撰文 | Qi責編 | 兮
“為什麼每天要花費將近三分之一的時間在睡眠中？如果時刻保持清醒是否能完成更多有意義的任務？”諸如此類問題時常困擾著人們，而近些年來睡眠的相關研究已逐漸解釋睡眠存在的重要意義。一夜安眠能夠帶來的煥發活力幾乎是無可取代的，睡眠不僅滿足我們的生理需求，同時也潛移默化的悄悄影響著機體每一個器官的運轉，甚至與多種疾病密切相關。睡眠在所有物種上都是進化保守的，而睡眠障礙是患病大腦的共同特徵。睡眠質量會隨年齡增長而下降，而常規睡眠結構的破壞是神經退行性疾病中痴呆症發作的常見前兆。2020年10月，來自哥本哈根大學的Maiken Nedergaard團隊在Science雜誌上發表一篇題為“Glymphatic failure as a final common pathway to dementia”的綜述，詳細闡述大腦中清除蛋白質廢物的類淋巴系統與睡眠障礙和神經退行性痴呆的症狀發展間的因果關係，針對類淋巴系統故障可能構成神經退行性疾病的可治療性靶標的有效手段。
1.我們為什麼要睡覺？
早在上世紀五十年代，大腦在睡眠過程中休息以保持能量的想法被提出並遭到拒絕。約30年後，Borbély提出睡眠-覺醒週期是由兩個過程的相互作用決定的：其中一個是晝夜節律振盪器（circadian oscillator），它與太陽日一起迴圈；另一個是睡眠的內衡驅力（homeostatic drive）。當前最突出的睡眠模型之一是，睡眠的目的是恢復突觸的穩態（synaptic homeostasis）。這一假設基於以下觀察：清醒與持續的興奮性傳遞增強以及突觸後樹突棘的結構擴充套件有關，且睡眠不足的個體癲癇發作的風險增加。最新幾項研究透過繪製睡眠-覺醒週期對小鼠突觸基因表達的影響，提供了對突觸穩態假設的分子認識。晝夜節律時鐘在預期並指示適合一天內不同時間的基因轉錄。例如，小鼠突觸訊號相關蛋白質在清醒過程中產生，而代謝相關蛋白質則在睡眠過程中被翻譯，因此當小鼠的清醒時間過長時，在睡眠剝奪過程中突觸訊號蛋白的翻譯繼續進行，與此同時代謝相關蛋白的產生則受到抑制。因此，長時間的清醒與翻譯失調有關，而恢復睡眠的深度則能恢復代謝穩態所需蛋白質的翻譯。
2，大腦內的淋巴及淋巴系統
腦穩態的基本原則是蛋白質清除率必須接近蛋白質合成。那麼蛋白質廢物的清除也受睡眠-覺醒週期控制嗎？直到2012年，人們一直認為，大腦在各個器官中保持“特立獨行”的作風，回收自己產生的蛋白質廢物。已知只有少數蛋白質可跨血腦屏障轉運，並且其中不包括腦細胞產生或脫落的大多數主要蛋白質。在沒有淋巴管或任何明顯的液體輸出途徑的情況下，尚不清楚蛋白質廢物如何可能離開腦實質。因此，預設結論是經典的細胞蛋白質降解途徑（自噬和泛素化）必須負責所有中樞神經系統蛋白質的回收。腦內膠質-淋巴（glial-lymphatic, glymphatic）系統被確認存在後，人們隨即質疑上述假設。膠質-淋巴系統是一個高度組織化的腦脊液（cerebrospinal fluid, CSF）轉運系統，具有與周圍組織的淋巴管相同的關鍵功能，包括多餘的組織液和蛋白質的輸出。實際上，大腦的CSF和外周淋巴液都被排入靜脈系統，從中清除蛋白質廢物並由肝臟回收。雖然腦組織本身缺乏組織學上獨特的淋巴管，從腦內液體的清除確切是透過淋巴途徑進行的。該途徑是一種結構上獨特的液體運輸系統，它利用星形膠質細胞的血管終足（endfeet）產生的血管周圍空間產生，終足圍繞動脈，毛細血管和靜脈，作為覆蓋整個腦血管床的第二層壁。血管周圍空間是開放的，充滿液體的隧道，幾乎沒有流動阻力。淋巴系統的血管周圍隧道直接連線到大腦周圍的蛛網膜下腔（subarachnoid spaces），動脈壁搏動將腦脊液迅速驅動到腦深部區域。星形膠質細胞終足透過間隙連線聯絡，面向血管壁的質膜幾乎有50％被水通道蛋白（aquaporin-4, AQP4）組成的陣列佔據。有研究指出，小鼠中AQP4通道的刪除既減少了CSF示蹤劑的湧入，也減少了來自神經纖維的溶質流出。考慮到該途徑與外周淋巴系統的功能相似性，這種星形膠質細胞調節腦液轉運的機制稱為“膠質-淋巴系統”（見圖1）。值得注意的是，膠質-淋巴系統的液體轉運是方向性極化的，除了其向量性質外，在時間上也是週期性地調節淋巴間隙的清除，即透過睡眠實現液體運輸，並在清醒期間抑制液體運輸。該節律透過抗肌萎縮蛋白相關複合物（dystrophin-associated complex）在時間上受到調節的AQP4的支援，建立與分子生物鐘的動態連線。
圖1，生理及病理情況下腦膠質-淋巴轉運系統示意圖
3，腦內膠質-淋巴系統與外周淋巴系統作為功能整合單元
腦內膠質-淋巴系統被鑑定並表徵後，需要更全面的定義流出途徑。有報道提出，在硬腦膜中也可以發現排出腦間質腦脊液的經典淋巴管。膠質-淋巴系統和腦膜淋巴系統之間存在明顯聯絡，即CSF示蹤劑可以透過腦膜淋巴管，特別是透過腦腹側淋巴管排出到頸淋巴結而離開中樞神經系統。儘管如此，蛋白質和示蹤劑仍可沿著動脈周圍空間迴圈回大腦，這表明對中樞神經系統中的流動向量的理解仍是不完整的，還需要更多的工作來全面衡量從成年大腦清除細胞外液及其溶質的所有途徑。無論精確的流出途徑如何，CSF最終都會排入頸淋巴管系統，並由此返回靜脈系統。在阿爾茨海默氏病（Alzheimer’s disease, AD）的小鼠模型中，澱粉樣蛋白β（amyloid-β, Aβ）以高濃度存在於子宮頸和腋窩淋巴結中，其水平與腦中相似，但在脾臟和其他外周組織中卻無法檢測到或幾乎無法檢測其存在。大量的腦部蛋白質廢物和代謝產物可能會經由頸部淋巴管並被其清除。值得注意的是，淋巴管也在衰老中萎縮，因此，腦脊液的淋巴引流可能會成為清除腦蛋白的檢查點，並且會隨年齡增長出現瓶頸。有研究指出，在AD小鼠模型中，血管內皮生長因子C的過表達誘導腦膜淋巴管“發芽”並減緩認知能力的下降。相反，在相同的AD小鼠模型中，腦膜淋巴管的紫外線燒蝕以及頸淋巴管的機械結紮都會加重澱粉樣斑塊的形成。因此，膠質-淋巴系統和淋巴系統在結構上和功能上都緊密相連，以至於在任何節段或節點上對流體運輸的干擾都有上游流體停滯的風險，從而引起本被清除的蛋白髮生聚集。
4，為什麼蛋白質會發生聚集？
齧齒動物和人類大腦中的淋巴流動急劇下降與衰老密切相關。老年小鼠中的淋巴液流量減少部分是由於AQP4的定位錯誤引起遠離血管壁，也可能是由腦膜淋巴管萎縮引起的。除了與年齡相關的腦液運輸減少外，在野生型小鼠中，將Aβ注入腦脊液會急劇降低其淋巴管活性，證實存在直接毒性作用。年齡和Aβ過度表達對淋巴液流動的抑制作用可以擴充套件到其他實驗性神經退行性變的齧齒動物模型：顱腦外傷和帕金森氏病（Parkinson’s disease, PD）都與持續減少淋巴液運輸有關。值得注意的是，這些年齡相關的原發性神經退行性疾病大多數都伴隨蛋白質加工和聚集障礙，標誌性特徵是形成錯誤摺疊或過度磷酸化的蛋白聚集體，包括AD中的Aβ；額顳痴呆（frontotemporal dementia, FTD），慢性創傷性腦病和AD的磷酸化tau蛋白；PD，路易體症和多系統萎縮症中的α-突觸核蛋白等。儘管在不同的神經退行性疾病中特定的蛋白質種類有所不同，但在大多數情況下，它們的蛋白質聚集體部分是由分子間富含β摺疊鏈的相互作用形成的。“種子”一旦形成，聚集體就會吸引相同蛋白質的單體以及其他型別的可能優先結合幷包埋的蛋白質，加劇聚集情況。為什麼衰老易於導致機體發生這些蛋白質病呢？首先，需要考慮有利於蛋白質聚集體成核，生長以及隨後向鄰近細胞播種的條件。蛋白質的自組裝和聚集取決於許多因素，其中包括結構、濃度、離子強度和區域性pH值，以及它們與成核介面（例如磷脂膜）的相互作用。根據蛋白質的不同，這些因素中單獨或組合均可導致自身聚集，並形成穩定的富含β摺疊的鏈。因此，區域性停滯的液體流量，加上目標蛋白細胞外濃度升高，可以預測降低的淋巴管清除率會增加蛋白質聚集的風險。
5，蛋白質聚集體如何擴散？
最近發現，特定的錯誤摺疊和聚集的蛋白質可以以朊病毒的方式傳播。一種假設是，聚集體僅透過細胞外空間擴散，並且隨年齡增長，隨淋巴液流動的停滯，提高區域性蛋白質濃度以至於達到聚集條件。支援該假設的是，在AD小鼠模型中，透過刪除AQP4水通道蛋白來抑制淋巴流動可顯著增加Aβ斑塊的形成和認知缺陷。類似的，在人類中，與年齡相匹配的對照組相比，AD患者中含有Aβ和磷酸化tau蛋白的CSF外排減少。那麼，這些病理蛋白的擴散路徑是一致的嗎？在AD中，Aβ沉積通常首先發生在額葉，顳葉和枕葉的基底部分，隨後擴散到海馬和頂葉後皮質；磷酸化的tau蛋白在初始階段沉積在內嗅皮質中，其次是海馬體和背側丘腦，最後新皮質也被累及。而在PD和路易體症中，α-突觸核蛋白聚集物首先穿過腦幹和嗅球，隨後擴散到邊緣結構，最後才擴散到新皮質。總而言之，在各種情況下，蛋白聚集體最初都沉積在前腦和中腦的腹側基部，而後延伸至皮層。這種擴散方式與膠質-淋巴系統CSF流入相比如何呢？神經影像學研究表明，鞘內輸送的造影劑首先沿著大腦動脈進入大腦，透過大腦前動脈進入額葉和扣帶回皮層，透過中動脈進入腦島，通過後迴圈系統進入邊緣結構（包括海馬和內嗅皮層）（見圖2A）。儘管尚不清楚這些致病蛋白在膠質-淋巴通道中滯留並聚集，但它們的分佈確實與人腦中透過磁共振成像顯示的淋巴素流入的模式一致。
圖2，蛋白聚集體朊病毒樣擴散與膠質-淋巴轉運模式
6，睡眠，衰老，神經退行性變和膠質-淋巴系統的聯絡
神經退行性疾病的最主要危險因素是年齡，值得注意的是，失眠隨著年齡的增長而變得更加頻繁。在60歲以上的老年人群中，大多數非快速眼動睡眠（non-rapid eye movement, NREM）是輕度的，由較淺的階段1和2組成，這可能導致腦中蛋白質廢物清除率的急劇下降，因為淋巴液運輸的功效與大腦慢波活動的發生率直接相關。因此，與年齡有關的睡眠質量受損可能與老年人神經退行性疾病的發病率增加和程序加快有關。
圖3，年輕人和老年人的睡眠架構
7，AQP4 多型性
AQP4在星形膠質細胞血管終足的極化表達促進了齧齒動物的淋巴液運輸和Aβ的輸出。在人類中，AQP4的遺傳變異會影響睡眠和Aβ負荷。最近的一項研究在AQP4，睡眠和長時間的清醒對認知功能的影響之間建立了聯絡。這項研究表明，AQP4的常見單核苷酸多型性（singlenucleotide polymorphism, SNP）與NREM睡眠中慢波活動的變化有關，患有兩種特定AQP4 SNP的患者在AD診斷後表現出較慢的認知能力下降，而具有其他兩種AQP4 SNP的個體的認知能力下降進展更快。就解剖結構而言，AD患者血管周圍AQP4的完整性降低，而在85歲以上仍保持認知完整的個體中AQP4的完整性得以保留。
8，與心血管疾病的相關性
神經退行性疾病不是引起痴呆的唯一原因，心血管健康狀況不良也會對認知功能產生負面影響。為什麼心臟健康對大腦認知功能如此重要？有研究表明，高血壓大鼠的膠質-淋巴系統功能會受到抑制。考慮到心血管疾病同樣會損害睡眠質量，因此也可能與淋巴清除率降低以及隨後的蛋白質聚集和痴呆症有關。此外，大腦的液體傳輸系統是利用心臟搏動來驅動神經纖維中的CSF轉運，與心排血量減少相關的心臟病，包括充血性心力衰竭和心律失常，也與淋巴液流量減少有關。例如，在心臟射血分數低的患者中往往可以觀察到存在認知能力下降，先前通常歸因於腦灌注不足，但也可以透過淋巴液流動不暢和廢物清除不完全來作出合理解釋。
總的來說，睡眠是一種進化保守的機制，其最根本動機在於對自身的自我保護作用，即只有“睡好的”大腦才能夠有效清除清醒時產生的廢物。Aβ，tau和α-突觸核蛋白都在清醒時比睡眠時以更高的濃度存在於腦脊液中，而睡眠剝奪會進一步增加這些蛋白的水平。上述觀察結果表明睡眠-覺醒週期與膠質-淋巴系統對液體流動的調節之間存在因果關係，從而維持蛋白質清除與聚集間的平衡，為隨年齡增長髮生的蛋白質聚集相關疾病的發生率增加提供了依據。因此，神經退行性痴呆可以被看作是這些相互依賴的上游機制功能障礙的引發的最終結局。當然，這些發現提示對大腦類淋巴系統的直接調節可能可以為這些疾病患者提供新的治療機會。神經影像學的最新進展提供了多種方法來繪製人類淋巴系統並評估其在疾病中的作用。透過此類“膠質-淋巴影象”進行診斷性檢查，既可以提供發生蛋白病風險的預測，也可以提供一種用於評估隨淋巴流定向治療的療效的方法。當然，在那之前，保持有效的淋巴清除率最可靠的手段就是“睡個好覺”。
原文連結https://science.sciencemag.org/content/370/6512/50
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