卤族吸入麻醉药对细胞内Ca2+的作用研究进展

宋珊 郄晓娟 于丽丽 霍树平 王秋筠

全身麻醉中广泛应用卤族类吸入麻醉药，包括氟烷(halothane)、恩氟烷(enflurane)、异氟烷(isoflurane)、七氟烷(sevoflurane)和地氟烷(desflurane)等，主要由于其麻醉效能强，诱导、苏醒快，无燃烧、爆炸等优点，广泛应用于临床麻醉。但是，这些卤族吸入麻醉药具有麻醉、器官保护作用的同时也有一定的毒性，且大多与细胞内Ca2+的浓度变化密不可分。Ca2+作为一个主要的细胞内信使，参与调控细胞的生理活动，在静息状态下，内Ca2+浓度总是保持在极低的水平，为10-7mol/L，细胞外的Ca2+浓度大约为细胞内的一万倍［1］。细胞内Ca2+稳态的维持依赖于Ca2+跨细胞膜转运以及细胞内钙库等的动态平衡。当遇到应激等相应的刺激时，细胞经过多条途径会瞬间提高胞内局部或全部的Ca2+水平进而调控细胞一系列的生理活动。卤族吸入麻醉药的各种作用大多与细胞内Ca2+浓度的变化有关。

1 对心肌细胞的作用

心肌细胞通过如下机制使细胞内Ca2+达到稳态:静息状态下胞浆内Ca2+浓度维持在10-7mol/L，当细胞受到刺激引起初始去极化时，位于细胞膜的电压依赖性Ca2+通道(LTCC)开放，细胞外Ca2+进入细胞内，激活位于肌浆网(SR)上的兰尼定受体(RyR)，触发进一步的Ca2+释放，通过以上过程使胞浆内Ca2+迅速上升达10-5mol/L，引起心肌收缩。为了完成收缩后的舒张，细胞通过Na+-Ca2+交换体(NCX)和肌浆网上的钙泵(SERCA)迅速将胞内Ca2+浓度降至静息水平，前者将Ca2+移至细胞外，后者将Ca2+重吸收入肌浆网内。吸入麻醉药可能通过多条途径降低心肌细胞内的Ca2+浓度，进而抑制心肌细胞的收缩力。Inanc等［2］研究表明，1或2MAC的氟烷和异氟烷，都可通过抑制Na+-Ca2+交换体，减少心肌细胞内的Ca2+浓度，进而抑制心肌细胞的收缩力。另外，卤族吸入麻醉药还可能通过抑制 L-型 Ca2+通道电流［3，4］、减少肌浆网内Ca2+浓度［5，6］，而降低心肌细胞内 Ca2+浓度，抑制心肌收缩力。

心肌缺血再灌注损伤(MIRI)是临床麻醉围术期中经常面临的一种病理生理变化，目前有多种学说解释，其中以钙超载、氧自由基增加、高能磷酸化合物缺乏三种观点最重要。卤族吸入麻醉药对心肌预处理/后处理可产生模拟缺血预处理样的心肌保护作用，主要与减轻细胞内钙超载有关，这种作用已在鼠、兔、猪等动物实验模型中证实。肌质网上的兰尼定受体通道在 MIRI中起重要的作用［7］，Jianzhong 等［8］在猪的心脏模型中证实，2.2%的七氟烷预处理15 min可有效减轻心肌细胞缺血再灌注后收缩期与舒张期的钙超载，降低SR钙循环蛋白的降解，可能与抑制Na+-Ca2+交换体的作用有关;其后期离体鼠心脏模型实验证实，1.5%七氟烷预处理15min，可通过抑制肌质网钙释放通道(RYR2)和Ca2+-ATP酶(SERCA2a)的损伤，进而抑制细胞内钙超载，减轻缺血再灌注损伤［9］。Akiko等［10］也在大鼠心肌细胞上证明，七氟烷可以通过抑制瞬时受体电位通道(TRPC)减轻大鼠心肌细胞钙超载。Liu等［11］用新生新西兰白兔的离体心脏模型也证实，七氟烷预处理可明显减轻心肌细胞胞浆以及线粒体内的钙超载，Matthias等［12］也证实七氟烷预处理可以减轻心肌细胞线粒体钙超载，这种作用可以被mKATP通道阻断剂5-HD所消除。而Bhawana等［13］的最近研究表明，异氟烷预处理引起线粒体内游离Ca2+浓度的轻度增加则可能是吸入麻醉药心肌保护的重要机制之一，这可能与抑制线粒体电子链传递和质子泵的作用，进而抑制线粒体的氧化呼吸链有关。这与已知的线粒体内钙超载开放线粒体通透性转换孔(mPTP)，进而引起细胞损伤相矛盾，对于吸入麻醉药对线粒体内Ca2+的影响仍需进一步研究。

综上，卤族吸入麻醉药的心肌保护作用，主要与减轻心肌细胞胞浆与线粒体内钙超载有关，主要的机制可能为抑制KATP通道、抗氧自由基生成、抑制Na+-Ca2+交换体、抑制RYR、抑制TRPC等。

2 对神经细胞的作用

卤族吸入麻醉药产生麻醉作用主要与抑制中枢的突触传递有关，而突触前膜的Ca2+内流与大多数神经递质的释放有关，因此抑制钙通道在其麻醉机制中存在重要的作用，并有大量研究［14，15］已证明。最近的一项研究表明，异氟烷可以抑制星形胶质细胞内的Ca2+，这与抑制IP3R2有关，并证实此作用与全麻药的镇静作用有关［16］。

接受卤族吸入麻醉药的患者术后可能出现细胞凋亡以及神经损害，这种现象尤其在处于发育期的婴幼儿和大脑结构发生退行性变的老年人中更为明显。卤族吸入麻醉药的神经毒性与细胞内钙超载有关。Wei等［17］研究发现在细胞外无Ca2+的环境下，异氟烷可引起几乎相同程度的细胞内Ca2+增加，表明细胞内钙库对钙超载发挥着重要的作用，而应用IP3R(1，4，5-三磷酸肌醇受体)拮抗剂后可明显减轻细胞毒性，说明了内质网IP3R起着重要的作用，这与Wang等［18，19］研究结果相同。也有研究表明，细胞外的Ca2+内流也是异氟烷产生神经毒性的一个重要机制，应用NMDA受体抑制剂后，可以有效抑制Ca2+内流，抑制了异氟烷诱导的caspase-3激活、细胞凋亡;使用Ca2+螯合剂后可以降低细胞外Ca2+的浓度，抑制异氟烷引起的细胞内 Ca2+的浓度升高［20］。

卤族吸入麻醉药是否引起神经细胞凋亡与麻醉药的种类、剂量以及细胞的类型有关，尽管同属卤族类吸入麻醉药，但不同的药物对细胞内钙稳态的影响却并不相同。对转染了早衰蛋白-1(PS-1)突变基因的PC12(L286)细胞进行研究发现，临床浓度异氟烷和氟烷(1～1.3 MAC，12 h)可诱导该细胞胞质钙浓度峰值的显著增加，并且此作用能被IP3R阻滞剂Xestospongin C部分抑制;而七氟烷和地氟烷在同等剂量下胞质Ca2+浓度峰值增加不显著［21］。Wang 等［18］也证明0.4 mol/L的异氟烷12 h比同浓度的七氟烷，更能显著增加细胞内钙浓度峰值。也有研究表明，异氟烷能通过激活RyR，或抑制Ca2+的吸收而诱导Ca2+从肌浆网释放，而相同浓度的七氟烷则抑制Ca2+从肌浆网释放，或对肌浆网 Ca2+浓度影响较小甚至无影响［22］。氟烷与异氟烷相似，可以通过激活RyR或IP3R诱导内质网释放Ca2+，引起细胞内Ca2+浓度增加，产生神经细胞毒性，而同等剂量的地氟烷只引起微小的Ca2+释放［23］。

脑保护作用一直是近年来的研究热点，目前公认的缺血缺氧性脑损伤发生的机制为细胞内钙超载、兴奋性神经递质的毒性作用、氧化型NO和氧自由基的损害等。大量研究证实，卤族吸入麻醉药可以通过减轻细胞内钙超载而发挥脑保护作用。有研究表明，七氟烷可通过抑制电压依赖性钙通道和NMDA受体耦联钙通道，有效降低缺氧和KCl引起的细胞内钙超载，减少神经细胞的凋亡［24］。研究表明，异氟烷预处理联合低氧预处理，可明显增加其单独预处理所产生的脑保护作用，这与降低细胞Ca2+浓度以及抑制IP3R的表达有关［25］。

卤族吸入麻醉药减轻细胞内钙超载的作用与药物浓度和年龄有关。王秋筠等［24］研究发现 0.5、1、2MAC七氟烷均能有效抑制细胞内Ca2+浓度升高，但2MAC七氟烷作用更显著。Zhan等［26］研究发现，1%的异氟烷对新生鼠(5～7 d)海马脑片的缺氧无糖损伤(OGD)具有明显的保护作用，与减轻细胞内的钙超载有关，但同等条件下老年鼠(23个月)神经细胞内的Ca2+浓度则比单独OGD组的高，可以认为随着年龄的增长，异氟烷的神经保护作用减弱，但其对缺氧损伤的敏感性则增加。

近来研究发现，脑缺血再灌注损伤时，Ca2+内流除了依赖上述谷氨酸受体通道外，非谷氨酸依赖的钙毒性通道也参与了Ca2+内流的过程，包括瞬时受体电位通道 TRPM2和 TRPM7，以及酸感受性离子通道(ASICs)［27-29］。抑制瞬时受体电位通道可能也是卤族吸入麻醉药发挥脑保护作用减轻细胞内钙超载的机制之一，但仍需实验证明。

3 对肝细胞的作用

卤族吸入麻醉药在体内代谢，存在不同程度的肝毒性，主要与在体内代谢生成酰化产物有关。俞卫锋等［30］研究发现，1.25 μl/ml的氟烷、七氟烷均可增加离体鼠肝细胞Ca2+摄取，而氟烷可明显抑制Ca2+的释放，七氟烷抑制作用不明显，这一现象表明，卤族吸入麻醉药的肝毒性与其对肝细胞内Ca2+浓度的影响有关，其中氟烷的肝毒性最明显。

肝脏缺血再灌注损伤(HIRI)是临床中常见的病理过程，严重肝外伤、肝移植、休克、感染等均可导致HIRI，胞浆内Ca2+超载在HIRI中起重要作用。卤族吸入麻醉药预处理减轻HIRI主要与减轻细胞内钙超载有关。Yu等［9］研究表明，1.2 MAC的异氟烷和氟烷可直接抑制电压门控Ca2+通道减少Ca2+内流，并可抑制肌浆网的Ca2+释放并增加对Ca2+的摄取，进而减轻肝细胞内的钙超载，减轻缺血再灌注损伤。Riess等［31］也发现，七氟烷预处理可明显减轻线粒体钙超载，这一现象可被5-HD所阻断，证明七氟烷减轻钙超载可能与mitoKATP通道的激活有关。另外，促进再灌期ATP形成、Ca2+-ATP酶活性恢复，也可能是卤族吸入麻醉药减轻钙超载的机制之一。

4 对气管平滑肌细胞的作用

细胞内游离Ca2+浓度是影响气管平滑肌张力的主要因素，细胞外钙内流、肌浆网(SR)中Ca2+渗漏，是气管平滑肌细胞收缩的主要机制。吸入麻醉药具有直接舒张气管平滑肌的作用，有很强的临床应用价值，其机制主要与抑制电压依赖性的钙通道、降低肌浆网钙池中 Ca2+浓度等有关。储存钙调节性钙通道(SOCC)是位于气管平滑肌细胞膜上的一特殊的钙通道，SR中Ca2+浓度较低时促进其开放，用以补充SR中的Ca2+。有研究发现，吸入麻醉药不仅可以抑制SR中Ca2+的渗漏，还可抑制钙渗漏引发的钙内流［32］，其中氟烷的作用最强，其次是异氟烷、七氟烷［33］，这种作用对于降低细胞内Ca2+浓度，维持气管平滑肌细胞的舒张具有重要的意义。

5 对骨骼肌细胞的作用

骨骼肌SR上的RYR1与SERCA1在神经肌肉障碍疾病中有重要的作用，研究表明，七氟烷可以通过增加RYR1和SERCA1与Ca2+的亲和力，进而增加骨骼肌细胞SR对Ca2+的摄取，并且，这种作用与年龄有关，在成熟骨骼肌细胞更明显［34］。恶性高热(MH)是一种以RYR1基因突变为生物学基础，以全身肌肉强烈收缩、并发体温急剧上升的代谢亢进危象，目前已经证实，卤族类吸入麻醉药可引起MH，与其开放RYR1，增加SR的钙释放，升高胞质内Ca2+浓度有关，近来研究表明，卤族吸入麻醉药对RYR1的影响，与胞质内Mg2+、Ca2+、ATP 的浓度有关。Duke等［35］在正常和MH易感的骨骼肌纤维中证实，氟烷比七氟烷更能明显的引起SR内的钙释放，七氟烷所引起的SR内的钙释放对细胞内的Mg2+浓度有明显的依赖性，降低Mg2+的浓度则可增加诱发MH的机会，维持正常的或适度增加细胞内的Mg2+浓度则可降低发生MH的可能性。而Paula等［36］的研究则表明，胞质内 ATP和Ca2+浓度的增加则可促进氟烷诱发MH的发生。

6 其他

在颈动脉球细胞中的研究表明，氟烷和异氟烷均可不程度的降低缺氧引起的细胞内Ca2+浓度增加，可能与激活酸敏感性钾通道有关［37，38］。在人脐静脉内皮细胞中也表明，恩氟烷和异氟烷可能通过干扰脂质双分子层，成剂量依赖性的降低组胺引起的细胞内Ca2+浓度增加［39］。在一种胆碱能细胞SN56中的研究则表明，异氟烷增加细胞内Ca2+浓度与IP3敏感的钙库有关［40］。

卤族吸入麻醉药作为临床常用的麻醉剂，其麻醉作用的产生以及对各器官系统的毒性或保护作用已经成为近来的研究热点，而Ca2+作为细胞内重要的第二信使，参与了细胞各种生理功能的过程。

综上所述，卤族吸入麻醉药对各种细胞的作用大多与细胞内Ca2+浓度的变化有关，其通过调节细胞内Ca2+浓度，产生对心、脑、肝脏等器官的毒性作用或保护作用，并且可引起气管平滑肌的舒张以及骨骼肌的收缩，同时也有大量的研究在其他细胞中进行。研究卤族吸入麻醉药对细胞内Ca2+浓度的具体影响，将有利于进一步阐释其麻醉机理以及对细胞的功能抑制、毒性和保护作用的机制。

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