麻醉药物防治脊髓缺血再灌注损伤的动物实验研究进展▲

樊晓娜 刘 娇 王黔艳 张双霜 胡 霁

(华中科技大学同济医学院附属梨园医院麻醉科，湖北省武汉市 430077，电子邮箱：fxn8023@163.com)

【提要】 脊髓缺血再灌注损伤因其发生机制复杂、病情严重后果而被广泛重视。近年来，麻醉药物对器官的保护作用成为学者关注及研究的热点，其可通过抗炎、抗氧化、抗凋亡、调节自噬水平及维持血脊髓屏障完整等多种机制，减轻脊髓缺血再灌注后运动神经元损伤。本文就常用麻醉药物对脊髓缺血再灌注损伤动物的防治效果、剂量及机制等做一综述。

截瘫或者下肢轻瘫是外科手术术后严重并发症，尽管外科手术技术不断发展，但是手术后脊髓损伤发生率仍高达32%[1]。发生脊髓损伤的主要原因是术中临时阻断胸腹主动脉导致脊髓缺血，此后血流再恢复可能导致损伤加重，这种效应称为脊髓缺血再灌注损伤(spinal cord ischemia-reperfusion injury，SCIRI)。缺血再灌注可启动复杂的交互级联反应，诱导急性炎症反应、脂质过氧化、细胞凋亡、钙超载等多种病理过程，导致细胞和组织环境改变、血脊髓屏障功能破坏[2-3]。亚致死剂量的缺血预处理或后处理已被证实可用于实验动物主动脉阻断后的脊髓保护[4-5]，但其安全范围和风险仍存在争议。因此，能够替代缺血处理、发挥类似神经保护作用的有效药物具有广阔的临床应用前景。近年来，麻醉药物的器官保护作用愈加得到重视。本文对麻醉药物在SCIRI动物实验中应用的研究进展做一综述，旨在为临床研究提供新的思路。

1 静脉麻醉药物在SCIRI动物实验中的应用研究

右美托咪定是一种α2肾上腺素受体激动剂，其对脊髓的保护作用在体内及体外SCIRI动物模型中均已得到证实[6-8]。研究表明，于缺血前1 h或30 min给予右美托咪定以10 μg/(kg·h)的速率静脉输注，能有效减轻兔脊髓损伤[9-10]。于缺血前1 h或再灌注即刻以5 μg/(kg·h)的速率静脉输注右美托咪定可明显改善SCIRI大鼠的后肢神经功能[11]。Goyagi等[12]研究发现，从脊髓缺血前30 min到再灌注后48 h，分别以0.1 μg/(kg·h)、1 μg/(kg·h)及10 μg/(kg·h)的速率静脉持续输注右美托咪定，均可改善大鼠的神经功能和组织学结果，效果呈非剂量依赖性。此外，于缺血前鞘内注射(L5～L6)右美托咪定(1 μg/kg)，同样能改善大鼠脊髓组织损伤[13]，但这种给药方式的相关研究较少。

丙泊酚是临床常用的静脉麻醉药，动物实验研究表明其对SCIRI也具有一定防治作用。缺血前10 min及再灌注即刻，将丙泊酚(30 mg/kg)稀释于30 mL 0.9%氯化钠溶液中，以3 mL/min的速率静脉输注，可有效减轻SCIRI兔的脊髓损伤[14-15]。曾俊等[16]研究结果显示，在SCIRI兔模型中采用主动脉内灌注丙泊酚也具有脊髓保护效应，并且这种保护作用在30 mg/kg到50 mg/kg之间呈剂量依赖性，50 mg/kg效果最佳。与右美托咪定类似，在脊髓缺血前1 h，通过鞘内注射的方式给予SCIRI大鼠丙泊酚(100 μg或300 μg)，同样能减轻脊髓损伤后的组织病理学改变[17]。

因此，静脉输注右美托咪定或丙泊酚有可能可以作为一种有效的脊髓保护措施应用于临床，但其剂量及安全性尚需要进一步研究探讨。鞘内注射静脉麻醉药物保护缺血脊髓神经的有效性需要更深入的临床前研究去证实。

2 吸入性麻醉药物在SCIRI动物实验中的应用研究

陈琼等[18]于脊髓缺血再灌注前5 min给予家兔吸入七氟烷[0.5肺泡最小有效浓度(minimum alveolar concentration，MAC)、1.0 MAC和1.5 MAC]10 min，结果显示，1.0 MAC七氟烷对于脊髓的保护作用最强，而当其浓度增加到1.5 MAC时，再灌注早期血流动力学变化明显，保护作用减弱。Wang等[19]的研究结果也证实于再灌注即刻持续吸入1.0 MAC七氟烷10 min，可对兔脊髓起到保护作用。Ding等[20]在脊髓缺血前1 h用3.7%七氟烷预处理家兔30 min，结果显示其脊髓运动神经元存活率增加，神经功能改善。还有研究发现，在脊髓缺血前2 h，采用2.4%～2.7%浓度的七氟烷预处理大鼠1 h能减轻其脊髓损伤[21]。值得注意的是，当预处理时间提前到脊髓缺血前24 h，吸入3.4%七氟烷2 h同样观察到类似的神经保护效应[22]。因此，七氟烷对脊髓的保护作用可能具有即刻效应以及延迟效应。

研究显示，异氟烷对脊髓神经元的保护作用同样具有延迟效应。在脊髓缺血前24 h，采用2.8%浓度异氟烷预处理大鼠30 min，可提高大鼠的缺血耐受力[23]。此外，在脊髓缺血前5 d，给予大鼠重复吸入1.4%异氟醚(1 h/d)，也可以保护脊髓组织[24]。吸入性麻醉药物所诱导的延迟性脊髓缺血耐受是一个重要发现，其相关机制可能是未来研究的一个方向。

3 麻醉药物防治SCIRI的作用机制

3.1 抗炎作用 SCIRI后过度放大的炎症反应是产生二次损伤并造成迟发性截瘫的重要因素[25-26]。高迁移率族蛋白-1作为无菌炎症的早期介质，与Toll样受体4相互作用，可激活下游信号分子核因子κB(nuclear factor kappaB,NF-κB)，调节促炎基因如白细胞介素(interleukin,IL)-1β、IL-6、肿瘤坏死因子α(tumor necrosis factor α,TNF-α)等转录，在神经系统损伤性应答中发挥重要作用[10，27-28]。SCIRI过程中NF-κB被高度激活，而右美托咪定可通过抑制其信号通路，减少下游炎性因子的产生，抑制炎症反应并保护缺血脊髓[10]。丙泊酚对脊髓的保护作用同样与抑制NF-κB信号通路有关[16]。但是Kim等[23]研究发现，异氟烷可能通过增加NF-κB的表达，从而发挥对缺血脊髓的保护作用。因此，NF-κB信号通路的激活或是抑制对SCIRI的调节作用，是否与病理过程或脊髓损伤程度不同有关，目前仍存在争议，如何通过对NF-κB信号通路及其上下游信号分子进行调节以达到抗脊髓损伤的目的，可能是未来研究的关注点。

此外，脊髓损伤可诱导小胶质细胞形态、基因表达和功能行为的快速变化[29]。右美托咪定及七氟烷可通过抑制小胶质细胞的活化，减少基质金属蛋白酶(matrix metalloprotein，MMP)-9、CXC类趋化因子配体10、CC类趋化因子配体2和炎性因子(IL-1β、TNF-α和 IL-6)的表达，减轻再灌注损伤[8，21]。研究表明，右美托咪定的抗炎作用还与其稳定肥大细胞膜，减少促炎因子释放有关[30]。

3.2 抗氧化作用 活性氧在缺血再灌注血流恢复后初期大量产生，是致死性损伤发生的重要因素之一。超氧化物歧化酶(superoxide dismutase，SOD)能有效清除活性氧，减轻组织细胞的损伤。研究表明，丙泊酚的神经保护机制与上调脊髓组织内SOD1活性有关[14]。然而Song等[31]研究发现，脊髓缺血再灌注10 min内，活性氧的产生反而有助于抵抗损伤。七氟烷也可促使适量的活性氧释放，而释放的活性氧可能作为信号分子通过激活相关信号通路增加过氧化氢酶及SOD的活性，保护脊髓免受缺血再灌注损伤[18-19]。因此，在SCIRI中，活性氧的产生可能扮演着“双刃剑”的角色，一方面其大量产生与急剧堆积可造成细胞及组织的损伤；另一方面，早期适度增高的活性氧可能刺激组织抗伤害性信号通路的活化，从而产生保护效应。在活性氧爆发性损伤产生之前，通过调节其生成以增强机体抗氧化系统活性、抵抗致死性损伤，将可能作为一种有效的神经保护策略应用于临床。

3.3 抗凋亡作用 神经细胞凋亡被认为是导致迟发性截瘫发生的重要机制。Freeman等[7]通过模拟缺血再灌注损伤发现，在死亡的神经细胞中大部分为凋亡神经元。因此，各种抗凋亡策略可被用于降低截瘫的发生率。当接受不同的凋亡刺激时，抗凋亡蛋白B细胞淋巴瘤2(B-cell lymphoma 2，Bcl-2)和促凋亡蛋白Bcl-2相关X蛋白(Bcl-2 associated X protein,Bax)相互作用，抑制或激活线粒体外膜通透性(mitochondrial outer membrane permeability，MOMP)。MOMP的发生导致位于线粒体膜间隙的细胞色素c、线粒体衍生的第二种半胱天冬酶激活剂等释放到细胞质中，引发半胱氨酸天冬氨酸蛋白酶(cysteinyl aspartate specific proteinase，Caspase)级联反应，导致主要的效应因子Caspase-3等激活，造成大量的蛋白发生水解[32]。右美托咪定对脊髓的保护作用与其调节凋亡蛋白表达有关[11]，但是其上游机制未明。在离体培养的脊髓神经元中，右美托咪定可能通过激活磷脂酰肌醇-3激酶/蛋白激酶B(phosphatidylinositol-3-kinase/protein kinase B，PI3K-Akt)通路，减少神经元细胞凋亡[7]。因此，在缺血再灌注损伤中，右美托咪定对凋亡的调节机制可能与其作用于PI3K-Akt-Bcl-2/Bax信号通路有关。七氟烷对神经元凋亡的抑制作用与其上调脊髓内磷酸化的细胞外信号调节激酶水平有关[20]，但其下游效应机制尚需进一步研究探讨。

3.4 自噬调节作用 神经系统的损伤可激活自噬，而自噬可能通过某种机制促进其功能恢复。抗凋亡蛋白Bcl-2可与自噬体成核关键平台分子Beclin-1的BH3结构域相结合并影响其活性，阻止Beclin-1组装前自噬体结构[33]。Fan等[34]研究发现，脊髓缺血后，Bcl-2的磷酸化破坏了脊髓神经元Bcl-2/Beclin-1复合物的形成，从而增强自噬。自噬主要发生在再灌注早期(6 h内)，而缺血预处理能够增强和维持自噬水平到再灌注后12 h，认为自噬是一种对缺血的保护性反应。曹宁等[22]于再灌注后24 h取大鼠脊髓组织进行检测，发现七氟烷预处理对缺血脊髓的保护机制可能与抑制自噬/溶酶体途径有关。因此，缺血再灌注诱导的自噬活性反映了细胞死亡和细胞保护机制的激活，但其作用可能取决于组织以及损伤的性质。早期激活的自噬可能通过抑制细胞凋亡和炎症从而减轻SCIRI，但随后过度的自噬通过诱导自噬性细胞死亡加重SCIRI。因此，在SCIRI过程中，如何调节自噬以达到抗损伤的目的是未来研究的重点。此外，自噬与凋亡蛋白Bcl-2可能是防治SCIRI的一个重要靶点。

3.5 其他机制

3.5.1 血脊髓屏障及神经营养因子：血脊髓屏障是血液循环和脊髓组织之间的生理和代谢物质扩散的屏障，其结构完整有助于维持脊髓微环境的稳态。脊髓损伤后，MMP-9的上调引起血脊髓屏障的重要成分(紧密连接分子)发生降解，导致血脊髓屏障破裂和出血，引发继发性损伤级联反应。丙泊酚及右美托咪定均可通过降低MMP-9的表达，以维持血脊髓屏障的完整性[13，15]。此外，右美托咪定可增强血管生成素1/酪氨酸激酶受体系统，通过防止微血管渗漏，保护血脊髓屏障[13]。

研究表明，右美托咪定还可通过增加脑源性神经营养因子和胶质细胞源性神经营养因子(glial cell line-derived neurotrophic factor，GDNF)的产量，提高神经元的缺血耐受[6，35]。GDNF在给药24 h后浓度达到最高值，提示可能需要在手术前1 d应用右美托咪定，以最大限度地提高缺血再灌注损伤时脊髓的GDNF浓度。除了GDNF，可能还有其他由星形胶质细胞分泌的物质保护神经元。因此，通过共同培养神经元和星形胶质细胞，以进一步模拟运动神经元在脊髓中被包围的真实微环境是未来研究的另一个方向。

3.5.2 相关钾离子通道：双孔钾离子通道是一种可被高度调节的背景钾通道超家族，也被称为“背景”或“基线”钾通道。它们在整个电压范围内包括静息膜电位上是开放的，有助于重构去极化对细胞的作用[36]。TWIK相关钾离子通道1(TWIK-related K+channel 1，TREK1)作为超家族成员之一，在脑组织和脊髓中高度表达，已经被证明可被一定浓度的挥发性麻醉剂激活[24，37]。研究表明，异氟烷能够显著增加缺血脊髓组织中TREK1的表达，通过降低Caspase-3活性，减少亚G1细胞的比例，抑制神经元凋亡[38]。因此，对TREK1的表达进行调控可能是异氟烷保护脊髓免受缺血再灌注损伤的重要机制。

4 小结与展望

麻醉药物对缺血脊髓的保护作用在动物实验研究中已得到证实。然而，现有的大多数研究只评估了一周内的短期效果，而且动物实验模型并不能完全再现临床中病理生理变化的复杂性，因模型差异而导致观察到的神经保护作用所需的麻醉药物阈值剂量也会不同。因此，在设计动物实验时应严格控制变量，以探索麻醉药物神经保护效应是否存在剂量依赖性。上述麻醉药物通过各种效应机制减轻SCIRI，对这些机制的研究有助于深入了解SCIRI产生的原因，并为防治SCIRI提供新策略。