氯胺酮导致小鼠认知功能障碍及其与NMDA表达的研究进展

陈 晨，田乃元,吴 旭

0 引言

氯胺酮(ketamine,KET)属于苯环己哌啶类静脉麻醉药，是NMDA受体(N-methyl-D-aspartic acid receptor)的非竞争性拮抗剂，因其具有镇痛作用强、呼吸抑制轻、主要在肝内代谢等优点，现已较广泛应用于小儿麻醉、静脉麻醉及复合麻醉[1-2]。大量研究表明，氯胺酮麻醉可以诱导发育期脑的神经细胞大量的变性和凋亡，导致认知功能障碍[3-4]。鉴于此，人们对其临床使用的安全性愈发重视,尤其关注其对婴幼儿快速发育期大脑的影响。本文就氯胺酮导致认知功能障碍与其可能机制进行综述。

1 氯胺酮的药理和毒理作用

1.1 氯胺酮的药理作用 氯胺酮主要应用于麻醉，其特点是痛觉消失,意识模糊但并不完全丧失，对周围环境的刺激反应迟钝,感觉与环境分离呈一种意识和感觉分离状态 称为分离性麻醉(Dissociatire anesthesia)[5],胺酮产生麻醉作用主要是抑制兴奋性神经递质以及与NMDA受体相互作用阻滞兴奋性神经递质的传递。

1.2 氯胺酮的毒理作用 氯胺酮的毒理作用主要有精神 、神经系统和认知学习记忆功能方面等，且与剂量呈正比[6]。氯胺酮是熟知的NMDA受体非竞争性阻断剂，有研究表明,NMDA受体与记忆有关，氯胺酮可能通过阻断谷氨酸能神经通路而引起记忆损害。

1.3 NMDA受体结构及其功能 NMDA受体是一种具有许多不同变构调控作用位点并对钙离子高度通透的配体门控性离子型谷氨酸受体。每个NMDA受体上含有两个谷氨酸和两个甘氨酸识别位点,谷氨酸和甘氨酸是钙受体的协同激动剂。NMDA受体通道上还有镁离子结合位点、锌离子结合位点及多胺结合位点等。NMDA受体主要是由两个NR1亚单位和两个NR2亚单位形成的异四聚体结构，NR1是功能亚基，其基因表达紊乱可引起受体功能的丧失；NR2是受体复合物的调节亚基,辅助NMDA受体形成多元化结构[7]。NMDA 受体的分布在成年大脑中,NR1亚基mRNA 分布广泛,4种NMDAR2 亚基在大脑的分布表现出特异性。NR2B 亚基mRNA 选择性地在前脑表达。NR2C 亚基mRNA 主要在小脑表达,而在嗅球和丘脑表达很弱。此外,在丘脑、脑干和嗅球，NR2D 亚基mRNA 有低水平表达。Millan等[8]研究发现，在中枢神经发育的过程中，NMDA受体通过不同亚型的选择性表达而改变自身的结构和功能，进而影响NMDA受体介导的Ca2+内流，最终实现对中枢神经系统发育过程的复杂调控。

1.4 氯胺酮对NMDA受体的拮抗作用 现已证实,氯胺酮作为NMDA受体非竞争性拮抗剂，在受体处于被激活状态下，结合于门控性通道的苯环已哌啶(PCP)位，阻滞兴奋性神经递质的传递而发挥全麻作用[9]。研究认为,氯胺酮是通过两个不同的机制来抑制NMDA受体：氯胺酮与开放的通道结合从而降低通道的平均开放时间；氯胺酮通过一个生化变构机制来减少通道开放的频率。

2 氯胺酮导致发育期脑认知功能障碍

2.1 急性期内氯胺酮导致小鼠产生认知功能障碍 大量实验显示，氯胺酮作为NMDA受体拮抗剂，可以在急性期内诱发大量神经元的凋亡，并且对神经系统产生影响。例如 Shi等[10]分别给PND7 (postnatal day 7)SD大鼠，即出生后第7天的SD大鼠每隔2 h进行20 mg/kg的氯胺酮皮下注射，并且在第6次注射后用免疫细胞学方法观测到了严重的神经损害。Soriano等[11]也将出生后第7天的SD大鼠作为实验对象，在9 h之内每隔90 min进行25 mg/kg的重复剂量注射，并且通过镀银染色发现，大鼠脑中70%的神经元发生变性。Brambfink等[12]也证实，发育中的大脑对氯胺酮非常敏感，持续暴露5 h即足以引起显著的神经元凋亡。此外，一些实验也揭示，氯胺酮不但导致神经元凋亡，还引发学习记忆损害，Sheng等[13]研究发现,氯胺酮在急性期内能引起21日龄小鼠学习记忆的损害，并且呈剂量依赖性。

2.2 氯胺酮导致小鼠产生认知功能障碍具有剂量时间依赖性 Scallet等[14]把PND7的SD大鼠分成了3组，对第一组进行了7次10 mg/kg的皮下注射，对第二组进行了7次20 mg/kg的皮下注射，对第三组进行了20 mg/kg的单次皮下注射，结果发现，第一、三组血药浓度在2～5 μg/mL，接近于人类的麻醉药血药浓度，却没有神经元变性的增加，第二组血药浓度在14 μg/mL左右，是人类麻醉药血药浓度的7倍时，变性的神经元显著增加。这显示出麻醉剂量的氯胺酮对细胞凋亡影响不明显，略高于麻醉剂量的氯胺酮具有神经毒性。Young等[15]对Inbred Mice近交系黑色小鼠6(C57BL6)小鼠进行了不同剂量(10、20、30、40 mg/kg)的单次剂量皮下注射，5 h后，10 mg/kg的小鼠有轻微改变，30～40 mg/kg的小鼠神经元凋亡显著上升。Zou等[16]对出生5 d的恒河猴分别实施氯胺酮静脉麻醉3、9、24 h后，发现3 h组无明显的神经凋亡，而9 h组和24 h组发现额皮质的神经细胞明显变性凋亡。Peng等[17]猜测氯胺酮诱导的神经毒性依赖于氯胺酮的剂量和暴露的持续时间。

3 氯胺酮导致小鼠产生认知功能障碍的可能作用机制

认知功能是脑的高级功能，与传递神经递质以及突触的可塑性有关[18]。NMDA 受体通道是电压依赖性通道，高钙电导是 NMDA 受体的特点之一，也是 NMDA 受体与触发突触长时程增强(Long-term potentiation，LTP)效应和学习记忆形成机制密切相关的原因。目前认为，LTP是中枢突触经过突触前纤维的强直(高频)刺激所诱发产生的传递效应的长时间变化，也是突触可塑性的表现形式之一，被认为是脑内信息贮存和记忆形成的生理机制，与学习记忆密切相关[19]。研究表明,通过药理手段抑制或阻断LTP的形成可以影响认知功能[20]。谷氨酸是中枢神经系统内最主要的一种兴奋性神经递质，在突触稳定性的维持及可塑性变化中起关键作用。谷氨酸释放后通过激活 NMDA 受体，诱发LTP的形成，从而对学习记忆功能进行调节。最近的研究表明,在LTP产生时，钙离子进入NMDA受体并与钙/钙调蛋白依赖的蛋白激酶Ⅱ(Calcium/calmodulin-dependent protein kinaseⅡ,CaMKⅡ)结合[21]。CaMKⅡ由4个基因(α、β、γ 和 δ)编码,是12 个亚基形成两个 6 元环齿轮状的结构。在脑海马和新皮层的突触后神经元致密层(postsynaptiedensity，PSD)中含量丰富，它占前脑总蛋白的 1%～2%[22]。LTP的维持依靠CaMKⅡ/ NMDA复合体，也就是说，CaMKⅡ/ NMDA复合体使突触连接更稳定、活性更强。CaMKⅡ/NMDA受体复合体很有可能是记忆存储的分子基础之一。Appleby等[23]认为,通过 NMDA 受体介导的 Ca2+内流可激活 CaMKⅡ，后者可直接与 NMDA受体的 NR1 和 NR2B 亚基结合，使该亚基发生磷酸化，最终导致 LTP 的发生，参与突触可塑性调节。Abraham等[24]研究认为,NMDA受体可调控神经元的激活或死亡，树突、轴突结构发育及突触可塑性，进而在中枢神经发育以及调制LTP形成过程中起重要的作用。所以氯胺酮作为 NMDA 受体的非竞争性拮抗剂，对LTP的形成必然会产生影响，进而有可能引起认知功能记忆障碍。并且有研究表明，重复或长时间氯胺酮麻醉后，短期内可引起广泛的神经细胞变性并伴有降低突触LTP[25-26]。Liu等[27]对1日龄小鼠分别皮下注射1、3或6次,5、10 或20 mg/kg氯胺酮，并且最后1次注射后6 h小鼠被处死并取其脑组织进行RNA分离和组织化学检验。结果表明,经氯胺酮处理的小鼠的脑额叶NMDA受体的NR1亚基表达明显上升，其也认为重复性地暴露于高剂量氯胺酮能引起代偿性NMDA受体上调，并随后触发发育中神经元凋亡。现研究发现,氯胺酮作为NMDA受体的拮抗剂作用于NMDA受体PCP结合位点，使NMDA受体NR1亚基表达上调，而当这种拮抗作用解除后，上调的NMDA受体可结合过多的谷氨酸，使大脑相关脑区接受谷氨酸神经递质的刺激加强，从而导致过多的Ca2+内流[28]，过多胞内钙可能导致神经兴奋性毒性，导致过度细胞凋亡，产生神经毒性。

4 问题与展望

4.1 氯胺酮能否产生远期的认知功能障碍 Paule等[29]发现，在灵长类大脑发育的敏感期(围产期)给予24 h氯胺酮持续暴露可导致大脑的长期损害,并证实,在大脑发育的关键时期接受全身麻醉可导致以后的功能障碍。然而，也有实验显示了与Paule等不同的结果，陈志斌等[30]对SD大鼠进行研究发现，单次腹腔注射氯胺酮后引发显著增强的海马神经元细胞凋亡和N-甲基-D-天(门)冬氨酸受体2B亚基(N-methyl-d-aspartate receptor 2B,NR2B)蛋白表达增强，但不影响其成年后在Morris水迷宫中的空间学习记忆。从这两个截然相反的实验结果中可以看出，氯胺酮对发育期脑神经毒性的远期影响还有待研究。因为发育期的动物神经系统具有较强的可塑性，经过中枢神经系统长期的修复和再生，氯胺酮所致的认知功能和学习记忆能力损伤是否依然存在，这直接影响到成年动物的生活质量。

4.2 氯胺酮的临床应用及其不良反应 应用于临床的氯胺酮是盐酸氯胺酮，为左旋和右旋体的消旋混合物，主要在肝代谢。因其具有镇痛作用强、呼吸抑制轻、循环系统轻度兴奋、恢复过程相对平稳及儿童应用过程中产生相对于成年人比较弱的类精神分裂症样症状等特点，主要应用于小儿麻醉、表浅小手术、烧伤换药等需要麻醉时间较短小的手术[31]。值得说明的是，氯胺酮是唯一具有镇静、镇痛和麻醉等药效的临床麻醉药物。氯胺酮可以通过口服、鼻腔吸食、肌肉注射和静脉注射途径用药。

不过氯胺酮对人体多个系统及器官均有广泛的副作用,例如有研究发现,氯胺酮可以导致严重的泌尿系统功能障碍[32-33],也有因长期滥用氯胺酮出现肝内胆管扩张且均未发现胆道结石及远端梗阻的异常征象[34]。氯胺酮的精神副作用更是限制了其在临床使用，氯胺酮可抑制丘脑-新皮层系统,使病人丘脑新皮质与边缘系统的联系中断而出现“木僵状态”[35]，中枢系统出现功能改变，进而干扰病人的思维能力和感知周围环境的能力，情绪改变，痛觉消失、意识模糊、对周围环境的刺激反应迟钝以及感觉与环境分离，自身形状感觉的改变和分离或出壳的体验，呈一种意识和感觉分离状态。但是其中很多作用的机制均未阐明,目前认为，氯胺酮导致上述作用的可能机制与NMDA 受体有关。为减少氯胺酮不良反应，应主张尽量避免大剂量、长期使用氯胺酮而是改为小剂量，并且复合阿托品、地西泮、异丙酚、苯巴比妥类药使用，这样可降低氯胺酮精神副作用、抑制毒性反应的发生率和减轻精神症状[36]。有癫疒间、精神病史者慎用或不用氯胺酮。

4.3 展望 临床麻醉剂量的氯胺酮能否导致人类未成熟大脑神经元凋亡，从而引起患者以后的认知功能障碍和学习记忆能力损伤，这些都未得到明确的临床证实，尚需大样本的更具说服力的前瞻性研究，为临床合理、有效应用提供理论支持。

参考文献：

[1] Veilleux-Lemieux D,Castel A,Carrier D,et al.Pharmacokinetics of ketamine and xylazine in young and old sprague-dawley rats[J].J Am Assoc Lab Anim Sci,2013,52(5):567-570.

[2] Nikpoor P,Bain E.Analgesia for forceps delivery[J].Cochrane Database Syst Rev,2013,30(9):CD008878.

[3] Liu F,Paule MG,Ali S,et al.Ketamine-induced neurotoxicity and changes in gene expression in the developingrat brain[J].Current Neuropharmacology,2011,9(1):256-261.

[4] Zou X,Patterson TA,Sadovova N,et al.Potential neurotoxicity of ketamine in the developing rat brain[J].Toxicol Sci,2009,108(1):149-158.

[5] Womble AL.Effects of ketamine on major depressive disorder in a patient with posttraumatic stress disorder[J].AANA J,2013,81(2):118-119.

[6] Tang ZQ,Liu YW,Shi W,et al.Activation of synaptic group Ⅱ metabotropic glutamate receptors induces long-term depression at GABAergic synapses in CNS neurons[J].J Neurosci,2013,33(40):15964-15977.

[7] Tanaka K.Brain Development and Glutamate[J].Brain Nerve,2013,65(10):1121-1132.

[8] Millan MJ.N-methyl-D-aspartate receptor-coupled glycine B receptors in the pathogenesis and treatment of schizophrenia:a critical review[J].Curr Drug Targets CNS Neurol Disord,2002,1(2):191-213.

[9] Abraham WC.Metaplasticity:tuning synapses and networks for plasticity[J].Nat Rev Neurosci,2008,9(5):387.

[10]Shi Q,Guo L,Patterson TA,et a1.Gene expression profiling in the developing rat brain exposed to ketamine[J].Neuroscience,2010,166(3):852-863.

[11]Hayashi H,Dikkes P,Soriano SG.Repeated administration of ketamine may lead to neuronal degeneration in the developing rat brain[J].Paediatr Anaesth,2002,12(9):770-774.

[12] Brambfink AM,Evers AS,Avidan MS,et a1.Ketamine induced neuroapoptosis in the fetal and neonatal rhesus macaque brain[J].Anesthesiology,2012,116(2):372-384.

[13]Peng S,Zhang Y,Ren B,et al.Effect of ketamine administration on memory consolidation,p-CREB and c-fos expression in the hippocampal slicesof minor rats[J].Mol Biol Rep,2011,38(4):2401-2407.

[14]Scallet AC,Schmued LC,Slikker W Jr,et a1.Developmental neurotoxicity of ketamine:morphometric confirmation,exposure parameters,and multiple fluorescent labeling of apoptotic neurons[J].Toxieol Sci,2004,81(2):364-370.

[15]Young C,Jevtovic-Todorovic V,Qin YQ,et al.Potential of ketamine and midazolam,individually or in combination,to induce apoptotic neurodegeneration in the infant mouse brain[J].Br J Pharmacol,2005,146(2):189-197.

[16]Zou X,Patterson TA,Divine RL,et al.Prolonged exposure to ketamine increases neurodegeneration in the developing monkey brain[J].Int J Dev Neurosci,2009,27(7):727-731.

[17]Peng S,Zhang Y,Zhang J,et al.Effect of ketamine on ERK expression in hippocampal neural cell and the ability of learning behaviorin minor rats[J].Mol Biol Rep,2010,37(7):3137-3142.

[18]Pick JE,Wang L,Mayfield JE,et al.Neuronal expression of the ubiquitin E3 ligase APC/C-Cdh1 during development is required for long-term potentiation,behavioral flexibility,and extinction[J].Neurobiol Learn Mem,2013,100:25-31.

[19]An L,Zhang T.Spatial cognition and sexually dimorphic synaptic plasticity balance impairment in rats with chronic prenatal ethanol exposure[J].Behav Brain Res,2013,256:564-574.

[20]Talaei SA,Salami M.Sensory experience differentially underlies developmental alterations of LTP in CA1 area and dentate gyrus[J].Brain Res,2013,1537:1-8.

[21]Hamilton AM,Oh WC,Vega-Ramirez H,et al.Activity-dependent growth of new dendritic spines is regulated by the proteasome[J].Neuron,2012,74(6):1023-1030.

[22]Faas GC,Raghavachari S,Lisman JE,et al.Calmodulin as a direct detector of Ca2+ signals[J].Nat Neurosci,2011,14(3):301-304.

[23]Appleby VJ,Corrêa SA,Duckworth JK,et al.LTP in hippocampal neurons is associated with a CaMKII-mediated increase in GluA1 surface expression[J].J Neurochem,2011,116(4):530-543.

[24]Abraham WC,Williams JM.Properties and mechanisms of LTP maintenance[J].Neuroscientist,2003,9(6):463-474.

[25]Zou X,Patterson TA,Sadovova N,et al.Potential neurotoxicity of ketamine in the developing rat brain[J].Tcaicol Sci,2009,108(1):149-158.

[26]Soriano SG,Liu Q,Li J,et al.Ketamine activates cell cycle signaling and apoptosis in the neonatal rat brain[J].Anesthesiology,2010,112(5):1155-1163.

[27]Liu F,Peule MG,Ali S,et a1.Ketamine-induced neurotoxicity and changes in gene expression in the developing rat brain[J].Curr Neuropharmacol,2011,9(1):256-261.

[28]Feld GB,Lange T,Gais S,et al.Sleep-dependent declarative memory consolidation-unaffected after blocking NMDA or AMPA receptors but enhanced by NMDA coagonist D-cycloserine[J].Neuropsychopharmacology,2013,38(13):2688-2697.

[29]Paule MG,Li M,Allen RR,el a1.Ketamine anesthesia during the first week of life can cause long-lasting cognitive deficits in rhesus monkeys[J].Neurotoxieol Teratol,2011,33(2):220-230.

[30]陈志斌,杨天德.氯胺酮对SD幼鼠海马神经元细胞凋亡和 NR2B蛋白的影响[J].临床麻醉学杂志,2008,4(10):883-885.

[31]Ng SH,Tse ML,Ng HW,et al.Emergency department presentation of ketamine abusers in Hong Kong:a review of 233 cases[J].Hong Kong Med J,2010,16(1):6-11.

[32]史本涛,周德荣,关志忱.氯胺酮相关性下尿路症状1例报告并文献复习[J].现代泌尿外科杂志,2010,15(5):369-372.

[33]Wong SW,Lee KF,Wong J,et al.Dilated common bile ducts mimicking choledochal cysts in ketamine abusers[J].Hong Kong Med J,2009,15(1):53-56.

[34]Carter LP,Kleykamp BA,Griffiths RR,et al.Cognitive effects of intramuscular ketamine and oral triazolam in healthy volunteers[J].Psychopharmacology,2013,226(1):53-63.

[35]Chen JY,Jia JE,Liu TJ,et al.Comparison of the effects of dexmedetomidine,ketamine,and placebo on emergence agitation after strabismus surgery in children[J].Can J Anaesth,2013,60(4):385-392.

[36]Asadi P,Ghafouri HB,Yasinzadeh M,et al.Ketamine and atropine for pediatric sedation:a prospective double-blind randomized controlled trial[J].Pediatr Emerg Care,2013,29(2):136-139.