慢波睡眠的激素与细胞因子调节

生理科学进展 2000年第1期第31卷 综　　述

作者：李利华　库宝善

单位：北京医科大学药理学系，北京　100083

关键词：慢波睡眠；前列腺素D₂；前列腺素E₂；激素；细胞因子

　　摘要　慢波睡眠(SWS)是最重要的睡眠成分。近年来的研究揭示：腹外侧视前区-结节乳头核(VLPO-TMN)可能是睡眠-觉醒的中枢发生部位。基底前脑吻端前列腺素D₂（PGD₂）敏感性睡眠促进区(PGD₂-SPZ)参与睡眠的调控。PGD₂延长SWS；前列腺素E₂（PGE₂）延长觉醒，抑制SWS和快动眼睡眠(REMS)。SWS与下丘脑-垂体-肾上腺皮质轴的活动呈负相关，与生长激素的分泌呈正相关。褪黑素(melatonin)对SWS的影响与其降低体温的效应有关。白细胞介素1(IL-1）促进SWS的作用可能通过PGD₂介导。5-HT参与肿瘤坏死因子延长SWS的作用。睡眠-觉醒机制的研究进展提示，开发新型选择性延长SWS的药物，可以从以下几方面入手：PGD₂激动剂；免疫增强剂或免疫调节剂；影响5-HT系统的药物；褪黑素及生长激素等睡眠的生理性调节物质等。

　　学科分类号　R338.63

Regulation of SWS by Hormones and Cytokines

LI Li-Hua,KU Bao-Shan

　　(Department of Pharmacology,Beijing Medical University,Beijing 100083)

　　Abstract　SWS is the most important component of sleep.(1) VLPO-TMN seems to generate sleep and wakefulness.The rostral basal forebrain,which was defined as PGD₂-SPZ,may be involved in regulation of sleep.(2) PGD₂ promotes sleep,especially SWS,while PGE₂ prolongs wakefulness and depresses both SWS and REMS.(3) During SWS the activation of hypothalamus-pituitary-adrenocortic axis is inhibited,while the release of growth hormone is accelerated.The soporific effects of melatonin may be attributed to its hypothermic effects.(4) Interleukin-1 prolongs sleep,especially SWS,which seems to be mediated by PGD₂.Tumor necrosis factor (TFN) may promote SWS through 5-HT and its receptor.Therefore,the development of new hypnotics,which selectively prolong SWS,might follow the following ways: PGD₂ and chemicals which act like PGD₂; immuno-regulators; substances with effects on 5-HT receptors; hormone,such as melatonin and growth hormone,which play roles in the physiological regulation on sleep-wakefulness.

　　Key words　Slow wave sleep; PGD₂; PGE₂; Hormone; Cytokine

　　1992年作者曾提出“慢波睡眠（slow wave sleep,SWS）是最重要的睡眠成分，寻找增加SWS的药物是催眠药物开发的重要内容”的构想^［1］。当时提出这一构想的基本根椐是：SWS是大脑皮层睡眠；剥夺睡眠两天后，恢复睡眠的第一夜主要是SWS反跳，可达这一夜全部睡眠量的50％（成年人正常约为20％左右）； 正常短睡眠（4～5小时/昼夜）者，与普通睡眠（7～9小时/昼夜）者相比，SWS的百分比明显要高（前者50％以上，后者15%～20%），绝对时间也较长；SWS期间生长激素分泌达到峰值；某些严重的神经、精神疾患如焦虑、抑郁、老年性痴呆等均有SWS的减少或消失。在提出以上构想的当时，有关增加SWS物质的报道尚不多。此后我们一直密切注意着这一领域的动态，现将近年来一些有意义的进展追踪报道如下。

　　一、睡眠-觉醒的中枢调节机构

　　结节乳头核（tuberomammillary nucleus，TMN）的组胺能神经元发出轴索构成组胺能上行觉醒系统，在觉醒期间保持紧张性活动，SWS期间活动减少，REMS期间停止放电。反之，腹外侧视前区（ventrolateral preoptic，VLPO）神经元在清醒时放电频率较低，在REMS和非快动眼睡眠（NREMS）时增至两倍。已知VLPO神经元对TMN存在着GABA能神经支配^［2］。睡眠期间下丘脑后部的γ-氨基丁酸（GABA）含量增加；电刺激VLPO可引发GABA_A受体中介的TMN神经元抑制；GABA可使TMN神经元超极化和放电频率减少；向TMN内注入GABA激动剂可使视前区毁损的动物恢复睡眠。以上研究揭示，VLPO(GABA能神经元)-TMN(组胺能神经元)调控着睡眠-觉醒过程。

　　基底前脑吻端被称为“PGD₂敏感性睡眠促进区（PGD₂-sensitive sleep-promoting zone，PGD₂-SPZ）”。在此区的蛛网膜下腔内灌注PGD₂后，NREMS增加，同时VLPO有强烈的Fos表达，其强度与动物处死前的睡眠量呈正相关，而TMN的Fos表达强度则与睡眠量呈负相关^［3］。由此可见，基底前脑(PGD₂受体介导的神经元) 与VLPO-TMN有联系，也参与睡眠-觉醒的调节。至于不同的睡眠时相，如SWS期或REMS期，上述中枢核团或脑区之间Fos表达的差异尚未见报道。

　　PGD₂受体的mRNA广泛分布于软脑膜，未见于脑实质内。PGD₂灌流下丘脑后部并未促进睡眠，提示PGD₂未直接抑制TMN觉醒神经元的活动。向大鼠PGD₂-SPZ内灌注PGD₂，下丘脑处的软脑膜Fos表达最为强烈。那么，从PGD₂激动软脑膜上的受体到VLPO神经元活动增强之间的信号转导又是怎样的呢？Satoh等^［4］将选择性腺苷A_2a受体激动剂CGS21680注入PGD₂-SPZ的蛛网膜下腔，SWS和REMS呈剂量依赖性增加。预先给予腺苷A₂受体拮抗剂KF17837，可取消CGS21680的效应，也可取消向此区的蛛网膜下腔内注入PGD₂诱发SWS的效应。提示腺苷A₂受体可能中介了软脑膜PGD₂受体与VLPO-TMN之间的信号转导。

　　与PGD₂促进睡眠相反，PGE₂则参与觉醒。哺乳动物下丘脑可产生PGE₂。向大鼠脑室内或下丘脑注入PGE₂可明显延长觉醒，抑制SWS和REMS。室旁核（paraventricular nucleus,PVN）和下丘脑腹内侧（ventromedial hypothalamus,VMH）可能参与睡眠-觉醒的调控。用放免分析方法测量PVN和VMN之间脑区的微透析液中的PGE₂，发现清醒时含量最高，REMS时次之，SWS期间PGE₂含量最低^［5］。

　　二、激素与睡眠调节

　　夜间激素分泌与睡眠之间存在相关性。夜间睡眠的早期SWS占优势，此期也是一天当中下丘脑-垂体-肾上腺皮质轴（hypothalamus-pituitary-adrenocortic axis,HPA轴）分泌活动显著受抑，体内促皮质激素（ACTH）和考的松浓度最低的时期。睡眠早期特别是SWS期间，垂体-肾上腺应答受到抑制，确切原因还不清楚，可能是其它激素抑制了促肾上腺皮质激素释放激素（CRF）的分泌，或下丘脑分泌了某种未知的ACTH抑制因子。夜间睡眠的后半期是REMS占优势的时期，也是一天之中HPA分泌活动最活跃的时期。生长激素释放激素（GHRH）与CRF之间的平衡，在生理和病理性睡眠调节中发挥重要作用。GHRH增加健康青年人的SWS，促进生长激素的释放，抑制考的松的释放；CRF的作用则相反。向大鼠脑室内注入CRF可剂量依赖性地缩短NREMS和REMS，延长觉醒。将IL-1与CRF先后（间隔10分钟）注入脑室内，CRF可取消IL-1延长NREMS和缩短REMS的效应，提示IL-1刺激产生的CRF可能作为一种负反馈机制，抑制IL-1的中枢及外周效应^［6］。

　　褪黑素（melatonin）是松果体分泌的光信号激素，在调节动物的昼夜节律和季节节律以及机体睡眠-觉醒节律方面发挥重要的作用。正常情况下,体温与睡眠按同步节律变化，睡眠期间体温下降，觉醒后体温开始缓慢回升，活动状态时达最高值。正常状态下,人体日间褪黑素水平低于检测限。日间应用褪黑素可使体温降低0.3～0.4℃。夜间给予明亮光线刺激可抑制褪黑素的分泌，使体温升高，继而给予外源性褪黑素，可逆转上述体温的变化^［7］。夜间给予可抑制褪黑素分泌的强度的光线，可致夜间睡眠量减少。外源性褪黑素对动物和人均具有快速催眠作用^［8］。以上研究结果提示，内源性褪黑素可能通过降低体温参与正常睡眠的维持。Van Den Heuvel 等^［9］发现夜间（19∶00）给予β肾上腺素受体阻断剂阿替洛尔，可使青年受试者尿中褪黑素代谢产物6s-aMT显著减少，体温升高，总的觉醒时间延长，入睡困难，睡眠之间觉醒次数增加，REMS和SWS均缩短；给予褪黑素能逆转以上效应，使之恢复到对照水平。阿替洛尔引起的青年受试者睡眠结构和质量的变化非常类似于老年人的睡眠障碍。早在1986年已证实与年龄有关的褪黑素量的下降，与夜间体温偏高之间存在相关性。褪黑素的年龄相关性下降可能是老年人睡眠质量下降，睡眠障碍增多的原因之一。适当利用褪黑素，可以改善老年人及经常面临时差变化或昼夜交替工作的人的睡眠质量。

　　三、细胞因子IL-1、TNF对睡眠-觉醒的影响

　　（一）IL-1对睡眠-觉醒的影响　微生物感染、组织损伤等会导致机体代谢、免疫、内分泌、中枢神经系统进入应激状态，表现出发热、免疫功能增强、嗜睡等现象。IL-1作为一种具有多种生物学功能的细胞因子，在炎症反应、免疫反应中发挥着重要的作用，是神经-内分泌-免疫三大系统的共同语言信号。体内巨噬细胞是IL-1的主要来源，还有其它多种细胞也可以产生IL-1，如神经胶质细胞等。本研究室发现，许多免疫增强剂及免疫调节剂具有调节睡眠时相，改善睡眠质量的作用。异丙肌苷、转移因子、胞壁酰二肽等免疫增强剂在使脑内IL-1、肿瘤坏死因子(TNF)分泌增加的同时，也延长了家兔的睡眠时间^［10］；应用免疫抑制剂环磷酰胺降低家兔免疫功能的同时，可明显抑制SWS。IL-1的产量与睡眠有关，在SWS期间活性达峰值，在睡眠剥夺期间产量增多^［11］。外源性IL-1可在兔、大鼠、猫、猴等动物诱发睡眠，尤其是SWS^［12］。IL-1受体拮抗剂或抗IL-1抗体在抑制内源性IL-1活性的同时，可抑制兔的自发睡眠，还可抑制睡眠剥夺后“反跳现象”的出现^{［13，14］}。

　　IL-1与PGs有许多共同的生物学效应，如诱导发热和厌食，激活交感神经系统和下丘脑-垂体-肾上腺系统。IL-1灌流PGD₂-SPZ的蛛网膜下腔时SWS显著增加，这种效应可被同时灌流的非选择性环氧酶（cyclooxygenase，COX）抑制剂双氯芬酸(diclofenac)阻断，或被预先给予的选择性COX-2抑制剂吡罗夕康(piroxicam)阻断^［15］，提示IL-1促进SWS的作用可能是通过PGD₂介导的。值得一提的是，IL-1影响睡眠的作用部位（PGD₂-SPZ），与其引起发热和厌食症的作用部位是分离的（后者在邻近第三脑室的区域内）。

　　（二）TNF及5-HT对睡眠-觉醒的影响　TNF参与炎症反应及免疫反应。巨噬细胞、淋巴细胞以及中枢的星形胶质细胞均可产生TNF。我们以前的研究已证实，TNF经静脉注射或脑室内注入均可延长家兔睡眠时间，其中以SWS为主。TNF促进大鼠、小鼠脑内5-HT的合成，提高5-HT及其代谢产物5-HIAA的含量，这可能是它促进SWS的机制^［16］。

　　5-HT参与多种生理功能的调节，如体温调节、情绪活动、痛觉等，对睡眠-觉醒的调节作用已被多项研究证实。中缝核是5-HT神经元密集的核团，电损毁中缝核可导致动物失眠，给予此区适当的电刺激可使清醒动物立刻进入睡眠状态。应用PCPA阻断脑内5-HT的合成，可导致失眠。口服5-HT前体5-HTP后，脑内5-HT含量增加，促进睡眠。5-HT通过不同的受体亚型发挥对睡眠的调节作用。我室对大鼠的研究（药理学通报待发表）发现，5-HT_1A受体激动剂8-OH-DPAT小剂量时（0.01mg/kg,s.c.）减少觉醒，延长NREMS(包括SWS)；大剂量（0.375mg/kg）时使觉醒时间延长，NREMS（包括SWS）和REMS均缩短。这个结果与国外报道一致。我们还发现，选择性5-HT₂受体拮抗剂利坦色林(ratanserin)（0.63mg／kg i.p.）不影响觉醒及浅睡眠，而是特异性地增加SWS并减少REMS。脑室内注入5,7-DHT，选择性地毁损突触前5-HT_1A自身受体（somatodendritic autoreceptor），可抑制小剂量8-OH-DPAT延长SWS和缩短觉醒时间的效应，对大剂量8-OH-DPAT缩短SWS和延长觉醒的作用则无明显影响。一般认为小剂量时8-OH-DPAT 选择性激动了突触前5-HT_1A自身受体，通过自身调节抑制突触的神经传导^［17］，大剂量时则激动突触后受体。5-HT_1A受体部分激动剂丁螺环酮(buspirone)和吉吡隆(gepirone)皮下注射使大鼠觉醒时间延长，各睡眠成分均缩短。 5,7-DHT未能影响它们对于睡眠-觉醒的效应，提示这两种药物可能是激动了突触后的5-HT_1A受体。β肾上腺素受体拮抗剂pindolol可阻断突触前后的5-HT_1A／1B受体，有效地拮抗丁螺环酮和吉吡隆延长觉醒时间、缩短NREMS的作用，对两药缩短REMS的作用则无影响^［18］。选择性5-HT₃受体激动剂m-chorophenylbiguanide注入大鼠侧脑室后，增加觉醒时间，缩短REMS和SWS，多巴胺D₁和D₂受体拮抗剂可抑制这种效应。

　　5-HT各受体亚型对睡眠-觉醒的影响可总结如下：激动突触前5-HT_1A自身受体可延长NREMS(包括SWS)，减少觉醒，对REMS无明显影响；激动突触后5-HT_1A受体可抑制睡眠（包括REMS和SWS），促进觉醒；拮抗5-HT₂受体可促进SWS，抑制REMS；激动5-HT₃受体可减少REMS和SWS，促进觉醒。以上研究提示SWS与REMS通过不同途径（5-HT受体亚型）分别受到复杂而精细的调控。我们发现联合给予小剂量5-HT_1A自身受体激动剂8-OH-DPAT（0.01mg/kg s.c.）和5-HT_2A受体拮抗剂利坦色林（0.63mg／kg i.p.）显示出协同效应，觉醒和REMS显著减少，SWS和浅睡眠的比例显著增加（药理学通报，待发表）。

　　四、催眠药物开发的切入点

　　临床上常用的镇静催眠药物或多或少均缩短SWS和REMS，延长浅睡眠。这些药物虽然延长了总的睡眠时间，却损害了两种最重要的睡眠成分SWS和REMS(后者保持固定的比例最为重要^［1］），并未真正改善睡眠质量，从而不可避免会出现头晕、乏力、困倦、注意力不集中，甚至暂时性健忘(如安定类)和宿醉现象(如长效巴比妥类)。突然停药时会出现REMS的反跳现象，如焦虑不安、失眠、多梦、恶梦等。根据以上研究进展，开发选择性延长SWS的催眠药物，也许以下几个方面可以做为切入点：

　　（一）PGD₂激动剂　包括PGD₂前体物质、能够促进PGD₂产生的物质和可能影响COX活性的物质。

　　（二）免疫增强剂或免疫调节剂　许多药物，特别是具有扶正固本作用的中药，具有不同程度的免疫增强和调节作用，其中有些药物成分临床已经证实可改善睡眠。

　　（三）影响5-HT系统的药物　不同5-HT受体亚型的选择性激动或拮抗，对睡眠各成分产生复杂的影响。目前已合成多种选择性作用于不同亚型的化学物质，从中筛选可延长SWS的物质进行定向研究将是一条重要途径。

　　（四）褪黑素、生长激素等参与睡眠调节的物质　这些生理性物质参与睡眠及其它生理过程，外源性给予尤其适用于那些因此类物质匮乏而引起的睡眠障碍。

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