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睡眠是人类发育的关键组成部分，其质量和充足性对心理和生理健康至关重要。尽管人们对睡眠健康重要性的认识日益增强，但睡眠剥夺（SD）仍然是现代社会中的一个普遍问题。睡眠剥夺与多种疾病相关，包括情绪障碍、认知功能受损、记忆力减退、注意力问题以及疼痛敏感性增加。此外，SD可直接影响自主神经、循环和内分泌系统，增加中风、心血管疾病、糖尿病甚至早逝的风险。
2024年8月5日，天津医科大学的研究人员在" Food & Function "期刊上发表了一篇题为"Lacticaseibacillus rhamnosus GG alleviates sleep deprivation-induced intestinal barrier dysfunction and neuroinflammation in mice "的研究论文，该研究探讨了广泛使用的益生菌——鼠李糖乳酪杆菌（LGG）对睡眠剥夺小鼠模型的保护作用。研究结果表明，睡眠剥夺导致小鼠肠道受损，而LGG补充则减轻了肠道屏障的破坏并增强了抗氧化能力。
最近的证据表明SD与胃肠道疾病之间存在联系。67.5%的炎症性肠病（IBD）患者和48.3%的功能性胃肠道疾病患者存在SD现象。根据匹兹堡睡眠质量指数，与健康对照组相比，IBD患者的睡眠潜伏期显著延长，睡眠片段化频率增加，安眠药使用率更高，且总体睡眠质量较差。此外，一些研究表明，经历SD的IBD患者疾病活动指数更高，且伴随症状更为严重。因此，益生菌产品将成为一种安全的解决方案，有助于改善睡眠和肠道问题。然而，SD与胃肠道疾病之间的相互作用及其潜在机制尚需进一步深入研究。
肠道菌群是宿主生理的重要调节因子，通过产生神经递质、维生素和其他营养物质来影响各种生理途径。肠道菌群失调，由环境、遗传、心理和生理压力等因素引起，会显著影响宿主的健康，并导致疾病前状态和疾病状态。越来越多的证据表明，肠道菌群是影响神经系统疾病（如阿尔茨海默病和自闭症谱系障碍）的重要因素。肠道菌群的成分和代谢产物可通过免疫、神经和内分泌等多种途径直接或间接调节脑功能。补充益生菌可通过调节肠道菌群来改善肠道屏障损伤、炎症甚至记忆功能障碍。还有研究表明，益生菌可缓解胃肠道疾病患者的症状、降低抑郁评分并改变大脑活动。这些结果证明了肠道菌群与大脑之间的双向交流和相互作用，这一过程也被称为“肠道菌群-肠-脑轴”。屏障功能障碍已被认为是肠道菌群-肠-脑轴的一个标志，它会导致宿主出现一系列并发症。不良干预会改变肠道菌群的结构和组成，引发肠道炎症和肠道渗漏，使肠道细菌进入血液循环，从而导致包括大脑在内的多个身体部位的炎症。最近的动物实验数据显示，睡眠剥夺会导致活性氧（ROS）过度产生、肠道屏障完整性降低和肠道炎症反应过度，从而导致大脑神经活动减少。而这些变化可以通过褪黑素（MT）的给药来逆转。
肠道菌群与大脑之间复杂的关系表明，益生菌在缓解睡眠剥夺引起的肠道损伤方面具有潜力。有研究已表明乳酸杆菌数量与睡眠障碍之间存在显著关联，且某些乳酸杆菌种类对睡眠模式有显著影响。Lacticaseibacillus rhamnosus GG是一种革兰氏阳性细菌菌株，属于鼠李糖乳酪杆菌种，于1983年首次从健康人体中分离出来。它具有耐酸和耐胆盐的生物特性。更重要的是，研究表明LGG无致病性且不影响抗生素耐药性，这使其在食品工业中作为安全且有益的菌株得到广泛应用。在之前的研究中，LGG显示出能够缓解由早期生活压力引起的焦虑样行为，且对实验动物无不良影响，这进一步强调了其在肠道菌群-肠-脑轴中的调节作用。因此，该研究选择LGG作为研究对象。
在实验开始前，研究人员所有动物进行了社会接触测试（SPT），以确保研究对象之间的应激水平一致。随后，小鼠被喂食活LGG或热处理灭活的LGG持续10天，并在最后3天接受睡眠剥夺处理。实验期间记录了小鼠的体重变化，所有经历睡眠剥夺的小鼠均表现出显著的体重下降。与SDC组相比，无论是喂食热处理灭活的LGG还是活LGG的小鼠，在体重上均未出现显著差异。
随后研究人员检测了紧密连接（TJ）蛋白的表达，包括闭合蛋白（occludin）、紧密连接蛋白-1（ZO-1）、紧密连接蛋白3（CLDN3）和紧密连接蛋白1（CLDN1），以评估肠道屏障功能。结果显示，睡眠剥夺后TJ蛋白的相对mRNA水平降低，而喂食活LGG可以显著减少TJ蛋白的降低。研究人员观察到热处理灭活的LGG也能上调CLDN3和CLDN1的mRNA表达。与上述数据一致，Western blot分析显示，与SDC组相比，SDLL组中ZO-1和CLDN3的表达显著增加。ZO-1的免疫荧光染色提供了更直观的结果，显示睡眠剥夺诱导了肠道上皮屏障功能障碍，而SDLL组细胞膜上的ZO-1显著高于SDC组和SDHL组。
【LGG补充剂可预防由睡眠剥夺引起的肠道紧密连接破坏】
研究人员通过过碘酸雪夫染色（PAS）评估了黏液含量。与CON组相比，SDC组中杯状细胞的数量显著减少。LGG能够改善SD引起的杯状细胞数量减少，但SDHL组的杯状细胞显示出萎缩和发育不良。MUC2是肠道黏液层的主要成分之一。免疫组织化学分析表明，SDC组中MUC2阳性细胞的大小和数量同时减少。SDHL和SDLL组中MUC2阳性细胞的缺乏得到了显著改善，但热处理灭活的LGG在分泌功能上不如活LGG有效。
潘氏细胞能够分泌含有抗菌肽（AMPs）的颗粒，这些细胞位于小肠隐窝的底部。研究人员通过评估颗粒的各种形态以及包装在潘氏颗粒中的AMPs水平来评估潘氏细胞的功能。结果显示，睡眠剥夺降低了D0和D1型颗粒的百分比，而活LGG和热处理灭活的LGG均能提高这些颗粒的百分比。
【LGG给药缓解了睡眠剥夺引起的杯状细胞和潘氏细胞缺陷】
睡眠障碍与系统炎症标志物的增加有关。在该研究中，与CON组相比，SDC组中包括γ干扰素（IFN-γ）、肿瘤坏死因子-α（TNF-α）、白细胞介素（IL）-6和IL-1β在内的炎症细胞因子的相对mRNA表达显著上调。此外，活LGG能够降低SD引起的结肠中炎症细胞因子的升高。
分泌型免疫球蛋白A（sIgA）是最丰富的抗体，在肠道免疫屏障对抗肠道毒素和病原体方面发挥着至关重要的作用。研究人员使用免疫荧光染色法检测了小肠中的sIgA（用白色箭头标记）。图像显示，SDC组中sIgA阳性细胞的数量显著减少，表明在经历睡眠剥夺时，肠道免疫屏障受损。活LGG和热处理灭活的LGG均能促进sIgA的产生，而活LGG的效果更为显著。
【LGG降低了睡眠剥夺小鼠的结肠炎性细胞因子水平，并增加了IgA的产生】
研究人员使用超氧化物歧化酶（SOD）和褪黑素（MT）来评估抗氧化能力。SOD是一种在哺乳动物中具有三种同工型的抗氧化酶。染色结果显示，SDC组细胞质中的SOD1显著减少。与SDC组相比，SDLL组细胞质中SOD1的表达增加。此外，研究人员使用ELISA检测了SOD浓度。结果显示，SD降低了SOD浓度，而活LGG增加了SOD浓度。MT是一种天然激素，参与生物钟的调控，主要在松果体中合成和分泌。据报道，肠道中的MT对肠道运动、免疫和抗氧化特性具有有益作用。研究结果表明，SDC组中MT水平下降，而活LGG部分恢复了MT浓度。
【LGG增强了睡眠剥夺小鼠的抗氧化能力】
实验研究表明，SD可导致肠道菌群失调。研究人员对肠道菌群与肠道菌群指标之间的相关性进行了分析。结果显示，乳杆菌属与所有指标均呈正相关，尤其是与PAS和MT。瘤胃球菌属与MT、游动球菌属与MUC2之间存在强烈的正相关，而阿克曼氏菌属与MUC2的负相关性较强，类似于变形杆菌属与MT的关系。相比之下，另枝菌属与许多指标，特别是PAS和IgA，呈显著负相关。微生物组的功能分析显示，SD上调了一组代谢途径，特别是膜转运、转录和细胞运动性。
研究人员采用旷场试验（OFT）和高架十字迷宫（EPM）评估小鼠的行为变化。OFT用于评估小鼠的运动活性和探索行为。随后对肠道菌群和旷场试验（OFT）数据进行了综合分析。结果发现，棒状杆菌属（Corynebacterium）和瘤胃球菌属（Ruminococcus）与改善的运动活性和探索行为呈显著正相关，而代尔夫特菌属（Delftia）则呈负相关。此外，还发现库特氏菌属（Kurthia）与小鼠穿越次数之间存在负相关。
研究人员通过PCR技术检测了小鼠前额叶皮质中炎症细胞因子TNF-α、IL-1β和IL-6的表达。结果显示，睡眠剥夺显著上调了这些炎症细胞因子的表达，而活LGG能够降低其过度表达。研究人员进一步分析了肠道菌群与脑组织测量指标之间的相关性。结果显示，IL-1β与棒状杆菌属呈显著正相关，而与埃希氏菌属/志贺氏菌属呈显著负相关。Iba-1是反映神经炎症状态的小胶质细胞生物标志物。与CON组相比，SD小鼠的大脑皮层和海马体中的Iba-1表达显著增加。
【LGG给药部分逆转了睡眠剥夺导致的小鼠探索活动减少，并减轻了睡眠剥夺小鼠的神经炎症】
表皮生长因子受体（EGFR）是一种受体型酪氨酸激酶。EGFR的激活在刺激磷脂酰肌醇3-激酶（PI3K）/Akt信号通路以促进细胞增殖和存活中起关键作用。研究人员进一步在体外研究了LGG对EGFR的影响。研究结果显示，LGG促进了EGFR的磷酸化，而不影响总EGFR的表达。数据表明，活LGG可通过激活EGFR来预防睡眠剥夺引起的肠道紧密连接破坏。
【LGG通过激活表皮生长因子受体，预防了由睡眠剥夺引起的肠道紧密连接破坏】
该研究结果表明，LGG的施用减轻了SD引起的肠道屏障破坏。这一效果是通过激活EGFR途径和增强肠道抗氧化能力实现的。此外，研究人员还发现LGG能够减轻SD小鼠的神经炎症并改善其运动活性，活LGG的保护作用优于热灭活LGG。这些发现为LGG在治疗肠-脑疾病中的潜在应用提供了有价值的证据。
综上所述，鼠李糖乳酪杆菌（LGG）补充剂可通过激活EGFR途径缓解睡眠剥夺（SD）引起的肠道屏障功能障碍，同时减轻神经炎症，改善SD导致的运动活性及精神状态变化。该研究探讨了益生菌在调节微生物-肠-脑轴中的有益作用，为治疗睡眠障碍提供了新的见解。