吸入性麻醉剂与脑缺血及神经保护的研究进展

董传斌

(枝江市人民医院，湖北 枝江 443200)

七氟烷是目前一种较为新型的吸入麻醉剂。与异氟烷和地氟烷相比，七氟烷具有气道刺激相对较小，起效和恢复更快，血流动力学稳定性高于其他强效吸入剂等优点，且其显著特点是具有低于异氟烷的血/气分布系数，因而可快速诱导麻醉并缩短苏醒时间〔1〕。尤其针对心脑血管疾病患者，七氟烷能提供具有类似血流动力学稳定性的麻醉，在临床手术时可使患者出现更快速、更有效的麻醉状态，同时快速恢复术后清醒状态〔2〕。吸入麻醉药与其他常规麻醉药相比，因其相对安全的给药途径和较快的起效速度而具有实用优势。研究发现，在正常大鼠脑局部缺血时给予吸入麻醉药，即麻醉预处理(APC)，可显著地降低正常大鼠的脑缺血再灌注损伤，还有一定的神经保护作用〔3〕。该保护作用可能涉及的机制是缺血时保持三磷酸腺苷(ATP)水平，降低中性粒细胞的黏附，增加一氧化氮的产生，抑制自由基产生或减少钙超载，通过激活线粒体ATP依赖性钾通道(mKATP)通道减少脑缺血诱导的脑组织损伤，进而改善正常大鼠局灶性脑缺血再灌注损伤〔4〕。在脑氧和糖代谢的研究表明七氟烷预处理的神经保护作用包括改变谷氨酸转运体活性改变、电生理改变、抑制线粒体通透性转换孔(mPTP)的开放，抵抗兴奋性氨基酸的毒性，抑制活性氧的释放，抑制炎症、脑脂质过氧化和神经元的凋亡，降低氧化应激和维持线粒体膜稳定性〔5〕。

在神经元细胞中，线粒体在脑缺血再灌注(I /R)损伤期间产生大量的ATP和病理活性氧，它们还在吸入性麻醉剂诱导的预处理中起关键作用〔6〕。研究表明七氟烷和其他吸入性麻醉剂通过mKATP通道在I/R期间保护大脑免受损伤，mKATP通道开放导致钾流入，抑制线粒体中的钙超载，活性氧的产生和多种下游激酶的激活来使大脑免受I/R损伤，这被认为是APC的关键步骤〔7〕。研究表明，异氟烷可在体外直接激活大脑mKATP通道，异氟烷处理后ATP敏感的K+电流显著增加，mKATP通道阻断剂5-羟基癸酸盐(HD)完全消除了这种效应〔8〕。Matthias等〔9〕证实了七氟烷能够在缺血期间阻止线粒体基质体积收缩，并且这种效应是通过mKATP通道开放介导的。研究表明，七氟烷预处理通过增加蛋白激酶C的ε亚家族(PKC-ε)磷酸化对抗大脑I/R损伤来保护神经元，并且mKATP通道阻滞剂5-HD抑制了这种作用〔10〕。

1 异氟烷与脑缺血再灌注的关系

当脑缺血缺氧发生时会导致脑内ATP大量耗竭，Na+和Cl-内流引起脑细胞水肿，同时脑内谷氨酸过度释放促进神经元细胞Ca2+内流，增加N-甲基-D-天冬氨酸(NMDA)依赖性Ca2+内流，导致脑细胞内Ca2+超载，同时大量氧自由基形成，线粒体损伤，这些均导致脑细胞的凋亡〔11〕。研究表明，正常大鼠脑缺血再灌注时，使用异氟烷预处理可显著抑制脑细胞的mPTP的开放来保护脑细胞，同时也可降低大脑缺血缺氧诱导的脑细胞水肿和线粒体的损伤〔12〕。异氟烷预处理保护脑免受缺血缺氧损伤的机制包括调节Ca2+浓度抑制钙超载，清除氧自由基，促进线粒体KATP通道的开放及抑制mPTP的开放〔13〕。此外，研究发现异氟烷治疗可抑制脑缺血缺氧诱导的促凋亡蛋白Bax和半胱天冬酶-3的表达水平来保护脑细胞〔14〕。

2 异氟烷在脑缺血时的神经保护作用

氨基酸神经递质如天冬氨酸、谷氨酸、谷氨酰胺、甘氨酸和γ-氨基丁酸在中枢神经系统中具有重要功能。当脑缺氧时突触间隙和细胞外液中高浓度的兴奋性氨基酸(EAA)是引起兴奋性毒性和神经元死亡的常见原因〔15〕。异氟烷的保护作用可能是抑制神经递质氨基酸的兴奋性毒性。有报道表明，EAA中的谷氨酸和天冬氨酸在低氧性脑损伤机制中起着关键作用。NMDA受体是EAA的主要受体，其活化会导致缺氧时脑细胞内Ca2+超载而产生脑损伤〔16〕。实验研究发现，异氟烷预处理减少了缺氧诱导的谷氨酸和天冬氨酸的释放，从而减少了神经细胞的兴奋性毒性〔17〕。γ-氨基丁酸(GABA)是中枢神经系统中的一种抑制性神经递质，研究发现，异氟烷预处理可显著激活GABA受体活性，这可保护神经元免受缺氧损伤〔18〕，甘氨酸是一种EAA调节剂，可通过增加谷氨酸的NMDA受体的敏感性来增强EAA诱导的兴奋性毒性，研究发现，异氟烷预处理治疗以剂量依赖性方式逆转缺氧诱导的甘氨酸浓度升高造成的神经损伤作用，这表明异氟烷对中枢神经系统具有保护作用〔19〕。

线粒体功能障碍导致神经系统疾病，包括神经退行性疾病和中风，其中，类似于脑I/R损伤，过量的Ca2+摄取可激活mPTP的开放，导致神经元死亡后ATP合成显著减少〔20〕。最近的研究证实，mPTP开放的抑制也是APC诱导的神经保护的最重要的细胞机制之一。 有研究表明，在缺血性脑发生时，异氟烷预处理通过超极化线粒体膜和抑制Ca2+诱导的mPTP的开放来保护线粒体正常功能免受脑I/R损伤，并且异氟烷预处理的脑缺血大鼠可显著减少神经功能缺损和降低大鼠脑梗死体积〔21〕。

异氟烷麻醉处理可显著降低在缺血刺激的大鼠皮质中谷氨酸受体介导的Ca2+的内流作用。异氟烷可调节NMDA受体介导的细胞内Ca2+内流和三磷酸肌醇依赖性Ca2+的释放，将Ca2+浓度维持在适当范围内可以在脑缺血时发挥神经保护作用〔29〕。研究发现，异氟烷诱导的Ca2+磷酸化可通过激活细胞增殖相关的Ras-Raf-MEK-ERK信号传导来减少脑缺血诱导的神经细胞的死亡，抑制丝裂原活化蛋白激酶(MEK)1/细胞外调解蛋白激酶(ERK)信号通路可消除异氟烷介导的神经保护作用〔30〕。异氟烷预处理可通过促存活MEK1 / ERK信号传导或抗凋亡磷脂酰肌醇-3激酶(PI3K)/蛋白激酶B(Akt)信号通路来抑制神经元死亡〔31〕。异氟烷预处理时的神经保护作用也依赖于细胞内适当的Ca2+浓度和Ca2+依赖性的信号传导，钙调素是一种重要的Ca2+敏感结合蛋白与丝裂原活化蛋白激酶(MAPK)、PKB/Akt、钙调蛋白依赖性激酶(CaMK)Ⅱ是一种重要的神经调节酶，研究还发现，异氟烷预处理可通过抑制钙调素与MAPK、PKB/Akt和CaMKⅡ的结合，从而在脑缺血时发挥对神经的保护作用〔32〕。

3 七氟烷与脑缺血再灌注的关系

七氟烷预处理的神经保护作用包括改变谷氨酸转运体活性，抑制mPTP的开放和活性氧的释放，抵抗兴奋性氨基酸毒性，抑制脑脂质过氧化和神经元凋亡，减少氧化应激和维持线粒体膜稳定性〔33〕。与其他麻醉药相比，七氟烷具有稳定脑血流量和脑代谢的作用是作为神经保护剂的主要原因〔34〕。七氟烷和异氟烷预处理对脑缺血再灌注损伤的保护机制涉及抑制mPTP开放，其开放的主要诱因是在脑缺血发生时，线粒体钙超载，炎症反应和氧化应激增强等〔35〕。在脑缺血期间，内源性氧化剂和抗氧化剂的平衡被破坏，促炎细胞因子如肿瘤坏死因子(TNF)-α，白细胞介素(IL)-1和IL-6等物质在再灌注阶段大量产生。TNF-α和其他促炎细胞因子通过诱导磷酸化和核因子(NF)-κB的激活而引起进一步的氧化应激〔36〕。作为转录因子，NF-κB广泛参与并调节大量细胞因子和趋化因子的表达，如TNF-α、IL-1、IL-6，环氧合酶-2和黏附分子等，这些炎性因子是使细胞产生炎症和细胞凋亡的关键物质，吸入性麻醉剂预处理可通过抑制NF-κB的活化诱导的炎症反应，从而抑制NF-κB依赖性炎性细胞因子的产生来保护大脑免受I/R损伤〔37〕。Ma等〔38〕在体内冠状动脉闭塞实验中证明，七氟烷预处理可减弱NF-κB及其两个亚基p50和p65的表达，从而降低炎症因子TNF-α和细胞间黏附分子-1的表达。用七氟烷预处理后可抑制NF-κB的结合活性和活化，从而显著降低大脑I/R损伤期间TNF-α、IL-1和IL-6的表达。

4 七氟烷在脑缺血时的神经保护作用

小胶质细胞是中枢神经系统的重要清除剂，在缺血后具有神经毒性和神经保护的双重作用，在脑缺血发生时，小胶质细胞既可迅速分泌促炎因子引发炎症，同时，它也可吞噬坏死细胞碎片并分泌神经营养因子以保护缺血神经元〔39〕。可使用酶联免疫吸附试验(ELISA)评估坏死组织细胞碎片中常见的毒性细胞因子如TNF-α来检测七氟烷预处理是否加强了小胶质细胞的吞噬作用。研究者对七氟烷预处理组的大鼠脑梗死区的小胶质细胞检测发现，七氟烷预处理组的大鼠脑梗死部位的TNF-α水平显著低于对照组。说明七氟烷预处理可增强脑缺血后的小胶质细胞迁移和吞噬活性，同时为神经细胞的存活创造有利的微环境〔40，41〕；七氟烷预处理还可通过抑制炎症保护脑缺血周围的神经元；七氟烷也可能促进小胶质细胞活化，吞噬有毒的坏死碎片并分泌神经营养因子，为脑部修复创造有利的微环境，即七氟烷预处理增强缺血性损伤后梗塞区内的内源性神经的发生和重建〔42〕。研究表明七氟烷预处理可促进神经母细胞的增殖，迁移和分化，并且随后的神经发生是促进小胶质细胞神经保护激活的结果。激活的小胶质细胞吞噬坏死碎片并在七氟烷预处理后促使大脑分泌神经营养因子如BDNF，良好的脑部微环境可促进缺血部位的功能修复〔43，44〕。

有研究报道，在再灌注开始时给予七氟烷时有明显的神经保护作用，并且在给予七氟烷后5 min时这种作用就逐渐丧失，表明给药时间、药物作用时间与APC的保护效应有密切联系〔45〕。此外，最近发现在使用5-HD后P38磷酸化降低，表明mKATP通道开放和p38磷酸化是七氟烷预处理介导的神经保护作用的关键过程〔46〕。与心脏保护相似，PKC-ε也参与APC介导的神经保护作用。 Ye等〔47〕研究表明，在脑缺血发生时，用七氟烷预处理30 min后使用5-HD不仅可以降低神经功能损伤评分和脑梗死体积，而且还可抑制转染后24 h PKC-ε向膜组分的转位。该结果还表明PKC-ε作为mKATP通道的上游靶标的作用，并因此表明PKC-ε参与APC介导的大脑和神经保护过程〔48〕。

研究还发现，七氟烷在脑缺血时的神经保护作用机制涉及激活PI3K/Akt途径，可能激活Akt下游蛋白，如糖原合酶激酶3(GSK-3β)，P70S6激酶(P70S6K)和内皮型一氧化氮合酶(eNOS)，抑制mPTP开放及促进钾通道开放〔49，50〕。在脑损伤研究中发现，PI3K/Akt通路参与七氟烷对脑缺血再灌注损伤的保护作用〔51〕，七氟烷后处理通过促进线粒体KATP通道开放减少脑缺血诱导的脑组织损伤，并通过PI3K/Akt 途径抑制mPTP开放减少局灶性脑缺血再灌注后的神经损伤〔52〕。因此，七氟烷后处理对缺氧缺血性脑损伤大鼠神经保护的潜在机制可能是抑制mPTP开放。

研究发现，脑缺血缺氧在一定程度上可促进新生大鼠皮质神经元和海马神经前体细胞的增殖，而七氟烷可降低脑代谢率并促进神经功能的恢复〔53〕。七氟烷后处理诱导p-Akt、p-eNOS和p-GSK-3β表达上调，并且显著增加mPTP活性来保护脑缺血诱导的神经细胞的损伤。这些研究结果表明，七氟烷后处理可能通过PI3K/Akt/eNOS和PI3K/Akt/GSK-3β途径抑制mPTP的开放达到神经保护作用〔54〕。尽管环孢素(Cs)A是一种mPTP特异性阻断剂，它模拟七氟烷后处理提供的神经保护作用，但未能增强七氟烷后处理的效果〔55〕。这些结果表明，七氟烷后处理可能通过阻断mPTP开放并减少脑缺血缺氧大鼠的神经损伤来保护脑组织。不同浓度的七氟烷和不同剂量的CsA是否能够不同程度地预防缺氧缺血性脑损伤需要深入研究〔56〕。总之，七氟烷后处理可通过PI3K/Akt/eNOS和PI3K/Akt/GSK-3β途径阻断mPTP开放并减少海马中的神经元凋亡，从而改善新生缺氧缺血性脑损伤大鼠的神经损伤作用〔57〕。

综上，吸入麻醉剂异氟烷和七氟烷预处理在脑缺血缺氧发生时的保护作用的机制包括促生存激酶级联的募集、抑制氧自由基、NF-κB介导的炎症反应和mPTP的开放，促进PKC-ε介导的mKATP通道的开放及基因表达，还有一些信号调节通路也参与脑缺血的神经保护过程，即激活PI3K/Akt途径，Akt下游蛋白GSK-3β、P70S6K、eNOS，抑制mPTP开放和促进mKATP开放。其中其他类型的吸入性麻醉剂预处理在脑缺血和神经保护作用的关系还需要进一步研究探讨。