鹵族吸入麻醉藥的神經毒性及其機制研究進展

翟文慧 王秋筠

每年全世界超過20億人接受手術治療，大部分手術都是在吸入麻醉下完成的，目前臨床上常用的鹵族吸入麻醉藥有異氟醚、七氟醚、地氟醚等［1］。目前臨床麻醉中熱切關注的問題之一是鹵族吸入麻醉藥對手術患者的神經毒性作用，表現為術后認知功能障礙、神經元退行性病變及學習能力下降等。鹵族吸入麻醉藥的神經毒性與麻醉藥的種類和劑量、細胞的類型有關，其可能機制也是多途徑的［2－4］，目前研究比較多的是細胞凋亡，具體包括細胞內Ca2+平衡失調、全腦蛋白質組學表達變化、β-淀粉樣蛋白的增加及神經突觸遞質受體的變化等。本文綜述了目前所發表的有關鹵族吸入麻醉藥物神經毒性及其機制的研究，旨在認識和了解這方面的最新進展。

1 常用的鹵族吸入麻醉藥神經毒性的比較

鹵族揮發性吸入麻醉藥的物理和化學結構相似，但它們產生的神經毒性及其機制卻不盡相同的。

1．1 異氟醚 對于發育中的、成年的、老年的大鼠，異氟醚具有廣泛的神經毒性作用，表現在術后學習能力缺陷及術后認知功能障礙。Vesna等［5］給出生7 d大鼠施行于臨床相關濃度的氧化亞氮、異氟烷、咪唑安定的聯合麻醉，持續6 h后誘導出了腦神經元細胞的凋亡及長期學習能力下降;單用氧化亞氮或咪唑安定都不能誘導出神經細胞凋亡;單用異氟醚可以誘導出神經細胞凋亡;異氟醚和咪唑安定聯合麻醉后，神經細胞凋亡數目明顯增加;氧化亞氮、異氟醚、咪唑安定聯合麻醉致凋亡細胞數目達到最高;同時這個動物實驗還第一次證實了吸入麻醉對新生大鼠以后的記憶和認知功能會產生永久性損害，因此引發了廣泛、激烈的討論。我們將原代培養大鼠皮層神經元隨機分組，分別用 0．6%、1．2%、2．4% 異氟醚處理 1 h、2 h、4 h、8 h、12 h、24 h，采用酶聯免疫吸附法(ELISA)法測乳酸脫氫酶(LDH)活性，MTT法測神經元活力，熒光顯微鏡測神經元內游離鈣離子濃度，結果發現0．6%異氟醚可增強原代培養新生大鼠皮層神經元活力，1．2%、2．4%異氟醚可降低原代培養新生大鼠皮層神經元活力［6］。異氟醚的神經毒性具有濃度和時間依賴性，實驗研究發現1．2%異氟醚(1MAC)處理大鼠原代培養皮層神經元12 h能使MTT明顯降低和LDH釋放增加，說明細胞活性降低［7］。

1．2 氟烷 Ecrenhoff等［8］將大鼠 PC12細胞暴露于0．8%、1．5%氟烷6 h，LDH檢測結果顯示LDH釋放增加，細胞活力降低，可以誘導細胞凋亡。

1．3 七氟醚 Bartunek等［9］研究發現，臨床上七氟醚麻醉后的患者也很少發生術后認知功能障礙及學習能力缺陷。有實驗結果提示孕晚期大鼠接受長時間、高濃度的七氟醚麻醉可能對仔鼠學習記憶功能產生不利影響，并且將持續到成熟期;而低濃度七氟醚麻醉的影響較短暫。

1．4 地氟醚 關于地氟醚神經細胞毒性方面的報道較少。Kunst等［10］提出同等劑量的地氟醚，促神經細胞凋亡作用輕微。

2 鹵族吸入麻醉藥神經毒性的可能機制

雖然對吸入麻醉藥的中樞作用機制曾進行了長期、大量的研究，但由于中樞神經系統結構和功能的復雜性及麻醉藥作用機制的多樣性，至今仍不能確切地闡明。下面就鹵族吸入麻醉藥產生神經毒性的可能機制進行闡述。

2．1 細胞內鈣失衡與1，4，5-三磷酸肌醇受體 細胞內鈣失調對神經元細胞損傷凋亡起著很重要的作用［11］。作為細胞內鈣儲備的主要場所，內質網的凋亡途徑與Ca2+有著不可分割的關系。靜息狀態下神經細胞內Ca2+濃度基本穩定在100 nmol/L，而細胞外 Ca2+濃度則相對高得多，達到 1．2 mmol/L［1］。神經細胞的鈣穩態調節是個復雜的過程，胞外的Ca2+流入和胞內Ca2+儲存庫的Ca2+釋放都可能引起細胞內Ca2+濃度增加。維持細胞內外鈣穩態的是內質網上的3種與Ca2+的攝入和釋放有關的通道:藍尼啶受體(RyR)和1，4，5-三磷酸肌醇受體(IP3R)將內質網腔內的Ca2+釋放入胞漿，鈣泵將胞漿內的Ca2+轉運至內質網。Ge等［12］研究發現在細胞外無鈣環境下，異氟醚可引起幾乎相同程度的細胞內Ca2+增加，表明細胞內鈣儲存庫對于鈣超載發揮重要作用，另外，應用IP3R拮抗劑后明顯減輕細胞毒性，說明了內質網IP3R起著重要的作用。

目前研究提出異氟醚誘導神經細胞凋亡具有濃度和時間依賴性，早衰蛋白-1(PS-1)突變的PC12細胞(L286V)能增強IP3R的活性，使其在異氟醚作用下更易發生細胞凋亡，1MAC異氟醚作用12 h能誘導L286V發生細胞凋亡，并使細胞內Ca2+峰值發生快速大量的增加，應用IP3R拮抗劑能明顯減輕這種改變［12，13］。這與阿爾茨海默病和帕金森病等神經退行性病變時，IP3R過度激活內質網Ca2+過量釋放，引起胞漿Ca2+濃度增加，內質網鈣耗竭，最終導致細胞凋亡的過稱相似，因此臨床中神經退行性病變患者，應避免異氟醚的應用［11－14］。不同細胞對異氟醚誘導的細胞凋亡具有不同的敏感性，例如2．4%異氟醚誘導DT40細胞發生凋亡的最短時間是6 h，而誘導大鼠大腦皮層神經元或PC12細胞凋亡的最小濃度和最短時間是2．4%異氟醚作用24 h［15］。氟烷與異氟醚相似，可以通過激活RyR或IP3R誘導Ca2+從內質網釋放［12］，導致內質網鈣耗竭，細胞內鈣離子濃度增加，產生神經細胞毒性。與異氟醚相反，相同劑量的七氟醚作用能抑制細胞Ca2+從肌漿網釋放，或影響較小甚至無影響［14］。而同等劑量的地氟醚，只引起微小的細胞內質網Ca2+釋放［13］，神經細胞毒性作用輕微。

綜上可見，IP3R是細胞內的鈣釋放通道，其生物學特性改變，會導致胞漿內Ca2+濃度升高，從而激發一系列病理生理紊亂反應，認為由IP3R介導的細胞內Ca2+釋放在鹵族吸入麻醉藥神經細胞毒性過程中起到至關重要的作用。

2．2 全腦蛋白質組學表達改變 Futterer等［16］第一次通過高效、快捷和高通量的分子生物學技術，應用二維凝膠電泳和質譜測量法，測定5．7%地氟醚麻醉成年大鼠3 h后的0、24、72 h全腦表達的蛋白質的變化，結果顯示在地氟醚麻醉后至少72 h內存在蛋白質表達改變，這些表達改變的蛋白在神經遞質的突觸傳遞及新陳代謝等方面發揮著重要作用，例如:一氧化氮通路中的NG-二甲基精氨酸-二甲基氨基水解酶(DDAH)在地氟醚麻醉后表達增強，并至少持續72 h，另外，在研究中發現發動蛋白-1(dynamin-1)在地氟醚麻醉后減少，可引起神經突觸膜蛋白的功能性結構改變，這提示我們突觸遞質釋放過程有其相對應的蛋白結構及表達的改變，其他許多在麻醉前后腦內差異表達的蛋白與糖酵解和三羧酸循環密切相關。這些結果都提示我們在吸入麻醉后3 h，即存在腦蛋白表達改變，并至少持續到術后72 h，這個時間遠長于臨床上吸入麻醉后的恢復時間，因此，對于行短時間麻醉的手術患者，吸入麻醉藥產生的長時間腦蛋白改變還是很重要的，需要進一步深入研究。

Kalenka 等［17］在 Futterer等［16］的基礎上，進一步研究吸入麻醉藥對全腦蛋白表達的影響:2．4%七氟醚(1MAC)麻醉大鼠3 h后，應用二維凝膠電泳和質譜測量法測定全腦蛋白表達，結果發現麻醉3小時后有11種蛋白表達變化，麻醉后72 h 17種蛋白表達變化，麻醉后28 d除了1種蛋白外所有蛋白表達都恢復到正常水平，這些表達改變的蛋白與細胞代謝、細胞信號傳導等有關，但這些蛋白的表達變化是否和臨床麻醉患者的術后認知功能障礙有關還有待進一步研究。

2．3 β-淀粉樣蛋白質集聚 Eckenhoff等［8］通過研究吸入麻醉藥和靜脈麻醉藥對大鼠神經母細胞瘤細胞Aβ寡聚化和細胞凋亡的影響，發現異氟烷和氟烷易于結合小低聚體，增加大鼠細胞的Aβ寡聚化，最終形成纖維，誘導細胞凋亡。吸入麻醉藥可增加與阿爾茨海默病相關的多肽寡聚化和細胞凋亡。

Xie等［3］通過實驗研究異氟醚促細胞凋亡的作用機制，用2%異氟醚處理過度表達APP的人類H4神經膠質細胞6 h可以誘導細胞凋亡、增加Aβ的產生，并且APP C-末端片段水平增加而非全蛋白水平變化與細胞凋亡有相關關系。進一步實驗證明，異氟醚能提高2種對細胞產生毒性作用的酶的濃度和活性［4］。1種是半胱氨酰天冬氨酸特異性蛋白酶，促成β-淀粉樣蛋白的沉積，從而引發細胞凋亡。另1種是β-粉狀分泌酶，可分解蛋白質，形成典型的β-粉狀蛋白質沉積，隨著β-粉狀蛋白質濃度的增高，半胱氨酰天冬氨酸特異性蛋白酶的濃度也隨之增高，兩者相互作用，不斷疊加，最終形成粉狀斑塊。

2．4 神經突觸受體及神經遞質的改變 吸入麻醉藥主要作用于2個受體:激活γ-氨基丁酸(GABA)受體，增加神經元的抑制作用;阻滯N-甲基-D-天冬氨酸(NMDA)受體，降低神經元的興奮作用。在神經突觸形成期使用通過這兩個途徑起作用的藥物可引起發育中鼠腦廣泛的神經元凋亡。其機制可能是NMDA受體阻滯降低細胞外谷氨酸的濃度，減少突觸形成和細胞間連接而抑制神經元;GABA受體過度興奮則導致細胞興奮性毒性［18］。神經興奮損傷又與Ca2+大量內流致細胞內Ca2+超載所引發的鏈式損傷有關，谷氨酸還可能通過刺激G蛋白藕聯代謝性谷氨酸受體等途徑導致胞內鈣庫釋放［19］。有學者提出吸入麻醉劑在拮抗NMDA受體方面有著很顯著的作用［15］。然而，同樣是激活GABA受體及拮抗NMDA受體，為何七氟醚和地氟醚對神經元凋亡的影響較異氟醚和氟烷輕，原因尚不清楚。目前認為不同的吸入麻醉藥在不同的腦區有多細胞和多分子的作用靶點，即使是同一種吸入麻醉藥也無法用單一的作用靶點解釋所有的麻醉作用。

3 討論

鹵族吸入麻醉藥可通過不同的機制對不同類型動物神經細胞產生廣泛而多樣的毒性作用，且這種作用具有濃度和時間依賴性。鹵族吸入麻醉藥，誘發神經細胞凋亡是一個復雜的過程，可能是多種機制共同作用的結果，具體的分子生物學機制還有待進一步深入研究。由于人腦和鼠腦存在種屬差異性，還需要大量的基礎和臨床研究。因此，研究吸入麻醉藥對大腦神經元的影響及有關機制，不但為臨床麻醉藥的選擇和管理提供科學指導，為預防和治療術后神經損害提供理論基礎，而且將推動吸入麻醉藥麻醉機理的研究，進一步探索其神經細胞作用靶位。我們希望在保證麻醉效果的情況下，針對不同患者合理選擇不同麻醉藥及調節麻醉藥的濃度和時間，以達到最好的麻醉效果，并產生最小的神經損傷。

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