全身麻醉在腦發育中潛在神經毒性作用研究進展

代紅雨，柳兆芳

（1.皖南醫學院麻醉學專業2016級碩士研究生，安徽 蕪湖 241000；2.皖南醫學院弋磯山醫院麻醉科）

現代醫學認為全身麻醉是一項安全的醫療過程，并廣泛應用于孕婦及小兒等特殊患者群體。近期FDA發布警告稱，孕后期孕婦或低于3歲的小兒長時間（3 h以上）或高頻率應用麻醉藥，存在腦發育異常的風險［1］。此外，相關基礎研究及臨床調查提示，發育中腦暴露于全麻藥物后可誘發神經元凋亡、干擾突觸塑形能力等，從而引起神經認知及行為能力缺陷［2-7］。本文就全身麻醉在腦發育中神經毒性作用神經結局以及潛在機制進行綜述。

1 腦神經系統發生

腦神經系統發生是指神經發育中幾個特征性階段相互作用并產生神經功能的完整過程，包括神經細胞生成、神經元遷移、突觸形成以及軸突髓鞘化等。就人類而言，妊娠早期神經管神經上皮經分化完成形態結構轉變后，具備產生神經細胞的能力。妊娠12～20周神經元快速增殖，在這期間神經數目呈“井噴”式增長并遷移至未來行使功能的特定位置，隨后神經元發生程序性死亡以維持腦的正常外形。約妊娠20周，神經元之間開始構筑突觸結構，在胎兒娩出后2～3年，突觸生成達高峰期，這一時期腦神經發育進入爆發階段（突觸生成期），伴隨軸突、樹突大量的生成，神經細胞間形成連接最終完成神經網絡化［8］。因此，無論是胎兒期或是早期小兒，其腦神經系統均處于不穩定狀態，顯示出強烈的易損性，此階段應用中樞抑制性全麻藥物，存在神經發育異常的風險。

2 麻醉藥神經毒性證據

2.1 基礎研究證據 Istaphanous等［2］的研究為全麻藥在腦發育中神經毒性作用提供了直接證據，通過定量分析細胞凋亡相關蛋白酶caspase-3的表達發現，暴露于異氟醚的新生小鼠腦皮質神經元凋亡密度較未經麻醉者明顯增加，分別為2.0%±0.004% 與 0.08%±0.001%（P=0.0017）。此外，在突觸發育過程中，全麻藥物通過抑制突觸小體的形成以及突觸蛋白的表達，進一步影響突觸功能，最終破壞神經環路正常結構［3-4］。Deng等［9］針對年齡相關性麻醉藥腦神經區域損害的對照研究中發現，經異氟醚麻醉6 h后，發現新生小鼠位于大腦皮層、海馬CA1區、尾殼核等神經發生較早的區域神經細胞凋亡證據，神經增殖較晚的齒狀回顆粒細胞則在幼年期顯示出強烈的易損性并延伸至成年期，結果表明：（1）神經細胞發育水平是麻醉藥發揮神經毒性作用的重要因素，且毒性作用存在時間窗；（2）處于神經發育高峰的腦神經區域更易受損；（3）經歷神經發育活躍期的小兒全身麻醉仍有神經損害的風險。基因學研究中，Lin等［10］研究發現，2.4%七氟醚麻醉2 h可長期影響新生小鼠腦特定miRNAs的表達，且下游通路分析提示軸突導向突觸發育功能受損。

除器質性損害外，麻醉藥還可引起神經功能障礙。Kodama等［11］的研究發現，吸入性麻醉藥包括七氟醚、異氟醚及地氟醚，均存在干擾新生小鼠長時記憶功能，其中地氟醚還表現出抑制短時記憶生成的作用。Jessica等［12］在靈長動物研究中發現，新生恒河猴1個月內接受3次七氟醚麻醉，6月齡時焦慮行為增加。Coleman等［13］的研究中，新生恒河猴短期內不同頻率暴露于異氟醚麻醉，結果發現接受高頻率麻醉者1月齡運動反應能力下降；1歲時新環境焦慮發生率高。提示短期內多次全身麻醉遠期行為缺陷發生率高。

另有文獻報道，新生小鼠暴露于1.2%七氟醚與未經麻醉者相比，成年期海馬區5-溴脫氧尿嘧啶核苷的表達顯著增加，分別為35.83±2.14、30.83±2.85，且與海馬區相關的學習記憶功能顯著提高，預示著低濃度吸入性麻醉藥具有促進神經發生的作用；實驗還發現經低濃度暴露組成年期后，其海馬區腦源性營養因子（BDNF）表達同步增加，因此推測BDNF在這一過程中發揮重要作用［14］。BDNF是廣泛存在于神經元及突觸中的保護性因子，具有促進神經細胞再生以及受損神經修復等功能。小劑量或低濃度麻醉藥促進BDNF表達機制目前尚無文獻報道。

2.2 臨床研究證據 現有的臨床回顧性研究，由于相關因素及觀察指標等層面的差異而存在分歧。部分研究提示，年齡小于2～4歲或經多次全身麻醉（2次及以上）的小兒遠期神經功能缺陷風險率增加，表現為行為障礙、學習記憶能力下降，以及心理疾病如多動癥等［5-7］。另有學者認為較未經麻醉者，早期小兒全身麻醉未來學業障礙或自閉癥發病率無明顯升高［15-16］。Ing等［17］為臨床研究提供了新的思路，利用神經心理學測試對小兒神經發育進行全面評估，發現3歲前接受全身麻醉者具有認知及語言功能損害風險。Backeljauw等［18］的回顧性研究中，4歲前接受手術麻醉的患兒，除引起聽力理解力以及智力降低外，進一步的影像學檢查更是發現大腦枕葉皮質以及小腦白質密度減低。由于研究設計的缺陷以及部分觀察指標如學業成績等，在評估神經損害結局中缺乏敏感性，因此回顧性研究不能作為全身麻醉腦發育神經毒性確切證據。

澳大利亞及全球26個國家進行的臨床多中心前瞻性隨機對照試驗（RCT）中，針對2種麻醉方式對小兒神經發育影響的對比研究（General Anaesthesia Study，GAS），納入矯正胎齡＜60周擇期腹股溝疝手術的嬰幼兒，隨機實施蛛網膜下腔阻滯麻醉（藥物為布比卡因）與全身麻醉（藥物為七氟醚），2年及5年后分別進行神經發育與神經心理評估。根據貝利嬰幼兒發展量表，GAS研究最近的數據提示早期接受短時間七氟醚全身麻醉（平均54 min）者2歲時認知評分與蛛網膜下腔阻滯麻醉者無明顯差異，分別為98.6±14.2和98.2±14.7［19］。GAS 研究依然存在缺陷，忽略了小兒生長環境等外界因素，且貝利嬰幼兒發展量表對于2歲小兒的適用性有待驗證。

Sun等［20］針對全身麻醉在小兒神經認知及行為結局的雙向隊列研究中（Pediatric Anesthesia Neurodevelopment Assessment，PANDA），采用同胞對照法，選取ASAⅠ～Ⅱ級足月產受試同胞，以同胞中一名36月齡前經歷全身麻醉下腹股溝疝手術者作為麻醉暴露組，并于8～15歲進行一次神經心理學測試。結果發現與對照組相比，麻醉暴露組在語言、記憶、行為能力、注意力以及視空間知覺等認知層面評分差異均無統計學意義；而與行為轉歸相關的兒童行為量表測試中，經麻醉者內化得分明顯升高，差異為3.2分（95%CI：1.1～5.3），表明早期小兒接受全身麻醉無遠期神經功能障礙風險。PANDA研究設計的優勢在于，通過同胞對照法減少遺傳、家庭環境等干擾因素，此外，應用不同類型量表工具分別對神經認知及社會行為能力進行評估，減少了研究結果的信息偏倚。

3 麻醉藥潛在神經毒性機制

3.1 Ca2+濃度失平衡 神經發育過程中，Ca2+作為重要的信號分子，參與突觸的生成以及神經網絡的構筑［21］。一方面，神經元生長錐利用Ca2+的濃度差來引導軸突正確生長，避免神經病理性發育［22］。另一方面，胞質內Ca2+參與調節鈣調素依賴蛋白激酶II（CaMKⅡ）的表達，促使環磷腺苷效應元件結合蛋白（CREB）磷酸化，從而激活BDNF的轉錄程序［23］。因此，任何擾亂神經元細胞內Ca2+濃度平衡（Ca2+振蕩）的因素均可導致突觸發育不良以及抑制神經元發生。臨床上常用鎮靜藥如氯胺酮、氧化亞氮等，通過抑制N-甲基-D-天冬氨酸（NMDA）受體發揮鎮靜效應。NMDA受體NR1亞型的表達，促使細胞外Ca2+內流，神經細胞內Ca2+濃度顯著升高［24］。丙泊酚及多數吸入性麻醉藥則是通過興奮GABA受體從而發揮麻醉作用。GABA受體的興奮，可增強突觸后抑制電位，伴隨著細胞膜電勢能的變化，電壓門控鈣離子通道開放增加，大量Ca2+內流，從而使胞質內Ca2+濃度失衡［25］。

3.2 線粒體受損 線粒體是廣泛存在于真核細胞內具有高度動態特性的細胞器，可根據不同組織需要改變其形態及數目，并且影響細胞有絲分裂、凋亡等多種生理過程。線粒體是產生活性氧（ROS）重要場所之一，麻醉下ROS生成與清除平衡破壞，胞質及線粒體ROS濃度均顯著升高［26］。細胞內高濃度ROS除引起氧化應激致細胞凋亡外，同時可破壞線粒體的完整性。一方面，增加線粒體裂解蛋白Drp-1的表達并聚集于線粒體外膜直接破壞其正常形態；另一方面，抑制融合蛋白Mfn-2生成，引起線粒體裂解/融合補償機制缺乏［27］。胞質內Ca2+蓄積是導致線粒體損傷另一重要因素，通過線粒體鈣單向轉運體的作用增加線粒體Ca2+濃度，引起線粒體膜電位的損害導致功能喪失，受損的線粒體進一步釋放凋亡誘導因子如BAX、細胞色素C等，并抑制Bcl-2保護性因子的表達，最終啟動細胞凋亡通路［28］。Xu等［29］的研究中，原代大鼠腦皮質神經元經七氟醚或異氟醚麻醉1 h，通過免疫熒光法發現，伴隨神經元線粒體形態受損，神經發生以及突觸功能均受限；應用線粒體裂解抑制劑Mdivi-1預處理后其神經損傷得到改善。

3.3 炎性細胞因子及凋亡蛋白 現普遍認為，除外科手術外，麻醉藥同樣具有促進炎性細胞因子釋放的作用，盡管有文獻提示丙泊酚、異氟醚、咪達唑侖、氯胺酮等通過抑制小神經膠質細胞功能減少IL-1β的釋放［30］。腦組織炎性細胞因子TNF等濃度的增加，不僅引起神經炎癥細胞凋亡，還可對阿爾茨海默病的進展產生不利影響［31］。Xia等［32］通過丹參酮ⅡA抗炎預處理后發現，經七氟醚麻醉的新生小鼠伴隨腦組織IL-1β、IL-6水平下降，海馬區神經元凋亡減少，且遠期神經功能缺陷發生率降低。FAS是TNF家族中調節細胞凋亡常見的信號分子，通過與其天然配體FASL結合進一步激活細胞內一系列蛋白水解酶，破壞細胞核DNA序列，從而誘導細胞凋亡。近些年來，有學者發現FAS-FASL信號通路在異氟醚誘導的未成熟神經元凋亡中發揮重要作用，其機制目前尚無文獻報道［33］。

綜上所述，關于全身麻醉在腦發育中神經毒性作用，基礎研究已從組織學角度給出有力證據，表現為誘導神經細胞凋亡，干擾突觸正常發育及塑形能力，最終導致神經功能缺陷以及學習能力下降。由于倫理等問題，臨床研究仍處于流行病學調查階段，因回顧性研究設計的諸多缺陷以及前瞻性研究的缺乏，導致全麻藥物是否影響人類腦神經系統發育仍然未知。未來研究中，除尋找臨床證據外，應探索小兒全身麻醉神經保護措施。