神經(jīng)膠質(zhì)細胞與睡眠研究進展

滕 柳 郭海波 王 慧

睡眠是人類生命中必不可少的生理活動之一，人類一生中大約有1/3的時間處于睡眠狀態(tài)，高質(zhì)量的睡眠可以保證大腦和軀體儲備能量以發(fā)揮最佳功能、促進生長和延緩衰老、增強機體的免疫力。然而隨著現(xiàn)代社會競爭壓力的增加，睡眠障礙發(fā)生率逐年上升。睡眠障礙是由于睡眠時間不足或睡眠質(zhì)量不佳從而影響人的身體和精神狀態(tài)，長期的睡眠障礙會損害體溫調(diào)節(jié)、新陳代謝和免疫機制，最終可能會引發(fā)高血壓、冠心病、腦梗死等慢性心腦血管疾病危害生命健康，同時也與精神疾病有一定的相關(guān)性。以往關(guān)于睡眠機制的研究多集中在中樞神經(jīng)系統(tǒng)(central nervous system,CNS)中眾多的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、神經(jīng)元結(jié)構(gòu)及一系列神經(jīng)遞質(zhì)方面，睡眠的神經(jīng)機制較為復(fù)雜，目前的研究尚未完全闡明，近年來研究者們開始將睡眠與覺醒機制的研究視角放在神經(jīng)膠質(zhì)細胞上。

一、神經(jīng)膠質(zhì)細胞的分類及功能

神經(jīng)膠質(zhì)細胞是19世紀(jì)中期發(fā)現(xiàn)的一類非神經(jīng)元細胞，簡稱膠質(zhì)細胞,它作為間質(zhì)細胞分布在神經(jīng)元之間，有突起，但無樹突和軸突之分，廣泛分布于中樞和周圍神經(jīng)系統(tǒng)，與神經(jīng)元共同完成CNS內(nèi)信息的傳遞與整合，調(diào)節(jié)神經(jīng)系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)，其數(shù)量是神經(jīng)細胞的10～50倍。CNS中的膠質(zhì)細胞主要有星形膠質(zhì)細胞(astrocyte)、小膠質(zhì)細胞(microglial cell)、少突膠質(zhì)細胞(oligodendrocyte)和神經(jīng)元膠質(zhì)抗原-2(NG2)膠質(zhì)細胞，NG2膠質(zhì)細胞近年來被認為是CNS中的第4類神經(jīng)膠質(zhì)細胞[1]。傳統(tǒng)觀點認為膠質(zhì)細胞的作用僅是支持、營養(yǎng)、保護和修復(fù)神經(jīng)元。近30年來，由于膜片鉗技術(shù)、微電極技術(shù)、腦片培養(yǎng)技術(shù)以及基因技術(shù)等一系列新型技術(shù)在神經(jīng)系統(tǒng)的廣泛應(yīng)用，為膠質(zhì)細胞形態(tài)和功能的研究提供了非常有力的支持。現(xiàn)已證明膠質(zhì)細胞結(jié)構(gòu)復(fù)雜多樣并且表達豐富，它表達多種神經(jīng)遞質(zhì)受體、離子通道、神經(jīng)活性氨基酸親和載體、細胞識別分子，并能分泌多種神經(jīng)活性物質(zhì)(生長因子、神經(jīng)營養(yǎng)因子和細胞因子)等,因而對調(diào)節(jié)神經(jīng)系統(tǒng)活動起著十分重要的作用，特別是對突觸可塑性和傳遞效能的影響[2,3]。它還可以通過不同機制，如神經(jīng)遞質(zhì)吸收、離子轉(zhuǎn)運和化學(xué)信號轉(zhuǎn)導(dǎo)等作用不斷影響周圍神經(jīng)元的電活動和化學(xué)信號，為它影響大腦活動、參與睡眠機制提供了前提，而且膠質(zhì)細胞所參與的神經(jīng)元代謝、損傷的修復(fù)、突觸可塑性等機制都與睡眠相關(guān)[4,5]。故神經(jīng)膠質(zhì)細胞被認為參與了睡眠-覺醒機制的調(diào)節(jié)。

二、各類膠質(zhì)細胞與睡眠的關(guān)系

1.星形膠質(zhì)細胞與睡眠:星形膠質(zhì)細胞是CNS中主要的、含量最豐富的膠質(zhì)細胞，具有與CNS穩(wěn)態(tài)相關(guān)的許多重要的生理特性，它可介導(dǎo)神經(jīng)血管偶合、感知神經(jīng)元活動、促進突觸成熟和調(diào)節(jié)其可塑性，控制神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)興奮性，目前被認為與睡眠關(guān)系最為密切[6～8]。星形膠質(zhì)細胞的結(jié)構(gòu)、轉(zhuǎn)錄和功能可能受到睡眠-覺醒周期的調(diào)控，研究顯示睡眠和覺醒強烈影響了小鼠腦中星形膠質(zhì)細胞的超微結(jié)構(gòu)和基因表達[9]。早已證實星形膠質(zhì)細胞可以表達免疫調(diào)節(jié)相關(guān)受體參與免疫應(yīng)答，而睡眠不足或睡眠質(zhì)量差是引起炎癥的危險因素，星形膠質(zhì)細胞對炎性反應(yīng)迅速，可釋放腫瘤壞死因子-α(TNF-α) 、白細胞介素-1 (IL-1)、神經(jīng)生長因子 (NGF)等細胞因子參與睡眠-覺醒周期的調(diào)節(jié)[10,11]。它與小膠質(zhì)細胞均是睡眠和免疫系統(tǒng)相互作用的積極參與者。糖原和腺苷是睡眠穩(wěn)態(tài)的關(guān)鍵調(diào)節(jié)因子，腦糖原主要存在于星形膠質(zhì)細胞中，在睡眠剝奪后期恢復(fù)睡眠期間糖原含量上升非常緩慢，直到9h后它恢復(fù)到基線水平，這表明糖原可能以某種方式參與維持或調(diào)節(jié)睡眠的機制[12]。最初的研究顯示，星形膠質(zhì)細胞可以通過胞吐作用調(diào)節(jié)細胞外腺苷的含量，腺苷作用于腺苷A1受體(A1R)以促進睡眠驅(qū)動，隨著睡眠剝奪時間的推移，星形膠質(zhì)細胞的反應(yīng)明顯，并調(diào)控腦內(nèi)腺苷的含量，進而促進睡眠[13]。后有研究發(fā)現(xiàn)ATP也與睡眠密切相關(guān)，與腺苷、糖原共同參與睡眠的能量代謝，對氯苯丙氨酸(PCPA)誘導(dǎo)的失眠大鼠腦內(nèi)ATP會有不同水平的下降，且以ATP為配體的P2X受體的獨特亞型P2X7R在PCPA失眠大鼠腦內(nèi)表達明顯上調(diào)[14，15]。星形膠質(zhì)細胞可通過胞內(nèi)鈣離子依賴釋放ATP作為膠質(zhì)遞質(zhì)調(diào)節(jié)神經(jīng)元活動，表明星型膠質(zhì)細胞可通過干預(yù)能量代謝而參與睡眠穩(wěn)態(tài)[16]。

在哺乳動物中，成熟的星形膠質(zhì)細胞可表達腦型脂肪酸結(jié)合蛋白7 (fatty acid binding protein7,Fabp7)。研究顯示，小鼠腦內(nèi)Fabp7 mRNA的表達水平與睡眠-覺醒周期關(guān)系密切，在涉及睡眠活動機制的大腦區(qū)域中，F(xiàn)abp7 mRNA表達水平在光照期間升高，在夜間降低；Fabp7蛋白水平在24h內(nèi)也經(jīng)歷了豐富的晝夜變化[17]。還有研究發(fā)現(xiàn)突變的Fabp7.T61M與人類的碎片化睡眠有關(guān)，在Fabp7缺陷小鼠和Fabp7.T61M突變的轉(zhuǎn)基因果蠅中顯示出碎片化睡眠，顯示正常睡眠可能需要Fabp7的參與，F(xiàn)abp7水平或活性的改變可能與睡眠障礙有關(guān)[18，19]。星形膠質(zhì)細胞還可以通過改變細胞外谷氨酸來觸發(fā)皮層回路的低頻狀態(tài)控制皮質(zhì)同步神經(jīng)元放電從而來干預(yù)睡眠[20]。這些結(jié)果為星形膠質(zhì)細胞參與睡眠調(diào)節(jié)的分子機制提供了新的證據(jù)。

2.小膠質(zhì)細胞與睡眠:小膠質(zhì)細胞是源自胚胎卵黃囊的巨噬細胞，與其他膠質(zhì)細胞共同均勻分布于CNS中，是通過其在整個生命過程中發(fā)揮的關(guān)鍵生理作用積極維持健康的常駐免疫細胞。小膠質(zhì)細胞的吞噬反應(yīng)和釋放的炎性介質(zhì)在CNS中對睡眠障礙發(fā)揮著重要的生理病理學(xué)作用[21]。研究顯示，睡眠不足會導(dǎo)致大腦和外周炎性介質(zhì)的表達增加，進而產(chǎn)生免疫反應(yīng)，而小膠質(zhì)細胞在睡眠和免疫系統(tǒng)相互作用中發(fā)揮了關(guān)鍵作用，它與星形膠質(zhì)細胞一起，通過介導(dǎo)嘌呤P1和P2受體調(diào)節(jié)睡眠-覺醒機制和免疫功能[22]。還有研究證實，在睡眠不足或睡眠剝奪狀態(tài)下，星形膠質(zhì)細胞發(fā)揮吞噬作用，小膠質(zhì)細胞出現(xiàn)增生和活化[23]。活化的小膠質(zhì)細胞可釋放細胞因子，如IL-1、IL-6和TNF-α，并且已發(fā)現(xiàn)這些促炎性細胞因子水平升高與嚙齒動物和人類的睡眠剝奪有關(guān)，小膠質(zhì)細胞和星形膠質(zhì)細胞或許參與了睡眠剝奪狀態(tài)下的有害機制[24，25]。

對于睡眠剝奪的小鼠，腹腔注射小膠質(zhì)細胞抑制劑米諾環(huán)素可引起覺醒的急劇增加并顯著減少非快速眼動睡眠(NREMS)，而米諾環(huán)素可抑制睡眠剝奪誘導(dǎo)的NREMS的δ波增加,δ波則代表了睡眠的深度[26]。也有研究揭示睡眠剝奪激活神經(jīng)膠質(zhì)細胞后，增加炎性分子的釋放，導(dǎo)致空間記憶力下降，米諾環(huán)素對小膠質(zhì)細胞活化的抑制可能通過睡眠剝奪期間海馬腦源性神經(jīng)營養(yǎng)因子(BDNF)水平的上調(diào)來改善空間記憶和成體神經(jīng)細胞增殖[27]。在人類和嚙齒類動物中, 睡眠缺失會導(dǎo)致炎性細胞計數(shù)升高, 如c-fos蛋白、IL-1、IL-6、TNF-α的增加[28]。米諾環(huán)素可以通過血-腦脊液屏障, 抑制細胞因子、一氧化氮和前列腺素(PG)D2等產(chǎn)物的產(chǎn)生, 改善大腦由于這些產(chǎn)物造成的神經(jīng)化學(xué)變化。這些相關(guān)研究提示著小膠質(zhì)細胞或許參與了睡眠的調(diào)節(jié)機制。

3.少突膠質(zhì)細胞與睡眠:少突膠質(zhì)細胞作為CNS中一類髓鞘膠質(zhì)細胞，主要功能是產(chǎn)生身體中最具特異性的細胞結(jié)構(gòu)之一——髓磷脂，進而形成一層髓鞘，包裹著軸突，為軸突提供絕緣和支持，避免軸突受到細胞外環(huán)境的影響。研究表明長期睡眠剝奪會下調(diào)兩個髓鞘相關(guān)基因的表達，一個編碼plasmolipin，另一個編碼CD9，是在成熟髓鞘中表達的膜蛋白鞘。有研究者總結(jié)最近的分子和形態(tài)學(xué)研究，詳細說明了睡眠、覺醒和慢性睡眠喪失后髓鞘動力學(xué)的依賴性，暗示著髓鞘與睡眠密切相關(guān)。這些研究顯示少突膠質(zhì)細胞受睡眠-覺醒的調(diào)節(jié)，睡眠不足可以抑制髓鞘形成相關(guān)基因的表達，證明了對少突膠質(zhì)細胞的負面影響。同時也有證據(jù)表明髓鞘的原發(fā)性缺陷會導(dǎo)致睡眠和晝夜節(jié)律紊亂，如硬化癥(MS)，一種以CNS脫髓鞘為特征的自身免疫性疾病和退行性疾病，常常伴隨著睡眠障礙，提示睡眠與少突膠質(zhì)細胞之間可能存在著雙向調(diào)節(jié)作用。

此外少突膠質(zhì)細胞能合成和分泌影響睡眠活動的物質(zhì)，如多種細胞因子、神經(jīng)營養(yǎng)因子、神經(jīng)生長因子等。少突膠質(zhì)細胞是成熟大腦中PGD2的來源，當(dāng)外源應(yīng)用時，它已被證明是是最有效的內(nèi)源性睡眠誘導(dǎo)物質(zhì)。PGD2激活腹外側(cè)視前區(qū)的非快速眼動(NREM)睡眠調(diào)節(jié)中心，可能由腺苷信號轉(zhuǎn)導(dǎo)介導(dǎo)，該激活通過下行γ-氨基丁酸(GABA)能和甘丙肽能預(yù)測來抑制結(jié)節(jié)乳頭核中的組胺能喚醒中樞。少突膠質(zhì)細胞與睡眠之間存在著一定的聯(lián)系，但其調(diào)節(jié)睡眠的具體過程還需進一步探索。

4.NG2膠質(zhì)細胞與睡眠：NG2膠質(zhì)細胞作為20世紀(jì)80年代發(fā)現(xiàn)的一類新型膠質(zhì)細胞，因其特有的分化潛能，又稱為少突膠質(zhì)細胞前體細胞(oligodendrocyte progenitor cells,OPCs)，廣泛分布于發(fā)育及成熟CNS的灰質(zhì)和白質(zhì)中，占膠質(zhì)細胞的2%～9%。它特異性表達硫酸軟骨素蛋白多糖4(CSPG4)，能夠在正常和脫髓鞘條件下產(chǎn)生新的少突膠質(zhì)細胞，為髓鞘的再生提供支持。NG2膠質(zhì)細胞不僅可以分化為少突膠質(zhì)細胞，在體外或病理條件下還可分化為Ⅱ型星形膠質(zhì)細胞和神經(jīng)元，它還有著較強的分裂增生能力和自我更新能力，與神經(jīng)元之間還存在著突觸聯(lián)系。當(dāng)CNS出現(xiàn)損傷時,損傷周圍的NG2陽性細胞出現(xiàn)形態(tài)學(xué)改變, 胞體擴大,突起也變得肥厚, NG2膠質(zhì)細胞的免疫反應(yīng)性明顯增強，說明NG2膠質(zhì)細胞直接參與CNS的免疫調(diào)節(jié)機制。

NG2膠質(zhì)細胞是否對睡眠有直接的調(diào)控作用目前還不明確，有研究者對小鼠腦標(biāo)本進行少突膠質(zhì)細胞基因表達分析顯示，在睡眠和覺醒時基因表達存在著差異，參與磷脂合成、髓鞘化或促進OPCs增殖的基因在睡眠中被優(yōu)先轉(zhuǎn)錄，與細胞凋亡和應(yīng)激反應(yīng)以及OPCs分化有關(guān)的基因在覺醒期間上調(diào)。并且實驗證實，OPCs在睡眠時增殖增加，并與快速眼動睡眠時間呈正相關(guān)，而在清醒時，OPCs分化增加且會促進髓鞘形成。人類睡眠受多種神經(jīng)遞質(zhì)和受體調(diào)控，而NG2膠質(zhì)細胞通過在培養(yǎng)物上應(yīng)用外源性激動劑或大腦切片中證實還會表達一些睡眠相關(guān)神經(jīng)遞質(zhì)受體，主要有5-羥色胺(5-HT)受體及其亞基、谷氨酸(Glu)受體、γ-氨基丁酸(GABA)受體等。這些睡眠相關(guān)神經(jīng)遞質(zhì)受體的表達為NG2膠質(zhì)細胞參與睡眠-覺醒機制提供了可能。

三、展 望

綜上所述，神經(jīng)膠質(zhì)細胞在發(fā)育和成熟的神經(jīng)系統(tǒng)中發(fā)揮著重要的作用。在發(fā)育過程中，通過控制神經(jīng)干細胞增殖、對神經(jīng)元的營養(yǎng)支持和消除垂死神經(jīng)元來調(diào)節(jié)神經(jīng)細胞數(shù)量；在成熟的神經(jīng)系統(tǒng)中，通過維持離子穩(wěn)態(tài)，攝取神經(jīng)遞質(zhì)，形成并維持血-腦脊液屏障，充當(dāng)神經(jīng)系統(tǒng)中的主要免疫細胞，并調(diào)節(jié)突觸活動影響動物行為，現(xiàn)已成為CNS疾病的研究熱點。以往大量研究證明各類神經(jīng)膠質(zhì)細胞與CNS中許多神經(jīng)退行性疾病密切相關(guān)，但其在睡眠調(diào)節(jié)中的確切作用現(xiàn)在才開始被探索，目前所了解的膠質(zhì)細胞可以通過自身的激活產(chǎn)生和釋放細胞因子、趨化因子、表達神經(jīng)遞質(zhì)受體等途徑直接或間接地參與睡眠的調(diào)控過程。神經(jīng)膠質(zhì)細胞作為睡眠障礙藥物治療的潛在靶點，具有非常重要的研究意義。隨著新型分子工具的應(yīng)用，如光基因技術(shù)、化學(xué)遺傳學(xué)和光遺傳學(xué)結(jié)合體內(nèi)最先進的Ca2+成像技術(shù)等，膠質(zhì)細胞在睡眠調(diào)節(jié)中的分子機制將更清楚地被揭示出來，從而為睡眠疾病的藥物研發(fā)提供科學(xué)依據(jù)。