七氟醚麻醉對發(fā)育期腦組織的神經(jīng)毒性作用研究進(jìn)展

李帥蓉，陶利軍，江波，王奮珍

(內(nèi)蒙古醫(yī)科大學(xué)附屬醫(yī)院，呼和浩特010050)

七氟醚麻醉對發(fā)育期腦組織的神經(jīng)毒性作用研究進(jìn)展

李帥蓉，陶利軍，江波，王奮珍

(內(nèi)蒙古醫(yī)科大學(xué)附屬醫(yī)院，呼和浩特010050)

七氟醚因麻醉誘導(dǎo)、蘇醒快，氣道刺激性小，麻醉平穩(wěn)等優(yōu)點(diǎn)被廣泛應(yīng)用于產(chǎn)科和兒科麻醉中。發(fā)育期腦組織因解剖結(jié)構(gòu)和生理功能不成熟，敏感且易受損。動(dòng)物研究和臨床研究均提示七氟醚麻醉對發(fā)育期腦組織有一定的神經(jīng)毒性，其作用可能與誘導(dǎo)神經(jīng)元異常凋亡、降低突觸可塑性、引發(fā)興奮性/抑制性神經(jīng)遞質(zhì)失衡、造成神經(jīng)元表型缺失有關(guān)。

七氟醚；七氟醚神經(jīng)毒性；神經(jīng)元凋亡；突觸可塑性；興奮性經(jīng)遞質(zhì)；抑制性神經(jīng)遞質(zhì)失衡；神經(jīng)元表型缺失；腦組織；發(fā)育期腦組織；麻醉

隨著外科及麻醉技術(shù)的發(fā)展，全世界每年有將近150萬例嬰幼兒接受全身麻醉[1]。七氟醚因具有血?dú)夥峙湎禂?shù)低，麻醉誘導(dǎo)、蘇醒快，氣道刺激性小，血流動(dòng)力學(xué)平穩(wěn)等優(yōu)點(diǎn)被廣泛用于兒科和產(chǎn)科麻醉，并被認(rèn)為在小兒全麻誘導(dǎo)及維持中有顯著優(yōu)點(diǎn)。但越來越多的研究發(fā)現(xiàn)七氟醚暴露可導(dǎo)致發(fā)育期腦組織神經(jīng)元異常凋亡，甚至?xí)p傷其日后的學(xué)習(xí)、記憶功能，但具體作用機(jī)制目前并不明確。闡明七氟醚對發(fā)育期腦組織神經(jīng)毒性的發(fā)生機(jī)制對圍術(shù)期小兒神經(jīng)保護(hù)具有重大意義。現(xiàn)將發(fā)育期腦組織的特點(diǎn)、七氟醚麻醉對發(fā)育期腦組織的神經(jīng)毒性作用及相關(guān)作用機(jī)制研究進(jìn)展情況綜述如下。

1 發(fā)育期腦組織的特點(diǎn)

脊椎動(dòng)物中樞神經(jīng)系統(tǒng)的發(fā)育起源于外胚層的神經(jīng)管，隨后發(fā)育為脊髓和大腦。嚙齒類動(dòng)物的神經(jīng)管在孕中期形成，相當(dāng)于大鼠胎齡的10.5～11 d、小鼠胎齡的9～9.5 d。而人類神經(jīng)管的形成發(fā)生在孕早期，即懷孕的第3～4周[2]。人類出生時(shí)腦組織神經(jīng)元的數(shù)量約為10億個(gè)，腦組織發(fā)育期間，在多種神經(jīng)生長因子、腦源性營養(yǎng)因子、神經(jīng)遞質(zhì)參與調(diào)節(jié)下，不成熟腦組織向成熟腦組織轉(zhuǎn)化，有50%～70%的神經(jīng)元借助大腦結(jié)構(gòu)、功能的正常建立而凋亡[3]，此階段腦組織對內(nèi)環(huán)境的改變非常敏感，任何對中樞神經(jīng)系統(tǒng)的干擾因素都可能引起神經(jīng)元的異常凋亡和腦組織結(jié)構(gòu)、功能的長期受損。

對出生后人類腦組織發(fā)育情況的評估主要依靠尸檢測量腦組織的重量。Dobbing等[4]首次提出了腦生長的快速爆發(fā)期，相當(dāng)于人類胚胎后3個(gè)月至出生后第2～3年、嚙齒類動(dòng)物產(chǎn)后第7～10天。此期全腦質(zhì)量迅速增加，軸突快速延伸，樹突迅速出芽，突觸大量形成。此期腦組織具有高度可塑性，但對內(nèi)外環(huán)境改變十分敏感，這就為麻醉藥物干擾其正常發(fā)育帶來了可能性。

雖然傳統(tǒng)神經(jīng)解剖學(xué)依據(jù)腦組織質(zhì)量可以初步評估腦組織整體的發(fā)育情況，但是無法單獨(dú)觀察到大腦各個(gè)區(qū)域的發(fā)育情況，而且倫理學(xué)也限制了嬰幼兒傳統(tǒng)神經(jīng)解剖學(xué)的研究。在20世紀(jì)90年代，隨著非侵入性成像技術(shù)的迅速發(fā)展，磁共振成像(MRI)為研究腦組織發(fā)育期特點(diǎn)提供了新的思路，其可相對直觀地反應(yīng)腦發(fā)育期白質(zhì)和灰質(zhì)的變化情況。MRI檢查發(fā)現(xiàn)6歲左右兒童的腦組織體積可達(dá)成人的90%～95%[5]。胎兒6個(gè)月前腦白質(zhì)與灰質(zhì)的MRI顯像特點(diǎn)與成人相反，從胎兒6個(gè)月至其出生后2個(gè)月隨著腦組織含水量下降、髓鞘積累，影像學(xué)改變趨于成人。腦皮質(zhì)隨著年齡呈線性增長，而額葉灰質(zhì)則呈非線性增長(人類11～12歲達(dá)峰，16～17歲時(shí)出現(xiàn)輕微減小)[6]。可見腦組織白質(zhì)和灰質(zhì)的發(fā)育并非完全同步，僅僅依靠腦組織質(zhì)量的改變來評估腦發(fā)育情況是不全面的，分區(qū)域研究腦組織發(fā)育情況很有必要。

發(fā)育期腦組織不僅在結(jié)構(gòu)上與成熟腦組織不同，其神經(jīng)遞質(zhì)的功能也存在特異性。在成熟神經(jīng)元中發(fā)揮抑制作用的γ-氨基丁酸(GABA)，在神經(jīng)元發(fā)育早期是一種重要的興奮性神經(jīng)遞質(zhì)。發(fā)育期海馬神經(jīng)元中GABA和谷氨酸能突觸的成熟是序貫形成的。成熟的神經(jīng)元通過激活α-氨基羥甲基惡唑丙酸受體(AMPAR)來激活N-甲基-D天冬氨酸受體(NMDA)增加神經(jīng)元的興奮性。而在神經(jīng)發(fā)育早期AMPAR發(fā)育不成熟，NMDA的激活需要依靠激活GABA受體實(shí)現(xiàn)[7]。

2 七氟醚對發(fā)育期腦組織的神經(jīng)毒性作用

七氟醚最先于1990年由日本藥監(jiān)部門批準(zhǔn)應(yīng)用于臨床，最初人們認(rèn)為隨著麻醉作用的消失，七氟醚從體內(nèi)徹底代謝,不會(huì)產(chǎn)生長時(shí)間的不良影響。直到2003年Jevtovic-Todorovic等[8]首次報(bào)道七氟醚暴露可引起發(fā)育期嚙齒類動(dòng)物大腦神經(jīng)元異常凋亡并損傷其認(rèn)知功能。這一發(fā)現(xiàn)引起了社會(huì)和醫(yī)學(xué)界的極大關(guān)注。近年來很多研究圍繞七氟醚對發(fā)育期腦組織的神經(jīng)毒性作用展開。

有關(guān)七氟醚對發(fā)育期腦組織神經(jīng)毒性作用的臨床前研究，通常以嚙齒類動(dòng)物和靈長類動(dòng)物為主要研究對象。七氟醚對發(fā)育期腦組織的神經(jīng)毒性作用主要有以下表現(xiàn)：①大腦神經(jīng)元的缺失或形態(tài)改變：新生大鼠單次七氟醚暴露可引起海馬CA1和CA3區(qū)錐體神經(jīng)元缺失增加，神經(jīng)元樹突棘總體密度降低，原始神經(jīng)元丟失、形態(tài)改變，微清蛋白(PV)中間神經(jīng)元表型缺失[9～11]。②凋亡相關(guān)蛋白及基因表達(dá)改變：海馬、丘腦及頂葉皮質(zhì)、紋狀體的凋亡蛋白酶Caspase-3表達(dá)增加[12,13]；神經(jīng)型一氧化氮合酶、糖原合成酶激酶3、Blc-2及磷酸化細(xì)胞外信號(hào)調(diào)節(jié)激酶1/2表達(dá)降低,促凋亡基因Bax表達(dá)增加[14,15]。③調(diào)節(jié)突觸重塑/可塑性相關(guān)基因及蛋白表達(dá)改變：海馬內(nèi)突觸后致密物95(PSD-95)、突觸素Ⅰ(Synapsin-1)、C-Fas(Fas基因家族成員)、腦源性神經(jīng)營養(yǎng)因子( BDNF)水平下降[16]。④學(xué)習(xí)、空間記憶功能障礙:2 h以上2%～3%七氟醚暴露可導(dǎo)致幼鼠成年后空間記憶和學(xué)習(xí)能力受損，主要表現(xiàn)為逃避潛伏期延長和平臺(tái)穿越次數(shù)減少[17,18]。

七氟醚對發(fā)育期腦組織的神經(jīng)毒性是客觀存在的，但動(dòng)物研究結(jié)果是否與人類一致存在很大爭議。其原因主要包括以下幾點(diǎn)：第一，由于倫理學(xué)的限制，七氟醚暴露是否引起小兒神經(jīng)系統(tǒng)的組織病理學(xué)改變很難確定。第二，動(dòng)物研究已經(jīng)發(fā)現(xiàn)七氟醚的神經(jīng)毒性作用具有時(shí)間依賴性[19,20]，動(dòng)物和人是不同物種，其大腦發(fā)育特點(diǎn)顯著不同，嚙齒類動(dòng)物大腦發(fā)育時(shí)長明顯短于人類，相同的七氟醚暴露時(shí)間，嚙齒類動(dòng)物相對于人類來說對發(fā)育期大腦作用時(shí)間更長。第三，與動(dòng)物研究相比，臨床研究很難將七氟醚暴露與疾病本身、手術(shù)因素相區(qū)別。第四，動(dòng)物研究缺乏客觀的監(jiān)測手段，以排除血壓波動(dòng)、血氧降低、二氧化碳蓄積對研究結(jié)果的影響。第五，很多研究為回顧性研究，由于七氟醚暴露時(shí)醫(yī)療水平和監(jiān)測手段的局限性，無法排除術(shù)中血壓、血氧、二氧化碳分壓、麻醉深度等對研究結(jié)果的影響。臨床研究[21]報(bào)道，七氟醚麻醉可使新生兒血清S100-β蛋白及神經(jīng)烯醇化酶水平升高，提示七氟醚暴露可能引起新生兒腦損傷；另外七氟醚麻醉與靜脈麻醉相比，小兒術(shù)后行為異常的發(fā)生率更高[22]。而最近一個(gè)多中心的、關(guān)于吸入麻醉是否影響患兒術(shù)后遠(yuǎn)期認(rèn)知功能的研究[23]發(fā)現(xiàn)，0～3歲的患兒在單次、短期吸入麻醉下行腹股溝疝修補(bǔ)術(shù)后，分別于8歲和15歲時(shí)測得的IQ值與相同年齡段兄弟姐妹IQ值之間無統(tǒng)計(jì)學(xué)差異。

3 七氟醚對發(fā)育期腦組織神經(jīng)毒性作用的可能機(jī)制

3.1 誘導(dǎo)神經(jīng)元異常凋亡 動(dòng)物研究發(fā)現(xiàn)七氟醚暴露可引起嚙齒類動(dòng)物海馬及大腦皮層神經(jīng)元異常凋亡。七氟醚可能通過以下途徑誘導(dǎo)神經(jīng)元凋亡： ①線粒體依賴性途徑： 線粒體不僅能為細(xì)胞供能，在調(diào)控細(xì)胞凋亡的過程中也發(fā)揮重要作用。線粒體通透性轉(zhuǎn)變孔(MPTP)是位于線粒體內(nèi)外膜之間由多個(gè)蛋白質(zhì)組成的復(fù)合通道。正常情況下，MPTP周期性開放，線粒體外的正離子進(jìn)入線粒體內(nèi)，而線粒體內(nèi)膜的質(zhì)子泵將線粒體基質(zhì)中的質(zhì)子泵入胞漿，從而維持線粒體外正內(nèi)負(fù)的跨膜電位。七氟醚通過誘導(dǎo)氧化應(yīng)激反應(yīng)、促進(jìn)內(nèi)質(zhì)網(wǎng)鈣超載、改變Bcl家族促凋亡蛋白表達(dá)使MPTP異常開放，導(dǎo)致線粒體膜電位消失、呼吸鏈斷裂，Caspase-3及細(xì)胞色素C等凋亡因子釋放，從而啟動(dòng)神經(jīng)元的凋亡[24,25]。②死亡受體依賴性途徑：死亡受體依賴性途徑是細(xì)胞凋亡的經(jīng)典途徑之一，而Fas/FasL是主要死亡受體通路之一,七氟醚可上調(diào)Fas蛋白水平，通過激活相應(yīng)膜受體，形成死亡誘導(dǎo)信號(hào)傳導(dǎo)復(fù)合物，激活Caspase-8而啟動(dòng)凋亡級聯(lián)，直接激活下游效應(yīng)因子Caspase-3，通過拆散細(xì)胞骨架、阻斷DNA復(fù)制和修復(fù)、干擾mRNA剪切，損傷DNA與核結(jié)構(gòu)誘導(dǎo)神經(jīng)元凋亡[26]。

3.2 降低突觸可塑性 突觸可塑性是指在一定條件下突觸可通過改變形態(tài)而調(diào)整自身功能，以適應(yīng)不斷變化的環(huán)境。突觸的這種可塑性主要依靠樹突棘形態(tài)、數(shù)目的改變而實(shí)現(xiàn)。Synapsin-1、PSD-95、BNDF對突觸的發(fā)生、穩(wěn)定和可塑性調(diào)節(jié)起重要作用。七氟醚通過降低發(fā)育期腦組織中Synapsin-1、PSD-95、BNDF的表達(dá)，影響谷氨酸能突觸成熟，降低樹突棘密度和突觸可塑性，使突觸信息傳遞的有效性下降，從而引起大鼠七氟醚暴露后學(xué)習(xí)、空間記憶功能損傷[16]。

3.3 引發(fā)興奮性/抑制性神經(jīng)遞質(zhì)失衡 成熟神經(jīng)系統(tǒng)依靠興奮性神經(jīng)遞質(zhì)和抑制性神經(jīng)遞質(zhì)的相對平衡維持其自身的正常功能。七氟醚通過作用于NMDA、GABA受體引起發(fā)育期大腦興奮性/抑制性神經(jīng)遞質(zhì)失衡，進(jìn)而引起行為異常和學(xué)習(xí)、記憶功能障礙的的發(fā)生。其作用機(jī)制主要有以下幾點(diǎn)：第一，通過拮抗NMDA受體，使NMDA受體代償性上調(diào)，待七氟醚洗出后，發(fā)育期神經(jīng)元對谷氨酸的敏感性增強(qiáng)。第二，由于GABA在神經(jīng)發(fā)育早期為興奮性神經(jīng)遞質(zhì)，七氟醚激活GABA受體可使發(fā)育期腦組織過度興奮；二者協(xié)同產(chǎn)生興奮性神經(jīng)毒性作用[27,28]。

3.4 造成神經(jīng)元表型缺失 PV中間神經(jīng)元是抑制性GABA能中間神經(jīng)元的主要表型，對海馬及新皮層局部環(huán)路具有抑制作用，參與大腦學(xué)習(xí)、記憶及信息傳遞。動(dòng)物研究[11]發(fā)現(xiàn)PV中間神經(jīng)元的表型缺失與七氟醚暴露后引起的小鼠認(rèn)知功能損傷是同時(shí)發(fā)生的。PV中間神經(jīng)元缺失后大腦表現(xiàn)為過度興奮，引起認(rèn)知功能損傷[29]。

總之，七氟醚作為臨床上常用的小兒吸入麻醉藥，其對發(fā)育期腦組織的神經(jīng)毒性是客觀存在的。雖然七氟醚引起發(fā)育期腦組織神經(jīng)毒性的機(jī)制在動(dòng)物研究中取得了一些進(jìn)展，但由于倫理學(xué)的限制、人類神經(jīng)系統(tǒng)的復(fù)雜性在臨床研究中進(jìn)展受到一定限制。隨著基礎(chǔ)生命科學(xué)、麻醉學(xué)、神經(jīng)心理學(xué)的發(fā)展，有可能在不遠(yuǎn)的將來就會(huì)闡明七氟醚對發(fā)育期腦組織神經(jīng)毒性的作用機(jī)制，進(jìn)而制定圍術(shù)期發(fā)育期腦組織的保護(hù)策略。

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內(nèi)蒙古自治區(qū)衛(wèi)生和計(jì)劃生育委員會(huì)醫(yī)療衛(wèi)生科研計(jì)劃項(xiàng)目(201303068)。

陶利軍(E-mail: 50944550@qq.com)

2017-05-25)