郑州大学第一附属医院2026年2月新研究发表20.4分杂志Cell Stem Cell,揭示睡眠障碍通过迷走神经环路诱发肠道干细胞功能异常的核心机制
睡眠不足已成为全球性公共卫生问题，与慢性胃肠疾病的发生发展密切相关，但睡眠障碍产生的异常神经信号如何从大脑传递至肠道，其核心机制长期未被阐明。本研究发表于国际顶级期刊《Cell Stem Cell》，由中国农业大学，联合中国科学院深圳先进技术研究院、郑州大学、美国加州大学欧文分校等单位共同完成。研究首次鉴定出响应睡眠剥夺的神经内分泌通路，明确迷走神经背核（DMV）是大脑中感知睡眠缺陷并向肠道传递病理信号的核心中枢，完整解析了 “DMV 异常激活 - 迷走神经释放乙酰胆碱 - 肠道 5 - 羟色胺激增 - 肠道干细胞 HTR4 受体介导氧化应激 - 干细胞功能障碍与肠道病变” 的级联反应。该研究不仅填补了领域内的关键机制空白，还为睡眠相关胃肠疾病的临床干预提供了多个全新潜在靶点。
睡眠不足已成为全球性公共卫生问题，全球约 10% 的成年人受失眠困扰，睡眠障碍与全因死亡率升高、多种慢性疾病发生发展密切相关，其中炎症性肠病、肠易激综合征等慢性胃肠疾病与睡眠异常的关联尤为显著。既往研究发现，睡眠剥夺可特异性诱导肠道活性氧（ROS）累积，是睡眠不足诱发机体损伤的核心环节，肠道也被证实是睡眠障碍影响外周器官的关键靶点。然而，睡眠障碍产生的异常神经信号如何从大脑传递至肠道，进而诱发肠道病理改变的核心分子与细胞机制，此前始终未被阐明。肠道干细胞（ISC）是维持肠上皮屏障稳态、损伤修复的核心，其功能异常是多种肠道疾病发生的根源，而 ISC 能否感知并响应睡眠障碍相关的中枢神经信号，以及相关的调控通路，均是领域内亟待解决的关键科学问题。此外，肠道是机体最主要的内分泌器官之一，95% 的 5 - 羟色胺（5-HT）合成于肠道，其稳态失衡与多种肠道疾病相关，但中枢神经信号如何调控肠道 5-HT 稳态，进而影响 ISC 功能，此前也缺乏系统性研究。
本研究以 “睡眠障碍如何通过脑 - 肠轴调控肠道稳态” 为核心科学问题，采用从整体动物表型到分子机制、从外周效应到中枢调控的递进式研究思路，系统解析睡眠剥夺诱发肠道干细胞功能异常的完整神经 - 内分泌通路。首先，通过构建小鼠急性睡眠剥夺模型，明确睡眠不足对肠道稳态、ISC 自我更新与分化功能的影响，并排除肠道菌群的介导作用；其次，通过蛋白质组学、代谢组学等多组学手段，筛选并验证介导 ISC 损伤的核心分子与信号通路，锁定氧化应激上游的肠道 5-HT 稳态失衡，并通过基因敲除模型明确 5-HT 的细胞来源与作用受体；随后，通过神经切断、药理学干预等手段，排除 HPA 轴、交感神经系统的作用，锁定迷走神经是大脑向肠道传递睡眠剥夺信号的核心通路，并明确迷走神经递质乙酰胆碱调控肠道 5-HT 稳态的双重分子机制；最终，通过全脑神经元激活 mapping、逆行神经示踪、光纤钙成像、化学遗传学等神经科学技术，定位大脑中感知睡眠剥夺并调控肠道功能的核心中枢核团，完整解析 “中枢核团 - 迷走神经 - 肠道内分泌 - 干细胞功能” 的级联调控通路，并验证靶向该通路关键节点的干预策略对睡眠相关肠道损伤的保护作用。
本研究系统阐明了睡眠障碍诱发肠道干细胞功能异常与肠道病变的完整神经 - 内分泌调控机制，取得了多项突破性研究结果。首先，证实急性睡眠剥夺可直接损伤小鼠肠道干细胞的自我更新、分化与再生能力，破坏肠上皮稳态，且该效应不依赖于肠道菌群的改变；其次，发现睡眠剥夺通过诱导肠道 5 - 羟色胺（5-HT）稳态失衡，引发肠道干细胞过度氧化应激，进而激活翻译应激反应，最终导致干细胞功能损伤，明确肠嗜铬细胞是 5-HT 的核心来源，而肠道干细胞高表达的 HTR4 受体是介导 5-HT 病理效应的关键靶点；再者，证实迷走神经是传递睡眠剥夺信号的核心通路，迷走神经释放的过量乙酰胆碱，通过肠道上皮毒蕈碱型受体 Chrm3，以 “促进 5-HT 释放 + 抑制 5-HT 重摄取” 的双重机制，诱导肠道 5-HT 激增；最后，首次定位迷走神经背核（DMV）是大脑中响应睡眠剥夺、向肠道传递病理信号的核心中枢核团，睡眠剥夺可诱导 DMV 胆碱能神经元长期异常激活，而化学遗传学调控 DMV 神经元活性，可双向调控睡眠剥夺对肠道的损伤效应。同时，研究还证实毒蕈碱受体阻断、HTR4 抑制、抗氧化剂补充，均可显著挽救睡眠剥夺诱发的肠道损伤，为临床干预提供了多个潜在靶点。
Figure 1. 短期睡眠剥夺显著损伤肠道干细胞功能并破坏肠上皮细胞更新构建小鼠机械性睡眠剥夺（SD）模型，证实 2 天 SD 可使小鼠清醒时长占比达 95%，REM 与 NREM 睡眠时长显著下降，睡眠 - 觉醒周期严重紊乱；SD 导致小鼠小肠隐窝 - 绒毛结构缩短、上皮增殖细胞减少、凋亡细胞增加，潘氏细胞丢失、肠嗜铬细胞扩增，病理改变以小肠近端和中段最为显著，呈现区域特异性；SD 显著降低 Lgr5+、Olfm4 + 肠道干细胞（ISC）数量，损伤效应可持续至 SD 后 7 天，同时减缓肠上皮更新速率，削弱 ISC 的类器官形成能力与体内辐射损伤后再生能力；抗生素清除肠道菌群后，SD 仍可诱发小鼠肠道病理改变，证实该表型不依赖于肠道菌群。
Figure 2. 短期睡眠剥夺通过激活翻译应激反应损伤肠道干细胞蛋白质组学分析显示，SD 小鼠肠道隐窝中 “应激响应的翻译负调控”“成体干细胞群维持调控” 通路显著富集，泛素介导的蛋白酶体通路异常激活；SD 小鼠肠道隐窝中翻译应激关键分子 p-eIF2α 显著上调，应激颗粒大量组装，整合应激反应效应分子 ATF4、GADD34、GADD153 表达升高，ISC 中自噬通路被显著激活；SD 特异性诱导小鼠肠道和胃部 ROS 水平升高，伴随 DNA 损伤增加、抗氧化能力下降，其余外周器官与脑组织无显著 ROS 累积；补充抗氧化剂维生素 C（VC）或 N - 乙酰半胱氨酸（NAC），可显著挽救 SD 诱发的肠道表型，恢复 ISC 数量与隐窝 - 绒毛结构，证实氧化应激是 SD 损伤 ISC 的核心上游机制。
Figure 3. 急性睡眠剥夺破坏 5 - 羟色胺稳态并诱导肠道氧化应激靶向神经递质代谢组学与 ELISA 验证显示，SD 小鼠肠道与血清中 5 - 羟色胺（5-HT）水平显著升高，肠道隐窝中 5-HT + 肠嗜铬细胞数量显著增加；体外 5-HT 处理可剂量依赖性诱导肠道类器官 ROS 累积，抑制细胞增殖与类器官生长；体内注射 5-HT 可完全模拟 SD 的肠道病理表型，且该效应并非心血管系统继发性改变介导；敲除肠嗜铬细胞 5-HT 合成关键酶 Tph1 后，SD 无法诱发小鼠肠道氧化应激与 ISC 功能损伤，证实肠嗜铬细胞来源的 5-HT 是 SD 肠道损伤的核心介导因子；SD 通过甲基化修饰抑制 5-HT 重摄取转运体 SERT 的编码基因 Slc6a4 表达，以 “促进合成 + 抑制重摄取” 的双重机制加剧肠道 5-HT 累积。
Figure 4. 肠道干细胞通过其受体 HTR4 响应 5 - 羟色胺单细胞 RNA 测序证实，Htr4 是 ISC 中优势表达的 5-HT 受体，且 SD 小鼠肠道隐窝中 HTR4 的转录与蛋白水平均显著上调；体外实验显示，HTR4 特异性激动剂普芦卡必利可模拟 5-HT 的病理效应，而 HTR4 拮抗剂可显著挽救 5-HT 导致的类器官生长损伤与 ROS 累积；体内实验证实，HTR4 激动剂可模拟 SD 肠道表型，而 HTR4 拮抗剂可显著挽救 SD 诱发的肠道损伤；肠道上皮特异性 Htr4 条件性敲除小鼠可完全抵抗 SD 的肠道病理效应，证实上皮 HTR4 是介导 5-HT 病理作用的关键受体。
Figure 5. 迷走神经激活介导睡眠剥夺对肠道的调控作用药理学与基因干预实验证实，HPA 轴与交感神经系统均不参与 SD 对肠道的调控作用；构建膈下双侧迷走神经切断（VGX）小鼠模型，证实迷走神经切断可完全阻断 SD 对肠道的损伤效应，恢复 ISC 数量、上皮增殖能力与隐窝 - 绒毛结构，减少应激颗粒形成；迷走神经切断可完全抑制 SD 诱发的肠道 5-HT 水平升高，证实迷走神经激活是 SD 诱导肠道 5-HT 激增、ISC 功能异常的必要环节；免疫荧光染色证实肠道上皮周围存在 ChAT + 迷走神经纤维分布，为迷走神经调控肠道上皮提供了形态学基础。
Figure 6. 乙酰胆碱水平升高导致肠道 5 - 羟色胺过度累积SD 小鼠肠道中迷走神经核心递质乙酰胆碱（ACh）水平显著升高；体内注射 ACh 可模拟 SD 的肠道病理效应，同时升高肠道 5-HT 水平；毒蕈碱型乙酰胆碱受体（mAChR）拮抗剂阿托品可显著挽救 SD 诱发的肠道损伤，并完全阻断肠道 5-HT 升高，而烟碱型受体拮抗剂无此效应；肠道上皮高表达 mAChR 亚型 Chrm3，肠道上皮特异性 Chrm3 条件性敲除小鼠可抵抗 SD 诱导的 5-HT 升高与肠道病理损伤；体外实验证实，ACh 可直接促进肠嗜铬细胞释放 5-HT，同时抑制 SERT 表达减少 5-HT 重摄取，通过双重机制诱导肠道 5-HT 激增。
Figure 7. 迷走神经背核是介导睡眠剥夺对肠道调控的中枢核团全脑 c-Fos 染色与伪狂犬病病毒逆行示踪证实，SD 激活的脑区中，仅有迷走神经背核（DMV）直接支配肠道，是传递 SD 信号的核心中枢；光纤钙信号记录显示，SD 可显著升高 DMV 神经元钙信号的幅度与发放频率，且该异常激活效应可持续至 SD 后 7 天，睡眠恢复后才回归基线；化学遗传学激活 DMV 胆碱能神经元，可模拟 SD 的肠道病理效应；抑制 DMV 神经元活性，可完全逆转 SD 对肠道的损伤；提出完整工作模型：SD 异常激活 DMV 神经元→迷走神经释放过量 ACh→肠道 5-HT 激增→ISC 的 HTR4 受体介导过度氧化应激→ISC 功能障碍与肠道病变。
本研究首次揭示了一条响应睡眠障碍的全新神经内分泌通路 ——DMVACh-Gut5-HT 轴，完整解析了睡眠剥夺从大脑到肠道的级联病理信号传递过程，阐明了睡眠障碍诱发肠道干细胞功能异常与肠道疾病的核心分子与细胞机制。该研究不仅首次证实肠道干细胞可直接响应中枢神经信号，拓展了脑 - 肠轴调控外周组织稳态的认知边界，还揭示了 DMV 作为脑 - 体通讯中枢的全新功能，明确了肠道 5-HT 在神经调控干细胞功能中的核心介导作用，为睡眠相关胃肠疾病的发病机制提供了全新理论解释，同时筛选出多个具有临床转化潜力的干预靶点，具有重要的科学价值与临床意义。本研究仍存在一定局限性：其一，受伪狂犬病病毒多阶段感染过程的限制，未能明确迷走神经与肠道上皮之间的连接是直接突触连接还是间接通过肠神经元介导；其二，未深入解析 DMV 神经元上游的睡眠相关核团调控网络，未能阐明睡眠剥夺激活 DMV 神经元的上游神经环路机制；其三，研究基于小鼠急性睡眠剥夺模型，其结论在慢性睡眠障碍模型及人类临床队列中的适用性，仍需进一步验证。
参考文献
Zhang M, Wu X, Liu D, Li H, Li X, Yang W, Ye J, Hou L, Wang S, Ning N, Zhang H, Tian Y, Yu L, Wu K, Wang L, Plikus MV, Lv C, Wang F, Yu Z. Sleep disturbance triggers aberrant activation of vagus circuitry and induces intestinal stem cell dysfunction. Cell Stem Cell. 2026 Feb 5;33(2):306-324.e8. doi: 10.1016/j.stem.2026.01.002. PMID: 41650935.
