2019年3月9日 星期六

用酵母菌釀造大麻

繼三年前有人發表了如何用酵母菌釀造嗎啡後,這個月 UC Bekeley 的研究團隊發表了他們用酵母菌釀造大麻的成果在 Nature。記得那時候才還在臉書上開玩笑說,應該要研究如何用酵母菌釀造大麻的,想來會很有錢途,沒想到真有人做惹。

舊文:用酵母菌釀造嗎啡

看了整篇研究後,覺得基改酵母讓它生產大麻比生產嗎啡簡單啊,主要是 CBD (cannabidiol) 和 THC (Δ9-tetrahydrocannabinol) 的產生過程還滿直接的,不像嗎啡中的中介物 S-reticuline 很難產出,另外就是這篇研究是用 Cas9 來改造酵母菌基因,應該也比原本的用 shuttle vector 去改要容易點。


Figure / Pathway of CBD and THC biosynthesis (modified from X Luo et al, Nature 2019)

上面是大麻的 THC 和 CBD 生產的主要路徑,這兩個物質大家應該滿熟悉的吧?THC 是讓人嗨的,CBD 則是有鎮靜止痛的效果。大麻裡面除了這兩個物質外,還有 CBN (cannabinol), CBG (cannabigerol) 和 CBC (cannabichromene)。

上面幾個途徑的各個反應如下:(後面 highlight 的部分是所需酵素)

1. Sugar (galactose) acetyl-CoA --> malonyl-CoA
2. Sugar (galactose) --> acetyl-CoA --> hexanoyl-CoA (hexanoly-CoA pathway)
3. Hexanoic acid --> hexanoyl-CoA [CsAAE1]
4. Hexanoyl-CoA + 3x malonyl-CoA --> olivetolic acid (OA) [CsTKS, CsOAC]
5. OA --> cannabigerolic acid (CBGA) [CsPT4]
6. CBGA --> THCA (Δ9-tetrahydrocannabinolic acid), CBDA (cannabidiolic acid) [THCAS, CBDAS]

Pathway #2 他們稱為 hexanoyl-CoA pathway,從 acetyl-CoA 轉化成 hexanoyl-CoA 的過程需要的酵素為:RebktB, CnpaaH1, Cacrt, Tdter

可以看出 CBGA 在裡面扮演重要的 intermediate,它除了是 THC 和 CBD 的 precursor 之外,也是 CBG 和 CBC 的,加入 CBCAS 之後就可以轉化成 CBCA,而以上這幾個酸性物質加熱後就會變成中性有活性的 CBG, THC, CBD 和 CBC。

CBGA --> CBG
THCA --> THC
CBDA --> CBD
CBCA --> CBC

以上這些物質,在大麻裡面是以酸性的形式存在,直到人們點煙或加熱的時候,才會轉化成 THC 或 CBD,這個過程也就是 decarboxylation。CBG 不具有讓人嗨的效果,近來被認為可以抗發炎,但是它在大麻裡面的量比較少,因為大多很快就被轉化成 THCA 和 CBDA。另外,THC 曝露在 UV light 和氧氣之下會慢慢變成 CBN,它跟 THC 同樣會讓人嗨,但是效果比較弱。

另外,雖然整個製造過程看起來滿簡單的,但是研究了一下發現,破酵母細胞萃取 THC 或 CBD 的這個步驟的成本滿高的,因為酵母菌的細胞壁(cell wall)很難破,這篇研究裡用的是 zymolase,而且用量是 2U/OD。這篇研究裡 THC 的產量是 8 mg/L,但是根據我的經驗酵母菌在搖了兩天後的 OD600 就可以超過 10,一公升的話 OD 就是 10,000,也就是說要用 20,000U 的酵素。這個酵素我查到的價錢是 2000U 要價加幣 $150,也就是說每 8 mg 就要花掉至少 CAD$1500,嘖嘖嘖~ 當然也有較便宜的破細胞方法,像是用 glass beads 或是 french press 這些用 mechanical force 的去破細胞。所以啊,成本還是要算仔細呢。XD



News articles:

UC Berkeley / Yeast produce low-cost, high-quality cannabinoids (2019)

Nature / Scientists brew cannabis using hacked beer yeast (2019)

Harvard Health Publishing / Cannabidiol (CBD) — what we know and what we don’t (2018)


Publications:

X Luo et al, Complete biosynthesis of cannabinoids and their unnatural analogues in yeast. Nature (2019)

S Deiana, Chapter 99 - Potential Medical Uses of Cannabigerol: A Brief Overview. Handbook of Cannabis and Related Pathologies (2017)









2019年2月22日 星期五

多運動可減緩阿茲罕默症 -- 運動賀爾蒙鳶尾素(irisin)

之前有研究發現運動會使體內釋放出一種賀爾蒙 -- irisin (鳶尾素),之前這個賀爾蒙的主要功能被認為是在於能量代謝,增加體內能量消耗,有助於減重,不過最近發現 irisin 也可以促進腦內海馬迴(hippocampus)腦神經細胞的生長。Irisin 的前驅物(precursor)是 FNDC5 (Fibronectin type III domain-containing protein 5),是一個頗大的穿膜蛋白(transmembrane protein),約有 100kDa,表現於肌肉組織。之後其頭尾的 N-terminal signal sequence 和 C-terminal tail 被切掉後剩下中間的一百多個氨基酸長的片段(D32-E143)就是 irisin。它是動物活動時由肌肉細胞釋放出來的一種 cytokine,稱為 myokine,可以刺激脂肪細胞活動,也被發現會促進海馬迴裡 BDNF 的表現。

FNDC5: UniProtKB, OMIM

在這篇研究中,作者們發現人類腦部的海馬迴裡有 irisin,而阿茲罕默症(Alzheimer's disease, AD)患者 海馬迴和脊髓液 (cerebrospinal fluid, CSF) 裡的 irisin 表現量比有輕微認知功能障礙的(mild cognition impairment, MCI)和正常的要為低。另外,LBD (Lewy body dementia) 失智患者的 CSF 內的 irisin 量也比較低,AD 和 LBD 患者血清內的 irisin 量則和正常人沒明顯差別。

接著,他們想知道 AD 是如何影響 irisin 的表現。他們把 AD 的致病蛋白 Aβ 加到培養的老鼠海馬迴細胞和人類的大腦皮質切片,結果發現細胞裡的 irisin mRNA 和蛋白表現量都減少了。在老鼠實驗中,他們發現被打入 Aβ 的老鼠,其腦部海馬迴中的 irisin 表現量大為下降。而本身是 AD 基改老鼠的海馬迴裡,在牠們 13-16 個月大、腦部出現 Aβ 堆積癥狀的時候,irisin 的表現量也是降低的,表示 Aβ 會影響腦內 irisin 的表現量。

除此之外,為了了解 irisin 在大腦的功能是什麼,他們敲掉了老鼠的 FNDC5,結果老鼠的腦神經活動 long-term potentiation (LTP) 和記憶力皆降低了。反之,增加老鼠腦部 irisin 的表現量則可以挽回因打入 Aβ 而降低的記憶力。另外,他們也用病毒把 FNDC5 基因送進 AD 基改老鼠裡,讓其腦部可以大量表現 irisin,看能不能因此改善 AD 基改老鼠的表現,結果顯示 irisin 可以ㄗ AD 基改老鼠腦部的 LTP 和其記憶力。

接著,他們接著想知道運動是否能夠對 AD 有實質上的改善,是否能做為治療的一環。他們把 Aβ 打入老鼠 CSF 中後讓他們每天游泳一小時,一週游五天,連續游五個禮拜,看看運動是否能夠預防 Aβ 造成的記憶力衰退。結果顯示老鼠腦部海馬迴的 irisin 表現不但沒有因為 Aβ 而降低外,老鼠的記憶力也沒有因之衰退。

由此大概可以知道,Aβ 會使腦中的 irisin 表現量減少,但是可以藉由運動增加 irisin 的表現,雖說不太可能光靠運動就大為改善 AD,不過如果可以某種程度的減少 Aβ 對腦部的傷害也是不錯的。不管怎樣,固定運動總是好的,有時間多動一下吧。



Article:

NNR / Exercise-linked Hormone Protects Memory in Mouse Models of Alzheimer's (Feb 2019)


Paper:

MV Lourenco et al, Exercise-linked FNDC5/irisin rescues synaptic plasticity and memory defects in Alzheimer’s models. Nature Medicine (2019)

P Boström et al, Article | Published: 11 January 2012A PGC1-α-dependent myokine that drives brown-fat-like development of white fat and thermogenesis. Nature (2012)


其他相關閱讀:【醫學研究】捲土重來的鳶尾素( Irisin)









2019年2月16日 星期六

癌症免疫療法 - neoantigen vaccine

免疫療法也是近來滿熱門的一個領域,就是另用免疫系統去殺死癌細胞,有的是改造免疫 T cells,讓他能夠辨識出癌細胞,然後消滅它,例如 CAR T-cells。另外就是去年得諾貝爾獎的 PD-1 和 CTLA-4,利用小抗體去阻斷 T cells 的訊息傳遞。簡單來說就是 T cells 會表現 PD-1,而體內的一些正常細胞會表現它的配位基(ligand) PD-L1,PD-1 和 PD-1 結合後會抑制淋巴細胞的活化(activation)和繁衍(proliferation),然而癌細胞也會表現 PD-L1,誤導免疫細胞說它是無害的正常細胞,T cells 就不會去攻擊它,小抗體就是用來阻斷這兩個蛋白的結合。

相關閱讀:免疫系統中的檢測點 PD-1 和 CTLA-4

癌細胞的產生是因為一層層的突變所造成的,而這些突變會使癌細胞生產所謂新的氨基酸片段(也就是胜肽, peptide),稱為 neoantigen,因為正常細胞沒有這些突變,所以不會產生 neoantigen。這些氨基酸片段會被 MHC (major histocompatibility complex) 表現在細胞表面讓免疫細胞檢查,而這些 neoantigen 會被免疫系統辨識為外來物,然後被免疫細胞殺死。這些會從血液遊走到腫瘤,然後清理癌細胞的免疫細胞稱為 tumour-infiltrating lymphocytes (TILs)。但是很多癌細胞,例如腦腫瘤 glioblastomas 的癌細胞並沒帶有太多突變,表現在細胞上的 neoantigen 也不多,因此可以躲過免疫細胞的攻擊。


Figure / Interaction between tumour cell and T cells via PD-L1:PD-1 and MHC:Ag:TCR; T cell receptor (TCR) (C Barnhart, JADPRO 2015; PMID: 26557410)

最近有兩篇刊載 Nature 的研究報告了免疫治療的臨床研究結果,這兩個臨床試驗還有一個重點,就是所謂的個人化治療(personalized medicine),或是稱精準治療(precision medicine)。上面提到有些腫瘤因為突變會產生不同的氨基酸片段,每個人的腫瘤細胞產生的 neoantigens 會不太一樣,個人化治療就是指針對每個病人的腫瘤特性做客製化的治療。而免疫治療則是指利用這些 neoantigens 去啟動體內的免疫系統,進而殺死癌細胞。不過,既然有些腫瘤細胞會產生 neoantigen 的話,為什麼不會被免疫細胞殺死呢?有可能是 antigen 本身特異性不足以引發免疫反應,因此要在臨床治療上使病患體內出現足夠的免疫反應,用好的 antigens 作為疫苗是很重要的,可以引發免疫反應殺死腫瘤細胞的 antigens 稱為 tumour rejection antigens。

其中一篇是在病人的 glioblastoma 腫瘤切除手術後讓他們接受放射線治療和免疫療法,就是把帶有 20 種腫瘤 neoantigens 的疫苗打入病患體內。這二十種 neoantigens 是分析了病患腫瘤後得出的結果,也就是針對癌症病患而客製化的疫苗,不過雖說是客製化,腫瘤的定序分析顯示有幾個是常見的突變基因,例如 PTEN 和 EGFR。手術後到接受免疫治療中間大約是 17 到 24 週,之後抽血檢測病患體內的免疫細胞 CD4+ helper T cells 和殺手細胞 CD8+ killer T cells (CTLs) 的反應。整個治療中,八位病患中只有兩位不需要接受類固醇 dexamethasone 做免疫抑制治療。最後,也只有這兩位沒接受類固存治療的的病患有出現免疫反應 -- 主要為 CD4+ T cells,並且釋放出 IFNγ, IL-2 和 TNF。這八位病人後來都過世了,治療後病情未惡化(progression-free survival, PFS)的時間為 7.6 個月,術後存活時間(overall survival, OS)的中間值則是 16.8 個月。若是只有做標準的放射線治療或化療的話,治療後的存活時間大約為一年左右 (ref: American Brain Tumor Association)。

另一篇研究則是試了兩種疫苗,一種同樣是用客製化的病患腫瘤 neoantigens,另一種是非客製化、用非突變的蛋白片段而製成的,其蛋白片段則是分析了三十個 glioblastomas 而得出的結果。在這篇研究裡,十五位病患在腫瘤移除手術後接受化療,其中四位只接受非客製化的疫苗,另外十一位兩種疫苗都接受,後來有兩位退出臨床試驗,剩下的十三位之後檢測其免疫反應效果為何。結果發現不管是只接受非客製化疫苗的病患,或是接受兩種疫苗的病患,大多出現免疫反應。接受非客製化疫苗的病患,如果其腫瘤細胞出現疫苗裡的其中一種氨基酸片段,即可被殺手 CD8+ T cells 辨識出來。接受客製化疫苗的病患,其免疫 CD4+ T cells 則會辨識出腫瘤細胞。病患從診斷出來後的到過世的時間(OS)為 29 個月,病情未惡化時間(PFS)約為 14.2個月,其中一位有出現 CD8+ T cells 免疫反應的病患則是存活了三年多 。



Articles:

Nature News / Immune cells track hard-to-target brain tumours

U Sahin & O Türeci, Personalized vaccines for cancer immunotherapy. Science (2018)


Papers:

N Hilf et al, Actively personalized vaccination trial for newly diagnosed glioblastoma. Nature (2018)

DB Keskin et al, Neoantigen vaccine generates intratumoral T cell responses in phase Ib glioblastoma trial. Nature (2018)









你對牛奶過敏嗎?也許可以來個腸道菌移植治療

你是屬於會對牛奶過敏的人嗎?最近有研究顯示,腸道菌移植可能可以使你不再對牛奶過敏。

之前有研究顯示,對牛奶過敏(cow's milk allergic, CMA)的小孩的腸道菌落和不會對牛奶過敏的有些不同,也顯示某些腸道菌似乎可以降低對食物過敏的風險,於是科學家們想試試不會過敏的小孩的腸道菌是否可以使身體不再對牛奶裡的乳球蛋白 β-lactoglobulin (BLG) 產生免疫反應。

他們把八位幼童的腸道菌移植到在無菌空間生長的老鼠體內,移植的方法是把處理過的糞便經由食道直接灌到老鼠胃部 --intragastric gavage。這些無菌老鼠(germ-free mice, GF mice)是敏感體質,會對 BLG 和 cholera toxin 產生過敏反應,除了體溫會下降外,身體也會製造 BLG 的抗體 IgE 和 IgG1。八位幼兒中有四位是健康沒過敏的和四位 CMA 過敏兒,CMA 幼兒有吃 hydorlyzed casein 治療過敏情況,健康幼兒則吃標準牛奶基底的配方奶。

無菌老鼠分為三 組,一組是完全沒接受腸道菌移植的 GF mice,一組是接受健康幼兒糞便移植的,和一組接受 CMA 過敏兒移植的。腸道菌移植 42 天之後,他們給老鼠 BLG,然後觀察是否出現過敏反應。結果顯示未接受腸胃道菌移植的和接受 CMA 腸道菌的出現了過敏反應,包括體溫下降和血液裡有大量的 BLG-specific IgE 和 IgG,而接受健康幼兒腸道菌的老鼠則沒有出現這些反應,他們也試了喝母奶的健康兒和 CMA 過敏兒的腸道菌,移植健康幼兒腸道菌的老鼠同樣沒出現 BLG 的過敏反應,但是移植 CMA 腸道菌的老鼠有過敏反應,表示牛奶或是母奶並不是造成過敏的原因。

所以,到底健康幼兒和過敏兒的腸道菌落有什麼不同呢?科學家們分析了這些幼兒的便便,看看到底哪裡不同,結果發現兩者之間有 58 種菌的菌量不同。另外,他們除了分析有哪些菌在健康兒體中比較多,哪些在 CMA 體中比較多外,同時也分析了老鼠的糞便,然後和幼兒的做比對。結果顯示接受健康幼兒腸胃道移植的老鼠,糞便裡富含 Clostridia 家族下面的一種菌 Lachnospiraceae,這種菌之前被認為可以保護宿主身體不對食物過敏。

接著,他們採集了老鼠腸胃道的表皮細胞(ileal epithelium)做分析,發現接受健康幼兒腸道菌的老鼠會表現不一樣的基因,有幾個基因的表現比接受 CMA 的老鼠高,顯示腸道菌會影響宿主的基因表現和免疫系統。他們再用基因表現量的差異做區分去比較這些老鼠的腸道菌,結果顯示接受健康兒腸道菌移植的老鼠體內富含的幾種菌落皆屬於 Lachnospiraceae,並且是以 Anaerostipes caccae 為主。

之後,他們想確認 A. caccae 是否為影響基因表現和避免過敏的主要因素,於是把這株細菌移植到無菌老鼠裡,結果出現了相同的變化,例如表現量上升的基因和接受健康幼兒的腸道菌移植的老鼠的是一樣的,而且這些老鼠對 BLG 也沒產生過敏反應,顯示 A. caccae 在保護幼兒不對牛奶過敏上佔有很大因素。



Article:

Mindzilla / Gut Microbes from Healthy Infants Block Milk Allergy Development in Mice (Jan 2019)


Paper:

T Feehley et al, Healthy infants harbor intestinal bacteria that protect against food allergy. Nature Medicine (2019)









哪種方法殺蟑最有效?

這個研究試了兩種方法來殺德國蟑螂(Blattella germanica):凝膠誘餌(bait)和殺蟲煙霧彈(total-release foggers, TRFs; bug bombs)。凝膠誘餌是一種凝膠型殺蟲劑,殺蟲煙霧彈是一種會產生殺蟲霧氣的東西,打開後殺蟲劑煙霧會充滿整個空間,所以會被認為應該很有效。

他們在三十間受蟲入侵的房子裡放了四種殺蟲煙霧彈和兩種凝膠誘餌,其中二十間是在廚房使用殺蟲煙霧彈,打開後讓空間密閉四到六個小時,之後再通風讓殺蟲劑散掉;另外十間是設置凝膠誘餌。在殺蟲劑設置的前後都有數屋內的蟑螂數,在使用後的第二個禮拜數一次,然後在一個月後再數一次。

結果測試的效果如何呢?用殺蟲煙霧彈的房子,蟑螂數量都沒有減少,但是使用凝膠誘餌的在兩週後蟑螂數量都少了至少一半,其中一種誘餌還少了超過 75%,一個月後減少更多。

測試的四種殺蟲煙霧彈為:Hot Shot No-Mess Fogger2 with Odor Neutralizer 2, Hot Shot No-Mess Fogger3 with Odor Neutralizer, Raid Max Concentrated Deep Reach Fogger, Raid Fumigator。其主要成份為:tetramethrin, permethrin, piperonyl butoxide, cypermethrin。

測試的殺蟲凝膠為 Combat Gel Bait 和 Maxforce Gel Bait,這兩種的主要成份皆為 fipronil。



原論文:

ZC DeVries et al, Exposure risks and ineffectiveness of total release foggers (TRFs) used for cockroach control in residential settings. BMC Public Health (2019)









2019年1月26日 星期六

海馬迴也處理抽象空間的記憶 —— 人與人之間的距離

這篇是 2015 的研究,前兩天在整理 feedley feed 的時候看到這個存了三年還沒打開來看。

這篇研究是用大腦神經影像來觀察大腦在我們參與社交活動時的活動情形,目前知道海馬迴(hippocampus)的主要功能是在於學習和記憶,也包括了空間上和時間上的記憶。作者們認為大腦對於空間上的記憶不只在於真實的距離,也包括了抽象的距離,也就是人與人之間的距離。以自我為中心點,和其他人的距離可以分為點頭之交或莫逆之交,還有上司或下屬間的距離之類的,而權力(power)和夥伴關係(affiliation)這兩點則會影響我們如何衡量和對方之間的距離。作者用座標軸解釋,在你認識一個人之後,如果權力是 Y 軸,夥伴關係是 X 軸,你會把對方放在哪個位置?海馬迴會記憶這個位置,然後當你下次遇見對方時,就會依這個記憶去判對要怎麼應對。

作者們研發了一個 RPG (role playing game) 讓參與者玩,然後在他們玩的時候用 fMRI 觀察大腦的活動。在遊戲裡參與者是主角,會和遊戲裡另外六位角色互動,也會在遊戲中做出許多選擇,作者們經由他們的選擇觀察參加者的社會觀,尤其是在權力和夥伴關係面,和其他 RPG 不同的是這個遊戲比較接近真實生活中的社交活動。在遊戲裡主角剛搬到一個新城市,他需要在新城市裡找到新工作和住的地方,要達到這個目標,他需要先認識城市裡的人。和其他的 RPG 遊戲一樣,參與者會透過對話泡泡和遊戲裡的其他角色對話,角色有認識很久的高中同學,或是某間公司的老闆。

在遊戲中,對方(其他角色)會說一件事,然後遊戲會給參與者(也就是主角)兩個選項去回應對方。例如對方說:我需要你加班,因為這件事需要在兩天內完成。而主角的選項有:
1. 我會依你的吩咐完成
2. 我會盡力完成,但可以有加班費嗎?

主角的選擇會顯示出兩人之間的距離,例如權力的高低,或是是否為夥伴關係,而依主角的選擇對方會有不同的回應,因此兩人間的距離可能會因此慢慢改變。遊戲一開始每個角色和主角之間的距離是 y (power) = 0,但是 x (affiliation) 很大,隨者主角和其他角色的互動,對方的位置會慢慢改變,在遊戲結束時,每個角色座落的位置會不一樣,代表著主角怎麼應對和衡量彼此之間的距離。

結果顯示當參與者和其他遊戲角色有互動,並且關係產生改變(也就是其他角色在座標上的位置移動)的時候,左邊的海馬迴便會開始活躍,而且如果主角認為自己的權力比較高的時候,海馬迴活動的訊號也比較高,表示海馬迴的活躍度是和彼此之前的權力和夥伴關係有關。另外,腦部的 PCC (posterior cingulate cortex) /precuneus 也和社交有關,之前有研究顯示 PCC 和杏仁核(amygdala)處理我們第一次見到一個人時接收到的訊息,使我們可以以這些資訊對對方產生某種第一印象。這篇研究顯示 PCC 也用在衡量我們和對方彼此間的距離。之後,他們想知道海馬迴的活躍度和社交能力是否有關,他們讓參與者在 fMRI 遊戲之後填寫問卷,調查他們本身對社交活動的感受為何,是否會緊張焦慮和個人特質等等,結果顯示海馬迴的活耀度和社交技巧及個人特質有關,海馬迴越活躍的人對社交活動感到自在,並不會焦慮或迴避。



References:

RM Tavares et al, A Map for Social Navigation in the Human Brain. Neuron (2015)

Schiller et al, A neural mechanism of first impressions. Nature Neuroscience (2009)









2019年1月25日 星期五

睡眠品質不佳對腦部的傷害

睡眠不足和阿茲罕默症的關係之前有研究討論過,去年有研究顯示光是一個晚上無眠,阿茲罕默症的致病蛋白 β-amyloid (Aβ) 量就升高了。有臨床研究顯示,CSF 裡的 Aβ 在睡前是最高的,醒後是最低的,而睡覺時間是大腦大掃除的時間,如果沒睡覺,Aβ 就有可能因為沒辦法被清除而堆積在腦部。

舊文:睡覺有多重要?幫你洗腦!

NIAAA 的計畫主持人 Dr. Ehsan Shokri-Kojori 和 Dr. Nora Volkow 用 PET (positron emission tomography) 去掃年齡 22 到 72 歲間,二十位的健康試驗者在飽睡一晚和睡眠不足(約 31 小時沒睡)後的腦部,結果發現在 31 個小時沒睡後,海馬迴(hippocampus)和丘腦(thalamus)中致病蛋白的 Aβ 表現量增加惹 5%,不過他們沒有檢視如果 31 小時沒睡,之後補眠的話,Aβ 的表現量有沒有降回去。

繼那篇研究之後,這個月也有個研究是關於睡眠和阿茲罕默症之間的關係的。人的睡眠分為幾的階段,睡著後的那一個小時是非快速動眼期(non-REM sleep, NREM),可分為四個階段。第一個階段的特徵是 EEG 顯示出來的波頻下降到 4-8Hz,第二階段是 sleep spindle (又稱 sharp wave ripple, SPW-R),頻率在 10-12Hz 之間震動。之後是第三和第四個階段的 slow waves sleep (SWS, 又稱 delta waves),波頻在 0.5-4Hz 之間,SWS 之後則是快速動眼期(REM, rapid eye movement)。SWS 是睡眠中最深沉的一段,也是記憶力成型(memory consolidation)的時間,白天經歷過的事情會在腦部再重演一次,形成記憶。


Figure / Purves et al, Neuroscience 5th ed.

舊文:在睡夢中製造新記憶

這篇由聖路易華盛頓大學醫學院(Washington Univ School of Medicine in St. Louis)發表的研究顯示,較少有深層睡眠的老人腦中的 tau 表現量比較高。Aβ 和 tau 目前被認為是阿茲罕默症的主要致病蛋白,因為患者腦中皆被發現有大量的 Aβ 和 tau 堆積。他們找了一百多位六十歲以上的參與者,監控他們一週在家的睡眠情況,參與者把攜帶型的 EEG 儀器戴在腦上,同時也戴了手錶型的偵測器,分別偵測睡眠時的腦波和身體移動情形。除此之外,參與者也會記錄自己每晚的睡眠時間和白天小睡的時間。研究者測量了參與者腦部和 CSF (cerebrospinal fluid) 裡的 Aβ 和 tau 含量。另外,其中有 38 位參與者也有做腦部 PET 檢視腦中這兩個蛋白的堆積情形。

他們分析了波頻和 tau 堆積之間的關聯,包括了整晚 1-4.5Hz NREM SWA (slow wave activity),還有不同的波頻:1-2Hz, 2-3Hz 和 3-4Hz。結果發現 1-2Hz 這個頻率的活動和 tau 堆積的關係最為明顯。1-2Hz NREM SWA 較低的參與者,其腦前額的 Aβ 和 tau 堆積都比較高,CSF 裡的 tau/Aβ 和 p-tau/Aβ 的比例也都比較高。

除此之外,他們也比較了睡眠狀況和 Aβ, tau 堆積的關聯,發現 PET 掃描顯示有 Aβ 堆積的人,他們進入熟睡後到 REM 之間的時間比較短,也就是說深眠的時間較短。有趣的是睡比較多的人和白天有小睡的人,他們的 tau 堆積情況比較嚴重。作者們認為,重點不是睡眠的長短,而是睡眠的品質,因為腦部 tau 表現量較高的參與者反而 白天和晚上都睡的比較多,但是睡眠品質都不好。

不過,這兩個研究也只是顯示睡眠不足或睡眠品質不好和 Aβ, tau 堆積有關聯,睡不好的人腦中的 Aβ 和 tau 堆積比較高,但不管是因為睡眠不足導致 Aβ 堆積,還是因為 tau 堆積造成睡眠品質下降,都不代表睡眠品質不好就會失智。



Articles:

NIH / Lack of sleep may be linked to risk factor for Alzheimer’s disease (April 2018)

NIH / Sleep deprivation increases Alzheimer’s protein (April 2018)

ScienceNews / The brain may clean out Alzheimer’s plaques during sleep (July 2018)

WU St Louis / Decreased deep sleep linked to early signs of Alzheimer’s disease


Papers:

E Shokri-Kojori et al, β-Amyloid accumulation in the human brain after one night of sleep deprivation. PNAS (2018)

BP Lucey et al, Reduced non–rapid eye movement sleep is associated with tau pathology in early Alzheimer’s disease. Science Translational Medicine (2019)