睡眠为什么是哺乳动物不可或缺的生理需求？早在百余年前的动物实验中，科学家就发现长期完全剥夺睡眠会导致实验动物死亡，但睡眠缺失在脑内积累的信号究竟如何跨越中枢边界、演变为全身性致命损伤，始终是睡眠生物学中的核心谜团。传统小鼠睡眠剥夺方法往往容易被动物强烈的稳态睡眠反弹所抵消，难以在低机械刺激下维持连续数日的深度睡眠剥夺。2023 年 11 月 27 日在线发表于《Cell》的一项研究中，北京生命科学研究所（NIBS）张二荃团队与北京大学李毓龙团队等合作，建立了一种名为“浅水防蜷缩”（CPW）的小鼠长期睡眠剥夺范式，并首次揭示了一条连接睡眠剥夺大脑与外周免疫风暴的分子通道：脑内累积的前列腺素 D2（PGD2）经血脑屏障转运体 ABCC4 加速外排入血，通过激活 DP1 受体诱发中性粒细胞驱动的全身细胞因子风暴样综合征。

01 / 高效剥夺范式与全身表型

96% 时间维持清醒：持续睡眠剥夺诱发多器官中性粒细胞浸润与细胞因子风暴

小鼠入睡时通常会采取低头蜷缩的姿态来减少热量散失并维持肌肉放松。研究团队据此设计了“浅水防蜷缩”（CPW）装置：在笼底铺设一层约 8 毫米深的浅水，使小鼠能够自由走动和进食饮水，但一旦低头蜷缩入睡便会接触水面而醒来；同时设置带有局部潮湿纱布覆盖凸起平台的水环境对照组（eCon）和普通饲养笼对照组（Con）。脑电与肌电（EEG/EMG）连续监测证实，CPW 小鼠在 24 小时周期内的清醒时间占比高达 96.17%，非快速眼动睡眠（NREMS）和快速眼动睡眠（REMS）分别被压缩至 3.20% 和 0.63%，而水环境对照组仅在每日换笼初期（ZT0–ZT1）出现轻微的每日睡眠减少（约 99 分钟，16%），其 24 小时 NREMS 及昼夜期睡眠结构与普通笼养小鼠无显著差异。

当这种高效睡眠剥夺持续至第 3 至 4 天时，小鼠出现显著的过早死亡，而水环境对照组则全部存活。病理学检查发现，睡眠剥夺小鼠在死亡前已出现典型的多器官功能障碍综合征（MODS），肝脏、脾脏和肺部等多个外周器官均出现明显的中性粒细胞浸润与组织损伤。与此同时，外周血中 IL-6、IL-17A、CXCL1、CCL20 等多种促炎细胞因子和趋化因子在剥夺 12 至 48 小时内急剧升高；若在饮水中给予抗炎糖皮质激素皮质酮、非甾体抗炎药对乙酰氨基酚（APAP），或使用缺失多条细胞因子信号通路的 M-NSG 免疫缺陷小鼠，均可显著降低睡眠剥夺诱发的死亡率，表明失控的全身性炎症反应而非单纯的氧化应激是致命损伤的核心推手。

原论文图 1浅水防蜷缩（CPW）长期睡眠剥夺范式诱发小鼠全身性炎症与过早死亡

02 / 外周免疫细胞图谱

单细胞测序锁定循环中性粒细胞暴发：清除中性粒细胞显著挽救生存

为了查明哪一类外周免疫细胞主导了这场炎症风暴，研究团队对睡眠剥夺 24 小时、48 小时及对照小鼠的外周血白细胞进行了单细胞转录组测序（scRNA-seq）。无监督聚类与主成分分析显示，随着睡眠剥夺持续，外周血中比例增幅最大、转录组重塑最显著的群体是中性粒细胞和单核细胞：循环中性粒细胞占 CD45+ 白细胞的比例从对照组的约 5% 飙升至约 25%–30%，且其上调基因显著富集于中性粒细胞脱颗粒、免疫激活及细胞因子产生等通路。

为了直接检验中性粒细胞在致命炎症中的因果作用，作者使用抗 Ly6G 中性粒细胞清除抗体在体内特异性耗竭循环中性粒细胞。结果显示，抗 Ly6G 抗体不仅将睡眠剥夺 24 小时和 48 小时小鼠外周血中的中性粒细胞比例压低至接近零的水平，还大幅提高了小鼠在持续睡眠剥夺及恢复期的存活率。作者同时在局限性分析中指出，由于氯膦酸盐脂质体对单核吞噬细胞系统的清除并不完全，现有实验证明了中性粒细胞的关键致病贡献，但尚未完全排除单核吞噬细胞的潜在协同作用。

原论文图 3循环中性粒细胞在长期睡眠剥夺中的显著扩增及其对死亡率的贡献

03 / 血脑屏障主动外排

并非交感神经主导电信号：血脑屏障 ABCC 转运体加速脑源分子外排

脑内的睡眠缺失究竟通过什么途径点燃了外周的中性粒细胞风暴？研究团队首先通过腹腔注射 6-羟基多巴胺（6-OHDA）实施化学交感神经切除术，排查交感神经系统在脑与外周免疫沟通中的作用，发现交感神经清除并未能阻断睡眠剥夺引起的外周血中性粒细胞积累。这一结果促使团队将目光转向脑与血液直接交换物质的界面：血脑屏障（BBB）的跨内皮主动外排系统。

利用罗丹明 B（Rhodamine B）活体脑/血比值测定与离体脑毛细血管外排实验，团队发现睡眠剥夺显著增强了血脑屏障上 ABC 转运体介导的向外外排活性，脑毛细血管内罗丹明 B 的潴留水平呈现节律改变与跨屏障转运加速。当在饮水中给予广谱 ABCC 转运体抑制剂 MK-571 时，睡眠剥夺小鼠的存活率得到显著提升；进一步筛选已知与睡眠稳态相关的脑源小分子后，作者发现向正常清醒小鼠静脉注射前列腺素 D2（PGD2）的 DP1 受体激动剂曲前列尼尔（Treprostinil），即可在不剥夺睡眠的情况下直接重现外周血中性粒细胞的剂量依赖性暴发，而 DP2 受体激动剂则无此效应。

原论文图 4睡眠剥夺期间血脑屏障 ABCC 转运体介导的主动外排增强与 DP1 受体激活效应

04 / GRAB 探针追踪脑内 PGD2

基因编码 PGD2 探针实时验证：睡眠剥夺促使脑内前列腺素 D2 持续攀升并入血

为了直接测量睡眠剥夺过程中脑内 PGD2 的动态变化，团队基于 DP1 受体与 cpGFP 开发了基因编码前列腺素 D2 荧光探针 GRABPGD2-1.0 及其高灵敏度升级版 GRABPGD2-1.1。在 HEK293T 细胞中，GRABPGD2-1.0 对 PGD2 表现出约 10 nM 的高亲和力与优良的底物选择性。将睡眠剥夺 24 小时小鼠与对照小鼠的脑组织匀浆滴加到表达探针的细胞上，可以测得 5% 脑匀浆中的 PGD2 浓度从对照组的约 55 nM 升高至约 142 nM，且该荧光响应可被 DP1 受体拮抗剂 Asapiprant 完全归零。

进一步在自由活动小鼠的下丘脑视前区（POA）表达 GRABPGD2-1.1 并开展活体光纤记录，团队观察到睡眠剥夺开始后脑内细胞外 PGD2 荧光信号迅速上升，在剥夺约 2 小时达到峰值并在此后维持高于对照状态的水平。与此同时，睡眠剥夺 24 小时小鼠外周血清中的 PGD2 稳定代谢产物 tetranor-PGDM 浓度也显著高于对照组，从脑内生成与外周代谢两端共同印证了脑源 PGD2 向血液循环的跨屏障输出。

原论文图 5基因编码荧光探针 GRABPGD2 揭示睡眠剥夺期间脑内 PGD2 水平与外周代谢物同步升高

05 / 因果闭环与研究边界

锁定 PGD2—ABCC4—DP1 轴：阻断脑内合成、外排或外周受体均可抵御致命风暴

在最终的因果闭环验证中，研究团队首先利用放射性标记的 [3H]-PGD2 测定脑外排指数（BEI），直接证实睡眠剥夺 24 小时和 48 小时后脑内 PGD2 跨血脑屏障清除速率显著加快，而 ABCC 抑制剂 MK-571 可逆转这一加速外排。由于 ABCC4 是已知高亲和力转运前列腺素的外排泵，团队检测了 Abcc4 基因敲除（Abcc4-/-）小鼠，发现其在 48 小时睡眠剥夺后的血清 IL-6 水平、多种促炎因子、外周血中性粒细胞比例以及死亡率均较野生型小鼠显著降低。

同样地，无论通过全身基因敲除（Ptgds-/-）还是成年小鼠全脑嵌合敲除（PtgdsBKO）靶向脑内负责合成 PGD2 的前列腺素 D 合酶（PTGDS），抑或使用药物 Asapiprant 拮抗 DP1 受体，都能显著压低睡眠剥夺诱发的中性粒细胞募集、IL-6 暴发或死亡率。这项研究由此串联起“脑内睡眠缺失 → PGD2 累积与 ABCC4 跨血脑屏障外排 → DP1 受体介导中性粒细胞与细胞因子风暴 → 多器官功能障碍”的跨系统机制链条；作者也指出，外周究竟是哪一类表达 DP1 受体的靶细胞率先响应入血的 PGD2 并启动下游级联反应，将是未来深入解析脑—免疫互作的重要方向。

原论文图 6睡眠剥夺通过促进脑源 PGD2 经 ABCC4 外排并激活 DP1 受体诱发致命细胞因子风暴