中科院青促會特邀評論員 師樂

（北京大學第六醫(yī)院）

評述論文：The sleep-wake cycle regulates brain interstitial fluid tau in mice and CSF tau in humans (Science 24 January 2019)

近年來睡眠對認知功能的調(diào)節(jié)作用逐漸被研究者所揭示，從實驗室研究到臨床調(diào)查均發(fā)現(xiàn)睡眠問題可導致認知功能減退[1]，薈萃分析的結(jié)果還顯示睡眠障礙是獨立預測阿爾茨海默癥（Alzheimer's disease, AD）、血管性癡呆等不同癡呆類型發(fā)生的風險因素[2]，但是睡眠不良影響認知功能甚至導致AD等疾病出現(xiàn)的機制尚不清楚。

傳統(tǒng)觀點認為，腦內(nèi)β淀粉樣蛋白（β-amyloid，Aβ）沉積和tau蛋白聚集在AD的發(fā)生發(fā)展過程中發(fā)揮著重要作用，這也引起研究者關(guān)注睡眠對以Aβ為代表的腦代謝產(chǎn)物的調(diào)控效應(yīng)。利用雙光子成像技術(shù)，研究人員發(fā)現(xiàn)小鼠睡眠時細胞間隙空間相比于覺醒時增加60%，使得腦脊液與細胞間液的對流交換顯著加強，進而有助于腦內(nèi)Aβ的清除[3]。利用正電子發(fā)射斷層掃描技術(shù)，研究者發(fā)現(xiàn)經(jīng)歷整夜的睡眠剝奪后，健康受試者海馬和丘腦的Aβ負擔加重，且這一作用不受APOE基因型的影響[4]。通過侵入式手段獲取不同時期的腦脊液分析Aβ的動力學過程，發(fā)現(xiàn)睡眠剝奪可增加Aβ的產(chǎn)生[5]。這一系列基礎(chǔ)和臨床的研究均提示，Aβ生成增多且清除減少可能是介導睡眠不良導致認知減退甚至是AD發(fā)生的重要原因。

除Aβ外，tau蛋白被認為是AD發(fā)生的另一關(guān)鍵因素，尤其是在基于Aβ治療AD的藥物研發(fā)失敗后，研究者推測tau蛋白在AD病理進展中的作用是顯著且亟待加強研究的[6]。tau蛋白是微管結(jié)合蛋白家族中的一種支架蛋白，主要富集于神經(jīng)元軸突周圍，以調(diào)節(jié)、維持微管穩(wěn)定性并輔助神經(jīng)元軸突運輸?shù)?。?/span>tau蛋白發(fā)生過度磷酸化或在神經(jīng)原纖維纏結(jié)和神經(jīng)纖維網(wǎng)等結(jié)構(gòu)中聚集，就可導致神經(jīng)元和突觸缺失進而破壞神經(jīng)可塑性[7]，這被認為是影響AD等發(fā)生的重要病理過程。tau蛋白一般位于細胞質(zhì)，通過神經(jīng)元釋放到細胞間隙，其釋放程度受神經(jīng)元活性的調(diào)節(jié)，神經(jīng)元活性越高越利于tau蛋白從胞內(nèi)釋放出來[8]，因此抑制神經(jīng)元活性減少tau蛋白釋放可能是干預AD進展的有效措施。有研究提示慢波睡眠活動與tau病理過程密切相關(guān)[9]，但是睡眠對tau蛋白及其改變的具體作用尚不清楚。那么是否同Aβ一樣，睡眠與覺醒不同時相可動態(tài)影響腦內(nèi)tau蛋白的水平？

在本期《科學》雜志中，來自華盛頓大學醫(yī)學院的研究者分別在小鼠和人體上探討了睡眠-覺醒過程對腦內(nèi)tau蛋白的影響。首先，研究者監(jiān)測了小鼠海馬細胞間液tau蛋白的動態(tài)變化，發(fā)現(xiàn)睡眠時tau蛋白水平降低，同時受神經(jīng)元活性調(diào)控的乳酸濃度也發(fā)生相同變化，而對小鼠進行急性睡眠剝奪后，其腦內(nèi)的tau蛋白和乳酸水平會顯著升高。當用河鲀毒素（tetrodotoxin，TTX）抑制神經(jīng)元活性后，tau蛋白和乳酸水平即使經(jīng)歷睡眠剝奪也不會升高（圖1），提示睡眠-覺醒過程可通過改變神經(jīng)元活性影響腦內(nèi)tau蛋白的水平。

圖1. 不同狀態(tài)下小鼠細胞間液tau蛋白和乳酸變化情況。A和B. 正常節(jié)律下，tau蛋白展示出晝夜波動的現(xiàn)象。C. 急性睡眠剝奪后tau蛋白水平增加，但給予TTX可抑制tau蛋白的增加。D、E和F. 乳酸的濃度在覺醒時高于睡眠期，而急性睡眠剝奪可增加乳酸水平，但TTX可破壞急性睡眠剝奪對乳酸的影響。

隨后，研究者招募了一組30到60歲留置腰椎導管的受試者，比較了正常睡眠和整夜睡眠剝奪后腦脊液內(nèi)tau蛋白、神經(jīng)絲輕鏈（neurofilament light chain, NfL）、α-突觸核蛋白（α-synuclein）和膠質(zhì)纖維酸性蛋白（astrocytic glial fibrillary acidic protein）等的變化情況，結(jié)果顯示整夜睡眠剝奪只增加受試者腦內(nèi)與神經(jīng)退行性疾病密切相關(guān)的tau蛋白和突觸核蛋白水平，且增加的tau蛋白水平與Aβ濃度呈正相關(guān)（圖2）。

接下來，為探索長時間的睡眠剝奪對tau蛋白“播種（seeding）”和“傳播（spreading）”的作用，受試者將重組P301S人tau纖維原注入小鼠海馬腦內(nèi)，經(jīng)過28天的睡眠剝奪干預后，外源性tau并沒有在海馬腦區(qū)內(nèi)“播種（seeding）”，而是向與海馬有突觸聯(lián)系且發(fā)揮維持覺醒作用的藍斑腦區(qū)“傳播（spreading）”（圖2）。此外，研究者還發(fā)現(xiàn)若不向小鼠腦內(nèi)注射P301S，僅28天的睡眠剝奪并不增加tau蛋白水平，可能是因為急性增高的可溶tau蛋白可抑制神經(jīng)元活性進而降低tau蛋白的釋放。

圖2. 急性睡眠剝奪對人腦脊液tau蛋白、α-突觸核蛋白和NfL的影響及慢性睡眠剝奪對小鼠海馬tau蛋白傳播的影響。A、B和C. 急性睡眠剝奪可增加人腦脊液tau蛋白和α-突觸核蛋白水平。D. 增加的tau蛋白水平與Aβ濃度呈正相關(guān)。E. 急性睡眠剝奪對NfL無影響。F和G. 慢性睡眠剝奪不改變小鼠海馬腦區(qū)內(nèi)磷酸化tau蛋白水平。H. 慢性睡眠剝奪可增加藍斑與海馬磷酸化tau蛋白的比率。I、J和K. 慢性睡眠剝奪可增加藍斑腦區(qū)磷酸化tau蛋白水平。

以上實驗中均采用人為的睡眠剝奪范式，這種方法雖可維持覺醒，但會影響其他過程，如增加睡眠彈性（sleep rebound），因此無法說明增加的tau蛋白是由于覺醒還是睡眠彈性所致。最后，作者采用化學遺傳學的方法特異性調(diào)控影響小鼠覺醒的腦區(qū)—乳頭上核（supramammillary nucleus），以排除其他過程對tau蛋白的影響，結(jié)果發(fā)現(xiàn)化學遺傳學誘導的覺醒也可增加腦內(nèi)tau水平。

總之，該研究發(fā)現(xiàn)睡眠時腦內(nèi)tau蛋白處于較低水平，而急性睡眠剝奪可增加tau蛋白水平，慢性睡眠剝奪可促使tau相關(guān)的病理傳播。這是首次在不同物種中闡釋了睡眠對腦內(nèi)tau蛋白的調(diào)控作用，明確睡眠剝奪可誘發(fā)tau蛋白相關(guān)的病理過程，為深入理解睡眠腦功能，揭示睡眠與tau蛋白相關(guān)疾病的關(guān)系以及實現(xiàn)腦功能障礙的早期預防奠定了基礎(chǔ)。

參考文獻：

1. Yaffe K, Falvey CM, Hoang T. Connections between sleep and cognition in older adults. Lancet Neurol 2014, 13: 1017-1028.

2. Shi L, Chen SJ, Ma MY, Bao YP, Han Y, Wang YM, et al. Sleep disturbances increase the risk of dementia: A systematic review and meta-analysis. Sleep MedRev 2018, 40: 4-16.

3. Xie L, Kang H, Xu Q, Chen MJ, Liao Y, Thiyagarajan M, et al. Sleep drives metabolite clearance from the adult brain. Science 2013, 342: 373-377.

4. Shokri-Kojori E, Wang GJ, Wiers CE, Demiral SB, Guo M, Kim SW, et al. beta-Amyloid accumulation in the human brain after one night of sleep deprivation. Proc Natl Acad Sci U S A 2018, 115: 4483-4488.

5. Lucey BP, Hicks TJ, McLeland JS, Toedebusch CD, Boyd J, Elbert DL, et al. Effect of sleep on overnight cerebrospinal fluid amyloid beta kinetics. AnnNeurol 2018, 83: 197-204.

6. Li C, Gotz J. Tau-based therapies in neurodegeneration: opportunities and challenges. Nat Rev Drug Discov 2017, 16: 863-883.

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8. Wu JW, Hussaini SA, Bastille IM, Rodriguez GA, Mrejeru A, Rilett K, et al. Neuronal activity enhances tau propagation and tau pathology in vivo. NatNeurosci 2016, 19: 1085-1092.

9. Lucey BP, McCullough A, Landsness EC, Toedebusch CD, McLeland JS, Zaza AM, etal. Reduced non-rapid eye movement sleep is associated with tau pathology inearly Alzheimer's disease. Sci Transl Med 2019, 11.