的PGD2通過BBB的外排顯著增加。且腦源性PGD2的外排在Abcc4-/-小鼠中被阻斷，從而防止SD誘導的死亡。與WT對照組相比，SD 48h處理的Abcc4-/-小鼠的循環(huán)促炎癥細胞因子，特別是IL-6和循環(huán)中性粒細胞水平也有所降低。對PDG合成酶的敲除實驗表明，與非靶向（NT）對照小鼠相比，SD 48h時PtgdsBKO（腦嵌合KO）小鼠的循環(huán)中性粒細胞和血清IL-6誘導減弱。此外，遺傳Ptgds-/-（傳統(tǒng)KO）小鼠對SD誘導的死亡具有抗性。綜上所述，這些結(jié)果揭示了睡眠調(diào)節(jié)免疫系統(tǒng)的有效途徑。SD增強PGD2的BBB外排，從而引發(fā)全身性炎癥。
圖7. 睡眠不足會增加大腦中PGD2的分泌且長時間睡眠不足會引發(fā)細胞因子風暴
（圖片源自《Cell》）
這一研究發(fā)現(xiàn)表明，從藥理學角度阻斷PGD2/DP1軸能有效降低SD誘導的炎癥反應。這為破解睡眠對健康影響相關(guān)的藥物開發(fā)奠定了基礎(chǔ)。
云克隆開發(fā)了上述研究中相關(guān)指標產(chǎn)品以助力科學研究，部分指標如下，供您參考：
