全身麻醉藥對發(fā)育期大腦的神經(jīng)毒性影響因素、機制及干預(yù)措施

魏瓊，呂靖，于迪，張冰，蒙臣，龔興瑞，李清

1 湖北醫(yī)藥學(xué)院附屬醫(yī)院(十堰市太和醫(yī)院)，湖北十堰442000；2錦州醫(yī)科大學(xué)太和醫(yī)院研究生培養(yǎng)基地

在美國每年約有600萬兒童接受全身麻醉，其中包括150萬的新生兒和嬰兒[1]；在中國，龐大的人口基數(shù)使得嬰幼兒的麻醉需求和麻醉數(shù)量與日激增。麻醉藥物是否會對嬰幼兒神經(jīng)系統(tǒng)的發(fā)育造成不良影響，已成為社會關(guān)注的熱點話題。2016年12月美國FDA發(fā)出警告：3歲以下嬰幼兒或孕晚期的孕婦重復(fù)或長時間(>3 h)使用全身麻醉藥或鎮(zhèn)靜藥，可能會影響小兒腦發(fā)育。現(xiàn)就全身麻醉藥對發(fā)育期大腦神經(jīng)毒性的影響因素、相關(guān)機制及干預(yù)措施進行綜述，旨在為嬰幼兒的麻醉研究進行總結(jié)并提供新思路。

1 全身麻醉藥對發(fā)育期大腦神經(jīng)毒性的影響因素

1.1 麻醉暴露的時機 發(fā)育的關(guān)鍵時間因物種不同而不同，大鼠發(fā)育的關(guān)鍵時間在出生后第7～10天，而恒河猴在出生后第5～16天。但是在人類大腦中，這一時期被認(rèn)為是從妊娠最后3個月持續(xù)到第3年也就是腦生長爆發(fā)期(BGS)。全身麻醉藥對大腦不同區(qū)域的影響也不同。出生后第7天的大鼠暴露于全身麻醉藥會導(dǎo)致丘腦、海馬CA1區(qū)和皮質(zhì)區(qū)發(fā)生嚴(yán)重的細(xì)胞凋亡，而齒狀回并未受到實質(zhì)性影響；但在麻醉暴露后的第21天，在齒狀回中可觀察到大量的神經(jīng)細(xì)胞凋亡，但皮質(zhì)的易損性明顯下降[2]。不同的神經(jīng)細(xì)胞類型可能具有不同的麻醉敏感性，如谷氨酸能神經(jīng)細(xì)胞和氨基丁酸能神經(jīng)細(xì)胞可能比膽堿能神經(jīng)細(xì)胞更易受到毒性損傷[3]。

1.2 麻醉暴露的頻率和持續(xù)時間 Wilder等[4]對5 000余名在幼兒時期接受過全身麻醉的人群進行了回顧性研究，發(fā)現(xiàn)在4歲之前接受過單次麻醉并不會引起兒童學(xué)習(xí)功能障礙，但是≥2次的重復(fù)麻醉暴露會引起兒童學(xué)習(xí)功能障礙的風(fēng)險顯著增加。體內(nèi)外研究均發(fā)現(xiàn)，暴露時間長短與誘導(dǎo)細(xì)胞凋亡有直接關(guān)系。單劑量麻醉劑不一定會引起細(xì)胞凋亡或?qū)ι窠?jīng)細(xì)胞發(fā)育和分化產(chǎn)生不良影響[5]，但隨著麻醉時間延長或重復(fù)次數(shù)增多可增加神經(jīng)細(xì)胞的凋亡。例如，在3 h的氯胺酮麻醉中并未誘導(dǎo)神經(jīng)細(xì)胞凋亡，但在給藥后5、9、24 h可檢測到明顯的神經(jīng)細(xì)胞凋亡[6]。

1.3 麻醉藥的劑量 增加麻醉藥劑量可明顯增加神經(jīng)細(xì)胞凋亡數(shù)量、發(fā)育的障礙程度，從而影響細(xì)胞分化和突觸形成。研究表明，七氟醚麻醉暴露對新生大鼠均表現(xiàn)出劑量和時間依賴性神經(jīng)退行性變[7]。有研究評估了增加丙泊酚劑量對新生小鼠神經(jīng)元凋亡的影響，發(fā)現(xiàn)丙泊酚所誘導(dǎo)的神經(jīng)凋亡呈劑量依賴性增加[8]。

2 全身麻醉藥致發(fā)育期大腦神經(jīng)毒性的可能機制

2.2 鈣穩(wěn)態(tài)失衡 鈣離子作為一種生物信使，參與和控制包括肌肉收縮、胞吐、細(xì)胞增殖和分化、基因表達和蛋白質(zhì)合成等過程。鈣穩(wěn)態(tài)的維持對細(xì)胞存活起關(guān)鍵作用，細(xì)胞內(nèi)鈣穩(wěn)態(tài)的破壞可能是全身麻醉誘導(dǎo)神經(jīng)細(xì)胞凋亡的一個新機制。有研究發(fā)現(xiàn)，吸入麻醉藥通過激活過量肌醇三磷酸(IP3)受體，以濃度和時間依賴性方式引起內(nèi)質(zhì)網(wǎng)的鈣異常釋放而耗竭，從而導(dǎo)致神經(jīng)細(xì)胞損傷[11]。異氟醚通過增加GABAA受體活性導(dǎo)致神經(jīng)細(xì)胞胞質(zhì)內(nèi)Ca2+水平升高，導(dǎo)致未成熟海馬錐體的神經(jīng)細(xì)胞變性[12]。

2.3 炎性因子過表達 神經(jīng)炎癥是多種腦病理學(xué)的關(guān)鍵反應(yīng)，其作為全身麻醉藥誘導(dǎo)的神經(jīng)毒性和發(fā)育期動物認(rèn)知損傷的新機制正受到關(guān)注。有研究發(fā)現(xiàn)，將未成熟大鼠暴露于異氟烷會引起海馬組織中促炎性因子如TNF-α、IL-6、IL-1β的短暫上調(diào)[13]。有研究發(fā)現(xiàn)，異氟烷通過增強NF-κB的轉(zhuǎn)錄來誘導(dǎo)活化B細(xì)胞從而引起炎性因子上調(diào)，該過程發(fā)生在小膠質(zhì)細(xì)胞而非神經(jīng)細(xì)胞[14]。因此，全身麻醉藥可能是通過促進腦內(nèi)小膠質(zhì)細(xì)胞激活和促炎性細(xì)胞因子的釋放來誘發(fā)的神經(jīng)毒性。

2.4 神經(jīng)營養(yǎng)因子缺乏 腦源性神經(jīng)營養(yǎng)因子(BDNF)在大腦皮層、海馬等多個區(qū)域均有表達，對中樞神經(jīng)系統(tǒng)神經(jīng)細(xì)胞的發(fā)育、存活和維持具有重要作用。BDNF參與許多神經(jīng)細(xì)胞胞內(nèi)信號的傳導(dǎo)，包括神經(jīng)細(xì)胞生長和突觸的可塑性變化。BDNF與酪氨酸受體激酶B(TrkB)特異性結(jié)合后構(gòu)象發(fā)生改變，導(dǎo)致下游關(guān)鍵激酶磷酸化，促進BDNF在神經(jīng)細(xì)胞和樹突中表達，并激活BDNF-TrkB信號通路[15]。

2.5 表觀遺傳異常啟動 有研究表明，表觀遺傳失調(diào)是大腦功能異常和神經(jīng)退行性疾病的特征之一。發(fā)育期大腦經(jīng)全身麻醉暴露后可引發(fā)表觀遺傳修飾的異常啟動,包括增強轉(zhuǎn)錄因子之間的相互作用，抑制腦源性神經(jīng)營養(yǎng)因子的表達,導(dǎo)致突觸mRNA局部翻譯不足等[16]。

2.6 氧化應(yīng)激和線粒體損傷 在麻醉中加入鎮(zhèn)靜劑量的咪達唑侖，然后加入一氧化二氮和異氟醚，可導(dǎo)致30%的活性氧(ROS)上調(diào)[17]。常用的麻醉藥通過氧化應(yīng)激相關(guān)的線粒體凋亡途徑，可使發(fā)育期的哺乳動物大腦產(chǎn)生廣泛神經(jīng)退行性變。動物研究表明，新生大鼠經(jīng)過七氟烷暴露后，可增加腦組織中超氧化合物濃度和氧化應(yīng)激標(biāo)志物4-羥基壬烯醛(4-HNE )的含量，同時引起線粒體損傷和大腦神經(jīng)細(xì)胞凋亡[18]。所以，全身麻醉藥可能通過引發(fā)線粒體損傷和ROS釋放造成發(fā)育期大腦的神經(jīng)退行性變。

2.7 非神經(jīng)細(xì)胞死亡 全身麻醉藥可能損傷除神經(jīng)細(xì)胞外的其他類型細(xì)胞，如少突膠質(zhì)細(xì)胞和星形膠質(zhì)細(xì)胞。星形膠質(zhì)細(xì)胞的形態(tài)完整性對突觸的形成至關(guān)重要。異氟醚可以破壞星形膠質(zhì)細(xì)胞的骨架網(wǎng)絡(luò)，導(dǎo)致其在腦發(fā)育過程中功能障礙[19]。星形膠質(zhì)細(xì)胞亦可以自身釋放神經(jīng)營養(yǎng)因子，如BDNF旁分泌的方式促進神經(jīng)細(xì)胞存活和突觸強化。有研究顯示，星形膠質(zhì)細(xì)胞可以通過BDNF介導(dǎo)的細(xì)胞存活途徑減弱丙泊酚誘導(dǎo)的神經(jīng)毒性[20]。

2.8 腸道菌群紊亂 胃腸被認(rèn)為是免疫系統(tǒng)中最大的器官，中樞神經(jīng)系統(tǒng)中免疫細(xì)胞的分化和功能受腸道微生物群的調(diào)控，嬰幼兒腸道微生物群的活動對大腦發(fā)育是必不可少的。新生大鼠暴露于異氟醚后，大鼠腸道微生物群的總體組成發(fā)生了顯著變化；失調(diào)的腸道菌群可能引起進入循環(huán)的炎癥細(xì)胞因子增加，引發(fā)腦內(nèi)膠質(zhì)細(xì)胞活化從而誘導(dǎo)神經(jīng)毒性[21]。

3 對全身麻醉藥引起發(fā)育期大腦神經(jīng)毒性的相關(guān)干預(yù)措施

3.1 右美托咪定(DEX) DEX是一種α2腎上腺素能受體激動劑，有鎮(zhèn)靜、鎮(zhèn)痛、阻滯交感神經(jīng)和抗焦慮的屬性，其受體親和力是可樂定的8倍。DEX作為一種輔助藥物在臨床麻醉中廣泛應(yīng)用，其可通過抗氧化、抗炎和抗凋亡等特性減輕異氟醚誘導(dǎo)的老年大鼠認(rèn)知功能損害[22]。

3.2 米諾環(huán)素 米諾環(huán)素是一種長效四環(huán)素類藥物，具有抗炎和神經(jīng)保護作用。多項研究表明，米諾環(huán)素對脊髓損傷、創(chuàng)傷性腦損傷、缺血性腦卒中、帕金森病等具有良好的治療作用。有研究顯示，米諾環(huán)素可通過調(diào)節(jié)GSK-3β/AKT信號通路減弱氯胺酮所致神經(jīng)發(fā)育損傷[23]。而且，米諾環(huán)素除能減輕由氯胺酮所致新生大鼠神經(jīng)干細(xì)胞損傷外，還可恢復(fù)海馬室下區(qū)(SVZ)和亞顆粒區(qū)(SGZ)的神經(jīng)發(fā)生[24]。

3.3 褪黑素 褪黑素具有調(diào)節(jié)晝夜節(jié)律、抗氧化、抗炎和催眠等生理功能，對由全身麻醉藥所致未成熟大腦神經(jīng)細(xì)胞凋亡具有顯著抑制作用。有研究表明，褪黑素通過抑制線粒體依賴的凋亡通路來減少細(xì)胞色素C釋放、抑制Caspase-3激活和凋亡體形成、上調(diào)抗凋亡蛋白Bcl-XL，進而減輕由全身麻醉藥引起的發(fā)育期神經(jīng)細(xì)胞凋亡[25]。

3.4 促紅細(xì)胞生成素(EPO) 發(fā)育中的大腦也產(chǎn)生EPO，在中樞神經(jīng)系統(tǒng)中起生長因子和神經(jīng)保護劑作用。已有研究表明，EPO可以保護新生動物免受缺氧缺血性損傷，并減輕由全身麻醉誘發(fā)的發(fā)育期神經(jīng)毒性[26]。有研究結(jié)果顯示，在七氟醚暴露前用EPO預(yù)處理，可以增加海馬CA1區(qū)和皮質(zhì)區(qū)成熟神經(jīng)細(xì)胞的數(shù)量并減輕神經(jīng)毒性[27]。

3.5 17-β雌二醇 17-β雌二醇對大腦損傷具有神經(jīng)保護作用，包括抑制興奮性毒性、黑質(zhì)變性、β-淀粉樣蛋白毒性和氧化應(yīng)激等。雌二醇可以通過促進BDNF表達，促進新生兒浦肯野細(xì)胞、棘突蛋白和突觸的生長[28]。有研究報道，17-β雌二醇可能通過增加p-AKT表達、降低GSK-3β表達，抑制由氯胺酮誘發(fā)的發(fā)育期大腦的神經(jīng)細(xì)胞凋亡和認(rèn)知功能障礙[29]。

3.6 氙氣 氙氣是一種惰性氣體麻醉劑，其屬于NMDA型谷氨酸受體拮抗劑，在缺血性腦損傷中具有腦保護作用。有研究顯示，在小鼠腦外傷后給予氙氣，可以減少腦白質(zhì)的慢性神經(jīng)退行性變、海馬神經(jīng)細(xì)胞的丟失，防止晚發(fā)性腦外傷相關(guān)的認(rèn)知損傷，并提高長期存活率[30]。并且，氙氣能減輕氧化應(yīng)激，減少NMDA受體介導(dǎo)的神經(jīng)退行性變，對膽堿能神經(jīng)細(xì)胞具有神經(jīng)營養(yǎng)和保護作用[31]。

3.7 硫化氫(H2S) H2S是哺乳動物細(xì)胞中的氣體傳導(dǎo)信號分子，被認(rèn)為是一種神經(jīng)調(diào)節(jié)劑。在海馬體和小腦中發(fā)現(xiàn)了高水平的H2S，并參與大腦和周圍組織的病理生理過程。有報道發(fā)現(xiàn)，內(nèi)源性H2S通過激活A(yù)TP敏感性鉀通道使神經(jīng)細(xì)胞超極化，減少異常興奮性突觸活動，具有神經(jīng)保護作用[32]。有研究顯示，H2S能減弱由異氟醚誘導(dǎo)的大鼠腦發(fā)育過程中神經(jīng)細(xì)胞凋亡和認(rèn)知功能損害[33]。

綜上所述，全身麻醉藥可能引起發(fā)育期神經(jīng)細(xì)胞的凋亡和突觸紊亂，損害長期的學(xué)習(xí)記憶功能，本文從不同層面總結(jié)影響神經(jīng)毒性的影響因素、可能的機制及干預(yù)措施。不論從能量代謝角度，還是神經(jīng)興奮性調(diào)節(jié)角度，以及相關(guān)保護性調(diào)節(jié)角度，我們都需要進一步深入探究相關(guān)問題。目前，已經(jīng)有研究發(fā)現(xiàn)很多藥物及方式可減輕全身麻醉藥對發(fā)育期大腦的神經(jīng)毒性，但缺乏相應(yīng)的臨床試驗數(shù)據(jù)，且在嬰幼兒中應(yīng)用的安全性未得到驗證。因此，我們需要明確其主要機制并收集相應(yīng)的臨床數(shù)據(jù),以深入研究毒性機制及緩解方式。