七氟醚麻醉對發育期腦組織的神經毒性作用研究進展

李帥蓉，陶利軍，江波，王奮珍

(內蒙古醫科大學附屬醫院，呼和浩特010050)

七氟醚麻醉對發育期腦組織的神經毒性作用研究進展

李帥蓉，陶利軍，江波，王奮珍

(內蒙古醫科大學附屬醫院，呼和浩特010050)

七氟醚因麻醉誘導、蘇醒快，氣道刺激性小，麻醉平穩等優點被廣泛應用于產科和兒科麻醉中。發育期腦組織因解剖結構和生理功能不成熟，敏感且易受損。動物研究和臨床研究均提示七氟醚麻醉對發育期腦組織有一定的神經毒性，其作用可能與誘導神經元異常凋亡、降低突觸可塑性、引發興奮性/抑制性神經遞質失衡、造成神經元表型缺失有關。

七氟醚；七氟醚神經毒性；神經元凋亡；突觸可塑性；興奮性經遞質；抑制性神經遞質失衡；神經元表型缺失；腦組織；發育期腦組織；麻醉

隨著外科及麻醉技術的發展，全世界每年有將近150萬例嬰幼兒接受全身麻醉[1]。七氟醚因具有血氣分配系數低，麻醉誘導、蘇醒快，氣道刺激性小，血流動力學平穩等優點被廣泛用于兒科和產科麻醉，并被認為在小兒全麻誘導及維持中有顯著優點。但越來越多的研究發現七氟醚暴露可導致發育期腦組織神經元異常凋亡，甚至會損傷其日后的學習、記憶功能，但具體作用機制目前并不明確。闡明七氟醚對發育期腦組織神經毒性的發生機制對圍術期小兒神經保護具有重大意義。現將發育期腦組織的特點、七氟醚麻醉對發育期腦組織的神經毒性作用及相關作用機制研究進展情況綜述如下。

1 發育期腦組織的特點

脊椎動物中樞神經系統的發育起源于外胚層的神經管，隨后發育為脊髓和大腦。嚙齒類動物的神經管在孕中期形成，相當于大鼠胎齡的10.5～11 d、小鼠胎齡的9～9.5 d。而人類神經管的形成發生在孕早期，即懷孕的第3～4周[2]。人類出生時腦組織神經元的數量約為10億個，腦組織發育期間，在多種神經生長因子、腦源性營養因子、神經遞質參與調節下，不成熟腦組織向成熟腦組織轉化，有50%～70%的神經元借助大腦結構、功能的正常建立而凋亡[3]，此階段腦組織對內環境的改變非常敏感，任何對中樞神經系統的干擾因素都可能引起神經元的異常凋亡和腦組織結構、功能的長期受損。

對出生后人類腦組織發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期，相當于人類胚胎后3個月至出生后第2～3年、嚙齒類動物產后第7～10天。此期全腦質量迅速增加，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，但對內外環境改變十分敏感，這就為麻醉藥物干擾其正常發育帶來了可能性。

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

發育期腦組織不僅在結構上與成熟腦組織不同，其神經遞質的功能也存在特異性。在成熟神經元中發揮抑制作用的γ-氨基丁酸(GABA)，在神經元發育早期是一種重要的興奮性神經遞質。發育期海馬神經元中GABA和谷氨酸能突觸的成熟是序貫形成的。成熟的神經元通過激活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)增加神經元的興奮性。而在神經發育早期AMPAR發育不成熟，NMDA的激活需要依靠激活GABA受體實現[7]。

2 七氟醚對發育期腦組織的神經毒性作用

七氟醚最先于1990年由日本藥監部門批準應用于臨床，最初人們認為隨著麻醉作用的消失，七氟醚從體內徹底代謝,不會產生長時間的不良影響。直到2003年Jevtovic-Todorovic等[8]首次報道七氟醚暴露可引起發育期嚙齒類動物大腦神經元異常凋亡并損傷其認知功能。這一發現引起了社會和醫學界的極大關注。近年來很多研究圍繞七氟醚對發育期腦組織的神經毒性作用展開。

有關七氟醚對發育期腦組織神經毒性作用的臨床前研究，通常以嚙齒類動物和靈長類動物為主要研究對象。七氟醚對發育期腦組織的神經毒性作用主要有以下表現：①大腦神經元的缺失或形態改變：新生大鼠單次七氟醚暴露可引起海馬CA1和CA3區錐體神經元缺失增加，神經元樹突棘總體密度降低，原始神經元丟失、形態改變，微清蛋白(PV)中間神經元表型缺失[9～11]。②凋亡相關蛋白及基因表達改變：海馬、丘腦及頂葉皮質、紋狀體的凋亡蛋白酶Caspase-3表達增加[12,13]；神經型一氧化氮合酶、糖原合成酶激酶3、Blc-2及磷酸化細胞外信號調節激酶1/2表達降低,促凋亡基因Bax表達增加[14,15]。③調節突觸重塑/可塑性相關基因及蛋白表達改變：海馬內突觸后致密物95(PSD-95)、突觸素Ⅰ(Synapsin-1)、C-Fas(Fas基因家族成員)、腦源性神經營養因子( BDNF)水平下降[16]。④學習、空間記憶功能障礙:2 h以上2%～3%七氟醚暴露可導致幼鼠成年后空間記憶和學習能力受損，主要表現為逃避潛伏期延長和平臺穿越次數減少[17,18]。

七氟醚對發育期腦組織的神經毒性是客觀存在的，但動物研究結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：第一，由于倫理學的限制，七氟醚暴露是否引起小兒神經系統的組織病理學改變很難確定。第二，動物研究已經發現七氟醚的神經毒性作用具有時間依賴性[19,20]，動物和人是不同物種，其大腦發育特點顯著不同，嚙齒類動物大腦發育時長明顯短于人類，相同的七氟醚暴露時間，嚙齒類動物相對于人類來說對發育期大腦作用時間更長。第三，與動物研究相比，臨床研究很難將七氟醚暴露與疾病本身、手術因素相區別。第四，動物研究缺乏客觀的監測手段，以排除血壓波動、血氧降低、二氧化碳蓄積對研究結果的影響。第五，很多研究為回顧性研究，由于七氟醚暴露時醫療水平和監測手段的局限性，無法排除術中血壓、血氧、二氧化碳分壓、麻醉深度等對研究結果的影響。臨床研究[21]報道，七氟醚麻醉可使新生兒血清S100-β蛋白及神經烯醇化酶水平升高，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，小兒術后行為異常的發生率更高[22]。而最近一個多中心的、關于吸入麻醉是否影響患兒術后遠期認知功能的研究[23]發現，0～3歲的患兒在單次、短期吸入麻醉下行腹股溝疝修補術后，分別于8歲和15歲時測得的IQ值與相同年齡段兄弟姐妹IQ值之間無統計學差異。

3 七氟醚對發育期腦組織神經毒性作用的可能機制

3.1 誘導神經元異常凋亡 動物研究發現七氟醚暴露可引起嚙齒類動物海馬及大腦皮層神經元異常凋亡。七氟醚可能通過以下途徑誘導神經元凋亡： ①線粒體依賴性途徑： 線粒體不僅能為細胞供能，在調控細胞凋亡的過程中也發揮重要作用。線粒體通透性轉變孔(MPTP)是位于線粒體內外膜之間由多個蛋白質組成的復合通道。正常情況下，MPTP周期性開放，線粒體外的正離子進入線粒體內，而線粒體內膜的質子泵將線粒體基質中的質子泵入胞漿，從而維持線粒體外正內負的跨膜電位。七氟醚通過誘導氧化應激反應、促進內質網鈣超載、改變Bcl家族促凋亡蛋白表達使MPTP異常開放，導致線粒體膜電位消失、呼吸鏈斷裂，Caspase-3及細胞色素C等凋亡因子釋放，從而啟動神經元的凋亡[24,25]。②死亡受體依賴性途徑：死亡受體依賴性途徑是細胞凋亡的經典途徑之一，而Fas/FasL是主要死亡受體通路之一,七氟醚可上調Fas蛋白水平，通過激活相應膜受體，形成死亡誘導信號傳導復合物，激活Caspase-8而啟動凋亡級聯，直接激活下游效應因子Caspase-3，通過拆散細胞骨架、阻斷DNA復制和修復、干擾mRNA剪切，損傷DNA與核結構誘導神經元凋亡[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而調整自身功能，以適應不斷變化的環境。突觸的這種可塑性主要依靠樹突棘形態、數目的改變而實現。Synapsin-1、PSD-95、BNDF對突觸的發生、穩定和可塑性調節起重要作用。七氟醚通過降低發育期腦組織中Synapsin-1、PSD-95、BNDF的表達，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習、空間記憶功能損傷[16]。

3.3 引發興奮性/抑制性神經遞質失衡 成熟神經系統依靠興奮性神經遞質和抑制性神經遞質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受體引起發育期大腦興奮性/抑制性神經遞質失衡，進而引起行為異常和學習、記憶功能障礙的的發生。其作用機制主要有以下幾點：第一，通過拮抗NMDA受體，使NMDA受體代償性上調，待七氟醚洗出后，發育期神經元對谷氨酸的敏感性增強。第二，由于GABA在神經發育早期為興奮性神經遞質，七氟醚激活GABA受體可使發育期腦組織過度興奮；二者協同產生興奮性神經毒性作用[27,28]。

3.4 造成神經元表型缺失 PV中間神經元是抑制性GABA能中間神經元的主要表型，對海馬及新皮層局部環路具有抑制作用，參與大腦學習、記憶及信息傳遞。動物研究[11]發現PV中間神經元的表型缺失與七氟醚暴露后引起的小鼠認知功能損傷是同時發生的。PV中間神經元缺失后大腦表現為過度興奮，引起認知功能損傷[29]。

總之，七氟醚作為臨床上常用的小兒吸入麻醉藥，其對發育期腦組織的神經毒性是客觀存在的。雖然七氟醚引起發育期腦組織神經毒性的機制在動物研究中取得了一些進展，但由于倫理學的限制、人類神經系統的復雜性在臨床研究中進展受到一定限制。隨著基礎生命科學、麻醉學、神經心理學的發展，有可能在不遠的將來就會闡明七氟醚對發育期腦組織神經毒性的作用機制，進而制定圍術期發育期腦組織的保護策略。

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內蒙古自治區衛生和計劃生育委員會醫療衛生科研計劃項目(201303068)。

陶利軍(E-mail: 50944550@qq.com)

2017-05-25)