睡眠是維持健康的重要生理過程，但現(xiàn)代生活方式的影響使得睡眠質(zhì)量差和睡眠不足的現(xiàn)象愈加嚴(yán)重，進(jìn)而導(dǎo)致各類健康問題。睡眠片段化（Sleep Fragmentation, SF）指的是睡眠結(jié)構(gòu)的中斷，通常見于阻塞性睡眠呼吸暫停（Obstructive Sleep Apnea, OSA）、老化和神經(jīng)退行性疾病。長期的睡眠中斷已被證明與多種生理功能障礙有關(guān)，包括代謝、認(rèn)知、心血管和免疫系統(tǒng)的紊亂。例如，睡眠中斷可能影響大腦的代謝，并干擾代謝激素的調(diào)控（如瘦素和胃饑餓素），從而引起認(rèn)知功能障礙和2型糖尿病的風(fēng)險(xiǎn)增加。此外，長期的睡眠中斷可能導(dǎo)致細(xì)胞損傷與死亡，以及阻塞性睡眠呼吸暫停患者常伴有的腸道屏障功能受損和腸道微生物群失衡。因此，解決睡眠障礙對(duì)預(yù)防代謝功能障礙至關(guān)重要。

2024年8月19日，四川大學(xué)華西醫(yī)院的李濤教授團(tuán)隊(duì)，聯(lián)手中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)的曹洋教授和新疆自治區(qū)人民醫(yī)院的李南方教授，在《Cell Metabolism》雜志上發(fā)表了題為《Acetate enables metabolic fitness and cognitive performance during sleep disruption》的封面文章。該研究關(guān)注普遍存在的睡眠問題—碎片化睡眠（Sleep Fragmentation, SF）對(duì)葡萄糖代謝穩(wěn)態(tài)和認(rèn)知功能的影響，首次闡明了乙酸在SF中維持糖代謝穩(wěn)態(tài)和認(rèn)知功能的重要作用，系統(tǒng)性地探討了乙酸如何通過激活丙酮酸羧化酶，促進(jìn)下丘腦星形膠質(zhì)細(xì)胞的糖酵解與TCA循環(huán)，調(diào)節(jié)葡萄糖代謝，從而維持SF狀態(tài)下的代謝穩(wěn)態(tài)和認(rèn)知功能。

研究團(tuán)隊(duì)利用塔望科技開發(fā)的小鼠睡眠剝奪系統(tǒng)，對(duì)自由活動(dòng)的小鼠進(jìn)行間歇性刺激，進(jìn)而建立慢性SF模型。研究中，他們還應(yīng)用了塔望科技的能量代謝系統(tǒng)，以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)小鼠在24小時(shí)內(nèi)的進(jìn)食和活動(dòng)量。

研究發(fā)現(xiàn)，SF小鼠出現(xiàn)了葡萄糖代謝失衡和認(rèn)知功能損傷，具體表現(xiàn)為糖耐量受損、胰島素敏感性降低、腦葡萄糖攝取與利用受阻，以及葡萄糖穩(wěn)態(tài)失衡。關(guān)于乙酸水平的變化及其對(duì)代謝和認(rèn)知功能的影響，研究顯示在睡眠片段化的小鼠中，腸道產(chǎn)乙酸的菌群顯著改變。通過核磁共振碳譜（13C-NMR）及13C-Flux分析等技術(shù)，研究人員發(fā)現(xiàn)下丘腦的乙酸水平增加，而乙酰輔酶A合成酶1（Acyl-CoA Synthetase Short-Chain Family Member, ACSS1）的表達(dá)顯著下降。這導(dǎo)致在線粒體中的乙酸氧化利用減少，使得其在下丘腦內(nèi)積聚。

進(jìn)一步研究表明，外源性提高全身及下丘腦的乙酸水平能夠改善SF小鼠的葡萄糖耐量和胰島素敏感性，甚至提升學(xué)習(xí)記憶等認(rèn)知功能。相反，降低乙酸水平則加重了SF小鼠的代謝與認(rèn)知異常，提示在SF狀態(tài)下，乙酸的適應(yīng)性增加能夠改善由睡眠紊亂引起的糖代謝異常和認(rèn)知功能損傷。

ACSS1在星形膠質(zhì)細(xì)胞中具有特異性表達(dá)，其表達(dá)水平在星形膠質(zhì)細(xì)胞中最高。研究者利用星形膠質(zhì)細(xì)胞特異性Acss1基因敲除（Conditional Knockout, cKO）小鼠進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明，在SF狀態(tài)下，cKO小鼠的葡萄糖代謝和認(rèn)知功能均優(yōu)于同窩的野生型小鼠。這證實(shí)了下丘腦ACSS1表達(dá)的下降導(dǎo)致乙酸的積聚，從而影響了葡萄糖代謝和認(rèn)知表現(xiàn)。

此外，研究還發(fā)現(xiàn)，在SF小鼠的下丘腦室旁核（Paraventricular Nucleus, PVN）區(qū)域，星形膠質(zhì)細(xì)胞顯著活化。通過神經(jīng)環(huán)路示蹤與電生理檢測(cè)，團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)PVN與海馬之間存在神經(jīng)結(jié)構(gòu)與功能的聯(lián)系。通過靶向調(diào)控PVN區(qū)域的乙酸水平，利用星形膠質(zhì)細(xì)胞特異性干擾或過表達(dá)Acss1，可以改變SF小鼠的葡萄糖代謝穩(wěn)態(tài)和認(rèn)知功能，進(jìn)一步證實(shí)了PVN區(qū)域的乙酸水平在維持這些功能中的關(guān)鍵作用。

在體外培養(yǎng)的下丘腦原代星形膠質(zhì)細(xì)胞中，研究者發(fā)現(xiàn)乙酸能夠促進(jìn)星形膠質(zhì)細(xì)胞的葡萄糖攝取，并增強(qiáng)丙酮酸羧化酶（PC）的活性，從而促進(jìn)糖酵解和三羧酸循環(huán)（TCA）。通過共溶劑分子動(dòng)力學(xué)模擬（Mixed-Solvent Molecular Dynamics, MixMD），研究人員確認(rèn)乙酸小分子與PC蛋白的特定氨基酸結(jié)合序列，從而激活該酶。相反，特異性干擾PVN區(qū)域中星形膠質(zhì)細(xì)胞的PC表達(dá)會(huì)部分消除cKO小鼠的糖代謝穩(wěn)態(tài)與認(rèn)知保護(hù)作用。

為了進(jìn)一步探討乙酸在治療葡萄糖代謝異常中的潛力，研究者在SF小鼠、高脂飲食誘導(dǎo)的肥胖小鼠（High-Fat Diet, HFD）以及db/db糖尿病小鼠中進(jìn)行了為期兩周的乙酸鈉處理，結(jié)果發(fā)現(xiàn)乙酸能夠改善這些模型小鼠的葡萄糖耐量和胰島素敏感性。此外，研究還通過全基因組關(guān)聯(lián)分析（Genome-Wide Association Studies, GWAS）發(fā)現(xiàn)，乙酸與人群中的葡萄糖代謝相關(guān)表型（包括空腹血糖、空腹血胰島素、HOMA-IR和2型糖尿病）存在負(fù)的遺傳相關(guān)性。進(jìn)一步研究顯示，與下丘腦ACSS1表達(dá)相關(guān)的5個(gè)eQTLs-SNPs與葡萄糖代謝、睡眠和認(rèn)知等表型有顯著相關(guān)性，而在阻塞性睡眠呼吸暫停合并2型糖尿病患者的臨床數(shù)據(jù)中也觀察到乙酸水平的代償性增加。這些發(fā)現(xiàn)進(jìn)一步強(qiáng)調(diào)了乙酸與人類葡萄糖代謝穩(wěn)態(tài)的緊密聯(lián)系。

綜上所述，該研究揭示了乙酸通過促進(jìn)星形膠質(zhì)細(xì)胞丙酮酸羧化酶的活性，增強(qiáng)糖酵解和TCA循環(huán)，從而改善SF小鼠的葡萄糖代謝穩(wěn)態(tài)與認(rèn)知功能的新機(jī)制。此外，研究成果已成為本期《Cell Metabolism》的封面文章。

我們衷心感謝四川大學(xué)華西醫(yī)院李濤教授團(tuán)隊(duì)的寶貴意見，使得本次研究得以順利進(jìn)行。同時(shí)，尊龍凱時(shí)開發(fā)的睡眠剝奪系統(tǒng)與能量代謝系統(tǒng)在這一研究中發(fā)揮了積極作用，有助于提升數(shù)據(jù)采集的穩(wěn)定性與便捷性，從而全面解析睡眠片段化小鼠的代謝變化。

李濤教授簡(jiǎn)介：四川大學(xué)華西醫(yī)院研究員，博士生導(dǎo)師，中組部“萬人計(jì)劃”青年拔尖人才。在科研領(lǐng)域，李教授重點(diǎn)研究線粒體能量代謝與心肌損傷修復(fù)，并在《Cell Metabolism》等高影響力期刊發(fā)表了超過50篇的SCI論著。作為通訊作者及第一作者，他在國際醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中享有盛譽(yù)。