吸入性麻醉劑與腦缺血及神經保護的研究進展

董傳斌

(枝江市人民醫院，湖北 枝江 443200)

七氟烷是目前一種較為新型的吸入麻醉劑。與異氟烷和地氟烷相比，七氟烷具有氣道刺激相對較小，起效和恢復更快，血流動力學穩定性高于其他強效吸入劑等優點，且其顯著特點是具有低于異氟烷的血/氣分布系數，因而可快速誘導麻醉并縮短蘇醒時間〔1〕。尤其針對心腦血管疾病患者，七氟烷能提供具有類似血流動力學穩定性的麻醉，在臨床手術時可使患者出現更快速、更有效的麻醉狀態，同時快速恢復術后清醒狀態〔2〕。吸入麻醉藥與其他常規麻醉藥相比，因其相對安全的給藥途徑和較快的起效速度而具有實用優勢。研究發現，在正常大鼠腦局部缺血時給予吸入麻醉藥，即麻醉預處理(APC)，可顯著地降低正常大鼠的腦缺血再灌注損傷，還有一定的神經保護作用〔3〕。該保護作用可能涉及的機制是缺血時保持三磷酸腺苷(ATP)水平，降低中性粒細胞的黏附，增加一氧化氮的產生，抑制自由基產生或減少鈣超載，通過激活線粒體ATP依賴性鉀通道(mKATP)通道減少腦缺血誘導的腦組織損傷，進而改善正常大鼠局灶性腦缺血再灌注損傷〔4〕。在腦氧和糖代謝的研究表明七氟烷預處理的神經保護作用包括改變谷氨酸轉運體活性改變、電生理改變、抑制線粒體通透性轉換孔(mPTP)的開放，抵抗興奮性氨基酸的毒性，抑制活性氧的釋放，抑制炎癥、腦脂質過氧化和神經元的凋亡，降低氧化應激和維持線粒體膜穩定性〔5〕。

在神經元細胞中，線粒體在腦缺血再灌注(I /R)損傷期間產生大量的ATP和病理活性氧，它們還在吸入性麻醉劑誘導的預處理中起關鍵作用〔6〕。研究表明七氟烷和其他吸入性麻醉劑通過mKATP通道在I/R期間保護大腦免受損傷，mKATP通道開放導致鉀流入，抑制線粒體中的鈣超載，活性氧的產生和多種下游激酶的激活來使大腦免受I/R損傷，這被認為是APC的關鍵步驟〔7〕。研究表明，異氟烷可在體外直接激活大腦mKATP通道，異氟烷處理后ATP敏感的K+電流顯著增加，mKATP通道阻斷劑5-羥基癸酸鹽(HD)完全消除了這種效應〔8〕。Matthias等〔9〕證實了七氟烷能夠在缺血期間阻止線粒體基質體積收縮，并且這種效應是通過mKATP通道開放介導的。研究表明，七氟烷預處理通過增加蛋白激酶C的ε亞家族(PKC-ε)磷酸化對抗大腦I/R損傷來保護神經元，并且mKATP通道阻滯劑5-HD抑制了這種作用〔10〕。

1 異氟烷與腦缺血再灌注的關系

當腦缺血缺氧發生時會導致腦內ATP大量耗竭，Na+和Cl-內流引起腦細胞水腫，同時腦內谷氨酸過度釋放促進神經元細胞Ca2+內流，增加N-甲基-D-天冬氨酸(NMDA)依賴性Ca2+內流，導致腦細胞內Ca2+超載，同時大量氧自由基形成，線粒體損傷，這些均導致腦細胞的凋亡〔11〕。研究表明，正常大鼠腦缺血再灌注時，使用異氟烷預處理可顯著抑制腦細胞的mPTP的開放來保護腦細胞，同時也可降低大腦缺血缺氧誘導的腦細胞水腫和線粒體的損傷〔12〕。異氟烷預處理保護腦免受缺血缺氧損傷的機制包括調節Ca2+濃度抑制鈣超載，清除氧自由基，促進線粒體KATP通道的開放及抑制mPTP的開放〔13〕。此外，研究發現異氟烷治療可抑制腦缺血缺氧誘導的促凋亡蛋白Bax和半胱天冬酶-3的表達水平來保護腦細胞〔14〕。

2 異氟烷在腦缺血時的神經保護作用

氨基酸神經遞質如天冬氨酸、谷氨酸、谷氨酰胺、甘氨酸和γ-氨基丁酸在中樞神經系統中具有重要功能。當腦缺氧時突觸間隙和細胞外液中高濃度的興奮性氨基酸(EAA)是引起興奮性毒性和神經元死亡的常見原因〔15〕。異氟烷的保護作用可能是抑制神經遞質氨基酸的興奮性毒性。有報道表明，EAA中的谷氨酸和天冬氨酸在低氧性腦損傷機制中起著關鍵作用。NMDA受體是EAA的主要受體，其活化會導致缺氧時腦細胞內Ca2+超載而產生腦損傷〔16〕。實驗研究發現，異氟烷預處理減少了缺氧誘導的谷氨酸和天冬氨酸的釋放，從而減少了神經細胞的興奮性毒性〔17〕。γ-氨基丁酸(GABA)是中樞神經系統中的一種抑制性神經遞質，研究發現，異氟烷預處理可顯著激活GABA受體活性，這可保護神經元免受缺氧損傷〔18〕，甘氨酸是一種EAA調節劑，可通過增加谷氨酸的NMDA受體的敏感性來增強EAA誘導的興奮性毒性，研究發現，異氟烷預處理治療以劑量依賴性方式逆轉缺氧誘導的甘氨酸濃度升高造成的神經損傷作用，這表明異氟烷對中樞神經系統具有保護作用〔19〕。

線粒體功能障礙導致神經系統疾病，包括神經退行性疾病和中風，其中，類似于腦I/R損傷，過量的Ca2+攝取可激活mPTP的開放，導致神經元死亡后ATP合成顯著減少〔20〕。最近的研究證實，mPTP開放的抑制也是APC誘導的神經保護的最重要的細胞機制之一。 有研究表明，在缺血性腦發生時，異氟烷預處理通過超極化線粒體膜和抑制Ca2+誘導的mPTP的開放來保護線粒體正常功能免受腦I/R損傷，并且異氟烷預處理的腦缺血大鼠可顯著減少神經功能缺損和降低大鼠腦梗死體積〔21〕。

異氟烷麻醉處理可顯著降低在缺血刺激的大鼠皮質中谷氨酸受體介導的Ca2+的內流作用。異氟烷可調節NMDA受體介導的細胞內Ca2+內流和三磷酸肌醇依賴性Ca2+的釋放，將Ca2+濃度維持在適當范圍內可以在腦缺血時發揮神經保護作用〔29〕。研究發現，異氟烷誘導的Ca2+磷酸化可通過激活細胞增殖相關的Ras-Raf-MEK-ERK信號傳導來減少腦缺血誘導的神經細胞的死亡，抑制絲裂原活化蛋白激酶(MEK)1/細胞外調解蛋白激酶(ERK)信號通路可消除異氟烷介導的神經保護作用〔30〕。異氟烷預處理可通過促存活MEK1 / ERK信號傳導或抗凋亡磷脂酰肌醇-3激酶(PI3K)/蛋白激酶B(Akt)信號通路來抑制神經元死亡〔31〕。異氟烷預處理時的神經保護作用也依賴于細胞內適當的Ca2+濃度和Ca2+依賴性的信號傳導，鈣調素是一種重要的Ca2+敏感結合蛋白與絲裂原活化蛋白激酶(MAPK)、PKB/Akt、鈣調蛋白依賴性激酶(CaMK)Ⅱ是一種重要的神經調節酶，研究還發現，異氟烷預處理可通過抑制鈣調素與MAPK、PKB/Akt和CaMKⅡ的結合，從而在腦缺血時發揮對神經的保護作用〔32〕。

3 七氟烷與腦缺血再灌注的關系

七氟烷預處理的神經保護作用包括改變谷氨酸轉運體活性，抑制mPTP的開放和活性氧的釋放，抵抗興奮性氨基酸毒性，抑制腦脂質過氧化和神經元凋亡，減少氧化應激和維持線粒體膜穩定性〔33〕。與其他麻醉藥相比，七氟烷具有穩定腦血流量和腦代謝的作用是作為神經保護劑的主要原因〔34〕。七氟烷和異氟烷預處理對腦缺血再灌注損傷的保護機制涉及抑制mPTP開放，其開放的主要誘因是在腦缺血發生時，線粒體鈣超載，炎癥反應和氧化應激增強等〔35〕。在腦缺血期間，內源性氧化劑和抗氧化劑的平衡被破壞，促炎細胞因子如腫瘤壞死因子(TNF)-α，白細胞介素(IL)-1和IL-6等物質在再灌注階段大量產生。TNF-α和其他促炎細胞因子通過誘導磷酸化和核因子(NF)-κB的激活而引起進一步的氧化應激〔36〕。作為轉錄因子，NF-κB廣泛參與并調節大量細胞因子和趨化因子的表達，如TNF-α、IL-1、IL-6，環氧合酶-2和黏附分子等，這些炎性因子是使細胞產生炎癥和細胞凋亡的關鍵物質，吸入性麻醉劑預處理可通過抑制NF-κB的活化誘導的炎癥反應，從而抑制NF-κB依賴性炎性細胞因子的產生來保護大腦免受I/R損傷〔37〕。Ma等〔38〕在體內冠狀動脈閉塞實驗中證明，七氟烷預處理可減弱NF-κB及其兩個亞基p50和p65的表達，從而降低炎癥因子TNF-α和細胞間黏附分子-1的表達。用七氟烷預處理后可抑制NF-κB的結合活性和活化，從而顯著降低大腦I/R損傷期間TNF-α、IL-1和IL-6的表達。

4 七氟烷在腦缺血時的神經保護作用

小膠質細胞是中樞神經系統的重要清除劑，在缺血后具有神經毒性和神經保護的雙重作用，在腦缺血發生時，小膠質細胞既可迅速分泌促炎因子引發炎癥，同時，它也可吞噬壞死細胞碎片并分泌神經營養因子以保護缺血神經元〔39〕。可使用酶聯免疫吸附試驗(ELISA)評估壞死組織細胞碎片中常見的毒性細胞因子如TNF-α來檢測七氟烷預處理是否加強了小膠質細胞的吞噬作用。研究者對七氟烷預處理組的大鼠腦梗死區的小膠質細胞檢測發現，七氟烷預處理組的大鼠腦梗死部位的TNF-α水平顯著低于對照組。說明七氟烷預處理可增強腦缺血后的小膠質細胞遷移和吞噬活性，同時為神經細胞的存活創造有利的微環境〔40，41〕；七氟烷預處理還可通過抑制炎癥保護腦缺血周圍的神經元；七氟烷也可能促進小膠質細胞活化，吞噬有毒的壞死碎片并分泌神經營養因子，為腦部修復創造有利的微環境，即七氟烷預處理增強缺血性損傷后梗塞區內的內源性神經的發生和重建〔42〕。研究表明七氟烷預處理可促進神經母細胞的增殖，遷移和分化，并且隨后的神經發生是促進小膠質細胞神經保護激活的結果。激活的小膠質細胞吞噬壞死碎片并在七氟烷預處理后促使大腦分泌神經營養因子如BDNF，良好的腦部微環境可促進缺血部位的功能修復〔43，44〕。

有研究報道，在再灌注開始時給予七氟烷時有明顯的神經保護作用，并且在給予七氟烷后5 min時這種作用就逐漸喪失，表明給藥時間、藥物作用時間與APC的保護效應有密切聯系〔45〕。此外，最近發現在使用5-HD后P38磷酸化降低，表明mKATP通道開放和p38磷酸化是七氟烷預處理介導的神經保護作用的關鍵過程〔46〕。與心臟保護相似，PKC-ε也參與APC介導的神經保護作用。 Ye等〔47〕研究表明，在腦缺血發生時，用七氟烷預處理30 min后使用5-HD不僅可以降低神經功能損傷評分和腦梗死體積，而且還可抑制轉染后24 h PKC-ε向膜組分的轉位。該結果還表明PKC-ε作為mKATP通道的上游靶標的作用，并因此表明PKC-ε參與APC介導的大腦和神經保護過程〔48〕。

研究還發現，七氟烷在腦缺血時的神經保護作用機制涉及激活PI3K/Akt途徑，可能激活Akt下游蛋白，如糖原合酶激酶3(GSK-3β)，P70S6激酶(P70S6K)和內皮型一氧化氮合酶(eNOS)，抑制mPTP開放及促進鉀通道開放〔49，50〕。在腦損傷研究中發現，PI3K/Akt通路參與七氟烷對腦缺血再灌注損傷的保護作用〔51〕，七氟烷后處理通過促進線粒體KATP通道開放減少腦缺血誘導的腦組織損傷，并通過PI3K/Akt 途徑抑制mPTP開放減少局灶性腦缺血再灌注后的神經損傷〔52〕。因此，七氟烷后處理對缺氧缺血性腦損傷大鼠神經保護的潛在機制可能是抑制mPTP開放。

研究發現，腦缺血缺氧在一定程度上可促進新生大鼠皮質神經元和海馬神經前體細胞的增殖，而七氟烷可降低腦代謝率并促進神經功能的恢復〔53〕。七氟烷后處理誘導p-Akt、p-eNOS和p-GSK-3β表達上調，并且顯著增加mPTP活性來保護腦缺血誘導的神經細胞的損傷。這些研究結果表明，七氟烷后處理可能通過PI3K/Akt/eNOS和PI3K/Akt/GSK-3β途徑抑制mPTP的開放達到神經保護作用〔54〕。盡管環孢素(Cs)A是一種mPTP特異性阻斷劑，它模擬七氟烷后處理提供的神經保護作用，但未能增強七氟烷后處理的效果〔55〕。這些結果表明，七氟烷后處理可能通過阻斷mPTP開放并減少腦缺血缺氧大鼠的神經損傷來保護腦組織。不同濃度的七氟烷和不同劑量的CsA是否能夠不同程度地預防缺氧缺血性腦損傷需要深入研究〔56〕。總之，七氟烷后處理可通過PI3K/Akt/eNOS和PI3K/Akt/GSK-3β途徑阻斷mPTP開放并減少海馬中的神經元凋亡，從而改善新生缺氧缺血性腦損傷大鼠的神經損傷作用〔57〕。

綜上，吸入麻醉劑異氟烷和七氟烷預處理在腦缺血缺氧發生時的保護作用的機制包括促生存激酶級聯的募集、抑制氧自由基、NF-κB介導的炎癥反應和mPTP的開放，促進PKC-ε介導的mKATP通道的開放及基因表達，還有一些信號調節通路也參與腦缺血的神經保護過程，即激活PI3K/Akt途徑，Akt下游蛋白GSK-3β、P70S6K、eNOS，抑制mPTP開放和促進mKATP開放。其中其他類型的吸入性麻醉劑預處理在腦缺血和神經保護作用的關系還需要進一步研究探討。