氯胺酮濫用致認知障礙與海馬改變的研究進展

彭金芝，李曉東，王乾興△

氯胺酮（ketamine）是N?甲基?D?天門冬氨酸受體（NMDAR）的非競爭性拮抗劑，屬于非苯巴比妥類靜脈麻醉劑［1］。因其具有吸收快、起效快、呼吸抑制作用弱且短暫等優點，目前仍廣泛用于臨床麻醉或麻醉誘導［2］。氯胺酮具有致幻作用和精神依賴性，故而在全球范圍內出現不同程度的濫用，已被聯合國毒品與犯罪問題辦公室列入“新精神活性物質”，成為中國大陸地區濫用的主要合成毒品之一，被列為Ⅰ類精神類藥品管理［3?4］。氯胺酮濫用可通過多種機制引起語言、記憶、視空間、執行能力等認知功能的損傷，對濫用者的生活產生較大的負面影響［5?6］。鑒于大腦海馬區結構和功能損傷可導致患者學習、記憶、空間定位和情緒調節等多方面的障礙［7?8］，本文就氯胺酮濫用對海馬的影響及其相關認知障礙的可能機制進行綜述，旨在為氯胺酮濫用引起的認知障礙的機制研究和藥物開發提供新的思路和策略。

1 氯胺酮濫用對海馬相關認知功能的影響

1.1 海馬的結構與功能 海馬系統由海馬體［包括海馬角（CA）1 和CA3］、齒狀回（dentate gyrus，DG）、腦室下復合體、穹窿和海馬傘組成。其中，海馬角由端腦內側區發育而來，屬于邊緣系統的一部分。海馬在信息編碼、短時記憶、長時記憶、空間導航等方面發揮著核心作用，主要與海馬角參與形成的3 個突觸回路有關：第一突觸為內嗅區皮層到DG顆粒細胞的穿通纖維通路；第二突觸為DG顆粒細胞發出的苔狀纖維到海馬CA3 區錐體細胞；第三突觸為CA3區錐體細胞Schaffer側支到CA1區錐體細胞［9］。

1.2 氯胺酮濫用導致的海馬相關認知障礙 認知是指人腦接受外界信息，經過加工處理，轉換成內在的心理活動，從而獲取或應用知識的過程。認知障礙是指機體在疾病、毒物、藥物等影響下出現一項或多項認知功能受損。研究表明，氯胺酮濫用可造成機體出現情景記憶力下降［10］，空間記憶［5］和視覺識別記憶障礙［11］等多種形式的記憶功能受損。動物實驗證明，氯胺酮長期濫用大鼠表現為情景式記憶障礙，可能與海馬CA1、CA3 和DG 區即刻早期基因c?Fos表達增加有關［12］。

海馬是空間導航的主要認知結構，因含位置細胞，被認為是空間認知地圖的載體；背側紋狀體（尤其是尾狀核）則主要參與依賴空間記憶而精確導航到目標的動作完成。Morgan 等［13］通過功能磁共振掃描發現，與正常對照相比，在氯胺酮濫用者的大腦中，與空間導航有關的3 個關鍵腦區（海馬、海馬旁回和尾狀核）的神經活動減少，表明這些關鍵區的神經活動減少可能與氯胺酮濫用者的空間記憶受損密切相關。動物實驗表明，長期低劑量（10 mg/kg）氯胺酮給藥可導致小鼠海馬齒狀回和海馬CA1、CA2、CA3區神經細胞排列紊亂、胞漿空泡化及細胞萎縮；大鼠表現為被動回避潛伏期縮短和新物體識別測試時間延長，氯胺酮處理導致大鼠的短期記憶和長期記憶受到明顯損害［14］。此外，視覺識別記憶也是一個與海馬功能密切相關的記憶形成過程。氯胺酮亞慢性給藥可導致大鼠海馬CA1區NMDAR 依賴性長時程增強（long term potentiation，LTP）和長時程抑制（long term depression，LTD）的損傷，從而導致空間視覺記憶缺陷［15］。

2 氯胺酮濫用致海馬相關認知功能障礙的潛在機制

2.1 氯胺酮濫用致海馬神經細胞發生異常 在人類妊娠晚期到出生后第3 年（嚙齒類動物為妊娠晚期到出生后2～3 周）存在一個大量神經發生的腦生長突增期，其特點是大量的神經干細胞（neural stem cell，NSC）增殖、分化。在此期間海馬的神經發生包括NSC的增殖，向海馬神經元和膠質細胞的分化、遷移到顆粒細胞層，并發出軸突與海馬CA3 區錐體細胞建立突觸聯系3 個階段，從而在功能上整合到原有的神經回路，即顆粒細胞神經元?CA3?CA1。體外實驗證實，高濃度 200～1 000 μmol/L 氯胺酮可顯著抑制海馬NSC增殖［16］。

成體神經發生局限在海馬腦下室區（subventricular zone，SVZ）和亞顆粒區（subgranular zone，SGZ），氯胺酮可抑制SVZ和SGZ細胞增殖和神經元分化，促進NSC 凋亡，導致成人認知功能障礙［17］。此外，在SD大鼠出生后第7～9天氯胺酮給藥可顯著抑制NSC增殖，降低星形膠質細胞分化，顯著增強神經元分化并抑制大鼠顆粒細胞層新生神經元的遷移，干擾其與海馬DG 神經回路的整合，導致大鼠海馬依賴性空間記憶障礙［18?19］。

2.2 氯胺酮濫用對海馬樹突棘形成的影響 樹突棘是樹突干上一種棘狀凸起，是大多數興奮性突觸的突觸后結構，與學習記憶密切相關。樹突棘是一個高度動態的結構，存在蘑菇型、短粗型、瘦長型及絲狀偽足型4 種類型。其中，蘑菇型和短粗型是成熟形式的樹突棘，與記憶密切相關［20］。氯胺酮對樹突棘發育的影響與年齡和氯胺酮作用劑量有關。研究表明氯胺酮暴露可降低5～13 d新生嚙齒類動物海馬CA1區樹突棘密度［21］；而在出生后15 d和30 d，用30 mg/kg氯胺酮處理小鼠海馬神經元5 h后，樹突棘密度顯著增加［22］。體外培養的大鼠海馬神經元暴露較高濃度（100、300 和500 μmol/L）氯胺酮6 h 后，其樹突棘的數量和長度呈劑量依賴性減少［23］；而亞麻醉劑量的氯胺酮（5 mg/kg）連續注射5 d，小鼠海馬CA1區神經元蘑菇型樹突棘形成率顯著提高［24］。

2.3 氯胺酮濫用對海馬突觸可塑性的影響 突觸是神經元的軸突末梢和其他神經元胞體或樹突共同形成的傳遞信息的結構，也是學習和記憶得以發生的結構基礎。突觸的結構和功能的可變性稱為突觸可塑性。突觸可塑性表現形式包括LTP、LTD 和短時程增強（short term potentiation，STP），其中LTP 和LTD 與長期記憶有關，STP 與短期記憶有關。由于突觸可塑性是NMDAR 依賴性的，因而氯胺酮可以通過改變突觸可塑性而影響學習和記憶功能。研究發現，1周齡大鼠單次氯胺酮腹腔注射后，海馬區的LTP 誘導顯著減少，但對成年大鼠的空間記憶能力無明顯影響［25］。也有研究表明，單次靜脈注射氯胺酮 3 h 后，大鼠海馬 CA3?CA1 突觸的 θ 脈沖刺激和強直刺激的LTP 顯著增強，但突觸形態和功能未發生改變［26］。氯胺酮可通過阻斷 NMDAR 的作用，抑制STP和LTP，影響NMDAR介導的突觸可塑性而導致記憶障礙，且這種抑制效應與氯胺酮劑量成正比［27］。上述結果的差異可能與氯胺酮給藥的時間、劑量和動物年齡等不同有關。

2.4 氯胺酮濫用對海馬神經細胞死亡的影響 根據細胞死亡命名委員會建議［28］，細胞死亡可分為兩大類：一類由外在傷害刺激，超出細胞調節能力而觸發的意外性細胞死亡（accidental cell death，ACD），另一類有典型的生化和形態特征，由一系列級聯信號和分子調節的調節性細胞死亡（regulated cell death，RCD）。RCD 可分為細胞凋亡、線粒體通透性轉換驅動的壞死、壞死性凋亡、鐵死亡、細胞焦亡、多聚ADP 核糖聚合酶?1（PARP?1）依賴性細胞死亡、細胞侵入性死亡、中性粒細胞胞外網狀陷阱誘導的細胞死亡、溶酶體依賴性細胞死亡、自噬依賴性細胞死亡和免疫原性細胞死亡等。氯胺酮引起的認知障礙與其導致多種形式的海馬區細胞死亡有關。

細胞凋亡又稱Ⅰ型細胞死亡。根據誘導凋亡的刺激來源不同可分為外源性和內源性細胞凋亡。外源性細胞凋亡是由死亡受體（如Fas）的激活或依賴性受體在其配體不足時的退出而激發的，由Caspase?8傳遞信號到凋亡執行者（主要是Caspase?3）而誘導細胞死亡。內源性凋亡即經典的線粒體凋亡途徑，以線粒體外膜通透性改變和凋亡執行者Caspase?3的表達為主要特征［28］。體外實驗表明，氯胺酮處理的鼠嗜鉻細胞瘤細胞（PC12）的線粒體Ca2+外流、膜電位降低、心磷脂耗竭和促凋亡蛋白Bax的表達增加，最終導致PC12細胞凋亡［29］。體內實驗表明，連續用不同劑量的氯胺酮給青春期大鼠腹腔注射8 周，結果發現中、高劑量組（15 mg/kg、30 mg/kg）大鼠的空間記憶明顯受損，而低劑量組（7.5 mg/kg）則不明顯；同時還發現抗氧化劑（超氧化物歧化酶和谷胱甘肽）的水平顯著降低，而Caspase?3 的表達水平增高［30］。Czerniczyniec 等［31］研究發現，腹腔注射氯胺酮45 min 后，大鼠線粒體中的心磷脂水平顯著降低，而過氧化氫（H2O2）產生速率增加，表明氯胺酮可能通過氧化應激影響線粒體功能，進而促進海馬神經細胞的凋亡，最終引起認知功能障礙。此外，每日給食蟹猴靜脈注射氯胺酮，6 個月后可引起海馬中的抗凋亡蛋白Bcl?2 的表達水平降低，同時增強促凋亡蛋白Caspase?3和Bax的表達，從而促進海馬神經元凋亡，最終引起運動及空間記憶障礙［32］。因此，氯胺酮給藥后可引起大鼠或食蟹猴海馬活性氧（ROS）水平增加，線粒體凋亡途徑激活，抗凋亡蛋白Bcl?2 下降，促凋亡蛋白Bax 表達增強，線粒體外膜通透性轉換孔打開，細胞色素C 釋放，引起Caspase級聯效應，激活Caspase?3，從而誘導海馬神經細胞的凋亡，使其空間記憶能力受損［30?32］。

自噬依賴性細胞死亡，又稱Ⅱ型細胞死亡，是由自噬分子機制驅動的一種RCD，以雙層膜結構的自噬泡形成為特征。自噬與凋亡有共同的刺激因素和信號通路，在氧化應激的早期階段或輕微氧化損傷時，細胞自噬可降低ROS 的積累，細胞存活；但當刺激較強或持續時間較長時可轉而誘導細胞凋亡。Bcl?2家族蛋白在細胞凋亡和自噬中起著關鍵作用，既可以與自噬蛋白Beclin?1 結合，通過形成Beclin?1/Bcl?2或Beclin?1/Bcl?xL 復合體來調節自噬，也可以與促凋亡蛋白相互作用而調控凋亡［28］。研究發現，氯胺酮給藥后，大鼠海馬CA1區細胞或體外培養的PC12細胞均表現為抗氧化能力降低，ROS水平上升，一方面凋亡相關蛋白Bax、Caspase?3 的表達增加，另一方面促進自噬關鍵基因（Atg）5表達，而抑制Atg4的表達，從而促進細胞自噬［33?34］。

鐵死亡是由鐵積累和脂質過氧化驅動的一種RCD 形式，其主要特征是線粒體收縮、線粒體嵴減少、線粒體膜密度和線粒體膜斷裂增加［28］。研究表明，氯胺酮全身性麻醉后大鼠海馬神經元線粒體膜上轉鐵蛋白mitoferrin 表達升高，造成線粒體中鐵蓄積和線粒體斷裂，影響線粒體功能，并同時上調NMDAR 的表達，增強二價金屬轉運體1（DMT1）介導的鐵內流，刺激鐵從溶酶體的釋放，引起海馬神經元鐵死亡，從而導致大鼠的認知障礙，表現為Morris水迷宮實驗中定位航行和空間探索能力的降低［35］。

細胞焦亡是一種由炎性小體激活并嚴重依賴于穿孔蛋白gasdermin 蛋白家族成員形成質膜孔的RCD。其主要特征是細胞腫脹、破裂及炎性介質的釋放。根據依賴的炎性Caspase的不同，可以分為經典 的 Caspase?1 和 非 經 典 的 Caspase?11 凋 亡 途徑［28］。研究表明，10日齡和30日齡小鼠連續腹腔注射氯胺酮7 d后，除與線粒體凋亡信號途徑相關的蛋白p53、Caspase?3 和 Caspase?9 顯著上調外，細胞焦亡相關蛋白Caspase?1、Caspase?11、NOD 樣受體家族成員（NLRP）3 表達水平也顯著升高，同時可誘導小鼠原代海馬神經元細胞膜上孔的形成也顯著增加。以shRNA 沉默Caspase?1 可顯著降低細胞焦亡和線粒體途徑凋亡相關蛋白的表達［36］。體外實驗證實，氯胺酮誘導的神經干細胞毒性可能與糖原合成酶激酶?3（GSK?3）信號通路有關，沉默GSK?3β 可下調Caspase?1 和Caspase?3 表達，降低氯胺酮誘導的神經干細胞毒性［37］。

3 結語與展望

氯胺酮濫用可通過影響海馬的神經元發生、分化、突觸形成和功能，以多種方式誘導海馬神經細胞的死亡而導致海馬相關的認知障礙。但這些影響又與氯胺酮作用的時間、劑量、氯胺酮暴露年齡或藥物的相互作用等密切相關，其確切病理機制迄今尚不完全清楚，甚或有些研究結論還存在相互矛盾的地方，還有待于通過動物模型及反復臨床論證來闡明其作用的詳細分子機制。此外，近年來還發現氯胺酮具有抗抑郁、抗凋亡、抗炎、抗氧化等多重作用［38?39］。因此，有必要進一步闡明氯胺酮的作用機制，趨利避害，為防治氯胺酮濫用導致的疾病和其他相關疾病的氯胺酮治療與預防、藥物開發提供有效的靶點和策略。