一、研究背景当今世界正发生百年未有之大变局的深刻变革。在动荡不安的时局中,世界各国都在紧锣密鼓地做相应的军事斗争准备。而军事威慑、国际维和、远洋护航、反恐维稳、抢险救灾、支援国家社会经济建设等非战争军事行动和任务也越来越频繁。全天候、跨时区、高强度的连续作战会对参战人员的睡眠质量和身心状态造成不可低估的影响,长时间睡眠剥夺会导致参战人员的认知功能、作业能力、生理心理等各方面功能下降。军事人员如何有效地对抗睡眠剥夺,保持警醒状态和极高的应激能力成为现代军事医学研究的热点与重点。研究表明,中枢兴奋药(CNSS,central nervous system stimulants)是能有效提高中枢神经系统机能活动的药物,它包括促进脑功能恢复药、延髓呼吸中枢兴奋药、大脑皮质兴奋药等,可以有效提升参战人员的作战表现和身体机能,短期内可用于对抗睡眠剥夺带来的负面影响。外军装备和使用能力提升药物已有几十年历史,而我军在该类药物的研究和装备上明显落后于外军,因此有必要结合我军实际,研制该类药品,同时对该类药品在对抗睡眠剥夺、战场疲劳和增强军人作业能力、药物安全性等方面进行系统性评价,为战时合理应用来提升军人战斗力提供理论和实践依据。作为一种临床常用和食物中也能简单易得的中枢神经兴奋剂,咖啡因能促进神经系统激活,增强大脑警惕性和逻辑性,保持认知功能,改善情绪,提升工作效率,且能加强骨骼肌收缩,有助于机体快速反应。而普通咖啡因的Immune infiltrate半衰期较短、药物达峰速度快,药效不易持久保持,需要多次服用才能干预或对抗长期睡眠剥夺带来的不利影响,不利于战场环境的使用。基于上述需求,我们采用凝胶骨架技术,研制了咖啡因缓释片,已获原总后勤部卫生部批准进行临床研究。凝胶骨架片技术工艺成熟、质量稳定,原料INCB018424作用易得、成本低廉,携带和服用方便,尤其适合于军队特需药品的装备和保障。咖啡因的主要药理作用为:(1)对中枢神经系统各主要部位均有兴奋作用,首先表现在大脑皮层方面。小剂量(50-200mg)可出现精神振奋,思维活跃,疲劳减轻,睡意减少,持续脑力劳动的能力增加,但不能提高细致肌肉协调工作或精确计时工作中新近学会的动作技巧。当剂量增加时(200-500mg)可产生紧张、焦虑烦躁、失眠、头痛、震颤、感觉过敏及其他中枢兴奋性症状。进一步增加剂量则可以引起惊厥和呕吐。(2)咖啡因可以兴奋延髓脑血管运动中枢,使血压略升。(3)直接松弛平滑肌。(4)利尿作用。(5)促进胃液分泌。(6)可增加肌肉活动的能力。咖啡因作为中枢神经系统的兴奋药,其在细胞水平上主要有四种作用机制:(1)作为细胞肌浆网理阿诺碱受体(ryanodine receptor(Ry R))的激动剂,能引发对阿诺碱敏感的钙库释放,从而促使肌浆网释放钙离子,增加细胞内的钙离子浓度,同时增强肌纤维对钙离子的敏感性;(2)抑制磷酸二酯酶,使组织及肌肉内环磷腺苷(c AMP)的浓度升高;(3)具有γ-氨基丁酸受体拮抗作用;(4)中枢腺苷受体(A)拮抗剂。已有研究表明,睡眠剥夺会对人员注意力DS-3201小鼠、记忆力、反应力、计算力、认知功能、作业能力、生理心理和情绪状态等各方面产生负面影响,长时期睡眠剥夺也会引起一系列血液生化和神经系统方面的改变。作业能力(PC,performance capacity),是指作业者完成某种作业所具备的生理、心理特征,综合体现了个体所蕴藏的内部潜力,包括体力劳动作业能力和脑力劳动作业能力。而战场的复杂环境,考验参战人员综合作业能力,需要高度集中的注意力、敏锐的反应力、良好的记忆力、精准的计算力和稳定的情绪心理能力来支持,而持久集中的注意力又是各项功能和作业能力得以发挥的基础。目前,注意力测试工具种类繁多,不同的注意力测试工具的特点也各不相同,可根据研究目的、观察指标及研究条件等需求选用一种或多种测试工具。基于前期各项相关测试工具的文献检索、实际使用和测评反馈,以及基于战场复杂环境的需要,我们改良了一款传统的注意力测评工具,即持续作业测试(CPT,continuous performance test),并融合其他作业能力测评工具于一个共同终端,用于检验受试人员的作业能力水平。改良后的注意力测评工具的信度和效度如何,睡眠剥夺对健康人群认知功能和作业能力到底会造成何种程度的影响,以及我们研制的咖啡因缓释片用于增强睡眠剥夺后作业能力的实际功效如何,都是本研究的重点内容。第一部分一种改良的连续作业测试及临床评价研究目的:探究改良后的注意力测评工具的信度和效度。研究方法:30名健康受试者在同一时间段内完成三个版本的CPT测评,CPT1为传统版本的CPT,CPT2在CPT1基础上增加选择性注意力的考核,CPT3在CPT2的基础上将固定时间间隔改为随机时间间隔。观察受试者的正确反应时间、正确数、错误数、遗漏数,以考察改良后的CPT3效度,通过折半信度和重复信度考察其可靠性。研究结果:3个版本CPT中,CPT1的正确率最高,正确反应时间最短,错误率与遗漏率最低,说明传统CPT1的难度较低,对于年轻健康受试者的绩效区分度不高。与CPT1相比,CPT2和CPT3的正确率降低,正确反应时间增加,错误率与遗漏率有不同程度的增加(P<0.01);且CPT3正确率低于CPT2,错误率、遗漏率和正确反应时间显著高于CPT2(P<0.01),CPT1和CPT2正确率分布集中在95%以上,分布狭窄,CPT3的正确率分布较CPT1、CPT2更宽,以上充分说明CPT3的难度大于CPT1和CPT2,对于年轻健康受试者的绩效区分度最高。3个版本CPT的折半信度均大于0.8,CPT1、CPT2的重复信度均小于0.5,稳定性不足,而CPT3的重复信度为0.964,大于0.8。研究结论:改良版本的注意力测试工具CPT3,相较于传统CPT,能够更好地反映出受试人群在特定背景下的注意力以及认知、工作学习能力的变化,能够用于评价睡眠剥夺对注意力的损害以及相关药物的治疗效果。第二部分睡眠剥夺对健康人群认知功能和作业能力的影响研究目的:探究睡眠剥夺对健康人群认知功能和作业能力的影响。研究方法:根据前期开展的“咖啡因缓释片在睡眠剥夺条件下影响持续性注意力的随机、双盲、安慰剂平行对照临床试验”的预实验结果,开展连续睡眠剥夺36小时,于SD18h单次给药300mg(咖啡因缓释片或安慰剂)的平行对照正式试验。采用PASS 15软件估算正式试验所需样本量,按照约20%的脱落率计算,安慰剂组、试验组的样本量均为28例,总共56例,本研究实际招募受试者60例,安慰剂组和试验组各30例(因为中途脱落,实际全程完成试验的安慰剂组和试验组受试者分别为28人和29人),并在揭盲后重点研究安慰剂组睡眠剥夺前后相关时间点主要测试指标CPT(连续作业测试)和辅助测试指标STROOP(色词测试)、连续相加测试的成绩变化和POMS(情绪情感状态)、SSS(斯坦福嗜睡量表)的得分情况。所有统计检验均采用双侧检验,P值小于或等于0.05将被认为所检验的差别有统计学意义。研究结果:为排除人体昼夜生理节律对试验结果的影响,对比安慰剂组睡眠剥夺试验开始后间隔24小时的时间点,CPT、STROOP和连续相加三种测试的正确率和平均正确反应时间的差异在(SD5与SD29)和(SD11与SD35)都具有统计学意义(P<0.05)。对比所有受试者试验开始后2小时(SD2),和试验开始后17小时(SD17,给药前),及安慰剂组SD2和恢复性睡眠清醒后(weak),主要关键指标(CPT正确率),及相关辅助指标均有统计学意义(P<0.05)。研究结论:连续睡眠剥夺对健康人群的认知功能和作业能力均有显著影响,睡眠剥夺时间越长,影响越显著。长时间睡眠剥夺经过短期恢复性休息后,其部分作业能力也未能完全恢复。第三部分咖啡因缓释片增强睡眠剥夺后作业能力的研究研究目的:探究咖啡因缓释片对睡眠剥夺后作业能力的提升和药物安全性研究方法:根据前期开展的“咖啡因缓释片在睡眠剥夺条件下影响持续性注意力的随机、双盲、安慰剂平行对照临床试验”的预实验结果,开展连续睡眠剥夺36小时,于SD18h单次给药300mg(咖啡因缓释片或安慰剂)的平行对照正式试验。采用PASS 15软件估算正式试验所需样本量,按照约20%的脱落率计算,安慰剂组、试验组的样本量均为28例,总共56例,本研究实际招募受试者60例,安慰剂组和试验组各30例(因为中途脱落,实际全程完成试验的安慰剂组和试验组受试者分别为28人和29人),设定SD23h CPT正确率为主要考察指标(根据前期预实验结果和相关文献研究),STROOP(色词测试)、连续相加测试的正确率及平均正确反应时间和POMS(情绪情感状态)、SSS(斯坦福嗜睡量表)的得分情况及CPT除SD23h外其它时间的正确率、平均正确反应时间为辅助测试指标,对比试验组和安慰剂组服药后各睡眠剥夺时间点的测试成绩表现及药物安全性。所有的统计检验均采用双侧检验,P值小于或等于0.05将被认为所检验的差别有统计意义。研究结果:安慰剂组和试验组的SD23h CPT正确率(主要评价指标)分别为77.95%±12.76%和88.43%±7.02%,P=0.0003<0.05,结果有统计学差异;在不同睡眠剥夺时间点,多个辅助指标亦有统计学差异(P<0.05),试验药物的安全性指标无统计学差异(P>0.05)。研究结论:连续睡眠剥夺36小时,于SD18h单次给药300mg的平行对照试验可完成咖啡因缓释片对剥夺睡眠后作业能力影响的疗效及安全性评价;研究表明,与空白安慰剂相比,单次服用300mg咖啡因缓释片可明显改善睡眠剥夺后受试者的快速反应能力、持续作业能力、计算能力和主观疲劳程度、情绪情感状态,其安全性良好。