七氟烷對海馬神經元凋亡相關信號通路影響的研究進展

謝云帆，劉咪，田毅

七氟烷是一種新型的含氟類吸入性麻醉藥，目前在臨床廣泛用于全身麻醉，其血/氣分配系數僅為0.69，具有麻醉誘導迅速、蘇醒快、可控性良好、對呼吸道無刺激性和獨特的芳香氣味等優點，成為小兒臨床麻醉的理想用藥。目前七氟烷對患者行為認知功能的影響成為臨床熱點之一。有研究表明，低濃度的七氟烷暴露對認知功能有一定的保護作用，這種效應可能與其促進海馬神經元生長和改善突觸可塑性有關［1］。然而越來越多的實驗研究表明，吸入麻醉藥可造成神經毒性，導致神經元損傷、凋亡，進而引發認知功能障礙［2］。七氟烷對神經元凋亡的作用機制尚未明確。有研究表明，七氟烷可通過相關信號通路參與神經元凋亡的調節，如磷脂酰肌醇-3-激酶/蛋白激酶B（phosphatidylinositol 3 kinase/protein kinase B，PI3K/Akt）、核因子κB（nuclear factor kappa-B，NF-κB）信號通路等［3-4］。對于凋亡相關信號通路的研究，有助于進一步了解七氟烷引起的神經元凋亡及其對認知功能影響的機制。近年來學者對于此類研究集中在海馬區域神經元上。本文對七氟烷引起海馬神經細胞凋亡中的可能相關信號通路進行綜述，旨在為進一步探討七氟烷影響認知功能的機制提供參考。

1 神經細胞凋亡機制

細胞凋亡又稱細胞程序性死亡，在神經系統的生長發育和老化過程中發揮著重要作用。神經元過度凋亡是人類多種精神疾病的發病機制之一，如神經退行性疾病、腦缺血性損傷等［5］。細胞凋亡途徑包括內源性凋亡途徑、外源性凋亡途徑和內質網途徑。內源性途徑和外源性途徑的共同交叉點是胱天蛋白酶（cysteinyl aspartate specific proteinase，caspase）的激活，caspase-3 是內源性和外源性途徑的最終歸路［6］。

1.1 內源性途徑 內源性途徑又稱線粒體途徑，是經典的細胞凋亡方式。線粒體凋亡途徑可由多種因素誘發，如缺少生長因子和激素、輻射、缺氧和病毒感染等［7］。B細胞淋巴瘤-2（Bcl-2）蛋白家族是線粒體膜結構改變的主要調控者［8］，Bcl-2家族蛋白可分為抗凋亡蛋白（如Bcl-2 和Bcl-x）和促凋亡蛋白（如Bax 和Bak）兩類，其通過控制線粒體膜通透性轉換孔（mitochondrial permeability transition pore，MPTP）的開放，進而調節線粒體外膜和內膜的通透性。在凋亡信號的調節下，MPTP 過度開放，線粒體膜電位崩解，導致線粒體外膜斷裂，線粒體膜內促凋亡物質［如細胞色素C（Cyt-c）］被釋放，Cyt-c可與凋亡蛋白酶激活因子-1（Apaf-1）結合形成復合體，活化caspase-9 前體，從而引發caspase 的級聯反應，導致細胞凋亡。因此，各種凋亡蛋白、抗凋亡蛋白和caspase 相關蛋白是反映細胞凋亡的敏感指標，被廣泛應用在神經元凋亡研究中［9］。

1.2 外源性途徑 外源性途徑又稱為細胞凋亡的死亡受體途徑，主要是由膜上死亡受體介導的。死亡受體屬于腫瘤壞死因子（TNF）受體超家族，包括Fas受體（Fas-R）、DR4/DR5、腫瘤壞死因子受體（TNFRs）和TNF 相關的凋亡誘導配體受體（TRAIL-R）等［10］，其中Fas-R和TNFRs 是經典的死亡受體。Fas-R與其配體結合后，與接頭蛋白Fas 相關死亡結構域蛋白（FADD）銜接；而TNFRs與TNF結合，隨后與TNFRs相關死亡結構域（TRADD）銜接，兩者均可促使前caspase-8 的激活并最終導致細胞凋亡。此外，TNF受體與配體結合并銜接TRADD后，還可通過招募腫瘤壞死因子受體相關因子（TRAF）及誘導絲/蘇氨酸蛋白激酶（RIP）泛素化，使NF-κB 誘導激酶（NFκB-inducingkinase，NIK）活化，NIK 使NF-κB 抑制蛋白發生磷酸化，促進NF-κB的釋放，NF-κB移位進入核內激活表達炎性因子（如CXCL2、CCL4），導致細胞凋亡［11］。有研究發現，七氟烷也可能通過NF-κB通路引起炎癥反應，從而導致神經元凋亡［12］。

1.3 內質網途徑 內質網廣泛存在于真核細胞中，參與分泌蛋白的合成、翻譯后修飾、正確折疊和鈣穩態。各種病理生理條件刺激（包括缺氧、應激、低血糖、缺鈣、氧化應激和高脂飲食）均會破壞蛋白質折疊過程，從而導致內質網中未折疊和錯誤折疊的蛋白質積累，未折疊蛋白反應（UPR）被激活，這種情況稱為內質網應激［13］。內質網應激本質上是一種保護性機制，適度的內質網應激通過激活促生存機制，促進細胞脫離危險信號，進入適應性過程，以維持細胞內環境穩態；而長時間、過度的內質網應激通常通過觸發多種促凋亡機制［內質網源性轉錄因子（CHOP）通路、caspase 通路等］，導致細胞凋亡。CHOP 通路是內質網應激誘導細胞凋亡中的主要通路之一［14］。CHOP是促凋亡因子，其不能直接引起細胞凋亡，但可通過調節下游凋亡相關因子Bcl-2 和caspase-12的表達來介導細胞凋亡。以往研究多針對CHOP與細胞凋亡相關的上游調控機制，下游調控機制的相關研究尚少見。CHOP 可抑制抗凋亡信號分子Akt的磷酸化，上調Tribbles同源蛋白3（TRB3）基因的表達，進而依次激活caspase-9和caspase-3。

2 七氟烷與海馬神經細胞凋亡相關信號通路的關系

2.1 PI3K/Akt信號通路 PI3K/Akt信號通路通過介導生長因子信號在生物生長和關鍵細胞生理過程中（如葡萄糖穩態、脂質代謝、蛋白質合成和細胞增殖）發揮重要作用［15］。Akt 經PI3K 活化后，可磷酸化其下游的多種底物，產生抗凋亡因子（如Bcl-2、Bcl-xL等），進而發揮腦保護作用。Su等［16］研究結果顯示，七氟烷暴露后，海馬神經細胞中caspase-3、caspase-9 和Bax 蛋白表達水平升高，Bcl-2 蛋白表達水平降低；而miR-410-3p 可逆轉這一作用，并伴隨著p-PI3K 和p-Akt 蛋白表達水平升高。有研究表明，腫瘤壞死因子相關蛋白3（C1q/tumor necrosis factorrelated protein-3，CTRP3）可通過激活PI3K/Akt 信號通路，減少海馬神經元凋亡，在七氟烷誘導的老年大鼠腦損傷中發揮保護作用［17］。但另一項實驗研究發現，七氟烷可通過激活PI3K/Akt 信號通路及誘導糖原合成酶激酶-3β（GSK3β）磷酸化，抑制細胞凋亡和氧化應激，從而改善缺血再灌注引起的神經元損傷［3］。

2.2 NF-κB 信號通路 NF-κB 是一個二聚體轉錄因子，在協調炎癥反應及多細胞生物的細胞分化、增殖和存活中發揮重要作用。大鼠吸入2%七氟烷5 h可通過激活NF-κB 信號通路，促進炎性因子的產生，影響大鼠的學習記憶能力［18］。白細胞介素（IL）-17A 為NF-κB 信號通路中的炎性因子。有研究表明，通過拮抗IL-17A 抑制NF-κB 信號通路，可顯著改善老年大鼠的神經炎癥和氧化應激，從而緩解七氟烷對老年大鼠認知功能的損害［4］。但魏海婷等［12］研究發現，七氟烷可通過抑制TLR4-NF-κB 信號通路活化，促進海馬炎癥反應和細胞凋亡，進一步損傷老齡大鼠的認知功能。

2.3 絲裂原活化蛋白激酶（mitogen activated protein kinase，MAPK）信號通路 MAPK 是一個重要的、高度保守的、與細胞膜受體和調控靶點相關的絲氨酸蘇氨酸蛋白激酶家族，可調節細胞生長、分化和凋亡等多種生理過程［19］。MAPK 包括3 個主要成員：細胞外信號調節激酶1/2（extracellular signal-regulated kinase1/2，ERK1/2）、p38 MAPK 和C-jun 氨基末端激酶（C-jun N-terminal kinase，JNK）。

2.3.1 ERK1/2通路 ERK信號通路對神經元生長、存活和可塑性等細胞功能具有重要作用；其在中樞神經系統中被多種分子激活，從而引發各種細胞反應［20］。Wang 等［21］研究顯示，七氟烷可通過拮抗N-甲基-D-天冬氨酸（NMDA）受體抑制ERK1/2信號通路，上調線粒體中凋亡蛋白caspase-3 和Bax 的表達，導致發育中大腦的海馬神經元凋亡。另有研究表明，沉默磷酸酶及張力蛋白同源基因（PTEN）表達可激活幼年大鼠ERK信號通路，減輕七氟烷誘導的海馬細胞氧化應激損傷和細胞凋亡［22］。

2.3.2 P38 MAPK 通路 p38 MAPK 亦被稱為應激激活蛋白激酶，其可由一系列細胞毒性應激刺激和細胞因子觸發。作為回應，p38 可驅動重要的細胞活動，如細胞增殖、分化、存活及應激誘導的凋亡。在七氟烷處理的新生大鼠中，p38 蛋白表達顯著上調，表明p38 MAPK 信號通路被激活［23］。其結果提示七氟烷可能通過激活p38 MAPK 信號通路抑制海馬神經元細胞活力，并導致細胞凋亡。

2.3.3 JNK 通路 JNK 通路在將細胞外信號傳遞到細胞核的過程中發揮重要作用。JNK介導的凋亡信號參與細胞因子的調節、抑制蛋白質合成等。JNK1、JNK2 和JNK3 是脊椎動物中編碼JNK 的3 個基因。JNK1和JNK2在人體中廣泛表達，而JNK3主要在大腦中表達，其在誘導細胞凋亡中起著關鍵作用［5］。Bi 等［24］研究發現，七氟烷可通過激活JNK/c-Jun/AP-1信號通路，促進凋亡因子縫隙連接蛋白43（Cx43）表達，導致神經元凋亡，而JNK 抑制劑SP600125可逆轉這一作用，并改善發育大鼠七氟烷暴露后的記憶認知功能。

2.4 腦源性神經營養因子/酪氨酸激酶B（brain derived neurotrophic factor/tyrosine kinase receptor B，BDNF/TrkB）信號通路 BDNF是哺乳動物大腦中分布最廣泛的營養因子之一，在調節神經元生長、空間學習記憶和突觸可塑性等方面發揮著重要作用［25］。Zhang 等［26］研究發現，通過激活BDNF/TrkB 信號通路可降低caspase-3水平，減少海馬神經元凋亡。有證據表明，吸入麻醉藥暴露引起的認知障礙可能與海馬組蛋白乙酰化水平下調密切相關［27］。BDNF/TrkB 對認知功能的影響與其調節神經元生長有著密切關系。Jia 等［28］研究發現，采用3.0%七氟烷/60%氧氣混合物麻醉幼鼠，每天2 h，連續3 d，可明顯抑制神經干細胞、未成熟神經元和新生神經元的增殖，降低BDNF和TrkB蛋白的表達，而組蛋白乙酰化的非特異性抑制劑NaB 可緩解七氟烷的損害作用，并上調BDNF和TrkB的表達。另有研究表明，上調BDNF表達可減弱七氟烷導致的氧化應激并抑制海馬神經元凋亡［29］。

2.5 腺苷酸活化蛋白激酶/沉默信息調節因子1（activated protein kinase/sirtuin1，AMPK/SIRT1）信號通路 AMPK由1個催化亞單位（α）和2個調節亞單位（β 和γ）組成，是關鍵的調節因子，其通過調控各種調節信號通路在細胞水平上維持能量代謝的穩定性。SIRT1 是一種煙酰胺腺苷二核苷酸（NAD+）依賴性蛋白脫乙酰酶，通過細胞內信號因子的脫乙酰化，在調節細胞凋亡、代謝和分化等生理和病理過程中發揮重要作用［30］。激活AMPK-SIRT1-PGC-1α途徑可以對抗氧化應激及維持線粒體功能，減輕七氟烷對大鼠的海馬神經元損傷［31］，CTRP3 可通過激活AMPK/SIRT1和信號通路抑制七氟烷麻醉誘導的老齡大鼠海馬神經元凋亡［17］。Liu 等［32］研究也為AMPK激活可以改善七氟烷誘導的認知障礙提供了證據。AMPK/SIRT1 通路可能是未來治療七氟烷所致認知功能障礙的潛在藥物靶點。

3 藥物對于七氟烷致神經元凋亡的預防與治療

有學者也在不斷探究減輕七氟烷麻醉誘導的神經毒性的干預措施，其中抑制海馬神經元凋亡是重要一環。細胞凋亡需要經過一系列復雜的信號轉導過程，在其中任何環節上加以阻斷均可實現抑制細胞凋亡的目的。Yang等［33］研究表明，三七總皂苷可通過激活PI3K/Akt 信號通路，有效地保護神經元免受七氟烷誘導的細胞毒性。另有研究表明，葉黃素可通過介導NF-кB/NLRP3通路抑制細胞凋亡、氧化應激和炎癥反應，從而對七氟烷引起的空間學習記憶損傷發揮保護作用［34］。康文越等［35］研究發現，日齡7 d的大鼠行吸入2%七氟烷麻醉，在麻醉4 h前給予右美托咪定后大鼠海馬CA1區凋亡細胞數較未給藥組明顯減少，逃避潛伏期縮短，穿越平臺次數增加，其機制可能為右美托咪定可通過抑制p38 MAPK通路減少細胞凋亡，從而緩解大鼠七氟烷麻醉后的認知損害。有實驗研究發現，經典的降糖藥二甲雙胍也可保護神經元免受七氟烷誘導的損傷，可能與鞘氨醇-1-磷酸受體1（S1P1）依賴的ERK1/2信號通路有關［36］。值得注意的是，在研究阻斷信號通路來抑制神經元凋亡的同時，也應考慮這些通路在對其他非凋亡功能方面的影響［6］。

4 小結

神經元凋亡涉及多個途徑，調控凋亡的信號通路也十分復雜，通路之間又相互關聯［15］，這對研究相關機制的科研工作者來說是不小的挑戰。目前關于七氟烷導致神經元凋亡的研究主要集中在海馬相關區域，而其他學習、記憶相關的前額葉、杏仁核、間腦、小腦及Meynert基底核等研究尚少見。在凋亡機制方面，絕大多數是針對Bcl-2 蛋白家族和caspase途徑的研究，而死亡受體途徑和內質網應激途徑相關資料較為缺乏。本研究僅就七氟烷引起海馬神經元凋亡研究較多的信號通路進行概括，更多的信號通路及其具體機制有待進一步探究。