全身麻醉药物导致发育大脑神经凋亡的可能机制

杨 静(综述) 李萌萌(审校)

(1.辽宁医学院研究生院， 辽宁，锦州 121001；2.解放军总医院第一附属医院麻醉科， 北京100048)

·综 述·

全身麻醉药物导致发育大脑神经凋亡的可能机制

杨 静1,2(综述) 李萌萌2(审校)

(1.辽宁医学院研究生院， 辽宁，锦州 121001；2.解放军总医院第一附属医院麻醉科， 北京100048)

近年来临床及基础研究均提示，全身麻醉药物对于发育期大脑会产生短暂或长期的影响，称为麻醉诱导的神经发育毒性(AIDN)[1]。临床研究难以监测中枢神经系统的损害，只能通过神经心理学测试等手段间接获得神经系统损害的证据。最初的基础研究结果显示妊娠大鼠接受亚浓度的氟烷会影响新生大鼠大脑神经突触的发生[2]。后来有报道：给出生7 d后的大鼠注射氯胺酮，会引起广泛的脑神经细胞凋亡，并可能与成年后神经发育紊乱相关[3]。到目前为止，几乎所有的麻醉与镇静药物对于啮齿类动物、灵长类动物的幼崽均可引起广泛的神经细胞凋亡[4]，如静脉麻醉药丙泊酚[5-7]、氯胺酮[8]，吸入麻醉药尤其是异氟醚[9]，均可引起发育期大脑的神经凋亡及成年后的认知功能损伤，且具有年龄、接触时间、剂量依赖和多种药物协同性[10-12]。全身麻醉药物导致发育期中枢神经细胞凋亡的作用机制尚不明确，现将其可能机制综述如下。

1 激活γ-氨基丁酸A(GABAA)受体，阻滞N-甲基-D-天冬氨酸(NMDA)受体

研究显示，麻醉药物仅作用其中一条通路，就可能引起发育大脑广泛的神经凋亡，其损害程度与麻醉作用时间及用药量相关[11-12]。当麻醉药物作用于两条通路时，则更易引起神经细胞凋亡。一氧化氮、咪达唑仑、异氟烷三者共同麻醉将导致严重的神经细胞凋亡，造成神经退行性改变[8]。

人类大脑发育阶段主要在出生后2～3岁，而啮齿类动物则在出生后2～3周。此期间，血脑屏障尚未发育完全，神经突触的发生及神经递质的作用与成年大脑不同。谷氨酸作用于NMDA受体，释放神经营养因子，调节神经元的树突、轴突结构发育，并参与突触可塑性的形成，影响神经元存活。发育期应用麻醉药物会抑制谷氨酸与NMDA受体的结合或使GABA受体激活，干扰正常神经突触的发育，引起大脑神经元的结构改变，加速神经元退化和凋亡[8]。GABA受体被激活，选择性氯离子通过增加，引起神经元超极化，神经信号传递受到抑制，具有激活GABA受体的麻醉药物增强其表达，氯离子过度内流，造成早期神经发育过程中的过度兴奋，从而增加神经细胞凋亡，使认知功能减退[14]。

2 神经元内钙稳态失衡

在神经系统发育和可塑性中，神经元内钙离子通过多途径信号转导，调节神经元存活及树突与轴突的结构和可塑性，进而影响神经元回路形成及学习记忆过程[15]。钙超载将破坏神经细胞质膜功能，影响神经可塑性、蛋白质合成及神经胶质细胞的作用，干扰神经发育和抑制线粒体功能。细胞内钙超载、钙稳态失衡是神经系统中细胞坏死的共同通路。细胞内钙稳态通过内质网摄入与释放钙离子来维持。摄入通道只有内质网钙泵，而释放钙离子通道有两种：Ryano dine受体(RYR)和肌醇-1,4,5-三磷酸受体(IP3R)。RYR存在于内质网/肌浆网 (ER/SR)上的钙释放通道，能迅速将钙离子从ER/SR中释放出来, 发挥其生理功能。IP3R诱发钙离子从胞内储库中释放出来，瞬间增加胞液中钙浓度[16]。

Zhao等[17]研究证明，异氟醚的神经毒性与细胞内钙稳态失衡有关,在足够药量、充分麻醉维持下，内质网IP3R被激活，导致细胞质内钙离子过量，引起神经细胞凋亡。Sinner

等[18]在研究氯胺酮对神经发育的影响时，也发现神经细胞内钙离子的平衡发生改变。Joseph等[16]应用电生理膜片钳进行研究，再次证明临床浓度异氟醚直接作用于IP3R，增强了鸡淋巴细胞内的钙离子浓度，引起Caspase酶加倍激活，触发神经毒性作用。Chen等[19]将果蝇蛹暴露于不同浓度七氟烷下，发现钙离子通道发生调整，兴奋性突触后电流下降，影响突触可塑性，引起神经细胞凋亡。

麻醉药物引起钙稳态失衡促发神经细胞凋亡的机制可能为：麻醉药物通过激活IP3R，内质网释放钙离子，使细胞质及线粒体内钙离子水平升高，线粒体内的钙离子被其膜上钙蛋白摄取，并促进细胞色素C(CytC)及凋亡蛋白酶活化因子释放，引起凋亡级联反应，Caspase酶激活，诱发细胞凋亡。同时，CytC抑制细胞质内钙离子含量对IP3R的负反馈作用，使内质网过度释放钙离子，形成恶性循环。Caspase-3作为凋亡蛋白，也可活化IP3R。这些反应的叠加，均造成钙稳态失衡，导致神经细胞凋亡[17]。

3 神经营养因子(NT)P75受体的激活

NT是一类主要由神经所支配的组织(如肌肉)和星形胶质细胞产生的，为神经元生长与存活所必需的蛋白质分子。以受体介导式入胞的方式进入神经末梢，再经逆向轴浆运输抵达胞体，促进胞体合成有关的蛋白质，从而发挥其支持神经元生长、发育和功能完整性的作用。NT包括神经生长因子(NGF)，脑源性神经营养因子(BDNF)及神经营养因子3、4/5(NT-3、NT-4/5)等。在神经末梢上有两类受体，高亲和力的酪氨酸激酶受体(Trk A、Trk B和Trk C)及低亲和力的75 kD的膜蛋白，称为 P75受体(P75 NTR)。越来越多的实验表明，NT与其受体，尤其是P75 受体，在神经系统发育及神经病理状态中有诱导神经细胞凋亡的作用[20-21]。

Pearn等[20]发现，无论试管内还是体内试验，在丙泊酚诱导发育期大脑神经细胞凋亡的过程中，出现P75受体激活，下游效应器RhoA激酶活化。Head 等[21]研究发现，以组织纤溶酶原激活剂(tPA)、血纤维蛋白溶酶(plasmin)、P75受体抑制剂 (TAT-Pep5)预处理可以减少吸入异氟烷引起的神经细胞凋亡。以上研究提示，P75受体参与全麻药物影响发育中神经细胞凋亡这一过程。

全麻药物导致神经细胞凋亡的机制可能与BDNF前体-P75受体通路相关。BDNF参与大脑神经细胞存活与凋亡，BDNF以前体BDNF(proBDNF)形式存储于神经突触囊泡内。正常状态下，proBDNF接受信号被释放至突触间隙，被tPA激活的plasmin溶解proBDNF，将其转化为成熟BDNF(mBDNF)，mBDNF激活后，作用于突触前依赖钙离子的原肌球蛋白相关激酶B受体，提高膜泡融合，增加兴奋性突触后电流频率，诱导神经存活通路，神经突增生、突触成熟，神经元稳定。当proBDNF因麻醉药物或缺氧等影响，无法裂解生成mBDNF时，过多的proBDNF作用于P75受体激活下游效应器RhoA激酶，RhoA激酶作为三磷酸鸟苷酶，主要影响肌动蛋白细胞骨架聚合，从而造成抑制轴突生长，诱发神经凋亡[21]。

4 细胞周期的异常改变

细胞周期是指真核细胞有丝分裂进行细胞增殖的循环过程，由G1、S、G2和M期组成，依赖于细胞周期蛋白(Cyclin A～ Cycling H)及周期蛋白依赖激酶(CDK) 来调控；细胞周期蛋白及CDK还参与细胞的凋亡过程。细胞依赖细胞周期进行增殖，若增殖细胞已达到高度分化，则增殖停止；若继续增殖，则称为病理性增殖，将造成不受控制的增殖或肿瘤。因此，高度分化的神经细胞若再次进入细胞周期循环过程而开始增殖(细胞周期再入)，将会启动神经细胞凋亡系统，造成神经细胞变性凋亡。在细胞周期变化引起的凋亡系统中，细胞周期关键蛋白Cyclin D1作为整个过程的启动因子，被激活后与CDK4形成复合物，再磷酸化其底物蛋白细胞活化转录因子(E2F1)。在高度分化的神经细胞中，活化的转录因子E2F1可调节细胞死亡调节子抗体BIM的转录，BIM可激活caspase-3导致细胞走向凋亡[22]。

Herrup等[23]发现神经凋亡细胞中出现细胞周期相关蛋白，推测神经细胞周期异常改变是神经凋亡的潜在机制。Soriano 等[24]研究氯胺酮致神经细胞凋亡机制时发现神经细胞周期再入；基因敲除Cyclin D1，凋亡有所衰弱。可见，神经细胞周期再入可能参与麻醉药物致神经细胞凋亡过程。

5 线粒体介导的凋亡途径

线粒体介导的凋亡途径又称为内源性细胞凋亡途径，与线粒体跨膜电位和通透性改变相关。线粒体对细胞凋亡的启动和调控具有重要意义, 也是凋亡执行的关键环节。各种因素诱使线粒体通透性转换孔开启，凋亡相关活性物质释放, 继而激活Caspase酶系，是细胞凋亡实现的最基本生物化学途径[25]。

褪黑激素通过抑制线粒体介导的凋亡途径，可发挥抗凋亡效应[26]。维他命C、葡萄糖[27]也可抑制异氟醚引起的线粒体凋亡途径，减少活性氧产生、使ATP量减少，从而进一步抑制caspase酶引起的凋亡活动，防止认知功能受损。麻醉药物作用下，线粒体释放CytC。进入胞质的CytC与凋亡蛋白酶活化因子1(Apaf-1)结合并将其激活，然后结合辅助因子dATP/ATP，Apaf-1募集pro-caspase-9自身活化，引起下游的效应者caspase酶系级联反应，使细胞凋亡。由此可见，该途径在麻醉诱导细胞凋亡中有一定作用[26]。

综上所述，全身麻醉药物使早期暴露于麻醉药物下的发育期神经细胞凋亡，随后的认知损害可能与神经干细胞及神经细胞形成数量的降低或发育期神经炎症相关[28-29]。其作用机制的探讨，为寻找预防措施减少神经损害提供了理论依据。例如，应用IP3R拮抗剂光溜海绵素(xestospongin C)可抑制钙稳态失衡引起的细胞凋亡[17]；通过tPA、plasmin及TAT-Pep5斩断P75受体激活途径而减少细胞退化[21]；抗氧化剂维他命C、葡萄糖[27]及褪黑激素[26]稳定线粒体，抑制线粒体介导的细胞凋亡等。在目前尚无明确结论的情况下，对于发育期儿童的手术麻醉，宜选用对神经系统影响较小的麻醉药物，避免多次及长时间的手术麻醉。对于择期手术患儿，建议尽可能在4岁以后实施，以降低发生神经系统及认知损害的几率。

[1] Wang M, Zhang JH，Applegate RL. Adverse effect of inhalation anesthetics on the developing brain[J]. Medical Gas Research,2014,4:2-7.

[2] Uemura E, Levin E D, Bowman R E. Effect of halothane on synaptogensis and learning behavior in rats[J].Exp Neunal,1985,89:520-529.

[3] Ikonomidou C, Bosch F, Miksa M, Bittigau P, Vöckler J, Dikranian K, Tenkova TI, Stefovska V, Turski L, Olney JW. Blockade of NMDA receptors and apoptotic neurodegeneration in the developing brain[J]. Science,1999,283:70-74.

[4] Jevtovic-Todorovic V. Developmental synaptogenesis and general anesthesia:a kiss of death?[J]Curr Pharm Des,2012,18:6225-6231.[5] Yu D, Jiang Y, Gao J,Liu B, Chen P. Repeated exposure to propofol potentiates neuroapoptosis and long-term behavioral deficits in neonatal rats[J].Neurosci Lett,2013,534:41-46.

[6] 丁玉美，安敏，邱颐.异丙酚对创伤后全身炎症反应综合征患者炎性细胞因子的影响[J].感染、炎症、修复，2012,13(1):32-35.[7] 费翔，孙雪峰，李萌萌，郝建华，米卫东.Paedfusor模型异丙酚靶控输注用于1～3岁小儿烧伤换药麻醉的研究[J].感染、炎症、修复,2014,15:1672-8521.

[8] Young C, Jevtovic-Todorovic V, Qin YQ,Tenkova T, Wang H, Labruyere J, Olney JW. Potential of ketamine and midazolam, individually or in combination to induce apoptotic neurodegeneration in the infant mouse brain[J]. Brit J Pharmacol,2005,146:189-197.

[9] Brambrink AM, Back SA, Riddle A,Gong X, Moravec MD, Dissen GA, Creeley CE, Dikranian KT, Olney JW. Isoflurane-induced apoptosis of oligodendrocytes in the neonatal primate brain[J].Ann Neurol,2012,72:525-535.

[10] Xie Z. Neuronal vulnerability to anesthesia neurotoxicity depends on age of neurons[J]. Ann Neurol,2013,73:686-687.

[11] Xu Z, Dong Y,Wu X, Zhang J, McAuliffe S, Pan C, Zhang Y, Ichinose F, Yue Y, Xie Z. The potential dual effects of anesthetic isoflurane on Aβ-induced apoptosis[J].Curr Alzheimer Res,2011,8:741-752.

[12] Zou X, Liu F, Zhang X,Patterson TA, Callicott R, Liu S, Hanig JP, Paule MG, Slikker W Jr, Wang C. Inhalation anesthetic-induced neuronal damage in the developing rhesus monkey[J]. Neurotoxicol Teratol,2011,33: 592-597.

[13] Peng S,ZhangY,Sun DP, Zhang DX, Fang Q, Li GJ. The effect of sevoflurane anesthesia on cognitive function and the expression of insulin-like growth factor-1 in CA1 region of hippocampus in old rats[J]. Mol Biol Rep,2011,38:1195-1199.[14] Nunez JL, Alt JJ, McCarthy MM. A new model for prenatal brain damage(I):GABAA receptor activation induces cell death in developing rat hippocampus[J]. Exp Neurol,2003,181:258-269.

[15] Cavazzini M, Bliss T, Emptage N. Ca2+and synaptic plasticity[J]. Cell Calcium,2005,38:355-367.

[16] Joseph JD,PengY,Mak DO,Cheung KH, Vais H, Foskett JK, Wei H. General anesthetic isoflurane modulates inositol 1,4,5-trisphosphate receptor calcium channel opening[J]. Anesthesiology,2014,121:528-37.

[17] Zhao Y, Liang G, Chen Q,Joseph DJ, Meng Q, Eckenhoff RG, Eckenhoff MF, Wei H. Anesthetic-induced neurodegeneration mediated via inositol 1,4,5-trisphosphate receptors[J].J Pharmacol Exp Ther,2010,333: 14-22.

[18] Sinner B, Friedrich O, Zink W,Zausig Y, Graf BM. The toxic effects of s(+)-ketamine on differentiating neurons in vitro as a consequence of suppressed neuronal Ca2+oscillations[J].Anesth Analg,2011,113:1161-1169.

[19] Chen R, Zhang T, Kuang L, Chen Z, Ran D, Niu Y, Xu K, Gu H. Cholinergic synaptic transmissions were altered after single sevoflurane exposure in drosophila pupa[J]. Biomed Res int,2015:485709. PMID: 25705662

[20] Pearn ML, Hu Y, Niesman IR,Patel HH, Drummond JC, Roth DM, Akassoglou K, Patel PM, Head BP. Propofol neurotoxicity is mediated by p75 neurotrophin receptor activation[J]. Anesthesiology,2012,116:352-361.

[21] Head BP, Patel HH, Niesman IR,Drummond JC, Roth DM, Patel PM. Inhibition of p75 neurotrophin receptor attenuates isoflurane-mediated neuronalapoptosis in the neonatal central nervous system[J]. Anesthesiology,2009,110:813-825.

[22] Amaral MD, Pozzo-Miller L. Intracellular Ca2+stores and Ca2+influx are both required for BDNF to rapidly increase quantal vesicular transmitter release[J]. Neural Plasticity. 2012,2012:10.

[23] Herrup K, Busser JC.The induction of multiple cell cycle events precedes target-related neuronal death[J]. Development,1995,121:2385-2395.

[24] Soriano SG, Liu Q, Li J,Liu JR, Han XH, Kanter JL, Bajic D, Ibla JC. Ketamine activates cell cycle signaling and apoptosis in the neonatal rat brain[J]. Anesthesiology,2010,112:1155-1163.

[25] Frade JM,Michaelidis TM[J]. Bio Essay,1997,19:827-832.

[26] Yon JH, Carter LB, Reiter RJ,Jevtovic-Todorovic V. Melatonin reduces the severity of anesthesia-induced apoptotic neurodegeneration in the developing rat brain[J]. Neurobiol Dis,2006,21:522-530.

[27] Sun Y, Zhang Y, Cheng B,Dong Y, Pan C, Li T, Xie Z. Glucose may attenuate isoflurane-induced caspase-3 activation in H4 human neurgliomacells[J].Anesth Analq,2014,119:1373-1380.

[28] Kathy L, Murphy, Mark G, Baxter. Long-term effects of neonatal single or multiple isoflurane exposures on spatial memory in rats[J].Frontiers in neurology,2013,4:1-7.

[29] Shen X, Dong Y, Xu Z,Wang H, Miao C, Soriano SG, Sun D, Baxter MG, Zhang Y, Xie Z. Selective anesthesia induced neuroinflammation in developing mouse brain and cognitive impairment[J].Anesthesiology,2013,118: 502-515.

10.3969/j.issn.1672-8521.2015.01.017

吴阶平医学基金会临床科研专项基金资助(320.6750.13220)通讯作者：李萌萌，副主任医师(E-mail:mmli2@yahoo.com)

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