综述：睡眠剥夺下的血脑屏障：大脑守门人是在适应还是在缓慢失效？

《Neurobiology of Sleep and Circadian Rhythms》：The Sleep-Deprived Blood-Brain Barrier: Does the Brain's Gatekeeper Adapt or Merely Fail Slowly?

　　

摘要 慢性睡眠不足高度普遍，并与不良健康结局风险升高相关。动物研究表明，慢性睡眠限制诱导累积性睡眠债务，促进血脑屏障（BBB）功能障碍、神经炎症，并可潜隐性地导致神经病理。现有研究主要显示BBB通透性的昼夜或时间变化，而非对睡眠状态的直接操控。因此，研究人员对睡眠-觉醒周期中BBB动态的基本理解仍然有限。研究由长时间觉醒诱导的BBB动态变化，对于理解与神经退行性疾病易感性升高相关的机制至关重要。在本综述中，研究人员首先讨论了睡眠调节BBB动态的潜在作用。随后，研究人员审视了不同实验范式下睡眠缺失期间驱动BBB变化的已知机制，并批判性地讨论了睡眠与BBB之间的双向相互作用，强调一个系统中断如何影响另一个系统。这篇基于叙述的综述挑战了将BBB视为静态的全脑屏障的主流观点，转而提出BBB是一个动态且适应性的界面，其调节与睡眠-觉醒周期中的神经元需求紧密耦合。

1. 1.
   引言
   慢性睡眠缺失在现代社会中日益普遍，其特征是全天候运作、工作时间延长以及恢复性睡眠机会不足。睡眠缺失可源于现实环境（如行为、环境、临床因素），并通过实验操作进行研究，包括睡眠限制、睡眠剥夺或睡眠片段化。值得注意的是，即使一夜的睡眠缺失也会触发分子、细胞和系统性反应级联，旨在维持不足恢复下的稳态。大脑通过多种机制应对，包括关键区域内神经元活动的改变以及参与稳态调节的广泛细胞反应。由于血脑屏障（BBB）调节营养物质转运、保护以及代谢废物从中枢神经系统（CNS）向体循环的清除，理解睡眠和睡眠缺失期间的BBB动态对于阐明长时间觉醒期间可调节脑微环境的复杂分子信号至关重要。在病理生理挑战下，BBB会瞬时响应局部和循环信号以支持修复过程，促进适应。例如，神经炎症事件期间BBB对免疫细胞的通透性增加，或毛细血管舒张和葡萄糖转运功能增强。越来越多的证据表明，BBB与睡眠-觉醒周期之间存在双向关系。基于睡眠缺失期间外源性示踪剂BBB通透性增加的研究，长时间觉醒期间积累的分子（如腺苷和促炎细胞因子）的产生与代谢平衡可能对BBB动态产生与时间相关的效应，伴随睡眠压力。本文首先介绍BBB的关键特性及与睡眠-觉醒状态相关的BBB通透性细胞机制，随后强调构成睡眠与BBB双向关系的具体生理机制，最后确定与睡眠缺失相关的BBB功能障碍特异性指标，强调主要BBB外排系统的变化，并讨论这些变化的适应性本质。
2. 2.
   超越限制性血脑屏障：一个复杂且异质性的系统
   BBB超越其作为选择性屏障的传统角色，展现出复杂且动态的功能，支持对生理变异（包括衰老、激素变化、昼夜输入等）的适应性响应。BBB由排列在脑微血管上的特化内皮细胞（ECs）形成，并受周细胞、星形胶质细胞终足、基底膜和内皮糖萼支持。BBB与神经元、小胶质细胞、星形胶质细胞和周细胞共同构成动态神经血管单元（NVU），调节脑血流、离子稳态、营养物质转运和废物清除。BBB ECs通过复杂的紧密连接（TJs）建立高度特化的物理屏障，调节血液与脑之间的分子交换。除限制旁细胞转运（物质通过细胞间间隙的被动转移）外，脑ECs还表现出低速率的转胞吞作用（大分子穿过细胞内部的运动），表达多种选择性 influx 和 efflux 转运蛋白，并维持低水平的白细胞黏附分子，从而限制免疫细胞进入CNS。BBB功能进一步受到多个协调转运系统的支持：(1) 血液到脑的 influx 机制，为脑提供必需营养物质和信号分子；(2) 脑到血的外排泵，通过将其转运至循环限制异生物和潜在有害化合物在脑内的积累；(3) 脑到血的受体介导清除系统，如低密度脂蛋白受体相关蛋白1（LRP1），促进代谢物和神经毒性蛋白（包括淀粉样β（Aβ））从脑间质液中清除。通过其严格调控的连接结构、低囊泡运输速率和特化转运系统，BBB在维持脑微环境生化稳定性的同时，充当外周循环与CNS之间的动态界面，可能影响睡眠-觉醒周期。BBB是健康脑复杂动态功能的关键支持系统。神经活动根据生物体实时需求持续波动，这些变化与BBB功能的适应性改变紧密耦合。例如，在高度放电期间，缺乏内部能量储备的神经元需要快速通过BBB转运蛋白（如GLUT1）调整葡萄糖输送。同样，脑状态转换（如非快速眼动（NREM）睡眠起始）伴随皮层和海马等区域中间神经元活动的显著减少。通过神经血管耦合，NVU的细胞成分动态调节EC通透性和脑血流以满足局部代谢需求。星形胶质细胞通过其终足分泌生长因子，促进内皮TJ蛋白的表达和正确组装，而小胶质细胞响应代谢信号，帮助引导神经递质和神经调质到达血管以维持BBB结构。周细胞通过响应神经元活动扩张微血管，驱动脑血流并调节屏障通透性。重要的是，这些相互作用在脑内并非均匀，而是表现出区域特异性的BBB特性。血管密度、转运蛋白表达和血管周围细胞覆盖的变化产生了地形上不同的通透性分布。例如，海马比皮层表现出更低的周细胞覆盖，这在一定程度上解释了其在病理生理挑战下对BBB功能障碍的特殊易感性。BBB的许多区域差异在疾病状态中最为清晰地被识别，其中神经胶质增生和慢性炎症与循环分子持续渗漏到脑实质共存。一个明显的例子是，尽管阿尔茨海默病（AD）和帕金森病等疾病与广泛的BBB破坏相关，但其行为表现源于区域特异性神经元功能障碍，这可能塑造了局部BBB反应。同样，慢性睡眠缺失始终与BBB通透性增加相关，尽管这些效应的幅度和区域分布因通透性示踪剂、脑区、睡眠缺失范式、动物模型/品系和年龄而异。例如，睡眠限制范式常报告海马BBB易感性，显示2小时恢复睡眠足以使皮层功能恢复正常，而海马表现出持续的通透性增加和改变的TJ基因表达。由于睡眠深刻改变全脑神经元和胶质活动，睡眠和睡眠缺失可能产生区域特异性的BBB功能变化。在以下部分，研究人员通过强调(1) BBB区域异质性（包括血管和胶质组成的差异）；(2) 选择性转运机制的多样性；(3) 区域特异性神经元活动和代谢需求，批判性地审视支持睡眠与BBB双向关系的生理证据。然而，必须承认在睡眠和BBB功能研究中，重要的生物变量仍未得到充分代表。特别是，尽管日益认识到性别差异可能塑造神经血管生理，但生物性别的影响受到的关注有限。在短暂应激或病理生理条件下，许多因素可改变BBB通透性（如炎症、年龄、性别、细胞组织、基因表达），证明BBB是一个能够进行主动重塑的动态界面。因此，研究人员提出BBB对睡眠-觉醒史变化表现出可塑性，即急性睡眠缺失和随后的恢复诱导适应性、可逆的重塑，而慢性睡眠缺失驱动适应不良的屏障功能障碍——通常以TJ破坏、囊泡运输（转胞吞作用）增加、黏附分子表达上调、白细胞浸润增强以及ECs、周细胞和星形胶质细胞间通讯受损为特征，共同增加屏障通透性。因此，本综述的框架是适应性BBB重塑是可逆的并维持生理和行为功能，而适应不良的重塑在恢复后持续存在并损害BBB完整性。这些持续性改变可能损害废物清除，促进神经炎症，导致认知和代谢功能障碍，并增加神经退行性疾病易感性，从而促进长期神经病理。
3. 3.
   睡眠与BBB的双向性质
   睡眠与BBB功能双向联系的观点源于早期观察，即BBB活动在睡眠-觉醒周期中波动，屏障完整性和调节功能在睡眠期间增强，在觉醒期间降低。基于这些观察，Korth（1990）提出一个统一假说，认为睡眠（部分）功能是维持BBB完整性并限制脑暴露于觉醒期间积累的周围炎症信号。这些炎症信号主要涉及微生物组衍生的细菌细胞壁成分，其浓度与睡眠促进性促炎细胞因子（包括肿瘤坏死因子α（TNF-α）和白细胞介素1β（IL-1β））水平升高一致。此后，两条主要证据线加强了该假说，证明了睡眠与BBB生理之间的双向通讯。首先，细菌产物（如胞壁酰二肽、脂多糖和睡眠促进肽）可改变睡眠行为，如给药后睡眠时长显著增加。这些睡眠变化证明了外周免疫信号影响脑并进而对行为产生下游效应的能力。其次，循环中的小肽（如胰岛素、生长激素释放激素、甘丙肽和δ睡眠促进肽）可以足量穿过BBB以调节神经功能。它们穿过BBB的容易程度似乎随睡眠缺失而增加，表明睡眠与BBB可能双向通讯以维持脑对周围信号的健康暴露。在这一视角下，本综述的核心假说是：BBB不仅仅是受睡眠（或睡眠缺失）塑造的被动屏障，而是一个动态且响应性的界面，通过整合睡眠和觉醒状态下的局部和外周信号主动调节身体-脑通讯。睡眠维持BBB完整性和选择性转运，而睡眠缺失逐渐破坏这些过程，从而增加脑对周围炎症和代谢信号的暴露。研究人员提出这种相互关系构成了本综述讨论的睡眠缺失的许多血管、免疫和神经后果的基础。

3.1. 细胞成分

NVU的成分差异调节睡眠和BBB功能，提供了睡眠缺失可能改变屏障通透性的多种细胞途径。星形胶质细胞对睡眠中断似乎特别敏感。从急性睡眠剥夺到慢性睡眠限制的各种范式中，星形胶质细胞经历快速的结构和功能重塑。除了通过钙信号和免疫相关基因表达在昼夜调节和睡眠-觉醒行为中的既定作用外，星形胶质细胞直接支持BBB完整性。通过其血管周围终足，星形胶质细胞摄取葡萄糖，将其代谢为乳酸作为神经元的能量来源，并分泌促进内皮TJ组装的生长因子。小胶质细胞同样表现出形态和分子信号的昼夜波动，同时调节脑内的促眠分子。在急性睡眠剥夺期间，小胶质细胞激活增强神经元-胶质通讯并调节神经血管信号，从而间接支持BBB结构并促成血管通透性的动态变化。周细胞代表神经元活动和BBB功能之间的另一个重要细胞联系。通过响应神经元活动扩张毛细血管和功能充血，周细胞调节局部血液供应，同时促成BBB通透性的短暂变化。尽管它们在睡眠调节中的直接作用仍知之甚少，但证据表明周细胞完整性受睡眠-觉醒史影响。单次急性睡眠剥夺不会升高脑脊液（CSF）中周细胞损伤标志物，而重复慢性睡眠剥夺则会，表明长时间睡眠缺失损害周细胞功能，且可能需要恢复睡眠来恢复。重要的是，星形胶质细胞、小胶质细胞和周细胞表现出显著的地区异质性。单细胞转录组学和先进成像研究表明，胶质形态、密度和基因表达在睡眠调节区域（包括皮层、海马、基底前脑、丘脑和下丘脑）之间存在差异。这种细胞多样性可能实现针对局部神经元活动的区域特异性神经血管反应，影响突触可塑性、间质神经递质稳态以及睡眠和觉醒状态下的BBB功能。

3.2. 蛋白质、通透性和基因表达

除了血管周围细胞覆盖的区域差异外，BBB异质性还反映在血管密度的变化上，产生地形上不同的通透性分布。有趣的是，主要TJ蛋白（包括带状闭合蛋白1（ZO-1）、Claudin-5（Cldn-5）和Occludin（Ocldn））的表达在海马和皮层等脑区之间似乎相对一致，表明基线旁细胞屏障特性在整个脑微血管中基本得以保留。这些观察表明，BBB功能的区域差异可能由TJ丰度以外的机制驱动。与这一概念一致，转录组学研究表明，睡眠缺失在脑内引发高度区域特异性的分子反应。尽管没有研究系统检查睡眠缺失后BBB转运蛋白表达的区域变化，但全脑转录组分析揭示了基因表达的空间异质性。例如，小鼠5小时急性睡眠剥夺在海马、皮层和下丘脑中产生最大转录变化。空间转录组学分析进一步显示，海马中下调的基因超过90%在大脑新皮层中上调，这些结构内的亚区之间也观察到额外差异。虽然这些转录变化并非BBB特异性，但区域特异性的基因表达改变可能通过影响调节TJ组织和EC功能的信号通路间接影响BBB完整性。事实上，已知破坏TJ蛋白表达、定位或组装的遗传改变会损害屏障完整性并增加旁细胞通透性。总之，这些发现表明睡眠缺失在不同脑区参与不同的分子程序，可能差异影响BBB结构和功能，这突出了未来研究的一个重要领域。尽管存在区域复杂性和BBB异质性的动态性质，大多数研究仅关注TJ蛋白的改变，忽视了相关的生理变化。当前证据表明，急性睡眠剥夺对TJ蛋白表达或高分子量葡聚糖和荧光素钠的通透性没有影响，这常被报告为BBB功能的整体测量，而非一种可能的机制变化。此外，TJ维持中其他关键蛋白（如tricellulin或Cldn-1）的表达仍未探索。重要的是，屏障功能的变化可能独立于TJ丰度的改变而发生。因此，必须考虑TJ和细胞骨架的动态重组，以及涉及β-catenin和ZO-1等蛋白的连接相关信号通路的变化，可以在不需要可测量的蛋白表达变化的情况下改变BBB通透性。这些机制在睡眠缺失背景下仍基本未探索，但探索BBB区域特异性的基因表达改变是未来研究的重要领域。

3.3. 载体介导转运

载体介导转运通过特化的内皮膜蛋白实现必需营养物质和代谢物跨BBB的选择性运动。因为葡萄糖、氨基酸、激素和代谢底物等分子不能自由扩散穿过内皮脂质双层，它们依赖转运蛋白，包括己糖（如GLUT1）、单羧酸（如MCT1）、氨基酸（如LAT1）和胺转运系统。尽管这些转运蛋白在脑代谢中具有根本作用，但睡眠对其调节仍基本未探索。来自果蝇模型的证据表明，几种载体介导的转运蛋白（包括LAT1、MCT1、肉碱转运蛋白以及有机阳离子/阴离子/两性离子转运蛋白）有助于睡眠调节或被睡眠剥夺改变。然而，在哺乳动物中，研究几乎只关注GLUT1，即BBB的主要葡萄糖转运蛋白。急性睡眠剥夺不改变下丘脑、海马或皮层ECs中GLUT1的表达，而慢性睡眠限制降低脑微血管中GLUT1表达并减少脑葡萄糖摄取。GLUT1表达本身具有区域异质性。在大鼠中，GLUT1丰度和毛细血管密度在压后皮层最高，海马居中，小脑最低，与葡萄糖利用的区域差异平行。Slc2a1（GLUT1）突变也与异常睡眠表型相关。然而，尽管神经元活动、葡萄糖利用和脑血流在睡眠阶段发生显著变化，GLUT1是否在睡眠-觉醒周期中动态调节仍未知。关于睡眠对其他BBB转运系统的影响知之甚少。例如，MCT1转运乳酸、丙酮酸和酮体，在皮层和海马ECs中富集，并支持星形胶质细胞-神经元代谢耦合。尽管缺乏将BBB MCT1与睡眠直接联系的证据，但单羧酸转运的药理学抑制增加NREM和REM睡眠，同时减少觉醒，表明载体介导转运是连接睡眠、脑代谢和BBB功能的一个重要但研究不足的机制。

3.4. 转胞吞介导转运

通过转胞吞的转运代表通过EC细胞质而非细胞间旁细胞（内皮细胞间）间隙的囊泡介导运动。当前证据表明，慢性睡眠限制增加海马中非特异性的小窝（细胞膜上小的烧瓶状内陷）转胞吞作用。相比之下，睡眠缺失对受体介导转胞吞作用的影响仍未探索。这是一个重要的知识空白，因为受体介导转胞吞作用控制许多参与睡眠和脑稳态的信号分子的选择性转运，包括胰岛素、瘦素、转铁蛋白和细胞因子。因此，内皮受体表达的区域差异（在睡眠和BBB功能研究中很少检查）可能影响这些分子的局部转运和信号传导。新兴转录组学证据支持受体介导转胞吞作用存在区域特化。功能单细胞转录组学分析结合血浆摄取测定和EC测序显示，蛋白摄取在年轻小鼠海马ECs中特别富集，并与受体介导转胞吞作用基因（包括转铁蛋白受体1（Tfrc）、胰岛素样生长因子1受体（Igf1r）和低密度脂蛋白受体相关蛋白8（Lrp8））表达升高相关。有趣的是，衰老已被证明将BBB蛋白转运从受体介导途径转向增加的非特异性小窝转胞吞作用。睡眠缺失是否诱导类似的衰老转变目前未知。然而，因为慢性睡眠限制增加内皮衰老标志物和小窝在海马中的丰度，长时间睡眠缺失可能促进从选择性受体介导转运向选择性较低的小窝转胞吞作用的转变。确定睡眠是否改变这些转运途径之间的平衡，可能为BBB选择性在慢性睡眠中断期间如何变化提供重要见解。

3.5. 外排系统

脑清除广义上指通过多种途径从CNS去除内源性代谢物、蛋白质、异生物和其他溶质，包括 bulk fluid movement（类淋巴系统）、细胞摄取和降解、代谢转化以及跨CNS屏障转运。脑清除减少在睡眠缺失中已被广泛认为与AD的潜在机制联系。特别是，通过血管周围空间的间质液运动（类淋巴系统）促进Aβ的清除，并依赖于定位于星形胶质细胞终足的水通道蛋白4（AQP4）通道。AQP4基因遗传变异与受睡眠质量修饰的AD相关表型相关。例如，AQP4单核苷酸多态性（SNP）rs2339214次要等位基因携带者表现出与较短睡眠时长相关的更大灰质萎缩率。尽管类淋巴系统在睡眠缺失和AD发展背景下受到最多关注，但它只是脑清除觉醒相关废物积累的一种机制。与脑清除的广泛概念不同，脑外排特指溶质从脑到循环的转运蛋白介导的输出，因此在范围和机制上不同于类淋巴功能。虽然这些系统在机制上不同，但它们协调发挥作用。例如，类淋巴转运可促进Aβ向CNS屏障移动，在那里外排转运蛋白介导其输出到循环。在BBB外排转运蛋白中，P-糖蛋白（Pgp；多药耐药蛋白1，MDR1）是BBB上一个主要的ATP依赖外排转运蛋白，也是BBB选择性通透性的决定因素。通过将广泛的内源性和外源性底物从ECs输出到血液，Pgp作为BBB神经保护和废物清除的关键机制。当前证据表明，Pgp功能受昼夜和神经元活动依赖性机制的动态调节。大多数研究集中于昼夜变化而非睡眠操作对Pgp活性的影响。在啮齿动物中，证据表明内皮昼夜钟基因驱动Pgp表达和活性的昼夜波动，在睡眠相比活动期观察到更高的外排。这些发现表明内源性内皮钟机制有助于BBB转运的时间调节。然而，未来一个重要的区分是将昼夜相位效应与睡眠缺失驱动的损害分开。除了昼夜控制，Pgp可能对神经元活动敏感。谷氨酸能神经元的光遗传激活和感觉刺激均降低皮层Pgp表达和功能。总之，这些发现表明睡眠-觉醒状态下神经元活动的波动可能动态调节BBB外排能力。一种可能性是NREM睡眠期间神经元活动减少增强Pgp介导的外排，而持续觉醒抑制外排能力；然而，这仍有待直接测试。重要的是，Pgp还转运一系列内源性信号分子，包括类固醇激素（如皮质醇、醛固酮和雌激素），以及异生物。因此，Pgp的活动依赖性变化可能不仅影响神经保护，还影响身体-脑信号传导。Pgp调节是否在不同脑区对睡眠-觉醒状态转换有差异仍未知。然而，一个可能从机制上解释睡眠期间觉醒相关分子在脑内积累的假说是，Pgp活性似乎在睡眠期达到峰值，表明有效的Pgp介导清除依赖于充足的睡眠。相反，长时间觉醒可能损害Pgp功能，与持续的神经元激活和改变的NVU信号一致，允许正常在睡眠期间清除的睡眠压力（促眠）分子积累。图2A描述了减少的外排活动、增强的谷氨酸能活动和增加的促眠信号分子表达，而图2B描绘了睡眠期间增加的外排活动伴随改变的神经元活动，有助于从脑中清除循环分子（如促炎细胞因子和肽）。图2C详细说明了本综述的主要假说，描述了BBB转运和外排系统的变化可能最初是为了生物体对急性睡眠缺失的适应而发生的。如果急性睡眠缺失变为慢性，这些适应可能变得适应不良。转运和外排活动的持续降低可能损害营养物质向脑的输送，并允许有害底物在脑内积累，导致可能增加神经退行性疾病易感性的健康后果。总体而言，神经元活动、NVU功能、BBB通透性和Pgp调节之间的相互作用提供了一个可行的模型，通过该模型睡眠缺失损害BBB完整性、降低屏障选择性并限制潜在有害脑代谢物的清除。

1. 4.
   揭示急性睡眠缺失期间BBB变化背后的机制
   睡眠调节依赖于全身和中枢睡眠调节分子的动态波动，这些分子源于觉醒相关过程（如能量消耗）。睡眠-觉醒活动受昼夜系统（控制睡眠时机）和稳态系统（反映睡眠需求）相互作用的支配。除了这些全局调节过程外，睡眠压力可能在特定神经回路内局部积累。局部睡眠理论认为，在长时间觉醒期间，离散的神经元群或脑区可表现出类似睡眠的活动模式，而生物体仍保持行为觉醒。这些局部神经元关闭状态被认为源于使用依赖的睡眠压力增加，即重度使用的神经回路在脑其余部分之前需要恢复。随着觉醒延长，局部睡眠事件变得更频繁和广泛，可能导致认知失误和表现受损。因此，睡眠-觉醒周期可能不仅通过昼夜和稳态机制在全脑水平调节，还通过个体神经网络内的活动依赖恢复过程在区域水平调节。因为BBB在其细胞组成、转运蛋白表达和功能特性上表现出显著的区域异质性，并且因为睡眠似乎调节BBB功能的多个方面，局部睡眠框架提出了睡眠缺失诱导的BBB功能障碍也可能发生在局部和/或区域特异性水平的可能性。在该模型下，具有更多基线BBB脆弱性的脑区，如果神经元活动在睡眠缺失期间局部增加，可能表现出更严重的BBB通透性、转运和外排功能改变。根据局部睡眠框架，睡眠调节分子的BBB介导转运可能提供一种机制，通过该机制区域生理需求转化为神经元活动和睡眠倾向的局部变化。科学共识认为睡眠服务于多种重要功能而非单一目的，各种理论侧重于突触缩减、可塑性、细胞修复和脑废物清除等益处。值得注意的是，BBB可能通过其调节脑与外周循环之间分子交换的作用，直接或间接促进这些过程。通过调节分子运输和选择性通透性，BBB可能作为一个关键界面，局部和外周信号通过该界面影响睡眠-觉醒调节。在睡眠缺失（从限制到完全剥夺）期间，几种促炎介质的循环水平增加，包括TNF-α、白细胞介素6（IL-6）、白细胞介素17（IL-17）、前列腺素D2和C反应蛋白（CRP），其中许多已被证明调节睡眠并改变BBB功能。例如，促炎细胞因子IL-6与睡眠促进相关，其中枢给药增加NREM睡眠，并且还发现它在睡眠缺失期间在外周循环和脑内上调。升高的IL-6水平与内皮功能和血管张力改变相关，这可能有助于在持续炎症条件下损害BBB完整性。在长时间觉醒期间也发生多种促炎细胞因子的类似增加。通过与BBB相互作用，细胞因子可作用于NVU成分以破坏TJ组织和完整性，增加内皮应激，并增强BBB通透性，从而促进脑对周围信号的更大暴露。与局部睡眠框架一致，睡眠缺失诱导的BBB通透性变化可能优先发生在特定脑区，导致循环信号分子暴露的区域差异。该框架产生的一个假说是，涉及注意力、执行功能和警觉性的脑区对循环信号分子的暴露增加，可能促成睡眠缺失期间观察到的认知障碍。然而，并非所有细胞因子都被BBB转运入脑，且转运速率因细胞因子类型、脑区、年龄和疾病状态而异。这种复杂性加剧了关于个体细胞因子对睡眠缺失期间BBB功能障碍具体贡献的争论，突出了系统性睡眠调节机制和BBB功能之间的双向关系，以及继续研究的必要性。在长时间觉醒期间，腺苷以及睡眠调节细胞因子（如TNF-α）的产生增加，促成睡眠压力的积累。实验证据进一步表明，这两种分子在进入脑并作用于神经血管成分、ECs以及与Pgp活性相互作用后，能够调节BBB功能。因此，腺苷和TNF-α已成为连接睡眠压力与睡眠缺失期间BBB调节的候选介质，尽管内源性浓度在睡眠剥夺期间是否足以产生这些体内效应仍不清楚。

4.1. 腺苷和TNF-α：在睡眠和BBB调节中的双重作用

长时间觉醒启动生化级联反应，升高睡眠促进物质（如腺苷和TNF-α），由稳态系统驱动，从而增加睡眠需求。脑内腺苷和TNF-α的生理水平在睡眠和觉醒之间表现出10倍的差异，在睡眠起始时浓度最高。腺苷和TNF-α都是炎症介质，可通过破坏TJ结构和组织损害BBB完整性，这一机制在神经炎症性疾病中有充分记载。然而，这些分子是否在不同生理条件下对BBB动态有类似影响仍不清楚。大多数关于腺苷和TNF-α调节BBB的证据来自病理状况，其中循环和脑浓度可增加高达1000倍。相比之下，睡眠缺失诱导这些分子的增幅小得多，因此难以确定它们是否具有对BBB完整性的可比效应。例如，腺苷浓度通常在睡眠-觉醒周期中约为10-150 nM，而缺血或缺氧等病理状况可使腺苷升高至微摩尔（μM）范围。因此，不应直接从严重炎症或缺血的临床或实验模型发现推断急性睡眠缺失对BBB功能的影响。腺苷通过ATP的顺序去磷酸化产生，随着细胞能量需求增加而增加。延长觉醒期间神经元活动增加加速ATP分解，从而增加细胞外腺苷。觉醒期间腺苷的渐进积累和睡眠后的减少反映了基本原则，即觉醒期间更大的神经活动和能量消耗增加稳态睡眠驱动。腺苷受体的激活取决于细胞外腺苷浓度和几种神经细胞中的受体分布。值得注意的是，腺苷对BBB施加极化效应——它在腔侧收紧旁细胞屏障（即降低通透性），同时在脑侧增加通透性。腺苷受体A_2A（ADORA2A）信号在睡眠调节中至关重要，并涉及BBB通透性的调节，特别是对多种免疫调节分子（包括葡聚糖和免疫球蛋白）。ADORA2A的药理学激活增加药物入脑，这可能与Pgp相互作用有关，尽管这种效应的精确机制仍不完全清楚。在培养的人脑ECs中，急性ADORA2A激活迅速降低Pgp活性，在小鼠中，ADORA2A激动剂通过基质金属蛋白酶依赖途径促进Pgp降解。这些发现证明腺苷信号能够调节BBB转运功能。然而，生理睡眠剥夺期间达到的内源性腺苷浓度是否足以在体内产生对BBB通透性或Pgp活性的可比效应仍未知。在CNS中，TNF-α由小胶质细胞、星形胶质细胞和神经元产生，促进突触可塑性、神经元调节和组织重塑，而在较高浓度时促进炎症信号传导。TNF-α的全身和中枢给药均促进自发性睡眠并增加NREM睡眠。睡眠缺失显著增加脑内和循环中的TNF-α水平。在较高浓度下，TNF-α可通过激活核因子κB（NF-κB）信号和下调TJ蛋白（如Cldn-5和ZO-1）增加BBB通透性。然而，睡眠缺失期间内源性TNF-α浓度是否足以在生理上调节BBB功能仍是一个悬而未决的问题。因此，尽管腺苷和TNF-α都是睡眠压力的关键介质，但它们在睡眠缺失期间对BBB的调节贡献需要进一步研究，以区分其生理和病理作用。