睡了等于没睡！四川大学华西团队等首次揭示改善碎片化睡眠中代谢和认知异常新机制

你是不是在深夜醒来后却无法再次入睡？睡眠时间短、睡眠断断续续的，然后第二天起床后浑身乏力，注意力不集中。这种长期的碎片化睡眠会对人的生活及工作状态造成较大影响，或引发多种疾病（如代谢、认知、心血管和免疫功能障碍等）。有研究发现由微生物群衍生的代谢物，如乙酸，通过脑-肠之间的相互作用调节包含代谢和认知功能在内的各种生理途径。然而，有关睡眠碎片化、脑功能和代谢稳态之间的具体分子机制仍未明晰。

2024 年 8 月 19 日，来自四川大学华西医院李涛教授，联合中国科学技术大学曹洋教授及新疆自治区人民医院李南方教授带领团队在Cell Metabolism（IF 27.7）发表封面文章。该研究通过使用慢性碎片化睡眠（Sleep fragmentation, SF）小鼠模型，探讨了睡眠紊乱如何导致代谢失衡和认知障碍，揭示了乙酸在 SF 睡眠期间通过激活下丘脑星形胶质细胞中的丙酮酸羧化酶，促进糖酵解和三羧酸循环，从而保护代谢健康和认知功能的机制。乙酸能够减轻由睡眠中断引起的葡萄糖代谢紊乱、认知损伤和炎症反应。该研究首次明确了乙酸在睡眠紊乱中发挥的保护作用，为理解和治疗与睡眠障碍相关的代谢和认知功能障碍提供了新的临床理论依据！

图 1 相关研究（图源：[1]）

1. SF 对代谢和认知的影响

SF 究竟如何影响代谢和认知功能？为了研究该科学问题，研究人员通过对小鼠进行间歇性触觉刺激，建立慢性 SF 模型，观察其代谢和认知表现。结果显示，SF 显著损害了小鼠的葡萄糖代谢，包括葡萄糖耐受性降低和胰岛素敏感性下降。此外，认知测试结果表明，经历睡眠碎片化的小鼠在空间学习和记忆方面表现不佳（图 2）。这表明，SF 损害了小鼠的葡萄糖代谢稳态和认知能力，同时也降低了下丘脑的葡萄糖代谢。

图 2 SF 小鼠表现出葡萄糖代谢下降和认知功能受损（图源：[1]）

为了进一步研究 SF 小鼠的代谢改变，研究人员采用代谢组学的方法，对正常睡眠和经历 SF 的小鼠进行了比较分析。通过检测血浆和下丘脑的代谢物，发现SF 处理显著提高了小鼠循环和下丘脑中的乙酸水平（图3）。此外，乙酸线粒体中代谢关键酶乙酰辅酶A合成酶1（Acyl-CoA synthetase short-chain family member，ACSS1）在下丘脑中的蛋白表达减少，但在海马或皮层中未见明显变化。ACSS1表达的减少导致乙酸在下丘脑中的积累，这可能会影响葡萄糖代谢。这一结果提示，乙酸的积累可能是由于机体对于 SF 的一种应激反应，以改善睡眠紊乱导致的糖代谢异常和认知功能损伤。这一发现为进一步探究乙酸在睡眠碎片化引起的代谢失调发挥怎样的作用奠定了基础。

图 3 SF 小鼠循环和下丘脑中的乙酸水平增加（图源：[1]）

2. 乙酸盐在代谢和认知保护中的作用

乙酸如何改善 SF 引发的代谢和认知障碍？为了探究乙酸在睡眠碎片化小鼠中的作用，研究人员设计实验，通过口服、三脑室乙酸盐微量泵注来观察其对血糖控制、胰岛素敏感性和认知功能的影响。发现补充乙酸显著改善了因睡眠碎片化导致的血糖代谢问题，增加了胰岛素的敏感性，并且提升了小鼠的认知表现（图 4）。乙酸对 SF 小鼠的这些改善效果表明，其可能在缓解与睡眠碎片化相关的代谢和认知功能损伤中发挥着重要的保护作用。这一发现为进一步探索乙酸的潜在治疗应用提供了有力的支持。

图 4 外源补充乙酸改善了 SF 小鼠模型中的血糖稳态、胰岛素敏感性和认知功能。（图源：[1]）

乙酸在线粒体中通过 ACSS1 转化为乙酰辅酶 A，在中枢神经系统中，Acss1 仅观察到在胶质细胞中表达。为了探讨 ACSS1 在 SF 引起的代谢和认知功能障碍中的作用，研究人员利用星形胶质细胞特异性 Acss1 敲除小鼠（Conditional knockout, cKO）探究其是否会影响乙酸水平以及其在睡眠碎片化中的功能作用。实验结果显示，Acss1cKO 显著逆转了 SF 小鼠的葡萄糖代谢紊乱和认知功能损伤（图 5）。具体而言，小鼠的葡萄糖耐量和胰岛素敏感性得到了改善，同时认知测试中的表现也有所恢复。此外，SF 小鼠的下丘脑室旁核（Paraventricular nucleus, PVN）中星形胶质细胞显著活化。利用神经回路示踪和电生理检测，研究人员揭示了下丘脑 PVN 与海马之间的神经结构和功能联系。因此，作者通过特异性调控星形胶质细胞中的 Acss1 表达，成功调节了 PVN 中的乙酸水平。发现这一调控可以改善 SF 小鼠的葡萄糖代谢稳态和认知功能，进一步证明了 Acss1 介导的下丘脑 PVN 中乙酸水平在维持葡萄糖代谢和认知功能中的关键作用。

图 5 Acss1 cKO 可逆转 SF 引起的代谢和认知功能障碍（图源：[1]）

3. 乙酸影响 SF 的分子机制及临床意义

为了探讨乙酸在 SF 小鼠下丘脑代谢中的作用，研究人员重点聚焦于乙酸对丙酮酸羧化酶（Pyruvate carboxylase, PC）的影响。从野生型小鼠的下丘脑中分离了原代星形胶质细胞，并用同位素标记的葡萄糖（[U-13C6] glucose）在乙酸存在下处理细胞。乙酸增加了同位素标记的葡萄糖的摄取能力，并呈剂量依赖性，这表明乙酸增强了星形胶质细胞中的葡萄糖摄取。此外，乙酸处理还增加了下丘脑星形胶质细胞的糖酵解能力。PC 在乙酸处理的原代星形胶质细胞中表现出较高活性。通过共溶剂分子动力学模拟（Mixed-solvent molecular dynamics, MixMD），研究人员发现乙酸小分子与 PC 蛋白存在特定的氨基酸结合序列，从而激活 PC。总之，在 SF 小鼠中，乙酸的补充显著激活了 PC 从而增强了下丘脑中的糖酵解和三羧酸循环（Tricarboxylic acid cycle, TCA）（图 6）。这种代谢增强效应改善了因 SF 导致的葡萄糖代谢障碍，PC 在乙酸调控下丘脑代谢中的作用至关重要，这一结果有助于解释乙酸如何在 SF 条件下保护代谢功能和认知表现。

图 6 乙酸通过激活 PC 来促进糖酵解和三羧酸循环（图源：[1]）

最后，为了验证乙酸在葡萄糖代谢中的潜在治疗作用，研究人员分别对 SF 小鼠，高脂饮食诱导的肥胖（High-fat diet, HFD）小鼠和 db/db 糖尿病小鼠均进行 2 周的乙酸钠处理。结果显示，乙酸盐显著改善了这些小鼠的血糖稳态和胰岛素敏感性，同时恢复了其认知功能（图 7）。此外，该研究还通过全基因组关联分析（Genome-wide association studies, GWAS）在大规模人群数据中发现，乙酸水平与人群葡萄糖代谢相关表型存在负遗传相关性。表明乙酸不仅在动物模型中具有治疗潜力，而且与人群中的葡萄糖稳态密切相关，也可能通过调节葡萄糖代谢发挥保护作用。这一发现为乙酸作为干预糖尿病及相关代谢疾病的潜在治疗策略提供了有力支持

图 7 乙酸对葡萄糖代谢受损小鼠的治疗作用及其在人群中与葡萄糖稳态的关联证据（图源：[1]）

乙酸在碎片化睡眠引发的代谢紊乱和认知损伤中发挥了重要的保护作用。乙酸不仅通过激活星形胶质细胞的丙酮酸羧化酶激活下丘脑星形胶质细胞中的糖酵解和三羧酸循环，还改善了小鼠的葡萄糖代谢和胰岛素敏感性，恢复了认知功能。此外，遗传分析进一步揭示了乙酸代谢与睡眠和葡萄糖稳态的密切关联。为理解碎片化睡眠对代谢和认知功能的影响提供了新的见解，并提出了乙酸作为潜在治疗策略的可能性！

专家分享

睡眠是生存最基本的生理需求，对维持机体健康至关重要。但繁忙的现代生活常常导致睡眠质量差或睡眠不足，引发各种健康问题。睡眠紊乱可导致代谢功能障碍，干扰代谢激素（如胰岛素、瘦素和胃泌素）调节，诱发糖尿病并损伤认知功能。然而，人们对睡眠与代谢稳态之间的调控机制仍知之甚少。

课题组聚焦人群普遍存在的睡眠问题-碎片化睡眠（Sleep fragmentation, SF）对葡萄糖代谢稳态和认知功能的影响，首次揭示了乙酸在 SF 中维持糖代谢稳态和认知功能的重要作用，系统解析了乙酸通过激活丙酮酸羧化酶，促进下丘脑星形胶质细胞糖酵解和 TCA 循环，调控葡萄糖代谢，从而维持 SF 中代谢稳态和认知功能。

图 8 研究机制图及当期封面

经系统研究发现乙酸通过激活星形胶质细胞的丙酮酸羧化酶，促进糖酵解和 TCA 循环，改善 SF 小鼠葡萄糖代谢稳态和认知功能，揭示了乙酸维持睡眠紊乱中代谢稳态，促进认知功能的新机制（图 8，左）。该研究也成为当期Cell Metabolism封面文章，正如封面所示：一艘「线粒体」小船在开满睡莲的池中漂流（睡莲在中国象征着水中美人）。两位女士惬意地坐在船上，品尝着「Acetate」茶。她们放松的姿态和和谐的氛围表明乙酸能改善睡眠紊乱患者的健康状态（图 8，右）。

四川大学华西医院李涛教授（Lead Contact）、中国科学技术大学曹洋教授和新疆自治区人民医院李南方教授为该论文的共同通讯作者。李涛课题组成员贺琴琴博士后、戢力维博士、王艳艳教授及张雅蓉博士后为该论文的共同第一作者。

作者简介：（上下滑动查阅）

李涛，四川大学华西医院教授，博导，国家青年人才。线粒体代谢与围术期医学研究室主任，国家老年疾病临床医学研究中心 「线粒体代谢与衰老研究室」 主任，四川大学华西医院科技部副部长。中华医学会麻醉学会分会青年委员，四川省学术技术带头人，四川省卫健委学术技术带头人，医学电生理四川省重点实验室学术委员会委员，四川省细胞生物学会细胞代谢专委会主任委员，四川省中西医结合协会痛症专委会副主任委员，四川省科青联理事，美国心脏协会会员，中国生物物理学会会员；四川大学 「双百人才工程」A 计划入选者；美国西雅图华盛顿大学医学部 「线粒体与代谢研究中心」 访问学者。在 Cell Metabolism（3 篇）, Circulation Research，Cell Reports，Diabetes, EMBO Reports, STTT 等杂志发表 SCI 论著 60 余篇。

曹洋，中国科学技术大学生命科学与医学部教授、附属第一医院教授、博士生导师，入选国家海外高层次人才计划和中科院青年人才计划。2015 年获得中国科学技术大学博士学位，后在美国华盛顿大学、耶鲁大学和加州大学洛杉矶分校任博士后和助理研究员。2023 年 4 月加入中国科学技术大学生命科学与医学部，组建心血管代谢实验室。致力于研究心血管代谢疾病，包括心力衰竭、肥胖、糖尿病等，采用系统遗传学和分子生物学方法探究心血管代谢疾病的病理生理机制。主要工作发表于 Science，Circulation，Cell Metabolism, Circulation Research（2017，2024）, Nature Communications, EMBO Journal 等期刊上。

李南方，新疆自治区人民医院高血压中心原科主任、新疆高血压研究所所长、国家卫健委高血压诊疗研究重点实验室主任，国务院特殊津贴专家，新疆天山英才领军人物，全国杰出专业技术人才。长期从事疑难复杂高血压的诊断与鉴别诊断，建立了系统的继发性高血压病因筛查平台和完整的高血压诊疗技术体系，使其诊断率从 14.5% 提高到 39.5%；同时围绕两大常见的继发性高血压-原发性醛固酮增多症和睡眠呼吸暂停相关性高血压开展科学研究；建立了乌鲁木齐阻塞性睡眠呼吸暂停相关性高血压队列研究（UROSAH）、额敏自然人群队列、多重危险因素综合干预的人群队列和 36 万人的乌鲁木齐高血压研究数据库（UHdata），开展了多项横向和纵向研究；先后完成国家科研课题 99 项, 发表学术论文 615 篇（SCI 153 篇）。

第一作者：贺琴琴 戢力维 王艳艳 张雅蓉

http://doi.org/10.1016/j.cmet.2024.05.016