慢性睡眠剥夺对大鼠葡萄糖稳态的影响

王 亮 马远征 徐小文 张 妍 宋晓艳 苏天娇 陈立英 马伟凤 王天天 翟武杰 王 春 李 丹 孙雪娇

(解放军第309医院全军骨科中心骨内科，北京 100091)

慢性睡眠剥夺对大鼠葡萄糖稳态的影响

王 亮 马远征 徐小文 张 妍 宋晓艳 苏天娇 陈立英 马伟凤 王天天 翟武杰 王 春 李 丹 孙雪娇

(解放军第309医院全军骨科中心骨内科，北京 100091)

目的评估慢性睡眠剥夺和大鼠血糖稳态之间的关系。方法将24只大鼠随机分为慢性睡眠剥夺(CSD)组和对照组，CSD组采用改良水平台法(MMPM)建立慢性睡眠障碍模型，干预3个月后接受糖耐量试验(IPGTT)和胰岛素耐量试验(ITT)，并检测体重、天冬氨酸转氨酶(AST)、丙氨酸氨基转移酶(ALT)、肌酐、血脂和胰岛素抵抗指数(HOMA-IR)。结果干预后3个月，两组增重衰减，CSD组血糖水平显著高于对照组(P<0.01)。CSD组较对照组胰岛素抵抗指数和胰岛素耐受显著增加(P<0.01)。两组AST、ALT、肌酐和大部分血脂参数没有显著性差异(P>0.05)。结论慢性睡眠剥夺对大鼠葡萄糖稳态如葡萄糖耐受不良和胰岛素抵抗有显著影响。

慢性睡眠剥夺；血糖稳态；胰岛素抵抗；体重

慢性睡眠剥夺(CSD)导致睡眠持续时间缩短和睡眠质量下降，进而影响昼夜节律的神经生物学调节，对维持稳态的调节系统产生更多负担〔1，2〕。研究显示睡眠不足可导致慢性弱炎症对身体健康不利〔3〕。另外，大规模实验研究证实CSD与食物摄取、体重和能量消耗、代谢综合征、心血管疾病和葡萄糖稳态有关联〔4〕。大样本临床流行病学研究显示CSD导致葡萄糖耐受不良和胰岛素抵抗〔5〕。Matthews等〔6〕发现睡眠时间的减少和青春期胰岛素抵抗增加有关。动物研究〔7〕CSD持续时间短于1个月，不能很好地反映CSD对人类的影响。本文研究大鼠长期CSD对葡萄糖稳态的影响。

1 材料与方法

1.1实验设计 北京军事医学科学院实验动物中心购入24只5月龄雌性SD大鼠(体重286～324 g)分别放在4个笼子里饲养，每个笼子6只，昼夜各12 h交替，环境温度保持在22～24℃，进行糖耐量试验(IPGTT)、胰岛素耐量测验(ITT)和血标本采集前禁食水12 h，每周称量体重。严格按照国家卫生研究院实验动物饲养和使用指南执行，动物使用协议经解放军第309医院动物饲养和使用委员会评审批准。随机分为CSD组和对照组，每组各12只，并在实验室进行为期1 w的适应性饲养。另外，CSD组实验正式开始前给予每天30 min的CSD适应性训练。然后将CSD组放置于改良后的水平台上饲养，而对照组则在水平台上安装一层铁丝网后放入饲养。3个月后进行IPGTT和ITT，将所有大鼠禁食水12 h后处死，8∶00～10∶00间采集血标本，离心机离心10 min后将血清存储于-80℃冰箱。

1.2CSD模型建立 采用改良水平台法建立。有机玻璃制作的水箱(123×44×44 cm3)中放置12个圆柱状水泥平台(直径6.5 cm)，平台表面高出水面1 cm，大鼠可以通过水泥平台在水箱内自由行动。大鼠感到困倦需要睡眠时，因肌力松弛导致其头部触碰到水面而惊醒，从而建立CSD模型。对照组水箱跟CSD组相同，但在水泥平台上铺一层不锈钢网以防止大鼠入睡时头部触碰到水面。1 w的适应性饲养之后，所有大鼠每天放置于水箱中生活18 h(16：00开始)，18 h的睡眠剥夺干预后放回各自的笼子里并允许睡眠6 h(10：00开始)。3个月的睡眠干预期间，水箱环境每天维持昼夜12 h交替(7：00～19：00开灯)，环境温度22℃～24℃，水箱每天都要换水，大鼠自由饮食。

1.3统计学分析 使用SPSS17.0软件进行t检验和Mann-Whitney秩和检验。

2 结 果

2.1两组体重比较 CSD组体重睡眠干预1 w后显著低于对照组(P<0.05)，见表1。

表1 两组体重比较

与对照组比较：1)P<0.05，下表同

2.2两组生化指标和胰岛素抵抗指数比较 两组血清谷丙转氨酶(ALT)、谷草转氨酶(AST)、肌酐(CRE)、总胆固醇(TC)、低密度脂蛋白胆固醇(LDL-C)、高密度脂蛋白胆固醇(HDL-C)差异无统计学意义(P>0.05)，两组甘油三酯(TG)、胰岛素抵抗指数(HOMA-IR)、空腹血糖有显著差异(P<0.01)，见表2。

2.3两组IPGTT、IIT比较 两组IPGTT、IIT血糖、受试者工作特征曲线下面积(AUC)差异显著(P<0.05)。见表3。

表2 两组生化指标和胰岛素抵抗指数比较

表3 两组IPGTT、IIT血糖及AUC比较

3 讨 论

本研究结果证明，造成睡眠时间减少和睡眠质量下降的CSD对大鼠糖代谢有重要影响。以往研究中，多功能水平台和传动装置是制造CSD最常用的两种方法。本研究使用改良后水平台制作CSD模型，其优点是不会带来附加应力如社交孤立或不安等，可以诱导心理应激并刺激下丘脑-垂体-肾上腺轴〔8〕。此外，本研究持续3个月，时间较其他相关动物实验长。因此，该CSD动物模型更贴近人类CSD，使实验数据更精确。

许多基于临床的CSD和葡萄糖稳态的研究显示，较短的睡眠时间和较差的睡眠质量可以导致葡萄糖耐受不良〔9〕。本研究表明CSD大鼠葡萄糖耐量受损，该结果与先前一些动物实验研究〔9〕结果一致。睡眠持续时间和胰岛素敏感度的关系还未确定，有研究结果显示较短睡眠时间与胰岛素抵抗增加有独立相关性〔10〕，此外，根据近期的一项研究结果表明睡眠持续时间与胰岛素抵抗呈U形关系〔11〕。本研究提示CSD与胰岛素抵抗有关。迄今为止，CSD和葡萄糖稳态的关系尚没有明确的解释机制。CSD可以带来心理应激，导致糖耐量受损，且跟胰岛素分泌减少有关联。心理应激和葡萄糖稳态的关系可能涉及成纤维细胞生长因子受体(FGFRs)〔12〕。CSD可以刺激下丘脑-垂体-肾上腺(HPA)轴，从而影响血浆皮质醇的水平。研究〔8〕表明CSD的血浆皮质醇与循环中的儿茶酚胺一起升高，此外，有报道称升高的皮质醇跟葡萄糖耐受性有关联〔13〕。葡萄糖稳态主要通过胰岛素和胰岛素敏感性调控，虽然胰岛素分泌减少是血糖水平升高的一个因素，但也有报道〔7〕称葡萄糖耐受不良大鼠在睡眠干扰后血浆胰岛素反应没有变化。试验证实CSD跟肥胖和高血脂相关，并降低胰岛素敏感性〔1〕。本研究与其他一些动物实验研究结果显示CSD导致大鼠增重减少，但并无高血脂，这意味着体重和血脂不能反映CSD后的胰岛素耐受性。当CSD大鼠进食不变或增强时增重反而减少，说明CSD可导致能量消耗增加，然而，有报道称能量消耗有助于控制血糖且不会增加胰岛素抵抗〔14〕。一些其他研究表明CSD会加重胰岛素抵抗，原因包括交感神经兴奋、提高的夜间皮质醇水平、激素水平增高和炎症状态改变，可能的机制涉及活性氧(ROS)、白细胞介素(IL)-6、肿瘤坏死因子(TNF)-α和β细胞功能紊乱等〔15〕。CSD和胰岛素抵抗的关系还需进一步深入研究阐述。

1Worthman CM，Brown RA.Sleep budgets in a globalizing world:biocultural interactions influence sleep sufficiency among Egyptian families〔J〕.Soc Sci Med,2013;79:31-9.

2Ju SY，Choi WS.Sleep duration and metabolic syndrome in adult populations:a meta-analysis of observational studies〔J〕.Nutr Diabetes,2013;3:e65.

3Irwin MR.Why sleep is important for health:a psychoneuroimmunology perspective〔J〕.Annu Rev Psychol,2015;66:143-72.

4Liu J，Hay J，Faught BE.The association of sleep disorder，obesity status，and diabetes mellitus among US adults-the NHANES 2009-2010 survey results〔J〕.Int J Endocrinol,2013;2013:234129.

5Lou P，Chen P，Zhang L，etal.Interaction of sleep quality and sleep duration on impaired fasting glucose:a population-based cross-sectional survey in China〔J〕.BMJ Open,2014;4:e004436.

6Matthews KA，Dahl RE，Owens JF，etal.Sleep duration and insulin resistance in healthy black and white adolescents〔J〕.Sleep,2012;35:1353-8.

7Barf RP,Meerlo P,Scheurink AJ.Chronic sleep disturbance impairs glucose homeostasis in rats〔J〕.Int J Endocrinol,2010;2010:819414.

8Ma C，Wu G，Wang Z，etal.Effects of chronic sleep deprivation on the extracellular signal-regulated kinase pathway in the temporomandibular joint of rats〔J〕.PLoS One，2014;9:e107544.

9Tanno S，Tanigawa T，Saito I，etal.Sleep-related intermittent hypoxemia and glucose intolerance:a community-based study〔J〕.Sleep Med,2014;15:1212-8.

10Zuo H，Shi Z，Yuan B，etal.Interaction between physical activity and sleep duration in relation to insulin resistance among non-diabetic Chinese adults〔J〕.BMC Public Health,2012;12:247.

11Ohkuma T，Fujii H，Iwase M，etal.U-shaped association of sleep duration with metabolic syndrome and insulin resistance in patients with type 2 diabetes:the Fukuoka Diabetes Registry〔J〕.Metabolism,2014;63:484-91.

12Rojas JM，Matsen ME，Mundinger TO，etal.Glucose intolerance induced by blockade of central FGF receptors is linked to an acute stress response〔J〕.Mol Metab,2015;4:561-8.

13Hackett RA，Kivimäki M，Kumari M，etal.Diurnal cortisol patterns，future diabetes，and impaired glucose metabolism in the Whitehall Ⅱ cohort study〔J〕.J Clin Endocrinol Metab,2016;101:619-25.

14Bjursell M，Wedin M，Admyre T，etal.Ageing Fxr deficient mice develop increased energy expenditure，improved glucose control and liver damage resembling NASH〔J〕.PLoS One,2013;8:e64721.

15Briançon-Marjollet A，Weiszenstein M,Henri M，etal.The impact of sleep disorders on glucose metabolism:endocrine and molecular mechanisms〔J〕.Diabetol Metab Syndr,2015;7:25.

R587.7

A

1005-9202(2017)23-5769-02；

10.3969/j.issn.1005-9202.2017.23.010

全军十一五课题(06MA303)

马远征(1961-)，男，主任医师，博士生导师，主要从事骨科学临床研究。

王 亮(1971-)，女，主任医师，博士，硕士生导师，主要从事内分泌、代谢疾病研究。

〔2017-08-23修回〕

(编辑 张 慧)