楊 靜(綜述) 李萌萌(審校)

(1.遼寧醫(yī)學院研究生院， 遼寧，錦州 121001；2.解放軍總醫(yī)院第一附屬醫(yī)院麻醉科， 北京100048)

·綜 述·

全身麻醉藥物導致發(fā)育大腦神經(jīng)凋亡的可能機制

楊 靜1,2(綜述) 李萌萌2(審校)

(1.遼寧醫(yī)學院研究生院， 遼寧，錦州 121001；2.解放軍總醫(yī)院第一附屬醫(yī)院麻醉科， 北京100048)

近年來臨床及基礎研究均提示，全身麻醉藥物對于發(fā)育期大腦會產(chǎn)生短暫或長期的影響，稱為麻醉誘導的神經(jīng)發(fā)育毒性(AIDN)[1]。臨床研究難以監(jiān)測中樞神經(jīng)系統(tǒng)的損害，只能通過神經(jīng)心理學測試等手段間接獲得神經(jīng)系統(tǒng)損害的證據(jù)。最初的基礎研究結(jié)果顯示妊娠大鼠接受亞濃度的氟烷會影響新生大鼠大腦神經(jīng)突觸的發(fā)生[2]。后來有報道：給出生7 d后的大鼠注射氯胺酮，會引起廣泛的腦神經(jīng)細胞凋亡，并可能與成年后神經(jīng)發(fā)育紊亂相關[3]。到目前為止，幾乎所有的麻醉與鎮(zhèn)靜藥物對于嚙齒類動物、靈長類動物的幼崽均可引起廣泛的神經(jīng)細胞凋亡[4]，如靜脈麻醉藥丙泊酚[5-7]、氯胺酮[8]，吸入麻醉藥尤其是異氟醚[9]，均可引起發(fā)育期大腦的神經(jīng)凋亡及成年后的認知功能損傷，且具有年齡、接觸時間、劑量依賴和多種藥物協(xié)同性[10-12]。全身麻醉藥物導致發(fā)育期中樞神經(jīng)細胞凋亡的作用機制尚不明確，現(xiàn)將其可能機制綜述如下。

1 激活γ-氨基丁酸A(GABAA)受體，阻滯N-甲基-D-天冬氨酸(NMDA)受體

研究顯示，麻醉藥物僅作用其中一條通路，就可能引起發(fā)育大腦廣泛的神經(jīng)凋亡，其損害程度與麻醉作用時間及用藥量相關[11-12]。當麻醉藥物作用于兩條通路時，則更易引起神經(jīng)細胞凋亡。一氧化氮、咪達唑侖、異氟烷三者共同麻醉將導致嚴重的神經(jīng)細胞凋亡，造成神經(jīng)退行性改變[8]。

人類大腦發(fā)育階段主要在出生后2～3歲，而嚙齒類動物則在出生后2～3周。此期間，血腦屏障尚未發(fā)育完全，神經(jīng)突觸的發(fā)生及神經(jīng)遞質(zhì)的作用與成年大腦不同。谷氨酸作用于NMDA受體，釋放神經(jīng)營養(yǎng)因子，調(diào)節(jié)神經(jīng)元的樹突、軸突結(jié)構發(fā)育，并參與突觸可塑性的形成，影響神經(jīng)元存活。發(fā)育期應用麻醉藥物會抑制谷氨酸與NMDA受體的結(jié)合或使GABA受體激活，干擾正常神經(jīng)突觸的發(fā)育，引起大腦神經(jīng)元的結(jié)構改變，加速神經(jīng)元退化和凋亡[8]。GABA受體被激活，選擇性氯離子通過增加，引起神經(jīng)元超極化，神經(jīng)信號傳遞受到抑制，具有激活GABA受體的麻醉藥物增強其表達，氯離子過度內(nèi)流，造成早期神經(jīng)發(fā)育過程中的過度興奮，從而增加神經(jīng)細胞凋亡，使認知功能減退[14]。

2 神經(jīng)元內(nèi)鈣穩(wěn)態(tài)失衡

在神經(jīng)系統(tǒng)發(fā)育和可塑性中，神經(jīng)元內(nèi)鈣離子通過多途徑信號轉(zhuǎn)導，調(diào)節(jié)神經(jīng)元存活及樹突與軸突的結(jié)構和可塑性，進而影響神經(jīng)元回路形成及學習記憶過程[15]。鈣超載將破壞神經(jīng)細胞質(zhì)膜功能，影響神經(jīng)可塑性、蛋白質(zhì)合成及神經(jīng)膠質(zhì)細胞的作用，干擾神經(jīng)發(fā)育和抑制線粒體功能。細胞內(nèi)鈣超載、鈣穩(wěn)態(tài)失衡是神經(jīng)系統(tǒng)中細胞壞死的共同通路。細胞內(nèi)鈣穩(wěn)態(tài)通過內(nèi)質(zhì)網(wǎng)攝入與釋放鈣離子來維持。攝入通道只有內(nèi)質(zhì)網(wǎng)鈣泵，而釋放鈣離子通道有兩種：Ryano dine受體(RYR)和肌醇-1,4,5-三磷酸受體(IP3R)。RYR存在于內(nèi)質(zhì)網(wǎng)/肌漿網(wǎng) (ER/SR)上的鈣釋放通道，能迅速將鈣離子從ER/SR中釋放出來, 發(fā)揮其生理功能。IP3R誘發(fā)鈣離子從胞內(nèi)儲庫中釋放出來，瞬間增加胞液中鈣濃度[16]。

Zhao等[17]研究證明，異氟醚的神經(jīng)毒性與細胞內(nèi)鈣穩(wěn)態(tài)失衡有關,在足夠藥量、充分麻醉維持下，內(nèi)質(zhì)網(wǎng)IP3R被激活，導致細胞質(zhì)內(nèi)鈣離子過量，引起神經(jīng)細胞凋亡。Sinner

等[18]在研究氯胺酮對神經(jīng)發(fā)育的影響時，也發(fā)現(xiàn)神經(jīng)細胞內(nèi)鈣離子的平衡發(fā)生改變。Joseph等[16]應用電生理膜片鉗進行研究，再次證明臨床濃度異氟醚直接作用于IP3R，增強了雞淋巴細胞內(nèi)的鈣離子濃度，引起Caspase酶加倍激活，觸發(fā)神經(jīng)毒性作用。Chen等[19]將果蠅蛹暴露于不同濃度七氟烷下，發(fā)現(xiàn)鈣離子通道發(fā)生調(diào)整，興奮性突觸后電流下降，影響突觸可塑性，引起神經(jīng)細胞凋亡。

麻醉藥物引起鈣穩(wěn)態(tài)失衡促發(fā)神經(jīng)細胞凋亡的機制可能為：麻醉藥物通過激活IP3R，內(nèi)質(zhì)網(wǎng)釋放鈣離子，使細胞質(zhì)及線粒體內(nèi)鈣離子水平升高，線粒體內(nèi)的鈣離子被其膜上鈣蛋白攝取，并促進細胞色素C(CytC)及凋亡蛋白酶活化因子釋放，引起凋亡級聯(lián)反應，Caspase酶激活，誘發(fā)細胞凋亡。同時，CytC抑制細胞質(zhì)內(nèi)鈣離子含量對IP3R的負反饋作用，使內(nèi)質(zhì)網(wǎng)過度釋放鈣離子，形成惡性循環(huán)。Caspase-3作為凋亡蛋白，也可活化IP3R。這些反應的疊加，均造成鈣穩(wěn)態(tài)失衡，導致神經(jīng)細胞凋亡[17]。

3 神經(jīng)營養(yǎng)因子(NT)P75受體的激活

NT是一類主要由神經(jīng)所支配的組織(如肌肉)和星形膠質(zhì)細胞產(chǎn)生的，為神經(jīng)元生長與存活所必需的蛋白質(zhì)分子。以受體介導式入胞的方式進入神經(jīng)末梢，再經(jīng)逆向軸漿運輸?shù)诌_胞體，促進胞體合成有關的蛋白質(zhì)，從而發(fā)揮其支持神經(jīng)元生長、發(fā)育和功能完整性的作用。NT包括神經(jīng)生長因子(NGF)，腦源性神經(jīng)營養(yǎng)因子(BDNF)及神經(jīng)營養(yǎng)因子3、4/5(NT-3、NT-4/5)等。在神經(jīng)末梢上有兩類受體，高親和力的酪氨酸激酶受體(Trk A、Trk B和Trk C)及低親和力的75 kD的膜蛋白，稱為 P75受體(P75 NTR)。越來越多的實驗表明，NT與其受體，尤其是P75 受體，在神經(jīng)系統(tǒng)發(fā)育及神經(jīng)病理狀態(tài)中有誘導神經(jīng)細胞凋亡的作用[20-21]。

Pearn等[20]發(fā)現(xiàn)，無論試管內(nèi)還是體內(nèi)試驗，在丙泊酚誘導發(fā)育期大腦神經(jīng)細胞凋亡的過程中，出現(xiàn)P75受體激活，下游效應器RhoA激酶活化。Head 等[21]研究發(fā)現(xiàn)，以組織纖溶酶原激活劑(tPA)、血纖維蛋白溶酶(plasmin)、P75受體抑制劑 (TAT-Pep5)預處理可以減少吸入異氟烷引起的神經(jīng)細胞凋亡。以上研究提示，P75受體參與全麻藥物影響發(fā)育中神經(jīng)細胞凋亡這一過程。

全麻藥物導致神經(jīng)細胞凋亡的機制可能與BDNF前體-P75受體通路相關。BDNF參與大腦神經(jīng)細胞存活與凋亡，BDNF以前體BDNF(proBDNF)形式存儲于神經(jīng)突觸囊泡內(nèi)。正常狀態(tài)下，proBDNF接受信號被釋放至突觸間隙，被tPA激活的plasmin溶解proBDNF，將其轉(zhuǎn)化為成熟BDNF(mBDNF)，mBDNF激活后，作用于突觸前依賴鈣離子的原肌球蛋白相關激酶B受體，提高膜泡融合，增加興奮性突觸后電流頻率，誘導神經(jīng)存活通路，神經(jīng)突增生、突觸成熟，神經(jīng)元穩(wěn)定。當proBDNF因麻醉藥物或缺氧等影響，無法裂解生成mBDNF時，過多的proBDNF作用于P75受體激活下游效應器RhoA激酶，RhoA激酶作為三磷酸鳥苷酶，主要影響肌動蛋白細胞骨架聚合，從而造成抑制軸突生長，誘發(fā)神經(jīng)凋亡[21]。

4 細胞周期的異常改變

細胞周期是指真核細胞有絲分裂進行細胞增殖的循環(huán)過程，由G1、S、G2和M期組成，依賴于細胞周期蛋白(Cyclin A～ Cycling H)及周期蛋白依賴激酶(CDK) 來調(diào)控；細胞周期蛋白及CDK還參與細胞的凋亡過程。細胞依賴細胞周期進行增殖，若增殖細胞已達到高度分化，則增殖停止；若繼續(xù)增殖，則稱為病理性增殖，將造成不受控制的增殖或腫瘤。因此，高度分化的神經(jīng)細胞若再次進入細胞周期循環(huán)過程而開始增殖(細胞周期再入)，將會啟動神經(jīng)細胞凋亡系統(tǒng)，造成神經(jīng)細胞變性凋亡。在細胞周期變化引起的凋亡系統(tǒng)中，細胞周期關鍵蛋白Cyclin D1作為整個過程的啟動因子，被激活后與CDK4形成復合物，再磷酸化其底物蛋白細胞活化轉(zhuǎn)錄因子(E2F1)。在高度分化的神經(jīng)細胞中，活化的轉(zhuǎn)錄因子E2F1可調(diào)節(jié)細胞死亡調(diào)節(jié)子抗體BIM的轉(zhuǎn)錄，BIM可激活caspase-3導致細胞走向凋亡[22]。

Herrup等[23]發(fā)現(xiàn)神經(jīng)凋亡細胞中出現(xiàn)細胞周期相關蛋白，推測神經(jīng)細胞周期異常改變是神經(jīng)凋亡的潛在機制。Soriano 等[24]研究氯胺酮致神經(jīng)細胞凋亡機制時發(fā)現(xiàn)神經(jīng)細胞周期再入；基因敲除Cyclin D1，凋亡有所衰弱?？梢?，神經(jīng)細胞周期再入可能參與麻醉藥物致神經(jīng)細胞凋亡過程。

5 線粒體介導的凋亡途徑

線粒體介導的凋亡途徑又稱為內(nèi)源性細胞凋亡途徑，與線粒體跨膜電位和通透性改變相關。線粒體對細胞凋亡的啟動和調(diào)控具有重要意義, 也是凋亡執(zhí)行的關鍵環(huán)節(jié)。各種因素誘使線粒體通透性轉(zhuǎn)換孔開啟，凋亡相關活性物質(zhì)釋放, 繼而激活Caspase酶系，是細胞凋亡實現(xiàn)的最基本生物化學途徑[25]。

褪黑激素通過抑制線粒體介導的凋亡途徑，可發(fā)揮抗凋亡效應[26]。維他命C、葡萄糖[27]也可抑制異氟醚引起的線粒體凋亡途徑，減少活性氧產(chǎn)生、使ATP量減少，從而進一步抑制caspase酶引起的凋亡活動，防止認知功能受損。麻醉藥物作用下，線粒體釋放CytC。進入胞質(zhì)的CytC與凋亡蛋白酶活化因子1(Apaf-1)結(jié)合并將其激活，然后結(jié)合輔助因子dATP/ATP，Apaf-1募集pro-caspase-9自身活化，引起下游的效應者caspase酶系級聯(lián)反應，使細胞凋亡。由此可見，該途徑在麻醉誘導細胞凋亡中有一定作用[26]。

綜上所述，全身麻醉藥物使早期暴露于麻醉藥物下的發(fā)育期神經(jīng)細胞凋亡，隨后的認知損害可能與神經(jīng)干細胞及神經(jīng)細胞形成數(shù)量的降低或發(fā)育期神經(jīng)炎癥相關[28-29]。其作用機制的探討，為尋找預防措施減少神經(jīng)損害提供了理論依據(jù)。例如，應用IP3R拮抗劑光溜海綿素(xestospongin C)可抑制鈣穩(wěn)態(tài)失衡引起的細胞凋亡[17]；通過tPA、plasmin及TAT-Pep5斬斷P75受體激活途徑而減少細胞退化[21]；抗氧化劑維他命C、葡萄糖[27]及褪黑激素[26]穩(wěn)定線粒體，抑制線粒體介導的細胞凋亡等。在目前尚無明確結(jié)論的情況下，對于發(fā)育期兒童的手術麻醉，宜選用對神經(jīng)系統(tǒng)影響較小的麻醉藥物，避免多次及長時間的手術麻醉。對于擇期手術患兒，建議盡可能在4歲以后實施，以降低發(fā)生神經(jīng)系統(tǒng)及認知損害的幾率。

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10.3969/j.issn.1672-8521.2015.01.017

吳階平醫(yī)學基金會臨床科研專項基金資助(320.6750.13220)通訊作者：李萌萌，副主任醫(yī)師(E-mail:mmli2@yahoo.com)

2014-12-12)