全身麻醉药对发育期大脑的神经毒性影响因素、机制及干预措施

魏琼，吕靖，于迪，张冰，蒙臣，龚兴瑞，李清

1 湖北医药学院附属医院(十堰市太和医院)，湖北十堰442000；2锦州医科大学太和医院研究生培养基地

在美国每年约有600万儿童接受全身麻醉，其中包括150万的新生儿和婴儿[1]；在中国，庞大的人口基数使得婴幼儿的麻醉需求和麻醉数量与日激增。麻醉药物是否会对婴幼儿神经系统的发育造成不良影响，已成为社会关注的热点话题。2016年12月美国FDA发出警告：3岁以下婴幼儿或孕晚期的孕妇重复或长时间(>3 h)使用全身麻醉药或镇静药，可能会影响小儿脑发育。现就全身麻醉药对发育期大脑神经毒性的影响因素、相关机制及干预措施进行综述，旨在为婴幼儿的麻醉研究进行总结并提供新思路。

1 全身麻醉药对发育期大脑神经毒性的影响因素

1.1 麻醉暴露的时机 发育的关键时间因物种不同而不同，大鼠发育的关键时间在出生后第7～10天，而恒河猴在出生后第5～16天。但是在人类大脑中，这一时期被认为是从妊娠最后3个月持续到第3年也就是脑生长爆发期(BGS)。全身麻醉药对大脑不同区域的影响也不同。出生后第7天的大鼠暴露于全身麻醉药会导致丘脑、海马CA1区和皮质区发生严重的细胞凋亡，而齿状回并未受到实质性影响；但在麻醉暴露后的第21天，在齿状回中可观察到大量的神经细胞凋亡，但皮质的易损性明显下降[2]。不同的神经细胞类型可能具有不同的麻醉敏感性，如谷氨酸能神经细胞和氨基丁酸能神经细胞可能比胆碱能神经细胞更易受到毒性损伤[3]。

1.2 麻醉暴露的频率和持续时间 Wilder等[4]对5 000余名在幼儿时期接受过全身麻醉的人群进行了回顾性研究，发现在4岁之前接受过单次麻醉并不会引起儿童学习功能障碍，但是≥2次的重复麻醉暴露会引起儿童学习功能障碍的风险显著增加。体内外研究均发现，暴露时间长短与诱导细胞凋亡有直接关系。单剂量麻醉剂不一定会引起细胞凋亡或对神经细胞发育和分化产生不良影响[5]，但随着麻醉时间延长或重复次数增多可增加神经细胞的凋亡。例如，在3 h的氯胺酮麻醉中并未诱导神经细胞凋亡，但在给药后5、9、24 h可检测到明显的神经细胞凋亡[6]。

1.3 麻醉药的剂量 增加麻醉药剂量可明显增加神经细胞凋亡数量、发育的障碍程度，从而影响细胞分化和突触形成。研究表明，七氟醚麻醉暴露对新生大鼠均表现出剂量和时间依赖性神经退行性变[7]。有研究评估了增加丙泊酚剂量对新生小鼠神经元凋亡的影响，发现丙泊酚所诱导的神经凋亡呈剂量依赖性增加[8]。

2 全身麻醉药致发育期大脑神经毒性的可能机制

2.2 钙稳态失衡 钙离子作为一种生物信使，参与和控制包括肌肉收缩、胞吐、细胞增殖和分化、基因表达和蛋白质合成等过程。钙稳态的维持对细胞存活起关键作用，细胞内钙稳态的破坏可能是全身麻醉诱导神经细胞凋亡的一个新机制。有研究发现，吸入麻醉药通过激活过量肌醇三磷酸(IP3)受体，以浓度和时间依赖性方式引起内质网的钙异常释放而耗竭，从而导致神经细胞损伤[11]。异氟醚通过增加GABAA受体活性导致神经细胞胞质内Ca2+水平升高，导致未成熟海马锥体的神经细胞变性[12]。

2.3 炎性因子过表达 神经炎症是多种脑病理学的关键反应，其作为全身麻醉药诱导的神经毒性和发育期动物认知损伤的新机制正受到关注。有研究发现，将未成熟大鼠暴露于异氟烷会引起海马组织中促炎性因子如TNF-α、IL-6、IL-1β的短暂上调[13]。有研究发现，异氟烷通过增强NF-κB的转录来诱导活化B细胞从而引起炎性因子上调，该过程发生在小胶质细胞而非神经细胞[14]。因此，全身麻醉药可能是通过促进脑内小胶质细胞激活和促炎性细胞因子的释放来诱发的神经毒性。

2.4 神经营养因子缺乏 脑源性神经营养因子(BDNF)在大脑皮层、海马等多个区域均有表达，对中枢神经系统神经细胞的发育、存活和维持具有重要作用。BDNF参与许多神经细胞胞内信号的传导，包括神经细胞生长和突触的可塑性变化。BDNF与酪氨酸受体激酶B(TrkB)特异性结合后构象发生改变，导致下游关键激酶磷酸化，促进BDNF在神经细胞和树突中表达，并激活BDNF-TrkB信号通路[15]。

2.5 表观遗传异常启动 有研究表明，表观遗传失调是大脑功能异常和神经退行性疾病的特征之一。发育期大脑经全身麻醉暴露后可引发表观遗传修饰的异常启动,包括增强转录因子之间的相互作用，抑制脑源性神经营养因子的表达,导致突触mRNA局部翻译不足等[16]。

2.6 氧化应激和线粒体损伤 在麻醉中加入镇静剂量的咪达唑仑，然后加入一氧化二氮和异氟醚，可导致30%的活性氧(ROS)上调[17]。常用的麻醉药通过氧化应激相关的线粒体凋亡途径，可使发育期的哺乳动物大脑产生广泛神经退行性变。动物研究表明，新生大鼠经过七氟烷暴露后，可增加脑组织中超氧化合物浓度和氧化应激标志物4-羟基壬烯醛(4-HNE )的含量，同时引起线粒体损伤和大脑神经细胞凋亡[18]。所以，全身麻醉药可能通过引发线粒体损伤和ROS释放造成发育期大脑的神经退行性变。

2.7 非神经细胞死亡 全身麻醉药可能损伤除神经细胞外的其他类型细胞，如少突胶质细胞和星形胶质细胞。星形胶质细胞的形态完整性对突触的形成至关重要。异氟醚可以破坏星形胶质细胞的骨架网络，导致其在脑发育过程中功能障碍[19]。星形胶质细胞亦可以自身释放神经营养因子，如BDNF旁分泌的方式促进神经细胞存活和突触强化。有研究显示，星形胶质细胞可以通过BDNF介导的细胞存活途径减弱丙泊酚诱导的神经毒性[20]。

2.8 肠道菌群紊乱 胃肠被认为是免疫系统中最大的器官，中枢神经系统中免疫细胞的分化和功能受肠道微生物群的调控，婴幼儿肠道微生物群的活动对大脑发育是必不可少的。新生大鼠暴露于异氟醚后，大鼠肠道微生物群的总体组成发生了显著变化；失调的肠道菌群可能引起进入循环的炎症细胞因子增加，引发脑内胶质细胞活化从而诱导神经毒性[21]。

3 对全身麻醉药引起发育期大脑神经毒性的相关干预措施

3.1 右美托咪定(DEX) DEX是一种α2肾上腺素能受体激动剂，有镇静、镇痛、阻滞交感神经和抗焦虑的属性，其受体亲和力是可乐定的8倍。DEX作为一种辅助药物在临床麻醉中广泛应用，其可通过抗氧化、抗炎和抗凋亡等特性减轻异氟醚诱导的老年大鼠认知功能损害[22]。

3.2 米诺环素 米诺环素是一种长效四环素类药物，具有抗炎和神经保护作用。多项研究表明，米诺环素对脊髓损伤、创伤性脑损伤、缺血性脑卒中、帕金森病等具有良好的治疗作用。有研究显示，米诺环素可通过调节GSK-3β/AKT信号通路减弱氯胺酮所致神经发育损伤[23]。而且，米诺环素除能减轻由氯胺酮所致新生大鼠神经干细胞损伤外，还可恢复海马室下区(SVZ)和亚颗粒区(SGZ)的神经发生[24]。

3.3 褪黑素 褪黑素具有调节昼夜节律、抗氧化、抗炎和催眠等生理功能，对由全身麻醉药所致未成熟大脑神经细胞凋亡具有显著抑制作用。有研究表明，褪黑素通过抑制线粒体依赖的凋亡通路来减少细胞色素C释放、抑制Caspase-3激活和凋亡体形成、上调抗凋亡蛋白Bcl-XL，进而减轻由全身麻醉药引起的发育期神经细胞凋亡[25]。

3.4 促红细胞生成素(EPO) 发育中的大脑也产生EPO，在中枢神经系统中起生长因子和神经保护剂作用。已有研究表明，EPO可以保护新生动物免受缺氧缺血性损伤，并减轻由全身麻醉诱发的发育期神经毒性[26]。有研究结果显示，在七氟醚暴露前用EPO预处理，可以增加海马CA1区和皮质区成熟神经细胞的数量并减轻神经毒性[27]。

3.5 17-β雌二醇 17-β雌二醇对大脑损伤具有神经保护作用，包括抑制兴奋性毒性、黑质变性、β-淀粉样蛋白毒性和氧化应激等。雌二醇可以通过促进BDNF表达，促进新生儿浦肯野细胞、棘突蛋白和突触的生长[28]。有研究报道，17-β雌二醇可能通过增加p-AKT表达、降低GSK-3β表达，抑制由氯胺酮诱发的发育期大脑的神经细胞凋亡和认知功能障碍[29]。

3.6 氙气 氙气是一种惰性气体麻醉剂，其属于NMDA型谷氨酸受体拮抗剂，在缺血性脑损伤中具有脑保护作用。有研究显示，在小鼠脑外伤后给予氙气，可以减少脑白质的慢性神经退行性变、海马神经细胞的丢失，防止晚发性脑外伤相关的认知损伤，并提高长期存活率[30]。并且，氙气能减轻氧化应激，减少NMDA受体介导的神经退行性变，对胆碱能神经细胞具有神经营养和保护作用[31]。

3.7 硫化氢(H2S) H2S是哺乳动物细胞中的气体传导信号分子，被认为是一种神经调节剂。在海马体和小脑中发现了高水平的H2S，并参与大脑和周围组织的病理生理过程。有报道发现，内源性H2S通过激活ATP敏感性钾通道使神经细胞超极化，减少异常兴奋性突触活动，具有神经保护作用[32]。有研究显示，H2S能减弱由异氟醚诱导的大鼠脑发育过程中神经细胞凋亡和认知功能损害[33]。

综上所述，全身麻醉药可能引起发育期神经细胞的凋亡和突触紊乱，损害长期的学习记忆功能，本文从不同层面总结影响神经毒性的影响因素、可能的机制及干预措施。不论从能量代谢角度，还是神经兴奋性调节角度，以及相关保护性调节角度，我们都需要进一步深入探究相关问题。目前，已经有研究发现很多药物及方式可减轻全身麻醉药对发育期大脑的神经毒性，但缺乏相应的临床试验数据，且在婴幼儿中应用的安全性未得到验证。因此，我们需要明确其主要机制并收集相应的临床数据,以深入研究毒性机制及缓解方式。