麻醉药物与发育期神经毒性的相关机制

贾梦琦，康霞，王洋洋，张加强

(郑州大学人民医院/河南省人民医院 麻醉与围手术期医学科，河南 郑州 450000)

随着现代医学的发展，越来越多的儿童接受全身麻醉。全身麻醉可能与儿童中枢神经系统的异常发育有关。Zaccariello等[1]的研究表明，多次麻醉暴露会引起一部分患儿轻微的损伤，这种损伤可能不是智力损伤，而是某种特定神经行为学模式的损伤，如处理速度、精细运动、运动协调和视觉运动整合方面。多项基于人口的大型研究同样发现，多次麻醉暴露会引起一部分患儿神经认知功能障碍[2-3]。因此，了解麻醉药对儿童神经发育影响的机制至关重要。目前，麻醉药的神经毒性作用已经在动物实验中证实[4]。关于全身麻醉引起的发育性神经毒性的研究主要集中在啮齿动物和非人类灵长类动物模型上，啮齿动物麻醉相对简单且可重复性很高，且它们的大脑经历了相当快的大脑成熟(即在出生后前3周的过程中)。灵长类动物和人类大脑结构最为相似，为研究麻醉性神经毒性提供了适用于神经认知评估的敏感化模型，并能进一步探讨神经发育和行为认知的关系。早期的研究发现麻醉诱导的神经元凋亡是可能的损伤机制。最近的研究表明，麻醉药可能会干扰大脑发育中的几个关键过程，破坏这些过程的各个方面。麻醉药引起神经毒性的确切机制尚不明确[5]，麻醉药物可能通过多种不同机制对发育中的大脑产生神经毒性作用。本文通过对麻醉药物引起的发育性神经毒性的不同机制进行综述，分析动物研究的新进展，以期为临床研究提供更多证据。

1 啮齿动物的研究

1.1 线粒体依赖的凋亡通路激活长期以来，关于麻醉药对发育中大脑的神经毒性的机制研究都围绕着细胞凋亡，细胞凋亡被认为是麻醉药诱导的干扰大脑发育的主要机制。Olney等[6-7]研究表明，在突触发生期间，向未成熟的啮齿动物给药时，暴露于γ-氨基丁酸(γ-aminobutyric acid，GABA)受体激动剂(如挥发性麻醉剂、咪达唑仑和丙泊酚)或N-甲基-D-天冬氨酸(N-methyl-D-aspartate，NMDA)受体拮抗剂(如氯胺酮、异氟醚和氧化亚氮)会触发广泛的细胞凋亡变性。

大量的研究集中在凋亡激活的各个方面。有关于线粒体依赖性凋亡通路，Yon等[8]认为Caspase-3和Bcl-2是重要的凋亡调节剂，挥发性麻醉药可以通过增加线粒体活性氧(reactive oxygen species，ROS)的产生，降低抗凋亡Bcl-2/促凋亡Bax比值，促进线粒体中的细胞色素C进入细胞质中和caspase-3激活，这是DNA酶激活和凋亡小体形成的重要步骤。最近有研究证实，线粒体依赖性凋亡通路在麻醉诱导的发育性神经凋亡的早期阶段非常重要。研究表明，早期全身麻醉暴露会引起急性ROS上调，未成熟神经元线粒体功能和形态受损[9-10]。而对于未成熟突触的发育和功能来说，线粒体形态的正确发生，区域分布和功能的正常发挥对功能性脑回路的形成至关重要。未成熟大脑中的线粒体对麻醉药是脆弱的，线粒体依赖的凋亡通路的激活是神经元损伤的早期预警信号，提示线粒体完整性的破坏和功能的紊乱可能是最早的触发事件。因此，线粒体损伤和氧自由基的产生可能是麻醉剂引起发育中大脑神经毒性的重要原因之一[11]。

1.2 β-淀粉样蛋白(amyloid β-protein，Aβ)累积和神经炎症Aβ累积和神经炎症作用可能是全身麻醉引起神经毒性的重要机制。Aβ是通过天冬氨酰蛋白酶β位点APP裂解酶(β-site APP-cleaving enzyme，BACE)或β-分泌酶和γ-分泌酶对淀粉样蛋白前体蛋白(amyloid precursor protein，APP)进行系列蛋白水解产生的。Aβ累积是阿尔茨海默病(Alzheimers disease，AD)发病机制的重要神经病理学标志[12]。麻醉药的神经毒性机制与AD病理学非常相似，全身麻醉药可能通过诱导细胞凋亡和增加Aβ水平来促进神经毒性。Tian等[13]认为，七氟醚吸入加重了大鼠神经认知功能损害是通过诱导大鼠细胞内Aβ1-40累积，触发了大鼠海马的神经毒性、神经炎性和神经元凋亡引起的。另一方面，麻醉药引起的神经炎性作用也可能导致大脑功能的长期损害。有研究认为，海马体中炎症细胞因子白细胞介素-1(interleukin-1，IL-1)的升高表达是导致许多神经和精神疾病中神经元死亡的重要因素[14]。Xu等[15]认为，七氟醚麻醉增加了小鼠脑组织中TNF-α、IL-6和IL-1的蛋白质和mRNA水平，可诱导神经炎症。研究表明，在依托咪酯或异氟烷存在下，培养的小鼠海马和皮层神经元中炎症细胞因子IL-1β增加了GABA的抑制电流，炎症会增加麻醉剂对GABA受体活性的上调，从而增强神经细胞对这些药物的敏感性，导致神经细胞损伤[16]。

1.3 Tau蛋白磷酸化Tau蛋白是微管相关蛋白之一，病理状态下的Tau会引起突触功能障碍和记忆缺陷，在AD和认知障碍中发挥重要作用[17]。确切来说，Tau异常过磷酸化被认为与AD的神经发病机制和认知功能有关。Tau蛋白的磷酸化受多种蛋白激酶的调控，如糖原合酶激酶3(GSK3 kinase)、周期蛋白依赖性激酶5(CDK5)、cJun n末端激酶(JNK)。有研究表明，七氟醚诱导幼龄小鼠海马Tau蛋白磷酸化、GSK3活化、IL-6升高和PSD-95水平降低，并导致小鼠认知功能障碍[18-19]。减少病理状态下Tau可能会为认知衰退相关疾病提供有效治疗。

1.4 髓鞘发育障碍大多数对于麻醉药神经毒性的研究都集中在神经元发育上，而脑功能的正常运转还取决于形成髓磷脂的少突胶质细胞。少突胶质细胞的主要功能是在神经系统中包绕轴突形成绝缘的髓鞘结构，协助生物信号的传递和保护神经元。其异常不仅会导致中枢神经系统的脱髓鞘病变，还会引起神经元损伤或精神疾病。雷帕霉素(mTOR)通路与海马少突胶质细胞的发育密切相关。mTOR信号影响大多数主要细胞的功能，它作为增殖信号转导的中枢调控因子，由氨基酸、叶酸、葡萄糖、氧气和生长因子信号激活，接收信号指示转录和翻译是否上调。因此，mTOR在调节基本细胞行为如蛋白质合成、线粒体功能、脂质代谢、营养传递和血管生成等三磷细胞基因的表达等方面发挥重要作用[20]。Xie等[21]认为，全身麻醉药会诱发维持细胞动态平衡和发育的生长因子信号受损，进而导致神经元凋亡、神经生成受损或突触发生改变。因此，麻醉药可能通过mTOR信号通路造成神经损伤。最近，mTOR信号转导的哺乳动物靶点已成为神经细胞和突触输入活动的重要整合者，进而影响许多细胞的代谢过程[22]。Costa等[23]认为，mTOR信号传导与神经发育和神经精神疾病有关。Qun等[24]认为，小鼠出生后早期暴露于七氟醚会通过对mTOR通路的作用而导致海马少突胶质细胞发育的持久破坏。早期七氟烷暴露通过mTOR的激活破坏了少突胶质细胞的发育和海马白质中髓磷脂的形成可能是全身麻醉引起神经毒性的重要机制之一。

1.5 神经活性甾体增加吸入麻醉药发育期神经毒性七氟烷诱导的神经发育异常不仅涉及大脑，还涉及内分泌系统。Xu等[25]认为麻醉时，新生小鼠接触七氟醚会引起急性皮质酮水平升高，并增加成年后大鼠体内内分泌系统对压力的反应。这一发现有助于进一步研究新生小鼠七氟烷诱导的长期内分泌和神经行为异常的机制。合理地假设是神经活性甾体雌二醇(estradiol，E2)可能通过兴奋性GABA的直接效力，加剧新生儿大鼠体内的急性不良反应。Li等[26]研究证明，在围生期敏感期七氟烷会增加雄性小鼠的睾酮(testosterone，T)和其衍生物E2的水平，增加的E2水平足以介导七氟醚诱导的皮质酮分泌，脑电图可检测的癫痫发作以及对基因表达至关重要的E2和GABAAR信号通路的复杂变化。Wang等[27]认为，E2合成抑制剂福美斯坦，似于NKCC1 阻断剂布美他尼，降低了七氟烷诱导持续性神经发育异常的能力。这一研究结果表明七氟烷引起麻醉时E2的合成增加和除极/兴奋性GABAAR信号的增强可能是麻醉作用诱发神经发育异常的初始步骤。因此，了解麻醉时七氟烷改变T和E2水平对新生儿大鼠的急性不良反应的作用，可能有助于解释麻醉引起的更复杂的长期缺陷的基础机制。

仍需探讨的是，麻醉药对细胞的神经毒性是否有特定的脆弱年龄，是否只发生在特定的脑区，是否只累及某些神经元。假设在暴露期间，大脑区域中麻醉诱导的神经细胞凋亡的最大脆弱性随年龄而变化。研究发现麻醉诱导的神经细胞凋亡不受动物年龄的限制，并非所有大脑区域都容易受到新生动物麻醉神经细胞凋亡的影响，对于某些区域，神经毒性可能会超出此时期，甚至延续到成年后[28]。然而这些研究的临床意义尚不清楚，但当前发现的麻醉药对不同年龄易感程度的差异性能为未来的临床研究提供框架。例如，预估产前麻醉暴露将对胎儿产生的最大影响。

2 灵长类动物的研究

动物实验模型确实为我们的研究提供了很多证据，并且不受手术影响，但是啮齿动物和人类大脑的差异很大，小啮齿动物出生相当于神经发育早熟阶段，并且在生命的前两周内迅速成熟。相反，在人类中，许多大脑发育的关键步骤发生在胎儿期，而出生后的大脑成熟过程比任何其他动物物种都要慢得多。啮齿动物的大脑发育轨迹，暴露全身麻醉时的发育年龄，神经元结构以及对不同寿命和种类的动物使用的麻醉药的等效性，这些模型很难转化为人类。我们要深入探索动物数据和人类之间的相关性，就不能仅依靠于啮齿动物模型，对非人类灵长类动物的研究可以为麻醉对人类的神经毒性的研究提供更好的证据，并且提供了组织 学和功能性证据，支持麻醉性神经毒性在人类中的合理性和潜在意义，从而探讨对认知和社会情感行为的影响。

关于灵长类动物，在细胞层面上来说，将新生儿(P6)或胎儿期内恒河猴猕猴暴露于异氟烷麻醉5 h，显示出明显的大脑神经细胞凋亡[29]。关于行为学方面，有研究提到，与对照组相比，在新生儿中多次麻醉暴露的猴子与焦虑相关的行为频率明显增加，这一结果可能反映了麻醉的长期不良影响[30]。Coleman等[31]证实，恒河猴在婴儿期接受一次或多次麻醉5 h，并在用了大约1 a的时间对它们进行情感评估，与对照组相比(完全不暴露麻醉)多次暴露的动物在1个月时出现运动反射缺陷并在1 a后表现为焦虑增多，而单次暴露则没有。这与流行病学研究一致，流行病学研究表明在婴儿期/幼儿期反复麻醉暴露后学习障碍的风险增加[32]。这些研究都支持这样的结论，即反复接触全身麻醉会对非人类灵长类动物产生长期的行为后果。

3 动物研究向临床的转化

临床前的证据已经表明麻醉确实对发育中的大脑具有神经毒性作用。并且在一些动物模型中，婴儿期的麻醉暴露也与行为改变有关，包括对威胁的情绪反应性增强，以及早期多次暴露麻醉后在成熟期表现出的持续存在的学习和记忆形成受损[33]。这些结果可以为研究麻醉对人类的神经毒性作用提供背景和基础。虽然动物研究结果表明麻醉药物对发育期大脑有损伤，但临床研究尚存在争议。动物实验模型不能完全转化为临床数据，需进一步的临床研究来证明。

4 小结和展望

综上所述，实验室研究表明，在早期发育中接触全身麻醉会导致神经认知功能受损，可能与多种机制相关。有关的研究主要集中在神经元凋亡、神经炎性等方面，本文综述的线粒体依赖的凋亡通路、Tau蛋白磷酸化、mTOR通路的激活、神经活性甾体E2的神经毒性作用为麻醉药物神经毒性的机制研究提供了新思路。根据这些实验室研究，美国食品和药物管理局警告说，从第三孕期(妊娠第8～10月)到生命的头3年长时间或反复接触全身麻醉剂和镇静剂可能导致认知功能持续受损。但是，只有极少的临床证据支持这一警告。为了进一步确定麻醉药是否或何时对神经发育有直接影响，需要进行更高质量的临床研究，尤其是在长时间或反复麻醉暴露的儿童中。另一个有重要意义的研究领域是进行更大，更详细的队列研究，以进一步识别高风险人群，并确定哪些心理测量领域受到的影响最大。我们可以在可行的情况下减少全身麻醉暴露次数，减少对儿童神经发育的影响。