全麻藥物對患者術后認知功能障礙的作用機制及其相關調控網絡的構建

沈園園 蔣 銘 王 軍 顏朋朋 陳甜甜 李杏瑞

洛陽市第一中醫院(河南 洛陽 471000)

全身麻醉是一種通過靜脈、呼吸道或者肌肉注射等方式將麻醉藥物導入患者體內，從而引發神經系統出現抑制現象的生理過程，常見的臨床表現包括：全身痛覺消失、意識不清、反射抑制等[1,2]。全身麻醉藥物的作用原理是通過抑制興奮性神經元同時加強抑制性神經元的功能從而實現全身麻醉的功效[3]。如今，全身麻醉藥在外科手術中發揮著不可替代的作用。全身麻醉藥物通常具有鎮靜及催眠等作用，同時伴隨遺忘等副作用，這便是導致引發術后認知障礙的一個關鍵誘發因素[4]。

手術后認知功能障礙(postoperative cognitive dysfunction，POCD)常常發生在患者手術后，由于受手術期間各種因素的影響，患者出現精神異常的表現，具體表現為記憶、學習、認知、意識、精神活動及睡眠等功能的紊亂[5-7]。記憶在人類的認知功能中占有重要的地位，隨著人們對全麻的機制研究不斷深入，全麻藥物對記憶功能產生的影響也越來越多的受到人們的關注。當前應用在臨床的全麻藥物大部分都會對人類的學習、記憶功能產生多方面的影響。有研究表明，吸入類麻醉藥物產生的記憶阻斷功能和年齡因素有著十分緊密的聯系；在青年動物的空間學習記憶研究中發現，異氟烷聯合氧化亞氮麻醉可以增強與鞏固其相關方面的功能，而對于老年動物而言，抑制了其空間認知功能；另有研究表明，吸入式麻醉藥物利用多種機制對學習及記憶功能產生多種多樣的毒性反應，特別針對發育中的大腦[8-10]。以上研究大多集中在動物實驗中，是否在人類中同樣適用有待進一步確定。

引起術后認知功能障礙的重要原因之一是吸入式麻醉藥物對患者麻醉后記憶功能產生的影響[11-12]。臨床上常用的全麻藥物都會在不同的程度上引起認知功能的障礙，但是由于研究實驗條件不統一及臨床樣本量相對較小，因而難以對全麻類藥物引發的認知功能障礙的作用機制得出定論。雖然目前POCD的作用機制尚未十分明確，但多數研究者認為其主要原因仍然是中樞神經的炎癥反應，其在POCD的發生機制中產生重要的影響，抑制中樞神經炎癥可以在一定程度上改善患者的術后認知能力[13]。本文通過文獻挖掘麻醉后中樞神經炎癥中可能參與的相關基因，然后對相關基因進行GO功能注釋和KEGG分析，同時結合KEGG數據庫繪制影響記憶相關基因的調控網絡圖，從而分析推測相關基因與患者術后認知功能障礙的關系，以便為以后研究全身麻醉藥物所引起的術后認知功能障礙的具體作用機制提供理論依據，同時為以后研究麻醉的分子作用機理也具有指導意義。

1 材料和方法

1.1研究對象 當前臨床上經常使用與麻醉關系密切的基因標記物：C-fos、HIF-1α、STAT3、Bcl-2。

1.2麻醉易感基因的GO分析 GO分析時，進入在線網站AmiGO的首頁(http://geneontology.org)，篩選條件為“Homo sapiens”、“gene”，分別對麻醉相關基因C-fos、HIF-1α、STAT3、Bcl-2進行GO功能注釋初步分析。

1.3麻醉易感基因的KEGG網絡分析 麻醉相關基因進行KEGG分析時，先進入在線網站KEGG PATHWAY Databa的首頁(http://www.kegg.jp/kegg/pathway.html)，篩選條件organism為“hsa”，key words為C-fos、HIF-1α、STAT3、Bcl-2，查詢麻醉相關基因在患者認知功能中的調控網絡。

2 結果

2.1麻醉易感基因的GO分析結果 GO分析又稱基因本體論(gene ontology)，主要用于研究基因的具體功能，GO分析功能的分類依據是基因及蛋白在生物體中發揮的作用，主要分為分子功能(molecular_function)、細胞組分(cellular_component)和生物過程(biological_process)三大部分。C-fos基因的GO分析結果見表1。由表1可知，C-fos基因具有生物過程、細胞組分和分子功能三種功能。生物過程涉及蛋白結合、神經系統發育等；細胞組分涉及到轉錄因子AP-1復合物等；分子功能主要涉及VEGF-D激活的受體活性和RNA轉錄激活劑活性等。

表1 C-fos基因的GO分析結果

HIF-1α基因的GO功能分析結果如表2。由表可知，HIF-1α在生物過程及分子功能中發揮重要功能，生物過程主要涉及到低氧誘導因子-1α信號通路、低氧誘導因子-1α信號通路的調控、低氧誘導因子-1α信號通路的上調和下調等多個過程；HIF-1α涉及到的分子功能主要涉及到低氧誘導因子-天冬酰胺加氧酶活性。

表3為STAT3基因的GO分析結果，STAT3具有生物過程和分子功能兩種功能，生物過程主要涉及到STAT3蛋白的酪氨酸和絲氨酸磷酸化、STAT3蛋白的酪氨酸磷酸化的調控、STAT3蛋白的絲氨酸磷酸化的調控、STAT信號通路、STAT信號通路的調控、通過JAK-STAT的生長激素受體信號通路、通過JAK-STAT的受體信號通路的調控等多個過程；分子功能涉及到STAT家族蛋白結合等。

表2 HIF-1α基因的GO分析結果

表3 STAT3基因的GO分析結果

表4為Bcl-2基因的GO分析結果。Bcl-2細胞組分涉及到SOD1-Bcl-2復合物、Bcl-2家族蛋白復合物、BAD-BCL-2復合物、BCL-2復合物、BAX復合物、BAK復合物等；分子功能主要涉及到與BH域結合。

2.2麻醉相關基因調控網絡模型的建立 GO功能分析結合KEGG數據庫對本課題篩選的4個基因進行通路分析，構建由上述基因參與的麻醉相關基因的調控網絡圖，如圖1所示。

表4 Bcl-2基因的GO分析結果

圖1 麻醉相關基因調控網絡圖

3 討論

POCD是術后常見的并發癥之一，多見于老年患者[14]。POCD主要表現為患者術后引發的記憶功能減弱、注意力分散等認知功能的改變，更為甚者表現出人格改變和(或)社會行為功能下降[15]。盡管報道有關POCD和全麻的文章有很多，但是關于全麻導致的POCD作用機制尚不明確，當前認為在POCD中發揮重要影響的因素是中樞神經炎癥反應，而當中樞神經炎癥被一定程度抑制時，患者的認知功能得到明顯改善[16]。研究表明，LPS引起的認知功能損傷與前炎性因子的表達和神經元調往有關；而前炎性因子可損害神經元功能，包括長時程增強與工作記憶形成。包括細胞因子TNF-α、IL-1b均與海馬長時程增強、神經突出可塑性密切相關，而后者則在記憶形成與維持中起到重要作用。

張曉瑩等通過LPS側腦室微注射探索研究發現去鐵胺可對脂多糖誘發的小鼠神經炎反應與記憶損傷起到保護作用，LPS腦室注射液可觸發小鼠中樞神經炎癥從而短暫的導致認知功能障礙，神經炎癥過程中減低腦鐵含量可能會減輕海馬區小膠質細胞激活與炎癥因子的釋放，從而改善認知功能[17]。Ozacmak等通過丙酮酸乙酯預防慢性腦低灌注通過保護認知功能發現此過程中氧化應激、細胞凋亡蛋白酶3激活和IL-1β水平均有所減少，結果表明，慢性腦低灌注造成顯著的障礙空間工作記憶、IL-1β等提高。然而，EP治療明顯改善了記憶障礙，研究顯示丙酮酸乙酯的保護作用可能來自于抑制炎癥反應、凋亡過程和氧化應激[18]。在Kiecolt-Glaser等人[19]研究中表明，POCD產生的同時，實驗對象體內的中樞神經炎癥因子如TNF-α、IL-1β、IL-6等均呈上調趨勢。其中在腦組織損傷過程中，炎癥因子IL-6發揮雙重功能，當IL-6的濃度位于正常生理狀態或低表達狀態時，會產生對神經元的保護功能，當IL-6的含量迅速升高便會加快神經元及內皮細胞損傷的發生[20]。

七氟醚和丙泊酚是臨床上常用的全麻藥物，前者吸入給藥，后者靜脈給藥，已有以新生乳鼠為對象的研究結果顯示，七氟醚和丙泊酚能夠引起新生乳鼠的神經元損傷、認知功能減退[21]。在全麻藥(吸入麻醉藥等)誘導后迅速出現c-fos基因的表達，說該基因對全麻藥存在積極的反應。目前許多研究表明C-fos基因在痛覺傳遞及調控過程中，參與強啡肽及腦啡肽的轉錄偶合過程，協同作用于痛覺調控，這與其在神經系統中普遍存在是密不可分的[22]。越來越多的研究證明C-fos基因在麻醉過程中發揮關鍵作用，一些研究表明，C-fos基因作為第三信使參與麻醉過程中痛覺的傳導及調控功能[23]。

全麻藥在幫助患者鎮痛的同時，可能降低患者的記憶功能，使其意識下降，失去對傷害刺激的反射功能等，七氟醚和丙泊酚都是臨場經常使用的全麻藥，在一項新生乳鼠的研究中發現，這兩種麻醉藥都能使乳鼠的神經元損傷并引發認知功能下降[21]。許多研究均表明，全麻藥物可以導致中樞腦細胞多個基因積極響應，由此在表達上發生變化，例如Hemeoxygenase-1、VEGF、BDNF、prepronociceptin、insulin-like growth factor Igene基因等[24]。在麻醉后，導致認知能力喪失或降低的一個關鍵病理環節即神經元細胞的過度凋亡[25]。影響神經元損傷及凋亡，引發認知能力下降的細胞因子中發揮主要作用的是炎癥反應細胞因子。發揮保護功能的細胞因子有BDNF、VEGF等，在HIF-1α的誘導下，上述保護因子可以大量表達[26]，BDNF可加快神經元的再生，進而增強突觸間的聯系及認知功能[27]；VEGF只作用于血管內皮細胞，它可加快內皮細胞生長、促進新生血管形成，這樣中樞神經系統的側枝循環及血流灌注功能就會加強，進一步提高神經功能[28]。當中樞神經系統的損傷細胞因子數量變多，保護性的細胞因子數量降低時會產生兩種結果，一種是可以直接引發神經元損傷，另一種是可經過激活細胞凋亡過程從未引發神經元的損傷[29-30]。bcl-2基因是抗凋亡基因，bax基因是促凋亡基因，caspase-3為凋亡過程重要的凋亡執行蛋白酶基因，上述三個基因在細胞凋亡的進程中發揮的功能已經成為當今的研究熱點[31-32]。陳玢等通過七氟烷誘導短暫的術后認知功能障礙，發現caspase-3可能與POCD發生有關，而異氟烷、七氟烷都可以誘導Aβ形成，繼而激活caspase-3；同時七氟烷可以激活特定的酶激活tau蛋白的磷酸化產生認知功能障礙。半胱氨酸蛋白酶(caspase)經過一些列高度調控的級聯反應事件導致細胞凋亡，而β淀粉樣前蛋白是中廣泛存在于各類細胞的單鏈跨膜糖蛋白，它可以被caspase-3剪切，其蛋白水解產物聚合形成Aβ，Aβ可誘導caspase-3激活促使細胞凋亡。七氟烷可以通過β淀粉樣蛋白形成，繼而激活半胱氨酸蛋白酶-3。β淀粉樣蛋白在突觸前的積累影響突觸前蛋白突觸素和突觸后蛋白的表達，從而產生認知功能缺陷[33]。

HIF-1是維持細胞內氧平衡的關鍵調節因子，在缺血誘導的血管生成、缺血后細胞代謝、維持腫瘤細胞的代謝適應等方面都起著非常重要的作用。當環境缺氧時，缺氧誘導因子(Hypoxia-Inducible Factor-1α，HIF-1α)能啟動多種下游基因發生轉錄激活，例如p53和BNIP3基因，從而增加神經細胞的凋亡，引發神經細胞變性壞死，最終導致認知功能喪失或下降[34]。有研究表明在老年人中，人工髖關節置換手術后引發的POCD，在很大程度上可能與手術麻醉造成的應激反應及血清HIF-1α的高表達有著密切的聯系，因為可以將圍術期血清HIF-1α水平作為預測及診斷老年患者手術后認知功能發生障礙風險的監測指標。目前眾多研究者傾向于認為POCD的發生機制和創傷后的炎癥反應有著密切的聯系[35-36]，氧濃度和炎性反應之間有著緊密的聯系，研究表明炎性反應和低氧反應的通路間也存在重要的關系，共同在神經細胞的凋亡中發揮關鍵作用，例如HIF-lα mRNA蛋白的表達及活化受TNF-α基因誘導的炎癥反應的影響[37-38]。

研究表明，當PI3K/Akt信號通路激活時能夠有效降低神經損傷的發生，減少炎癥細胞的死亡，這個通路普遍存在神經系統中，在膠質細胞、神經元的生存、分化及凋亡等進程中發生重要作用[39-40]。PI3K/Akt信號通路是目前研究的熱點通路，主要參與抗凋亡及促存活的信號傳導途徑，它能夠調節神經細胞的凋亡及自噬，調控細胞的存活，一旦抑制此信號通路就會引發認知功能障礙[41-42]。NO/cGMP信號通路在細胞生長分化及肌肉活動中起著關鍵作用，它是存在細胞內的一個關鍵通路，發揮功能時該通路可傳導胞外信號至胞內，研究發現，該通路可通過介導麻醉藥物作用于突觸，從而發揮鎮痛的功效[43-44]。STAT3在神經系統中主要參與誘導神經干細胞向星形膠質細胞分化，目前已經知道STAT3在神經系統發育及抑制細胞凋亡、參與損傷修復等方面起著關鍵作用，研究發現異氟醚麻醉可以對正在發育的神經元產生不利的影響，且抑制STAT3的轉錄表達[45]。

當前多數專家及學者傾向認為中樞神經炎癥反應仍然是導致老年患者產生POCD的主要因素。本文通過閱讀文獻推測全麻藥物可能通過中樞神經炎癥造成麻醉患者認知功能損害、神經元凋亡，導致記憶下降，從而引起術后認知功能障礙。抑制中樞神經炎癥可以改善患者的術后認知功能，而在該神經炎癥反應中C-fos、HIF-1α、STAT3、Bcl-2等基因均可能參與到其中發揮重要作用，通過對這幾個基因功能分析和構建其在POCD中的調控網絡，為以后POCD的作用機制研究提供參考。同時隨著全身麻醉手術的日益增多，全麻藥物對患者術后認知功能障礙的作用機制和相關調控網絡將更加完善。