朱吉祥，黃瑜琳，倪 坤，劉 玥，馬正良

南京大學醫(yī)學院附屬鼓樓醫(yī)院麻醉科，南京 210008

睡眠剝奪是指機體由于生活事件或多種病理生理原因(如藥物作用、慢性疾病、精神疾病、睡眠障礙等)而部分或全部喪失正常睡眠量的狀態(tài)[1]。流行病學資料顯示，我國青少年人群中睡眠障礙總體患病率為26%，成年人群中睡眠障礙總體患病率為15%，60歲以上老年人群中睡眠障礙總體患病率為35.9%[2-4]。睡眠剝奪不僅會使注意力穩(wěn)定性減弱、面孔識別能力降低、工作記憶變差等，還可誘發(fā)焦慮、抑郁、行為障礙等[2-5]。因此，睡眠剝奪已成為社會公共衛(wèi)生問題，嚴重影響人們的身心健康。

有研究發(fā)現(xiàn)，8h完全睡眠剝奪的青年健康志愿者血漿中神經元特異性烯醇化酶和S100鈣結合蛋白水平顯著增高，而這兩個標志物在正常情況下主要存在于神經系統(tǒng)中，其血漿水平的顯著增高常提示血腦屏障損傷[6]。另一項臨床研究觀察到，在健康志愿者經歷24 h和40 h的睡眠剝奪后，不僅精神運動性警覺任務評分的中位反應時間顯著延長、走神次數(shù)顯著增加，而且血清中的S100鈣結合蛋白水平也顯著增加[7]。上述研究結果提示，睡眠剝奪可引起血腦屏障損傷。而多項研究證實，睡眠剝奪是阿爾茨海默病、抑郁癥、癲癇等多種神經系統(tǒng)疾病的危險因素，并且血腦屏障損傷是引起或加重這些疾病的關鍵病理生理基礎[4，8-12]。因此，研究睡眠剝奪對血腦屏障的損傷具有重要的臨床意義。但目前睡眠剝奪引起血腦屏障損傷的機制尚未完全闡明，本文對近年來研究睡眠剝奪損傷血腦屏障的可能機制予以總結。

睡眠剝奪引起血腦屏障損傷的特點

破壞性和非破壞性損傷共存血腦屏障是血液與腦組織間的一種特殊屏障，主要由內皮細胞、基底膜、周細胞和星形膠質細胞足突等構成，是維護中樞神經系統(tǒng)內環(huán)境穩(wěn)態(tài)、保障正常生理功能的重要結構[13]。血腦屏障損傷包括破壞性損傷和非破壞性損傷，前者多伴組織水平的變化，如內皮細胞損傷、緊密連接表達改變、糖萼降解等；而后者多發(fā)生在分子水平，表現(xiàn)為主動外排轉運體活性增強、細胞內酶活性降低、內吞作用增強等[14]。研究表明，睡眠剝奪不僅增加了大鼠血腦屏障對伊文思藍的滲透性[15]，也降低了主動外排蛋白對底物羅丹明123的外排[16]，提示睡眠剝奪可同時引起血腦屏障的破壞性和非破壞性損傷。

腦區(qū)異質性盡管中樞神經系統(tǒng)血腦屏障的細胞構成一致，但是不同腦區(qū)細胞起源、形態(tài)、功能存在差異使血腦屏障滲透性也具有異質性[17]。睡眠剝奪引起血腦屏障損傷也具有腦區(qū)異質性，主要表現(xiàn)為：(1)損傷程度異質性。Sharma等[15]發(fā)現(xiàn)大鼠連續(xù)48 h水平臺快動眼睡眠剝奪后腦區(qū)滲透性改變的程度：小腦皮質>海馬>大腦皮層>尾狀核>丘腦>下丘腦>腦干；(2)損傷機制異質性。每天20 h連續(xù)10 d快動眼睡眠剝奪后大鼠海馬、基底核區(qū)腺苷A2A受體表達明顯增加，而大腦皮質A2A受體表達無明顯改變；Hurtado-Alvarado等[18]對睡眠剝奪大鼠腹腔內應用選擇性A2A受體拮抗劑后，大鼠海馬區(qū)與基底核的血腦屏障滲透性得到明顯改善，而其他腦區(qū)無改善。(3)損傷后恢復速度異質性。研究表明，對每天20 h連續(xù)10 d快動眼睡眠剝奪的大鼠恢復自由睡眠2 h后，大部分腦區(qū)如扣帶回、島葉皮質、杏仁核、基底核、視前區(qū)等血腦屏障滲透性快速恢復，而運動皮層、體感皮層、海馬、中腦等腦區(qū)血腦屏障滲透性恢復緩慢[19]。

睡眠剝奪損傷血腦屏障的可能機制

外周炎癥反應睡眠剝奪可引起全身的炎癥狀態(tài)，而炎癥反應與多種病理狀態(tài)相關，其中包括血腦屏障損傷。有趣的是，Hurtado-Alvarado等[20]對輔助T淋巴細胞(helper T cell，Th)1細胞占優(yōu)促炎反應為主的C57BL/6小鼠采用每天20 h連續(xù)10 d快動眼睡眠剝奪方案后，觀察到血漿中炎癥因子如腫瘤壞死因子α(tumor necrosis factor α，TNF-α)、干擾素-γ(interferon-γ，IFN-γ)和海馬組織中炎癥性指標如離子鈣結合銜接分子1(ionized calcium binding adapter molecule 1，Iba-1)、腺苷A2A受體、金屬基質蛋白酶9(matrix metalloprotein，MMP-9)明顯升高，海馬、大腦皮層、小腦區(qū)血腦屏障滲透性明顯增加；而Th2細胞占優(yōu)抗炎反應為主的BALB/c小鼠經過相同的睡眠剝奪方案后，血腦屏障的滲透性無明顯改變，同時血漿和海馬組織中Iba-1、A2A腺苷受體、MMP-9明顯降低，提示睡眠剝奪對血腦屏障的損害與免疫反應相關。Xu等[21]對成年C57BL/6小鼠采用反復間斷的快動眼睡眠剝奪(每天20 h連續(xù)7 d，3個循環(huán)，間隔7 d)方案后，發(fā)現(xiàn)睡眠剝奪放大了脂多糖誘發(fā)的全身炎癥反應和血腦屏障損害，而這種附加作用在實施脾切除術后消失，提示睡眠剝奪誘導的血腦屏障的損傷與持續(xù)的外周炎癥反應密切相關。體外研究提示，多種炎癥因子包括白細胞介素(interleukin，IL)-6，TNF-α，IFN-γ組合在極低劑量條件下即可增加體外血腦屏障模型的滲透性和下調內皮緊密連接蛋白的表達，其可能是激活了核因子κB(nuclear factor kappa-B，NF-κB)[22]。在睡眠剝奪的大鼠皮層微血管提取物中，同樣檢測到了NF-κB的顯著激活和受其調節(jié)的MMP-9表達的顯著增高[16]。MMP-9既可以水解基底膜，也參與緊密連接蛋白的降解[23]。這些發(fā)現(xiàn)提示睡眠剝奪引起血腦屏障的機制與外周炎癥微環(huán)境密切相關。

此外，Sharma等[15]發(fā)現(xiàn)大鼠血漿和大腦皮質表現(xiàn)出睡眠剝奪時間依賴性5-羥色胺(5-hydroxytryptamine，5-HT)水平的升高，這種升高伴隨著血腦屏障滲透性增加而增加，并且重復應用5-HT3受體拮抗劑昂丹司瓊后，血腦屏障的滲透性和神經功能得到改善，提示5-HT3受體及其下游的信號通路在睡眠剝奪誘導的血腦屏障損害中發(fā)揮著重要的作用。

中樞炎癥反應血腦屏障損傷時外周炎癥介質或者免疫細胞可進入中樞，引起中樞星形膠質細胞和小膠質細胞激活，繼而參與血腦屏障的功能調節(jié)。睡眠剝奪后，多數(shù)腦區(qū)如皮質、海馬、基底核區(qū)血腦屏障滲透性增加同時星形膠質細胞和小膠質細胞激活[18]。每天20 h連續(xù)7 d快動眼相睡眠剝奪小鼠的海馬組織星形膠質細胞α7煙堿型乙酰膽堿受體(α7 nicotinic acetylcholine receptor，α7-nAChR)的表達明顯下調伴認知能力的顯著降低[24]。腹腔內應用α7-nAChR激動劑PHA-543613后，海馬組織中促炎因子如TNF、MCP-1明顯下調，抗炎因子如CD206、TGF-β明顯上調并且血腦屏障的滲透性明顯改善，與此同時，外周血炎癥因子也明顯降低，其機制可能是α7-nAChR抑制PI3K/AKT/GSK-3β介導的炎癥反應和α7-nAChR介導抗氧化應激作用，進而提高學習和記憶能力[24]。全基因測序差異性分析發(fā)現(xiàn)，72 h快動眼相睡眠剝奪小鼠的海馬組織中CD44明顯上調[25]。過表達星形膠質細胞上CD44增加了體外血腦屏障的滲透性，其機制可能是CD44/NANOG/CDC42調節(jié)緊密連接蛋白的表達[25]。小膠質細胞和星形膠質細胞的激活還釋放大量與血腦屏障損傷相關促炎因子參與血腦屏障損傷[26]。

星形膠質細胞和小膠質細胞的激活受睡眠剝奪程度的影響。有研究發(fā)現(xiàn)，短期睡眠剝奪(6～8 h)僅增加了星形膠質細胞對大突觸突觸前成分的吞噬，而慢性睡眠剝奪(<5 d)后小膠質細胞出現(xiàn)了吞噬表型[27]。小膠質細胞應激后雙相表型轉變同樣在另一項研究觀察到。Haruwaka等[28]研究表明，在炎癥早期，血管內皮細胞釋放C-C趨化因子配體5(C-C chemokine ligand 5，CCL5)招募血管相關小膠質細胞向血管遷移并與之接觸，與此同時小膠質細胞表達claudin-5參與血腦屏障完整性的維持。隨著炎癥的持續(xù)，小膠質細胞的形態(tài)發(fā)生改變，表現(xiàn)為吞噬表型并釋放炎癥因子，吞噬星形膠質細胞的足突，增加血腦屏障的滲透性。

周細胞與內皮細胞解偶聯(lián)生理狀態(tài)下，腦周細胞沿著內皮細胞表面伸展并包埋在基底膜中。疾病狀態(tài)下，周細胞可與內皮細胞發(fā)生解剖位置的改變和相互作用的受損，從而增加血腦屏障的滲透性[29]。研究者們通過透射電鏡觀察到大鼠經過每天20 h連續(xù)10 d快動眼相睡眠剝奪后，海馬區(qū)周細胞從與毛細血管壁密切接觸狀態(tài)解離[16，30]，并且通過蛋白組學測定發(fā)現(xiàn)介導內皮細胞和周細胞錨定和信號傳導的蛋白如可溶性血小板源性生長因子-β和間隙連接蛋白43 表達明顯降低[16]。周細胞從與內皮細胞偶聯(lián)狀態(tài)中解離可能歸因于炎癥性微環(huán)境或者節(jié)律基因的調控[31]。周細胞在血腦屏障中的調節(jié)作用得到了越來越多的關注。體外研究提示周細胞誘導內皮屏障緊密性增高和轉胞吞作用減弱[32]。腦周細胞的敲減顯著增加了血腦屏障對伊文思藍的滲透性，其可能原因是周細胞以載脂蛋白E亞型依賴的方式調節(jié)基底膜的形成[33]。周細胞的敲減對血腦屏障的損傷也具有腦區(qū)異質性，皮質、海馬、紋狀體區(qū)的滲透性明顯增加，而間腦、中腦、小腦的滲透性無明顯變化，這可能與不同腦區(qū)周細胞的發(fā)育起源有關以及其他機制參與血腦屏障滲透性的調節(jié)[34]。

節(jié)律基因紊亂睡眠與節(jié)律密切相關，而血腦屏障受節(jié)律控制基因的調節(jié)[35]。急性睡眠剝奪或應激后外周組織DNA啟動子甲基化增加，并以組織特異性方式減少節(jié)律基因的轉錄[36-37]。皮層和海馬組織中節(jié)律基因如腦和肌肉芳香烴受體核轉運體樣蛋白1(brain and muscle ARNT-like 1，BMAL1)表達振幅在睡眠剝奪后明顯降低[38-39]。噪聲誘導的睡眠剝奪模型中，主動脈、心臟、腎臟內皮的節(jié)律基因轉錄組呈現(xiàn)出顯著改變，節(jié)律基因失調與叉頭框(fork-head box，F(xiàn)ox)O3下調有關(如BMAL1的啟動子區(qū)與FoxO3有直接結合位點)；FoxO3激動劑芐普地爾的腹腔給藥治療減輕了睡眠剝奪引起的內皮功能障礙[40]。Qin等[41]發(fā)現(xiàn)睡眠剝奪降低了小鼠主動脈內皮細胞節(jié)律控制基因隱花色素1(cryptochrome，CRY1)的表達；使用腺病毒過表達CRY1抑制了炎癥因子、黏附分子的表達和內皮細胞NF-κB的激活，提示節(jié)律基因參與調節(jié)了睡眠剝奪誘導的促炎過程。節(jié)律基因也影響星形膠質細胞和周細胞的功能活動[42]。敲減BMAL1明顯促進了星形膠質細胞激活，并伴隨著年齡相關周細胞覆蓋率的減少和功能障礙包括血小板源性生長因子-β受體表達下調，從而降低了血腦屏障完整性[43]，這些表現(xiàn)與睡眠剝奪模型大鼠血腦屏障中觀察到的一致[16]。因此，節(jié)律基因紊亂可能在睡眠剝奪誘導血腦屏障損傷中起著重要的作用。

腺苷/A2A腺苷受體信號激活長時間的清醒和睡眠剝奪增強神經元的活動，使得其能量消耗及細胞外腺苷濃度增加。一項體內微透析研究提示，貓的自發(fā)睡眠期相較于清醒期各腦區(qū)(基底前腦、大腦皮層、丘腦、下丘腦視前區(qū)、中縫背核、被蓋核)細胞外腺苷水平下降15%～20%；睡眠剝奪6 h后在上述腦區(qū)的基底前腦和大腦皮層檢測到腺苷濃度的顯著增加[44]。

體外實驗提示，給予A2A受體激動劑后血腦屏障滲透性增加，其可能機制是通過adenosine/A2A/cAMP/RhoA/ROCK2信號通路影響F-actin的重組和緊密連接蛋白如血管選擇性鈣黏素(vascular endothelial-cadeherin，VE-cadherin)、claudin-5、ZO-1(zonula occludens1)等的表達[45-46]。此外，腺苷/A2A腺苷受體信號通路的激活也促進了MMP-9的表達和外排轉運蛋白(如P-糖蛋白、乳腺癌耐藥蛋白1)泛素化的增加，進而增加血腦屏障的滲透性[47]。Hurtado-Alvarado等[18]對成年大鼠采用每天20 h連續(xù)10 d快動眼相睡眠剝奪方案后發(fā)現(xiàn)，大鼠海馬和基底核區(qū)A2A腺苷受體的表達顯著增加。經腹腔應用特異性A2A腺苷受體拮抗劑SCH58261后，睡眠剝奪大鼠的多個腦區(qū)(皮質、海馬、基底核)血腦屏障緊密連接蛋白的表達和屏障滲透性明顯恢復，提示腺苷/A2A腺苷受體信號通路在睡眠剝奪引起血腦屏障損傷中發(fā)揮著重要的作用[18]。

總結和展望

綜上所述，睡眠剝奪已逐漸成為一種日益普遍的社會現(xiàn)象，其引起血腦屏障損傷的機制尚未完全闡明。目前相關研究多為臨床前研究且主要集中于皮層、海馬等腦區(qū)，可能機制主要包括中樞和外周炎癥反應、血管神經單元各組分之間的相互作用、節(jié)律基因紊亂、腺苷信號激活等。改善患者的睡眠質量，減輕血腦屏障的損傷，或許有助于改善相關神經系統(tǒng)疾病的發(fā)生和發(fā)展，減緩疾病的進程，從而提高患者的生存質量及長期轉歸。因此，研究睡眠剝奪引起血腦屏障損傷的機制，不僅需要進一步更加深入的基礎研究，還需要更多的臨床研究予以支撐和轉化，以期為臨床診療提供更加合理的方案。