中国科学家在小鼠身上找到不睡觉致死的真正原因,人类不睡觉同样致命吗?
11月27日,学术期刊《细胞》在线发表了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实验室的研究论文《长时间睡眠剥夺导致哺乳动物出现类细胞因子风暴样综合征》(Prolonged sleep deprivation induces a cytokine-storm-like syndrome in mammals)。本文最核心结论之一就是,长时间的连续睡眠剥夺将导致小鼠产生致死的炎症反应。作为本文的主要作者之一,我希望能够在此介绍一下本文成果并且浅聊一下我对这个问题的看法。
睡眠的生物学基础研究通常从行为学手段(研究睡眠剥夺对实验动物产生的影响)探究睡眠功能,从遗传学手段(构建基因突变实验动物,研究这些实验动物睡眠模式的改变)探究睡眠调控机制。为探究睡眠的功能以及睡眠剥夺的生理后果,本文从构建一套适用于实验动物小鼠的新型高效睡眠剥夺范式开始,依托于这种睡眠剥夺范式进行了睡眠剥夺研究。我们发现四天的睡眠剥夺将导致80%的小鼠死于类细胞因子风暴综合征导致的多器官功能紊乱综合征(通常被称为多器官衰竭)。细胞因子风暴在医学临床上指促炎性免疫因子的过度释放,即一种不受控制的严重炎症反应,而通过药物处理或者遗传学手段抑制炎症反应能够显著减缓睡眠剥夺导致的死亡。睡眠与觉醒作为大脑状态的改变,受睡眠剥夺影响最直接的理应是大脑,那么大脑是如何引起如此严重的炎症反应呢?
血脑屏障隔开了大脑和血液,但是大脑和外周血液时刻都进行着物质交换。我们发现在睡眠剥夺过程中,小鼠的血脑屏障向外运输活动明显增强,说明大量大脑产生的物质在睡眠剥夺期间被运输到外周器官组织。同时,我们也发现PGD2(前列腺素D2)作为一种内源的促进睡眠分子,在睡眠剥夺期间会在大脑内持续积累;而PGD2又能够在外周引起免疫反应。结合这两个结果,自然而然可以想到,PGD2可能充当了睡眠剥夺引起炎症的“罪魁祸首”。因而,我们先使用同位素标记的PGD2直接证明了睡眠剥夺将导致脑内PGD2更多地被运输到血液中;而抑制脑内PGD2的合成,抑制PGD2的跨血脑屏障运输,以及抑制PGD2作用于外周器官组织(抑制PGD2受体功能)均可以显著降低小鼠睡眠剥夺后的炎症反应从而减少小鼠睡眠剥夺后的死亡。总结一下,睡眠剥夺导致大脑PGD2的产生量增加,PGD2被更多运输到血液中引起了炎症反应,随着睡眠剥夺时间的延长,最终导致小鼠的死亡。
那么回到这个问题,我们是否找到了小鼠不睡觉致死的真正原因,以及人类不睡觉同样致命吗?
首先对于前面这个问题,我认为在大多数情况下,严重的炎症反应即类细胞因子风暴综合征是小鼠不睡觉致死的真正原因。早在1983年,就有科学家对大鼠进行睡眠剥夺实验,发现对大鼠进行睡眠剥夺将致死,但是他们并未发现睡眠剥夺致死的原因,并将观察结果发表在《科学》期刊上。2020年,有科学家使用果蝇进行睡眠剥夺致死原因的研究,他们认为睡眠剥夺导致了肠道内活性氧的积累,活性氧的积累最终导致了动物死亡,然后将结果发表在《细胞》期刊上。我们同样在睡眠剥夺小鼠身上发现了肠道活性氧的积累,但是这种积累是伴随着炎症反应出现的,可以通过抑制炎症反应的手段来阻止肠道活性氧的积累,这说明活性氧仅作为炎症反应的一部分或者一种表现形式,小鼠的真正死亡原因还是炎症反应。但这只是对于一般情况和正常小鼠而言,不论我们如何抑制睡眠剥夺小鼠的炎症反应或者是直接对严重免疫缺陷小鼠持续进行睡眠剥夺,小鼠最终还是会死亡,这些炎症反应抑制手段只是大大延长了小鼠在睡眠剥夺后的生存周期。睡眠与多种生物过程有深入的相互作用,例如神经功能、代谢等等,睡眠剥夺也绝非只影响了免疫系统,我们所观察到免疫系统的紊乱是最直观且最致命的改变。所以,我认为在大多数情况下,炎症反应是小鼠不睡觉致死的真正原因;而抑制炎症反应后,睡眠剥夺依旧会积累其他系统的紊乱,最终仍然致死。
医学上,存在这样一种疾病——家族性致死性失眠症(fatal familial insomnia),致病原因是患者携带了一个朊病毒蛋白的位点突变,在约50岁时发病,朊病毒蛋白的沉淀逐渐损伤患者的丘脑。在丘脑中存在大量睡眠觉醒调控神经核团,丘脑的损伤导致患者逐渐无法入睡,这个过程中渐进式的失眠并不会导致患者出现炎症反应;最终患者完全无法入睡一段时间,通常是发病7-36个月后,患者死亡并伴随着脑部神经元严重损伤。从这个角度考虑,介由PGD2信号引发炎症反应的过程可能从两方面作为提醒个体及时休息并预防出现不可逆神经损伤的“警报”,一方面是脑内产生的PGD2能够产生困意,促进睡眠;另外一方面是炎症反应伴随着疲劳感,这种疲劳感的来源是许多促炎性免疫因子也存在促进睡眠的功能,而进一步严重的炎症反应所带来的不适感,则警告着个体去休息。
那么对于后面的问题,答案则是肯定的,人类不睡觉肯定是致命的。人类是必须要睡眠的,即使有些严重失眠症患者声称会连续几晚完全没有入睡,但是经过脑电图/肌电图记录依然能够发现这些人每晚仍然会入睡几个小时。对人类的连续睡眠剥夺一定会导致严重的健康损害,伦理上无法通过具体实验验证人类睡眠剥夺致死的原因是否是严重的炎症反应。但是根据一些医学临床的急性睡眠剥夺实验可以确定,睡眠剥夺将导致炎症反应。
睡眠扰乱调控免疫反应的原理图(来源Irwin M. R., Nature reviews. Immunology, 2019)
那么为什么总有人说睡眠不好或者睡眠缺失会导致免疫力降低呢?这其实是一种认知的误区,把免疫反应和对病原体的抵抗力混淆了。免疫反应(尤其是炎症反应)和对病原体的抵抗力通常是相拮抗的(如上图),炎症反应发生时,促炎性基因表达上升,抗病原体相关基因的表达受到抑制。所以炎症反应发生时,对病原体的抵抗力降低,人是更容易感染生病的,在通俗语言中的免疫力通常指的也是“抵抗力”。
总而言之,对于个体来说,睡眠是十分重要的,睡眠剥夺将导致炎症反应出现。因此,能不通宵就不要通宵,能不熬夜就不要熬夜,即使不得已通宵和熬夜也请一定及时补觉,工作和娱乐都远没有身体健康重要。我也看到有些关于本文的报道,下面评论会调侃说“熬夜的人在研究熬夜的坏处”,但是作为睡眠剥夺后果的直接观测者和研究者,我个人肯定是不会且没有因为科研工作或者娱乐熬夜的(骄傲脸)。 |