MicroRNAs在各种麻醉剂诱导的神经毒性中作用的研究进展

许奎斌 赵洪伟

天津医科大学肿瘤医院麻醉科，国家肿瘤临床医学研究中心，天津市“肿瘤防治”重点实验室，天津市恶性肿瘤临床医学研究中心300060

0 引 言

麻醉剂能够影响大脑的发育过程，包括神经发生、神经元迁移和分化、动作电位的产生和增殖、突触形成和胶质形成[1]。麻醉剂这种神经毒性的机制主要涉及神经元和非神经元的凋亡，可通过直接的细胞毒性作用改变细胞器的完整性，如内质网和线粒体，从而影响功能三磷酸腺苷的合成[2]。此外，麻醉剂可引起血脑屏障和脑血管的改变，并可改变某些神经元网络，从而可能导致发育中的大脑出现长期的神经认知功能障碍[3-4]。然而，麻醉剂引起神经毒性的作用机制以及神经细胞凋亡和随后认知功能下降之间的联系仍不清楚，需进一步研究。

MiRNAs是小的单链非编码RNA，与靶信使RNA（mRNA）结合导致基因表达改变[5]。研究结果表明，miRNAs在各种人类疾病（如癌症和神经退行性疾病）中失调[6-9]。在大脑中，miRNAs高度表达，并通过调节mRNA表达水平而控制细胞内的各种生理功能，从而调节许多神经发生过程[10-12]。MiRNAs已被证明可直接调节轴突和树突的生长、突触生成、神经生成和神经元凋亡，且miRNAs的表达对发育和成熟的神经元都至关重要。当受到环境刺激时，miRNAs的表达会改变[13]。因此，它们的调节功能可能受到类固醇、阿片类药物、酒精和麻醉剂等刺激物的影响[12]。研究结果表明，麻醉剂可诱导miRNA的差异表达，不同麻醉剂表现出不同的作用[14]。

1 MiRNAs在麻醉剂诱导的神经毒性中的作用

1.1 七氟醚

新生小鼠暴露于七氟醚可诱导肿瘤抑制因子miRNA-27a-3p上调。该miRNA被证明可靶向并抑制过氧化物酶体增殖物激活受体γ（PPARγ）基因，从而导致七氟醚诱导的神经毒性,导致学习赤字和异常社会行为[15]。小鼠早期暴露于七氟醚会导致海马区 miRN As（mi R-15a、miR-20b、miR-382、miR-532、miR-129-3p 和 miR99a） 和全脑 miRN As（m iR-19a、miR-29a和miR-145）的长期变化[13]。七氟醚的暴露还导致成年小鼠miRNA-98表达上调，对认知障碍具有神经保护作用的胰岛素样生长因子-1（i nsulinlikegrowth factors-1，IGF-1）表达下调[16]。研究结果表明，七氟醚通过miRNA调控的多种机制诱导大鼠海马组织的神经细胞凋亡。另有研究结果表现，七氟醚可显著提高miRNA-188-3p表达，负调控MDM2原癌基因表达[17]。此外，七氟醚通过刺激PI3K/Akt信号通路导致miRNA-665表达下调，上调胰岛素样生长因子-2（IGF-2），增加Bax/Bcl-2比值，降低Beclin 1、PSD95和pCREB的表达；七氟醚通过海马线粒体途径导致miRNA-34c的下调[15]。此外，通过使用无麻醉剂的miR-96模拟物，将七氟醚暴露于受损学习同记忆性能后miRNA-96水平的升高相联系，结果表明miRNA可能通过下调IGF-1受体参与七氟醚诱导的神经毒性[18]。然而，miR-665对七氟醚诱导的毒性和认知功能障碍也有神经保护作用，其是通过ILGF-2靶向PI3/Akt信号通路介导的[19]。其他几种miRNAs亦参与了神经保护机制，上调miR-26a和下调miRNA-33-5p、miRNA-137-3p及miRNA-210已被证明可保护小鼠背根神经节的神经细胞凋亡[20-23]。如上调miRNA-26a可通过抑制PTEN促进神经突生长和改善细胞凋亡；miRNA-137-3p的下调通过反向调节其下游靶点LSD1发挥作用；miRNA-33-5p的下调则通过调控其靶基因胶质细胞源性神经营养因子（gli al cell derived neruotrophie factor,GDNF）发挥作用。

1.2 异丙酚

异丙酚是一种比较常用的麻醉剂，通过miRNAs调控介导其毒性作用。暴露于异丙酚的小鼠或大鼠已被证明存在学习缺陷，在某些情况下还会出现异常行为，此效应与miRNA-183的上调和NR4A2表达的抑制有关。MiRNA-183在麻醉后通过降低Sox2的表达水平与神经干细胞 (neural stemcell,NSCs)的负调控相关。其通过激活永生化细胞（hESCs）中的PUMA途径上调miRNA-206的表达[24]，且进一步诱导miRNA-665的上调、caspase 3的裂解及Bcl2l1的抑制[25-27]。此外，异丙酚还可下调大鼠海马miRNA-132的表达，导致大鼠的学习和记忆障碍[24]。

研究结果发现，七氟醚和异丙酚对大鼠海马区14个miRNA的表达谱有不同的影响。七氟醚降低了12种miRNAs的表达，增加了miR-423-3p、miR-24-2、miR-664和miR-9的表达；而异丙酚显著降低了11种其他miRNAs的表达。另一项研究结果显示,暴露于不同麻醉剂的大鼠，其大脑皮层表达显著增加的miRNA存在差异，七氟醚包括miR-339-3-p、miR-448和miR-466 b-1，异丙酚包括miR-339-3-p,、miR-347,、miR-378,、miR-412、miR-702-3-p 和 miR-7a-2[28]。此外，还研究了七氟醚同其他麻醉剂对其他器官miRNA表达和调节的影响。评估七氟醚与异丙酚对大鼠肝组织miRNA表达影响的研究结果表明，七氟醚组有16个miRNA表达显著上调，11个miRNAs下调；而异丙酚组有31个miRNAs表达上调，8个miRNAs下调[29]。有趣的是，两种麻醉药共有20个miRNA表达相同，3个miRNA表达不同，分别为 miRNA-142-3p、miRNA-29a和 miRNA-378。

1.3 异氟醚

异氟醚为另一种常用的麻醉剂，其可激活Bax并随后促进细胞死亡机制[30]。异氟醚暴露后miRNA-214的下调促进神经元细胞死亡，并诱导Bax表达，这是miRNA-214的一个重要靶点[30]。此外，暴露于异氟醚后的认知功能障碍（POCD）大鼠海马区miRNA-572表达增高[31]。miRNA-572的高表达降低了其下游靶点CD56（NCAM1）的表达，NCAM1在神经修复中发挥重要作用。因此，miR-572的上调导致神经元保护缺失和神经元变性；相反，miRNA-572的下调导致POCD的改善[31]。

1.4 布比卡因

众所周知，麻醉剂布比卡因可显著提高线粒体钙水平、活性氧、DNA损伤和细胞凋亡。因此与其他局部麻醉剂相比，它具有更多的神经毒性[30]。布比卡因诱导的神经毒性被认为是通过糖原合酶激酶3（GSK3）信号通路介导的，主要通过蛋白激酶C（PKC）的调节[31]。最近，miR-33-5p被证实参与了布比卡因诱导的神经损伤和凋亡。MiR-33-5p在布卡因暴露后上调，其下游靶基因GDNF发生逆抑制调节，已知GDNF可保护神经损伤[21]。因此miRNAs可能参与了布比卡因暴露后的神经毒性通路。然而，这些途径之间是否存在相关性尚需进一步研究。

1.5 氯胺酮

氯胺酮诱导的神经毒性亦与miRNA表达的变化有关。氯胺酮神经毒性的体外评估显示，氯胺酮通过上调人类胚胎干细胞来源的神经元中的miRNA-375和上调大鼠脑胚胎干细胞来源的神经元中的microRNA 107来诱导神经细胞凋亡、活性氧增加和神经元退变[32-33]。这两种miRNA均被证明通过调节脑源性神经营养因子（brain derived neurotrophic factor，BDNF）水平发挥作用。此外，氯胺酮诱导的小鼠海马神经毒性和神经变性被发现是通过上调miRNA-124和miRNA-34a介导的[34-35]。miR-124调控AMPA受体磷酸化和PKC-ERK通路，而miR-34a直接调控FGFR1。此外，过量氯胺酮治疗已被证明可通过下调miRNA-137及其靶CDC42导致大鼠海马CA1神经元严重凋亡，并导致大鼠长期记忆功能障碍，表明氯胺酮诱导的海马神经元凋亡是通过下调miR-137介导的[36]。诱导过表达miR-137可保护海马神经退行性变，从而导致长期记忆损伤。miR-137的神经保护作用可能是通过其直接下游靶点CDC42介导的，CDC42在氯胺酮暴露后也被下调。

2 MiRNA的神经保护作用

值得注意的是，一些miRNA可能有助于麻醉后的神经保护作用。有研究结果表明，从异丙酚诱导的人类胚胎干细胞中提取的神经元中，miR-21的过表达减弱了细胞死亡[29]。异丙酚导致的miR-21的下调导致其靶基因SPRY2的表达增加。该基因是受体酪氨酸激酶的调节器，其作用是减弱生长因子介导的通路。因此，逆转异丙酚诱导的miR-21下调具有神经保护作用。此外研究结果发现，氯胺酮诱导的海马神经元凋亡是通过下调miR-137介导的[36]。诱导过表达miR-137可保护海马神经退行性变，从而导致长期记忆损伤。miR-137的神经保护作用可能是通过其直接下游靶点CDC42介导的，CDC42在氯胺酮暴露后也被下调。miR-665对七氟醚诱导的毒性和认知功能障碍亦有神经保护作用，其是通过胰岛素样生长因子2（insulin like growth factor 2，ILGF2）靶向PI3/Akt信号通路介导的[19]。其他几种miRNA也参与了神经保护机制。表观遗传上调miR-26a 和下调 miRNA-33-5p、miRNA-137-3p、miRNA-210已被证明可以保护小鼠背根神经节的神经细胞凋亡[22-23]，如上调miRNA-26a可通过抑制PTEN促进神经突生长和改善细胞凋亡。此外，miRNA-137-3p的下调通过反向调节其下游靶点LSD1发挥作用；而miRNA-33-5p的下调则通过调控其靶基因GDNF发挥作用。有趣的是，通过下调成纤维细胞生长因子1（FGFR1）或正常降低ERK1/2的表达并上调p-CREB的表达，抑制miRNA-34a对麻醉诱导的海马凋亡并对记忆损伤产生保护作用[37]。此外，miRNA-206的下调降低了裂解的caspase-3和PUMA的表达，减少了丙泊酚诱导的细胞凋亡[24]。发现miRNA-383的上调对丙泊酚诱导的海马神经元凋亡和认知障碍具有保护作用[38]。异位过表达和沉默miR-665在异丙酚对未成熟海马星形胶质细胞的神经毒性中发挥作用[2]。因此，某些miRNAs的上调和下调可能对麻醉剂的毒性作用具有重要的保护作用，其取决于它们的靶基因和相关的信号通路。

3 MiRNA的作用靶向

麻醉药可能对发育成熟的大脑有神经毒性作用，然而，miRNAs在介导麻醉诱导的神经毒性作用方面的作用最近才被认识到，随着对基因组学、微阵列分析领域新技术和途径的认知，使得描述miRNA的分子通路、功能以及了解哪些miRNA被认为是麻醉药的靶点成为可能。麻醉药通过调控Wnt、MAPK和Rap1等信号通路来诱导神经细胞凋亡，从而影响miRNA相关基因。本文中提到的大多数研究结果发现，在麻醉后调控的miRNA通过凋亡相关信号通路诱导其作用，如miRNA-665[26-27]、miRNA-96[18]、miRNA-383[38]和 miRNA-34a[27]通过靶向促凋亡的Bax和抗凋亡的Bcl-2，增加Bax/Bcl-2的表达比例，从而升高caspase 3水平；miRNA-206的上调导致促凋亡通路、PUMA和caspase 3表达升高。此外，PI3K/PKB信号通路也参与其中，其失活与miRNA383[38]和miRNA-665[15]下调后Bax信号增加有关；miR-26a的上调抑制了PTEN，其通过去磷酸化PIP3干扰PI3K信号通路[20]。值得注意的是，麻醉暴露后的凋亡效应并不总是通过miRNA及其相关信号通路介导的。

一些预测的麻醉调节miRNA的靶向基因亦参与了中枢神经系统的发育以及与突触功能和神经发生相关的信号通路，如miR-665被预测以Notch1为靶点，Notch1是已知通过控制细胞命运来支持发育过程的靶点；而miR-665在bcl-2样蛋白1(BCL2L1)mRNA3’-未翻译区域具有结合位点，在发育中的大脑中起着关键作用[26]。此外，BDNF通过抗凋亡、抗氧化、抑制自噬等过程在大脑中发挥多种神经保护作用[39]。值得注意的是，在使用不同麻醉剂后，BDNF 被发现与 miRNA-210、miRNA-107 和miRNA-375的上调直接相关，并被确定为这些miRNA的下游效应因子[32-33]。miRNA/BDNF关系被证明是调节氯胺酮和布比卡因诱导的皮层和背根神经节神经元损伤的重要表观遗传信号通路[32-33]。BDNF的抑制或下调逆转miRNA-107、miRNA-210和miRNA-375的抑制；然而，有一个报道指出，七氟醚诱导miRNA-183上调与BDNF的直接升高有关。

有研究结果表明，miRNA的某些功能可保护机体免受麻醉诱导的神经毒性，其是针对与细胞存活和/或细胞凋亡相关的基因，如Bcl-2基因。此外，有几个miRNA被怀疑参与了麻醉预处理的神经保护作用。有研究结果表明，异氟醚预处理导致的神经保护可能是通过miRNA-203表达增加介导的。该miRNA通过激活和磷酸化Akt及其下游信号通路，参与促进细胞存活和缺血性脑损伤的抢救[1]。此外，七氟醚预处理通过降低缺血损伤后miR-15b的水平，起到抗凋亡和抗缺血的神经保护作用[40]。因此，miR-15b水平的降低会导致其下游靶点Bcl-2的表达减少。其他miRNAs，如miR-101a和miR-34b也被证明参与了七氟醚预处理的保护作用。

4 结语

综上所述，研究结果提示，miRNA相关机制参与了麻醉诱导的神经毒性、认知能力下降和记忆损伤；然而许多研究都有其局限性，且这一领域的许多研究都没有很好地控制实验，研究之间存在许多差异。目前，关于miRNA在麻醉诱导毒性中的作用的人类研究数据很少，一些实验设置，如在几个时间点反复暴露在麻醉下，不能在人体中复制，也不能对人体脑组织进行分析。进一步的研究应更多地关注miRNA表达失衡及其后续靶点可能参与诱导毒性的功能贡献。因每年都有数百万儿童不可避免地面临麻醉，为防止在发育和成熟的大脑中暴露于麻醉后可能出现的神经学结果，使用这些miRNA有望获得新的保护方法。此外，这些microRNA的发现有可能作为认知障碍和大脑或神经系统毒性的生物标志物。然而，需要一个更系统的方法来整合基因组学和蛋白质组学，以进一步了解miRNAs对其特定基因靶点的调控机制。

利益冲突所有作者均声明不存在利益冲突