NMDA受體拮抗劑和GABAA受體激動劑對未成熟大腦的影響及可能的防治措施

李清，陸江，王焱林

(1.湖北醫藥學院附屬太和醫院 麻醉科，湖北 十堰 442000； 2.武漢大學中南醫院 麻醉科，湖北 武漢 430071)

隨著現代醫療技術的提高，新生兒和嬰幼兒手術及有創性治療的開展越來越廣泛，小兒應用全麻藥物日益普遍。全麻藥的共同作用機制是通過作用于中樞神經系統的N-甲基D-天冬氨酸(NMDA)受體和γ-氨基丁酸A亞型(GABAA)受體從而改變中樞神經系統的興奮性。新近動物實驗研究發現，GABAA受體和NMDA受體在大腦發育階段發揮重要作用[1-2]，突觸形成期是所有哺乳動物未發育成熟大腦都必須經歷的快速發育期[3]，此時有數十億計的突觸連接網絡形成，且內外環境變化對中樞神經系統影響顯著[4]。若突觸形成期用藥物短暫性過度激動GABAA受體或(和)阻斷NMDA受體，均可觸發數百萬計的神經元細胞凋亡[5-6]，這表明全麻藥物對幼年動物腦發育有顯著影響。全麻藥物對人類大腦發育階段的影響究竟如何，會不會影響小兒的學習、記憶和認知功能，現在尚不清楚。目前小兒麻醉的合理用藥及安全性受到廣泛關注。作者對國內外關于該領域的研究進行綜述。

1 NMDA受體拮抗劑和GABAA受體激動劑對未成熟大腦的影響

幾乎所有全麻藥和部分神經安定鎮靜藥的共同藥理作用機制，是通過作用于中樞神經系統突觸部位的NMDA受體和GABAA受體而改變中樞神經系統的興奮性。其中作為NMDA受體拮抗劑減弱NMDA受體興奮效應的藥物有氧化亞氮、氙氣、氯胺酮等，GABAA受體激動劑增強對GABAA受體抑制效應的藥物包括巴比妥類、苯二氮卓類、異氟烷、七氟烷、安氟烷、地氟烷、依托咪酯、丙泊酚等。新近大量動物實驗研究證實作用于NMDA受體和GABAA受體的藥物對幼年動物腦發育有顯著影響。中樞神經系統快速發育過程中，細胞凋亡是清除非正常神經細胞的必需方式，這保證了神經系統的合理、正常結構，但病理性細胞凋亡則將導致神經網絡結構破壞。在哺乳動物未發育成熟大腦的快速發育期——突觸形成期，有數十億計的突觸連接網絡形成，若在此關鍵時期，用藥物短暫性過度激動GABAA受體或(和)阻斷NMDA受體，均可觸發數百萬計的神經元細胞凋亡[7-8]。新生鼠用臨床相關濃度的全麻藥處理6 h以上，可同時拮抗NMDA受體和激動GABAA受體而導致廣泛的神經元凋亡。麻醉藥物如氟烷、N2O、異氟烷、氯胺酮、丙泊酚等在腦快速發育期都有敏感的神經毒性，可誘發未成熟大腦神經細胞死亡、影響神經突觸發育，從而導致成年后學習認知功能受損，其損害程度與劑量呈正相關[9-10]。

1.1 NMDA受體拮抗劑對腦發育的影響

NMDA 受體在神經元遷移過程中發揮重要調控作用。大腦快速發育的突觸形成期是NMDA受體的過度敏感期階段，這時表達NMDA受體的神經元細胞對其NMDA受體活性異常敏感。妊娠后期持續到出生后兩星期是幼年大鼠的大腦快速發育期，在這期間短暫性應用NMDA受體拮抗劑可誘發大量神經元細胞凋亡[7]。該研究結果是在幼鼠腦沖擊傷模型探討外傷對未成熟大腦損傷影響時被發現的[11]：用適當沖擊力擊打出生7 d大鼠的頭頂部時，外力通過顱骨傳導導致受力部位對應的大腦皮層出現較小范圍創傷興奮毒性損傷和凋亡，但在其大腦對應部位深部較遠位置也出現延遲性的擴散性神經細胞凋亡；在幼鼠腦沖擊傷模型實驗中，于頭頂部沖擊傷之前用MK-801(NMDA受體拮抗劑)進行預處理，結果發現，減輕了創傷部位大腦皮層的凋亡和損傷而顯著增加了其對應深部擴散性延遲性凋亡，由此推測NMDA受體拮抗劑可能促進快速發育期未成熟大腦的神經細胞凋亡。進一步的實驗證實，NMDA受體拮抗劑(苯環己哌啶、MK-801及氯胺酮等)可誘發出生7 d大鼠未成熟大腦重要區域神經元細胞的大量凋亡。與突觸形成期處于同一時間段，人類NMDA受體拮抗劑時限性神經毒性發生在妊娠后期3個月持續到出生后3年(大腦快速發育的突觸形成期)，且與年齡有相關性[7]。

1.2 GABAA受體激動劑對腦發育的影響

GABAA受體激動劑可誘發未成熟大腦的重要區域神經元細胞大量凋亡[8]。巴比妥類(如戊巴比妥、苯巴比妥等)和苯二氮卓類(如安定、咪唑安定、氯硝安定等)都可誘發幼鼠神經細胞大量凋亡且有劑量依賴性，各類GABAA受體激動劑誘發未成熟大腦神經細胞凋亡的分布部位基本一致，但與NMDA受體拮抗劑的分布型有些不同。巴比妥類和苯二氮卓類藥物只誘發快速發育期大腦神經細胞凋亡且與發育年齡相關。乙醇(即酒精)既是GABAA受體激動劑又是NMDA受體拮抗劑，乙醇血漿濃度(200 mg·dl-1)作用 4 h，可誘發快速發育期未成熟大腦異常廣泛和嚴重的神經元細胞凋亡變性[8]，電鏡下觀察發現乙醇對神經細胞的損傷具有凋亡的典型特征，乙醇的這種作用可以解釋妊娠期孕婦服用乙醇引起的以腦組織結構改變和神經性行為異常為特征的嬰兒乙醇綜合征。目前GABAA受體激動劑在臨床上以麻醉、鎮靜、神經安定及抗癲癇等藥理效應用于麻醉科手術室、兒科、ICU、產科、神經內外科等。在臨床應用研究中發現，巴比妥類和苯二氮卓類等藥物在抗癲癇治療中所用劑量已遠遠超過其誘發神經元大量凋亡的臨界值，在妊娠晚期孕婦、新生兒及嬰幼兒應用上述藥物都可誘發胎兒或嬰兒未成熟大腦重要區域的神經元細胞大量凋亡而導致其頭圍縮小和認知能力損害或障礙[12]。

1.3 NMDA受體拮抗劑和GABAA受體激動劑單獨或聯合應用對腦發育的影響

新近大量動物實驗研究發現，NMDA受體拮抗劑或GABAA受體激動劑單獨應用對動物神經系統發育的影響為：氯胺酮可引起劑量依賴和時間依賴性的神經變性損傷，長期使用臨床麻醉濃度的氯胺酮對幼年動物中樞神經系統發育可產生神經毒性影響[13-14]；丙泊酚可誘發短暫性神經功能異常，但不引起長期的認知功能障礙；七氟烷應用于新生小鼠引起其神經元結構變化和認知功能障礙。另有研究發現，經歷過麻醉的新生動物在成年后發生了認知功能障礙。目前并沒有前瞻性研究來評估全身麻醉所導致一過性、短暫的神經后遺癥。

目前臨床上為了避免單用一種藥物高濃度可能帶來的副作用和提高患兒的舒適度，在小兒麻醉或用于其他治療目的時通常選擇復合用藥，患兒通常同時或先后接觸幾種不同的麻醉、鎮靜或抗癲癇藥。由于大多數全麻藥、鎮靜、神經安定及抗癲癇藥物都具有擬GABAA或(和)拮抗NMDA的特性，探討復合用藥在神經毒性方面作用是否相加或協同至關重要。大量的實驗證據顯示，幾種全身麻醉藥物同時使用可加重大腦皮質的損害，若同時使用即使是低濃度的氯胺酮和氧化亞氮，即可產生比藥物毒性相加更強的神經毒性作用。NMDA拮抗劑和GABAA受體興奮劑按常用劑量聯合使用所導致的神經毒性嚴重程度可與高血濃度的乙醇相比，其引起的雙重神經元凋亡損傷分布型與給予乙醇后出現的神經元凋亡分布型一致[8]。復合應用鎮靜濃度的咪達唑侖和氯胺酮比單獨使用其中任一種藥物能更顯著地引起幼年小鼠大腦細胞的凋亡[3]。出生10 d的小鼠接受氯胺酮復合丙泊酚或硫噴妥鈉導致發育腦組織廣泛的神經退行性變，且有永久性自發活動和學習能力缺陷[7]。當丙泊酚與氯胺酮復合應用于幼年大鼠時會引起劑量依賴性神經損傷，導致行為和認知功能障礙[13]。以上研究結果提示：全身麻醉藥物聯合應用所致腦發育過程中神經元損傷的情況值得高度重視，系統地評估復合全身麻醉藥物對小兒患者腦發育方面的影響確有必要。

2 NMDA受體拮抗劑和GABAA受體激動劑對神經干細胞(NSCs)增殖分化過程的影響

2.1 NSCs在腦發育與神經再生過程中的作用

NSCs是指存在于中樞神經系統具有自我更新、自我繁殖能力和多向分化潛能(可分化為神經元、星形膠質細胞、少突膠質細胞)，并可提供足量腦組織的細胞[15]。自1992年Renyolds從成年哺乳動物腦內分離培養出NSCs并證實成年人體內存在NSCs以來，關于NSCs研究已成為現代神經科學的研究熱點[16]。大量研究已證實，NSCs廣泛存在于哺乳動物胚胎和新生機體內神經系統，如海馬、室管膜下區、紋狀體、嗅球和脊髓等。NSCs增殖分化在神經發育與再生中起著關鍵性作用，學習記憶和認知功能與海馬齒狀回內源性NSCs的神經再生有極密切的關系。

2.2 GABAA受體激動劑和NMDA受體拮抗劑對NSCs增殖分化的影響

NSCs正常增殖分化受自身基因和外來信號共同調節。新近研究發現，細胞內游離鈣離子作為細胞內外信號轉導通路的信使，在NSCs增殖分化和中樞神經系統發育過程的信號轉導中發揮重要作用[17-18]，細胞內游離鈣離子濃度在生理范圍內的升高，可促進細胞增殖分化、合成與分解代謝等正常生理過程；當細胞內游離鈣離子濃度升高至鈣超載時，將觸發一系列病理生理變化，導致代謝紊亂、抑制細胞增殖分化或誘導凋亡發生[19]。通過影響神經細胞內游離鈣離子濃度變化發揮藥理作用，是NMDA受體拮抗劑和GABAA受體激動劑最重要的藥理作用機制之一。細胞實驗發現，異氟烷不會導致NSCs死亡，但可抑制NSCs增值和分化，并促進新分化神經細胞凋亡[20]。七氟烷和地氟烷是否抑制未成熟腦組織NSCs增值及誘發分化的神經細胞凋亡或干擾樹突發育，還有待進一步研究。氯胺酮通過降低細胞內鈣離子濃度明顯抑制胚胎大鼠腦NSCs增殖，并誘發NSCs大量凋亡，同時影響其分化趨勢，使其向星型膠質細胞分化比例明顯增加而向神經元分化比例減少，且有劑量依賴性[21]。丙泊酚通過升高細胞內鈣離子濃度，臨床相關劑量可促進大鼠NSCs增殖向神經元細胞分化，高濃度時明顯抑制NSCs增殖并誘發細胞大量凋亡[22]。最新研究發現，與細胞增殖、分化和凋亡相關的Bach1、Nrf2、Nurr1、CyclinD1、Survivin和aven基因在NSCs增殖分化和腦發育過程中發揮關鍵作用[23-25]。NMDA受體拮抗劑和GABAA受體激動劑是否影響細胞增殖、分化和凋亡相關基因表達，從而影響NSCs增殖分化和腦發育過程，有待進一步深入研究。

3 單唾液酸四已糖神經節苷脂(GM1)對快速發育未成熟大腦可能的保護作用

盡管有很多關于全麻、鎮靜、神經安定及抗癲癇藥物對小兒腦發育影響的研究報道[26]，但是棄用目前在小兒手術和其他疾病治療中常規使用的這些藥物是不現實的，且在小兒群體中評價這些藥物對小兒腦發育影響的工作較難開展。如何減少全麻藥對小兒腦發育的影響，是迫在眉睫的課題。因此開展相關實驗研究，探討現階段常用于小兒的全麻、鎮靜、神經安定及抗癲癇藥物對神經系統發育的影響很有意義。

神經節苷脂(ganglioside，GS)是位于細胞膜表面的一種含唾液酸糖鞘脂，占細胞漿總脂類的5%～20%，主要位于雙脂層的外表面，是大多數哺乳動物細胞膜的組成成分。GM1是GS家族的重要亞型之一，它是神經元包膜中含量最豐富的GS，只存在于神經系統中，具有促進神經再生、促進神經軸突生長和形成、恢復神經支配功能、改善神經傳導、促進腦電活動及其他神經電生理指標的恢復、保護細胞膜、促進細胞膜各種酶活性恢復等作用。其可能作用機制為：(1) 作為細胞膜的保護劑，直接嵌入受損神經細胞膜填補缺損，保持細胞膜的完整性；(2) 維持細胞膜上Na+-K+-ATP酶和Ca2+-Mg2+-ATP酶的活性，減緩缺血后腦組織能量缺乏，維持細胞內外離子平衡、減輕神經細胞水腫、抑制細胞內鈣的超載，抑制一氧化氮大量合成和細胞凋亡[27-28]；(3) 抑制病理性脂質過氧化反應，減少自由基的產生，增加超氧化物歧化酶、谷胱甘肽過氧化物酶、過氧化氫酶的含量，增加對氧自由基的清除能力；(4) 拮抗興奮性氨基酸的神經毒性作用，減輕神經元細胞的變性、壞死；(5) 與內源性神經營養因子有協同作用，增強其效應[29]；(6) 促進NSCs增殖和分化[30-31]。

GM1對中樞神經系統損傷具有明顯的修復作用。外源性GM1易于通過血腦屏障，聚集到受損腦區，嵌入細胞膜內，模仿內源性GM1功能，發揮其神經營養作用并抵抗各種因素所致的神經損傷。外源性GM1作為新型的神經保護劑，具有較好的臨床應用前景。若圍術期GM1與全麻藥聯合使用對快速發育未成熟大腦是否有保護效應？目前尚不清楚。如果外源性GM1與全麻藥聯合使用，將為圍術期小兒神經系統發育的保護提供新的臨床思路和措施，有重要的研究價值和臨床意義。

4 總結與展望

綜上所述，GABAA受體和NMDA受體在未成熟大腦發育階段和NSCs的增值分化過程中發揮著重要作用。作用于NMDA受體和GABAA受體的藥物對快速發育未成熟動物大腦發育有顯著的影響。GM1對中樞神經系統損傷具有促進神經再生、促進神經軸突生長和形成、恢復神經支配功能、改善神經傳導、促進腦電活動及其他神經電生理指標的恢復、保護細胞膜、促進細胞膜各種酶活性恢復等作用。若GM1與全麻藥聯合使用，對圍術期小兒快速發育的未成熟大腦是否有保護效應？目前尚不清楚。開展這方面的研究具有重要的臨床價值，可為小兒麻醉合理用藥和安全性及相關圍手術麻醉期腦發育的藥物保護措施研究提供理論依據，同時對新型麻醉藥及神經精神類藥物開發具有重大指導意義。

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