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Cell Reports丨人体清醒

泰然健康网
2025-05-24 21:03

哺乳动物睡眠可分为快速眼动睡眠(REM)和非快速眼动睡眠(NREM)。在人类中，在NREM睡眠中，进一步区分为三种不同的阶段（N1、N2、N3）；从清醒N1和N2状态逐渐转变为慢波睡眠(SWS)或深度睡眠(N3)。大脑和身体之间的新陈代谢是以每日“昼夜节律”的方式调节的，然而，系统地扰乱活动的昼夜节律模式，会导致正常代谢模式的破坏，包括肥胖、糖尿病和心血管疾病，与代谢功能障碍。此外，睡眠受损还会导致重大的心理后遗症，如心理和社会功能受损，带来巨大的社会经济后果。

利用二次电喷雾电离高分辨率质谱呼气分析技术，结合常规多导睡眠图，瑞士的研究人员对人体呼气代谢进行了跟踪。对近2000种代谢物特征的分析表明，代谢不仅有昼夜节律，还有清醒-睡眠节律，即个体的警觉状态可以快速、可逆地控制主要代谢途径。该结果发表在《Cell Reports》上，标题为“Rapid and reversible control of human metabolism by individual sleep states”。

作者分析了健康人在睡眠中的呼吸，以了解不同警觉状态下的代谢活动(图1A)。利用SESI-HRMS呼吸分析的无创性和高采样频率，作者能够在获得平行进行多导睡眠图的同时(图1A)，以10s的时间分辨率在睡眠期间获得每个时间点约2000个代谢物特征的人体代谢组(图1A)。作者总共分析了13名睡眠结构正常的健康人。随着时间的推移仪器会检测到1,996种代谢物不同质量/电荷比(m/z)。

在每个个体中，睡眠调节代谢物家族的迹象在这些热图上以垂直条纹的形式可见。

为了了解不同睡眠阶段的代谢调节是否存在显著差异，作者首先可视化了所有研究对象在降维后每个睡眠阶段的中位数质谱。发现，属于同一警觉阶段的不同人的光谱数据聚在一起(图2A)。因此，在不同的警觉状态下观察到的相对代谢物水平在不同的受试者之间是相似的，而同一受试者中不同的警觉状态的代谢不同。然后，作者分别对每种代谢物进行方差分析，作者发现大多数检测到的m/z特征(1,277个特征)，与警觉状态显著相关(图2C)。在所有主要的睡眠-觉醒状态(NREM、REM和WAKE)之间都可以看到显著的差异（图2D-2G）。相比之下，在相关睡眠状态(N1、N2和N3-NREM睡眠；图2D和2H-2J)之间观察到的代谢物差异要小得多。因此，在进一步的分析中没有考虑N1和N2睡眠。

为了进一步研究这些睡眠状态依赖的代谢模式的性质，作者用了两种分析方法：第一，作者使用Wilcoxon符号秩和检验对不同睡眠阶段的呼吸代谢水平进行成对比较，以检测个体代谢水平的快速变化。作者发现REM睡眠和清醒在842m/z特征上有显著差异。在N3睡眠和清醒状态下，411个特征的相对浓度不同，在REM睡眠和N3睡眠中，有312个特征具有不同的水平(图3C)。

作者接下来开发了一种基于神经网络的方法来推断格兰杰（Granger）因果关系。格兰杰因果关系的概念以前在经济学和精神科学领域得到了非常成功的应用。格兰杰因果关系框架基于可预测性的概念提供了另一种观点，即最重要的与睡眠有关的代谢产物可以用来预测睡眠状态。该框架还检测到了在多步代谢途径中常见的非线性和时延关系。基于格兰杰因果关系的分析得出了分别与觉醒、快速眼动睡眠和N3睡眠相关的386、196和135个特征，其中许多特征(182、60和59)是最初的常规方法所不能识别的。

作者接下来进行复合鉴定和通路分析。使用了一种注释算法，将从精确测量的质量中获得的元素组成信息与代谢途径图和富集分析相结合。通过这种方式，任何单个化合物的鉴定中可能的错误被“平均”出来，而不是在给定的途径内的多个代谢物之间观察到数量上的差异。由于自动配对的注释仍然容易出现假阳性，作者进一步人工调查了顶部路径，并用呼气冷凝液的液相色谱-质谱测量或实时呼吸测量的串联质谱数据确认了几种化合物的身份。

考虑到全套注释化合物的侧重点随着警觉状态的不同而变化，作者发现大多数细胞代谢主轴的活动，如脂质代谢、碳水化合物代谢和TCA循环活动，实际上都强烈依赖于睡眠-觉醒状态(图5)。

例如，作者发现短链脂酰卡尼汀(ACS)的呼吸水平在清醒时最高，在N3睡眠时最低(图6D)。对于大多数人，作者还发现了Granger因果关系--与清醒和N3睡眠有关。作者没有检测到N3睡眠和REM睡眠之间肉碱水平的显著差异。因此，脂肪酸氧化的全身性变化发生在睡眠和清醒之间(黄色象限，图5)：切换到清醒会增加脂肪酸氧化，而切换到NREM睡眠会减少脂肪酸氧化。

同样，作者发现几种参与丙酸和丁酸代谢的代谢物在NREM睡眠期间被下调，对于丙酸和氨基丁酸，作者也发现了这种联系的格兰杰因果迹象(绿色象限，图5)。这些分子是脂肪和蛋白质代谢的天然副产品。作者观察到，在快速眼动睡眠期间，几种三氯乙酸循环中间产物水平升高(棕色象限，图5)。作者还发现苹果酸和草酰乙酸酯与REM睡眠有Granger因果关系(REM睡眠时琥珀酸不上调)，因为正常情况下REM睡眠只能跟随NREM睡眠，转换到REM睡眠会导致TCA周期中间产物升高，可能为随后的线粒体氧化做准备。

最后，当检查糖酵解时，作者发现清醒时呼吸中葡萄糖水平最高，快速眼动睡眠时最低。作者观察到其他几种代谢产物与戊糖磷酸途径以及戊糖和葡萄糖酸的相互转化也有类似的情况。对于他们中的大多数人，作者还发现了格兰杰与快速眼动睡眠和清醒之间的因果关系。相比之下，作者发现丙酮酸水平的变化趋势相反，在快速眼动睡眠时升高，清醒时最低。此外，对于许多与碳水化合物代谢有关的代谢物，作者观察到REM睡眠和N3睡眠之间的显著差异(紫色和蓝色象限，图5)。