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为解决唐氏综合征（DS）患者睡眠障碍问题，研究人员开展了以 Ts65Dn 小鼠为模型，探究抑制 Na-K-Cl 协同转运蛋白 1（NKCC1）对睡眠影响的研究。结果发现， bumetanide 治疗可改善睡眠结构、功率谱密度等，为 DS 睡眠障碍治疗提供了潜在途径。
在人类健康的复杂谜题中，唐氏综合征（Down syndrome，DS）是一把难解难开的锁。DS 是因人类 21 号染色体多出一条而引发的遗传疾病，患者不仅面临智力残疾和先天性出生缺陷，睡眠问题也常常如影随形。据统计，高达 66% 的成年 DS 患者被睡眠障碍困扰，这不仅严重降低了他们自身的生活质量，也给家庭带来沉重负担。
在 DS 患者中，睡眠问题表现多样。他们的睡眠质量欠佳，非快速眼动（non-rapid eye movement，NREM）睡眠的功率谱密度出现偏差，睡眠碎片化严重，快速眼动（rapid eye movement，REM）睡眠减少。而且，青少年和年轻成人患者的脑电图（electroencephalogram，EEG）功率谱也有独特变化，如清醒时 α 波功率密度降低、NREM 睡眠时慢波活动减少等。在 DS 小鼠模型中，同样存在休息 - 活动模式紊乱、睡眠碎片化等问题，Ts65Dn 小鼠更是表现出觉醒时间增加、EEG 功率谱低频范围降低等特征。
与此同时，γ- 氨基丁酸（gamma aminobutyric acid，GABA）能传递在睡眠维持中起着关键作用，而 Cl-稳态的失衡与多种脑部疾病相关。在 DS 小鼠中，Na-K-Cl 协同转运蛋白 1（NKCC1）表达增加，导致 GABA 信号去极化，影响认知功能。此前研究发现，使用 FDA 批准的利尿剂 bumetanide 抑制 NKCC1，可挽救成年 Ts65Dn 小鼠的认知障碍。然而，目前还没有系统研究探究 bumetanide 或其他 NKCC1 抑制剂能否改善与这些脑部疾病相关的睡眠障碍共病。
为了深入探究这个问题，意大利技术研究院（Istituto Italiano di Tecnologia）等机构的研究人员开展了一项重要研究。他们以成年 Ts65Dn 小鼠为研究对象，旨在明确 NKCC1 上调是否是导致成年 Ts65Dn 小鼠睡眠异常的原因，以及抑制 NKCC1 能否改善其睡眠质量。该研究成果发表在《iScience》杂志上，为 DS 睡眠障碍的治疗带来了新的曙光。
研究人员采用了多种关键技术方法。首先，通过手术给小鼠植入无线设备，用于记录 EEG 和肌电图（electromyography，EMG）信号，以此监测小鼠的睡眠 - 觉醒周期。其次，运用信息理论分析方法，计算 EEG 信号的熵和复杂度，评估其信息含量和结构。此外，还利用无线植入设备监测小鼠的运动活性，并通过计算食物摄入指数来评估食物摄入量。
研究结果
- Bumetanide 改善睡眠结构和功率谱密度：研究人员对成年（3 - 4 个月）Ts65Dn 小鼠和其野生型（wild type，WT）同窝小鼠进行实验。给小鼠植入无线设备后，分别用 bumetanide（2mg/kg，溶于饮用水）或载体（0.15% DMSO，溶于饮用水）进行慢性治疗。结果发现，Ts65Dn 小鼠与 WT 小鼠相比，总睡眠时间有减少趋势，NREM 睡眠持续时间在光照期基线和睡眠剥夺（sleep deprivation，SD）后均降低，睡眠片段化更严重。而 bumetanide 治疗虽未改变 Ts65Dn 小鼠的总睡眠时间，但显著改善了睡眠结构，增加了 REM 睡眠占总睡眠的持续时间百分比，减少了觉醒和睡眠片段化。在 EEG 功率谱密度方面，Ts65Dn 小鼠在 NREM 和 REM 睡眠阶段的 delta 波（0.5 - 5Hz）功率降低，theta 波（5 - 10Hz）功率增加，bumetanide 治疗则使这些异常的功率谱密度恢复到 WT 水平，且对 WT 小鼠的 EEG 功率谱密度无影响。
- Bumetanide 降低 EEG 熵和复杂度：EEG 信号可视为复杂系统，其熵和复杂度能反映大脑活动的微妙异常。研究人员通过计算熵（H）和复杂度（C）来评估 EEG 信号的信息内容和结构。结果发现，Ts65Dn 小鼠在 NREM 睡眠阶段 delta 频段的熵和复杂度值高于 WT 小鼠，表明其 EEG 信号的不确定性更大。而 bumetanide 治疗使 Ts65Dn 小鼠 delta 频段的熵和复杂度恢复到 WT 水平，说明 Cl-稳态在调节 EEG 信号的熵和复杂度方面具有潜在作用。在 REM 睡眠阶段，Ts65Dn 小鼠 theta 频段的熵值有降低趋势，bumetanide 治疗使其更接近 WT 水平。
- Bumetanide 减少多动但不影响体温和食物摄入：Ts65Dn 小鼠和 DS 患者都存在多动现象。研究人员监测小鼠的运动活性发现，Ts65Dn 小鼠在光照期基线的运动活性高于 WT 小鼠，bumetanide 治疗部分逆转了这一现象。在体温方面，Ts65Dn 小鼠和 WT 小鼠在整个记录时间内无显著差异，bumetanide 治疗也无影响。此外，Ts65Dn 小鼠的食物摄入量显著高于 WT 小鼠，但 bumetanide 治疗对此无明显作用。
研究结论与讨论
该研究表明，在 DS 小鼠模型中，Cl-稳态受损与睡眠缺陷密切相关。通过抑制 NKCC1 来恢复大脑 Cl-稳态，能够改善一些特定的睡眠特征，如睡眠质量和 EEG 信息内容的熵 / 复杂度，这意味着神经网络处理信息的能力可能得到提升。Bumetanide 治疗不仅使 NREM 和 REM 睡眠阶段的 delta 和 theta 波功率密度恢复正常，还改善了睡眠结构。不过，bumetanide 治疗对 DS 睡眠表型的挽救只是部分恢复到 WT 水平，这可能与药物剂量不能过高（否则会导致过度利尿）、小鼠因利尿频繁排尿影响睡眠，以及治疗时小鼠年龄较大（睡眠 - 觉醒周期已成熟）等因素有关。
从神经学机制来看，全身抑制 NKCC1 对 Ts65Dn 小鼠睡眠功率谱密度的挽救，可能与恢复神经元中失衡的兴奋性 / 抑制性活动比例有关，特别是在隔 - 海马通路（大脑 theta 节律的主要发生器）和皮层（与丘脑一起是 delta 振荡器的关键结构）中。此外，睡眠障碍可能与 DS 患者的认知能力差存在因果关系，改善睡眠质量可能有助于提高认知表现。目前，一项评估 bumetanide 重新定位治疗 DS 患者认知障碍的 II 期临床试验正在进行中，若成功，将为后续研究奠定基础。
同时，虽然 bumetanide 作为潜在治疗药物存在利尿等缺点，但新开发的选择性抑制 NKCC1 或激活神经元 Cl- 转运体 KCC2 且无利尿作用的分子，为解决这些问题带来了希望。
总之，这项研究揭示了 Cl-稳态在 DS 小鼠睡眠障碍中的作用，并提出了基于 NKCC1 抑制的治疗策略，为改善 DS 患者的睡眠和认知障碍带来了新的可能，也为其他脑部疾病相关睡眠障碍的研究提供了重要参考。
