腺苷及其受体与睡眠调节.pdf

目前，全球有近 1/4 的人受到失眠困扰，我国亦有 3 亿成年人存在睡眠障碍，而且还有逐年增加的趋势，已经成为“悄然发展的现代社会流行病”，严重影响了人们的身体健康和生活质量1-2。对于失眠患者，治疗时给予镇静催眠药物可以改善其睡眠及生活质量。然而传统的镇静催眠药普遍存在如宿醉、肌松、耐受或依赖等不良反应，多年来研究者们一直致力于寻找具有新机制、不良反应小的新型睡眠调节剂。一、睡眠启动的代谢产物稳态平衡机制睡眠的发生受昼夜节律调控。精细的调控使睡眠觉醒有规律的交替转换，以确保机体获得适当的休息，恢复能量供给。当这一节律发生紊乱时，机体将启动另一稳态机制进行调节，比如长时间的觉醒，会导致随后的睡眠加长加深，以确保机体的恢复。而上述睡眠调节的改变是由内源性代谢产物介导的:觉醒时脑内代谢率高，代谢产物水平升高，随着觉醒持续时间的延长，代谢产物逐渐累积，达到临界水平时，抑制觉醒神经元，促进觉醒向睡眠的转换，启动睡眠。而代谢产物对觉醒神经元的抑制，同时导致了自身生成率降低，致使其水平逐渐恢复至基础水平，解除对觉醒神经元的抑制，促进觉醒的发生。因此，代谢产物在细胞水平的稳态平衡，影响了动物整体水平的行为表现，是启动睡眠的主要因素3。根据这一理论，巩固性睡眠的频率与活动依赖性的代谢产物的累积率正相关，而巩固性睡眠的时间与代谢产物清除率负相关。目前，在上百种代谢产物中，腺苷是公认的睡眠调节因子4。二、腺苷是一种内源性促睡眠物质腺苷是一种在体内广泛存在的嘌呤核苷酸，它不仅是能量代谢的副产物，同时还具有多种生理活性5。大量研究表明，腺苷具有诱导睡眠的作用。1954 年，Feldberg 和 Sherwood 首次发现侧脑室给予腺苷对猫有促睡眠的作用。而后研究者发现，全身给予腺苷亦可增加动物的睡眠时间及脑电慢波活动。此外，通过抑制腺苷代谢酶如脱氨酶或转运酶，升高细胞外腺苷水平，可增加大鼠的慢波睡眠(slow wave sleep，SWS)。相反，阻断腺苷合成降低细胞外腺苷浓度，或阻断其受体效应可有效地降低SWS，增加觉醒6。靶向微注射及在体微透析技术的应用进一步阐明了腺苷发挥促睡眠作用的特异脑区。腺苷受体激动剂注入大鼠不同脑区产生的效应不同:1999 年，Basheer 等将腺苷注入大鼠的基底前脑，产生觉醒时间减少的效应。同年，Satoh等7 发现，与其他脑区相比，腺苷受体激动剂注入基底前脑蛛网膜下腔能产生最大的促睡眠效果。腺苷同时参与生理性睡眠觉醒调节。1997 2011 年 Pork-ka-Heiskanen 等8-10 研究表明，动物脑内细胞外腺苷水平的变化与睡眠觉醒活动变化一致。清醒时脑内代谢率约比睡眠时高30%，神经元活动及代谢的增加导致细胞外腺苷水平升高。相反，睡眠时代谢率降低，细胞外腺苷水平亦降低(约降低 15%20%)。在猫及大鼠多个脑区如皮层、丘脑、下丘脑、基底前脑等都得到类似的结果。因此，腺苷水平变化与睡眠呈显著的正相关，与代谢产物稳态平衡调节睡眠的理论一致。此外，在睡眠剥夺时，随着剥夺时间延长，6 h 内基底前脑腺苷水平持续升高(约升高 140%)，而在随后的 3 h 恢复性睡眠中腺苷水平逐渐下降。在基底前脑透析灌注腺苷转运抑制剂从而升高细胞外腺苷水平，可模拟睡眠剥夺的促睡眠效应11。目前，腺苷作为生理性睡眠调节物质的观点已普遍被人们接受。三、腺苷受体介导腺苷的促睡眠作用1 腺苷受体简介:腺苷通过不同的腺苷受体发挥特定作用。目前已鉴定并克隆了四种腺苷受体 A1、A2A、A2B和 A3。腺苷对各受 体 亲 和 力 各 不 同(受 体 A1，3 30 nmol;受 体 A2A，1 20 nmol;受体 A2B，5 20 mol;受体 A3 1 mol)12。受体A1和 A2A在脑内高表达且与腺苷亲和力高。受体 A1在脑内的很多区域如皮层、丘脑、海马、基底节、外侧下丘脑等都有很高水平的分布;而受体 A2A只在特异脑区尾壳核、伏核和嗅结节内有高水平分布;受体 A2B仅存在于星状细胞;受体 A3在脑内广泛分布，但密度最低。微透析实验显示，动物脑内细胞外腺苷浓度在基底 前 脑 及 丘 脑 约 为 180 270 nmol，纹 状 体 约 为 40 210 nmol13。因此一般认为，在生理状态下，低浓度水平的腺苷就可激动受体 A1及 A2A，而在腺苷浓度大量增高的病理情况下才可激活受体 A2B及 A3。腺苷受体均为 7 次跨膜的 G 蛋白偶联受体，这些受体通过G 蛋白与包括 cAMP 和 Ca2+在内的第二信使相耦联。其中，腺苷对于神经元的抑制效应主要由受体 A1介导:激动受体 A1可抑制腺苷酸环化酶，激活磷脂酶，降低 cAMP 水平。而对于神经元的兴奋性作用主要由受体 A2A介导:激动受体 A2A可激活腺苷酸环化酶，升高 cAMP 水 平，同 时 也 激 活 其 他 的 信 号 转 导通道14。2 腺苷受体与睡眠调节:一直以来，研究者们对于介导腺苷促睡眠作用的受体亚型争议不休，焦点集中在抑制性受体 A1及兴奋性受体 A2A。通过对腺苷及黄嘌呤如咖啡因、茶碱的结构修饰，可以设计并得到许多高选择性腺苷受体激动剂及拮抗剂。应用这些特异的受体激动剂及拮抗剂，研究者们对腺苷受体介导的睡眠调节机制进行了深入的研究。(1)抑制性受体 A1介导了腺苷对觉醒神经元的抑制:根据代谢产物稳态平衡调节睡眠理论，觉醒时升高的腺苷通过抑制觉醒相关脑区神经元，启动睡眠。基底前脑就是这样一个脑区，它富含“觉醒神经元”，向皮层发出兴奋性投射，维持动物清醒。睡眠剥夺时，腺苷水平仅在此区域特异升高，发挥抑制作用，促进睡眠剥夺后的嗜睡倾向。灌注受体 A1选择性激动剂 CHA 可以抑制基底前脑促觉醒神经元的放电活动，且具有剂量依赖关系。而在基底前脑灌注受体 A2A选择性激动剂 CGS21680 及拮抗8686中华临床医师杂志(电子版)2012 年11 月第6 卷第21 期Chin J Clinicians(Electronic Edition)，November 1，2012，Vol6，No21剂并不影响动物的睡眠觉醒行为。进一步的，在基底前脑注入受体 A1mRNA 反义寡核苷酸，可抑制受体 A1的表达并能减少非快动眼睡眠(non-rapid eye movement，NREM)及睡眠剥夺后的恢复性睡眠，而在基底前脑胆碱能神经元 HDB/SI/MCPO(觉醒过程中放电频率最高的神经元)中未能检测到受体 A2A的 mRNA和蛋白表达，提示腺苷在基底前脑对睡眠-觉醒的调节是通过受体 A1而非 A2A实现的15。除基底前脑外，下丘脑 orexin/hypocrexin 神经元和组胺能结节乳头核(tuberomammillary nucleus，TMN)也参与腺苷的睡眠调节过程。免疫组化研究表明，30%orexin 神经元表达腺苷受体A116，同时 TMN 也高表达腺苷受体 A1。给予腺苷通过受体 A1抑制侧下丘脑 hypocretin/orexin 神经元放电，并且抑制觉醒17。而 TMN 处直接给予 CPA 可显著增加 NREM 睡眠18。此外，最新的研究表明，胶质细胞传导在睡眠稳态平衡的调节中起重要作用，星形胶质细胞即是通过腺苷及其受体 A1参与睡眠调节及睡眠剥夺后认知功能的损伤19。由于腺苷受体 A1在脑内广泛分布，侧脑室或全身给予选择性受体 A1激动剂 CPA，都可以剂量依赖性增加 NREM 睡眠的慢波活动，脑电类型与睡眠剥夺后产生的慢波类似20。虽然以上实验结果显示腺苷受体 A1与睡眠调节密切相关，但是受体 A1敲除小鼠的自发睡眠-觉醒过程以及睡眠剥夺后的恢复性睡眠时间与野生型小鼠没有显著差异。因此认为，受体A1对正常动物的睡眠调节发挥重要作用，但是在其缺失的情况下，其他因素如受体 A2A能够补偿 A1的作用21。(2)激活兴奋性受体 A2A可兴奋睡眠中枢神经元:腺苷受体A2A激活可促进睡眠。将选择性腺苷受体 A2A激动剂 CGS21680灌注至大鼠基底前脑腹侧下的蛛网膜下腔22 或小鼠侧脑室，CGS21680 可剂量依赖性增加 NREM 及快动眼(rapid eye move-ment，REM)睡眠，在受体 A2A敲除模型小鼠中，CGS21680 没有表现出以上作用，说明 CGS21680 是通过受体 A2A发挥其促进睡眠的作用23。腺苷受体 A2A选择性激动剂，如 APEC 等灌注至基底前脑腹侧可诱导 NREM，且该作用可以被受体 A2A拮抗剂所拮抗。而同样灌注腺苷受体 A1选择性激动剂 CPA 无此作用。由于腺苷受体 A2A激动剂注入大鼠基底前脑蛛网膜下腔能产生最大效应的促睡眠效果，睡眠因子 PGD2也是通过升高基底前脑蛛网膜下腔的腺苷水平进而激活腺苷受体 A2A发挥促睡眠作用，吻侧基底前脑蛛网膜下腔被认为是介导受体 A2A促睡眠作用的关键脑区24-25。另一方面，腺苷受体 A2A也介导了许多兴奋剂及促眠剂的调节作用。2005 年 Huang 等26 应用腺苷受体敲除小鼠表明，咖啡因的促觉醒作用是通过拮抗受体 A2A介导的，与受体A1无关。同时，乙醇的促睡眠作用也是通过腺苷受体 A2A介导的27。腺苷受体 A2A的激活是如何产生睡眠诱导作用的呢?这就涉及到下丘脑的睡眠中枢，下丘脑腹外侧视前区(ventrolateralpreoptic area，VLPO)神经元丛近来被认为是新的睡眠中枢，而TMN 则属于组胺能上行觉醒系统，投射至皮层等脑区维持觉醒。已知 VLPO 对 TMN 存在抑制性 GABA 能神经支配。微透析实验表明，受体 A2A激动剂 CGS21680 可增加 TMN 处 GABA 的释放，进一步抑制额叶皮质及中视前区组胺的释放28。c-Fos 蛋白的表达是神经元激活的标记，研究者在大鼠基底前脑蛛网膜下腔灌流 CGS21680 2 h，发现 VLPO 区的 c-Fos 染色呈阳性的细胞数量显著增加，相反的，TMN 区 c-Fos 染色阳性细胞数量显著减少。以上结果表明，细胞外腺苷水平增加，通过腺苷受体 A2A，可激活 VLPO，进而抑制 TMN，促进睡眠并抑制觉醒29-30。此外在体外实验中，对大鼠脑片膜片钳的记录显示，腺苷可通过受体A2A直接去抑制 VLPO 睡眠相关神经元31。因此，腺苷通过兴奋性受体 A2A，可直接或间接激活下丘脑睡眠中枢，从而诱导睡眠。因此，腺苷受体 A1及 A2A均在睡眠调节中起重要作用:位于基底前脑胆碱能区、下丘脑 Orexin 神经元和星形胶质细胞的受体 A1及吻侧基底前脑蛛网膜下腔的受体 A2A，通过不同的通路，均可介导腺苷的睡眠调节作用32。(3)腺苷及其受体可能是多种睡眠因子的共同通路:一氧化氮(nitric oxide，NO)是近来公认的睡眠因子，与腺苷具有许多共同的特性，例如在睡眠剥夺时基底前脑 NO 水平升高，外源性给予 NO 可诱导睡眠等等。并且 NO 和腺苷浓度联系紧密:NO 水平升高时腺苷水平升高，反之亦然。更进一步，NO 的作用可被腺苷受体 A1拮抗剂部分阻断，因此 NO 的促眠作用至少部分是通过腺苷及其受体 A1所介导33。由于腺苷及其受体 A1广泛存在于脑内，并且其对神经元的活动具有直接的调节作用，Porkka-Heiskanen 等10 认为腺苷及其受体可能是睡眠调节的最终通路。除了 NO，睡眠调节因子PGD2的促眠作用也是通过激动 DP1 受体，促发腺苷的释放实现的。类似的具有促眠作用的白细胞介素(除 IL-6)和 TNF-都可经由 NO 通路升高腺苷水平，从而诱导睡眠。四、镇静催眠的新靶点目前镇静催眠药中，作用于 GABA 通路的药物仍然占主导地位34。传统的 GABA 受体完全激动剂不良反应比较大。较新的 GABA 受体部分激动剂如 NG2-73，正处于期临床阶段，可选择性作用于 3亚单位，不存在 1亚单位介导的依赖性。此外，不同机制的药物有不同的作用特点，适应于不同的失眠人群。2005 年，武田公司的褪黑素受体激动剂 Rozerem(Ramelt-eon)获 FDA 批准上市，是第一个未被美国列为管制药品的失眠症药物，能有效诱导入睡，但未显示能有效维持睡眠35。Neurim公司的 Circadin(melatonin)，最近获欧盟 CHMP 的肯定意见;Hypnion 公司正在开发一种 H1 和 5-HT2A受体调节剂 HY10275，在维持睡眠方面作用更强，但诱导入睡的作用却不理想。腺苷及其受体作为镇静催眠的新靶点具有诱人前景。已用于临床的缬草酸的促睡眠作用机制即涉及中枢腺苷通路，与激动腺苷受体 A1相关36。但实际应用要考虑到腺苷受体的广泛分布及可能的不良反应开发脑区特异的高选择性激动剂或变构增强剂是有希望的途径37。此外，抑制腺苷代谢酶，提高脑内腺苷浓度，间接作用于腺苷受体，亦可促进睡眠。例如腺苷脱氨酶的分布具有脑区特异性，mRNA 及蛋白分析显示，腺苷脱氨酶在软脑膜和下丘脑的表达丰富，在皮质、海马、中脑等部位的含量几乎在检测限以下。免疫组化的结果表明，腺苷脱氨酶主要存在于吻侧基底前脑的软脑膜及下丘脑后侧的 TMN 处，均为睡眠觉醒相关脑区38。对腺苷脱氨酶的抑制，可特异升高睡眠相关脑区腺苷浓度，抑制觉醒神经元，激活睡眠神经元，促进睡眠。五、结语腺苷是一种内源性的睡眠调节因子，腺苷受体 A1及 A2A在腺苷的睡眠调节中起重要作用。基于腺苷机制的药物将为失眠的治疗提供新的选择。参考文献 1失眠的定义、诊断及药物治疗专家共识专家组 失眠的定义、诊断及药物治疗专家共识(草案)中华神经科杂志，2006，2:141-1439686中华临床医师杂志(电子版)2012 年11 月第6 卷第21 期Chin J Clinicians(Electronic Edition)，November 1，2012，Vol6，No21 2王海智，王波，陈练，等 医学生睡眠质量及其相关因素研究J/CD 中华临床医师杂志:电子版，2010，4:776-779 3Subimal D，MacLean RR Neurobiological mechanisms for the regula-tion of mammalian sleep-wake 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