鹵族吸入麻醉藥的神經(jīng)毒性及其機(jī)制研究進(jìn)展

翟文慧 王秋筠

每年全世界超過(guò)20億人接受手術(shù)治療，大部分手術(shù)都是在吸入麻醉下完成的，目前臨床上常用的鹵族吸入麻醉藥有異氟醚、七氟醚、地氟醚等［1］。目前臨床麻醉中熱切關(guān)注的問(wèn)題之一是鹵族吸入麻醉藥對(duì)手術(shù)患者的神經(jīng)毒性作用，表現(xiàn)為術(shù)后認(rèn)知功能障礙、神經(jīng)元退行性病變及學(xué)習(xí)能力下降等。鹵族吸入麻醉藥的神經(jīng)毒性與麻醉藥的種類和劑量、細(xì)胞的類型有關(guān)，其可能機(jī)制也是多途徑的［2－4］，目前研究比較多的是細(xì)胞凋亡，具體包括細(xì)胞內(nèi)Ca2+平衡失調(diào)、全腦蛋白質(zhì)組學(xué)表達(dá)變化、β-淀粉樣蛋白的增加及神經(jīng)突觸遞質(zhì)受體的變化等。本文綜述了目前所發(fā)表的有關(guān)鹵族吸入麻醉藥物神經(jīng)毒性及其機(jī)制的研究，旨在認(rèn)識(shí)和了解這方面的最新進(jìn)展。

1 常用的鹵族吸入麻醉藥神經(jīng)毒性的比較

鹵族揮發(fā)性吸入麻醉藥的物理和化學(xué)結(jié)構(gòu)相似，但它們產(chǎn)生的神經(jīng)毒性及其機(jī)制卻不盡相同的。

1．1 異氟醚 對(duì)于發(fā)育中的、成年的、老年的大鼠，異氟醚具有廣泛的神經(jīng)毒性作用，表現(xiàn)在術(shù)后學(xué)習(xí)能力缺陷及術(shù)后認(rèn)知功能障礙。Vesna等［5］給出生7 d大鼠施行于臨床相關(guān)濃度的氧化亞氮、異氟烷、咪唑安定的聯(lián)合麻醉，持續(xù)6 h后誘導(dǎo)出了腦神經(jīng)元細(xì)胞的凋亡及長(zhǎng)期學(xué)習(xí)能力下降;單用氧化亞氮或咪唑安定都不能誘導(dǎo)出神經(jīng)細(xì)胞凋亡;單用異氟醚可以誘導(dǎo)出神經(jīng)細(xì)胞凋亡;異氟醚和咪唑安定聯(lián)合麻醉后，神經(jīng)細(xì)胞凋亡數(shù)目明顯增加;氧化亞氮、異氟醚、咪唑安定聯(lián)合麻醉致凋亡細(xì)胞數(shù)目達(dá)到最高;同時(shí)這個(gè)動(dòng)物實(shí)驗(yàn)還第一次證實(shí)了吸入麻醉對(duì)新生大鼠以后的記憶和認(rèn)知功能會(huì)產(chǎn)生永久性損害，因此引發(fā)了廣泛、激烈的討論。我們將原代培養(yǎng)大鼠皮層神經(jīng)元隨機(jī)分組，分別用 0．6%、1．2%、2．4% 異氟醚處理 1 h、2 h、4 h、8 h、12 h、24 h，采用酶聯(lián)免疫吸附法(ELISA)法測(cè)乳酸脫氫酶(LDH)活性，MTT法測(cè)神經(jīng)元活力，熒光顯微鏡測(cè)神經(jīng)元內(nèi)游離鈣離子濃度，結(jié)果發(fā)現(xiàn)0．6%異氟醚可增強(qiáng)原代培養(yǎng)新生大鼠皮層神經(jīng)元活力，1．2%、2．4%異氟醚可降低原代培養(yǎng)新生大鼠皮層神經(jīng)元活力［6］。異氟醚的神經(jīng)毒性具有濃度和時(shí)間依賴性，實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)1．2%異氟醚(1MAC)處理大鼠原代培養(yǎng)皮層神經(jīng)元12 h能使MTT明顯降低和LDH釋放增加，說(shuō)明細(xì)胞活性降低［7］。

1．2 氟烷 Ecrenhoff等［8］將大鼠 PC12細(xì)胞暴露于0．8%、1．5%氟烷6 h，LDH檢測(cè)結(jié)果顯示LDH釋放增加，細(xì)胞活力降低，可以誘導(dǎo)細(xì)胞凋亡。

1．3 七氟醚 Bartunek等［9］研究發(fā)現(xiàn)，臨床上七氟醚麻醉后的患者也很少發(fā)生術(shù)后認(rèn)知功能障礙及學(xué)習(xí)能力缺陷。有實(shí)驗(yàn)結(jié)果提示孕晚期大鼠接受長(zhǎng)時(shí)間、高濃度的七氟醚麻醉可能對(duì)仔鼠學(xué)習(xí)記憶功能產(chǎn)生不利影響，并且將持續(xù)到成熟期;而低濃度七氟醚麻醉的影響較短暫。

1．4 地氟醚 關(guān)于地氟醚神經(jīng)細(xì)胞毒性方面的報(bào)道較少。Kunst等［10］提出同等劑量的地氟醚，促神經(jīng)細(xì)胞凋亡作用輕微。

2 鹵族吸入麻醉藥神經(jīng)毒性的可能機(jī)制

雖然對(duì)吸入麻醉藥的中樞作用機(jī)制曾進(jìn)行了長(zhǎng)期、大量的研究，但由于中樞神經(jīng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能的復(fù)雜性及麻醉藥作用機(jī)制的多樣性，至今仍不能確切地闡明。下面就鹵族吸入麻醉藥產(chǎn)生神經(jīng)毒性的可能機(jī)制進(jìn)行闡述。

2．1 細(xì)胞內(nèi)鈣失衡與1，4，5-三磷酸肌醇受體 細(xì)胞內(nèi)鈣失調(diào)對(duì)神經(jīng)元細(xì)胞損傷凋亡起著很重要的作用［11］。作為細(xì)胞內(nèi)鈣儲(chǔ)備的主要場(chǎng)所，內(nèi)質(zhì)網(wǎng)的凋亡途徑與Ca2+有著不可分割的關(guān)系。靜息狀態(tài)下神經(jīng)細(xì)胞內(nèi)Ca2+濃度基本穩(wěn)定在100 nmol/L，而細(xì)胞外 Ca2+濃度則相對(duì)高得多，達(dá)到 1．2 mmol/L［1］。神經(jīng)細(xì)胞的鈣穩(wěn)態(tài)調(diào)節(jié)是個(gè)復(fù)雜的過(guò)程，胞外的Ca2+流入和胞內(nèi)Ca2+儲(chǔ)存庫(kù)的Ca2+釋放都可能引起細(xì)胞內(nèi)Ca2+濃度增加。維持細(xì)胞內(nèi)外鈣穩(wěn)態(tài)的是內(nèi)質(zhì)網(wǎng)上的3種與Ca2+的攝入和釋放有關(guān)的通道:藍(lán)尼啶受體(RyR)和1，4，5-三磷酸肌醇受體(IP3R)將內(nèi)質(zhì)網(wǎng)腔內(nèi)的Ca2+釋放入胞漿，鈣泵將胞漿內(nèi)的Ca2+轉(zhuǎn)運(yùn)至內(nèi)質(zhì)網(wǎng)。Ge等［12］研究發(fā)現(xiàn)在細(xì)胞外無(wú)鈣環(huán)境下，異氟醚可引起幾乎相同程度的細(xì)胞內(nèi)Ca2+增加，表明細(xì)胞內(nèi)鈣儲(chǔ)存庫(kù)對(duì)于鈣超載發(fā)揮重要作用，另外，應(yīng)用IP3R拮抗劑后明顯減輕細(xì)胞毒性，說(shuō)明了內(nèi)質(zhì)網(wǎng)IP3R起著重要的作用。

目前研究提出異氟醚誘導(dǎo)神經(jīng)細(xì)胞凋亡具有濃度和時(shí)間依賴性，早衰蛋白-1(PS-1)突變的PC12細(xì)胞(L286V)能增強(qiáng)IP3R的活性，使其在異氟醚作用下更易發(fā)生細(xì)胞凋亡，1MAC異氟醚作用12 h能誘導(dǎo)L286V發(fā)生細(xì)胞凋亡，并使細(xì)胞內(nèi)Ca2+峰值發(fā)生快速大量的增加，應(yīng)用IP3R拮抗劑能明顯減輕這種改變［12，13］。這與阿爾茨海默病和帕金森病等神經(jīng)退行性病變時(shí)，IP3R過(guò)度激活內(nèi)質(zhì)網(wǎng)Ca2+過(guò)量釋放，引起胞漿Ca2+濃度增加，內(nèi)質(zhì)網(wǎng)鈣耗竭，最終導(dǎo)致細(xì)胞凋亡的過(guò)稱相似，因此臨床中神經(jīng)退行性病變患者，應(yīng)避免異氟醚的應(yīng)用［11－14］。不同細(xì)胞對(duì)異氟醚誘導(dǎo)的細(xì)胞凋亡具有不同的敏感性，例如2．4%異氟醚誘導(dǎo)DT40細(xì)胞發(fā)生凋亡的最短時(shí)間是6 h，而誘導(dǎo)大鼠大腦皮層神經(jīng)元或PC12細(xì)胞凋亡的最小濃度和最短時(shí)間是2．4%異氟醚作用24 h［15］。氟烷與異氟醚相似，可以通過(guò)激活RyR或IP3R誘導(dǎo)Ca2+從內(nèi)質(zhì)網(wǎng)釋放［12］，導(dǎo)致內(nèi)質(zhì)網(wǎng)鈣耗竭，細(xì)胞內(nèi)鈣離子濃度增加，產(chǎn)生神經(jīng)細(xì)胞毒性。與異氟醚相反，相同劑量的七氟醚作用能抑制細(xì)胞Ca2+從肌漿網(wǎng)釋放，或影響較小甚至無(wú)影響［14］。而同等劑量的地氟醚，只引起微小的細(xì)胞內(nèi)質(zhì)網(wǎng)Ca2+釋放［13］，神經(jīng)細(xì)胞毒性作用輕微。

綜上可見(jiàn)，IP3R是細(xì)胞內(nèi)的鈣釋放通道，其生物學(xué)特性改變，會(huì)導(dǎo)致胞漿內(nèi)Ca2+濃度升高，從而激發(fā)一系列病理生理紊亂反應(yīng)，認(rèn)為由IP3R介導(dǎo)的細(xì)胞內(nèi)Ca2+釋放在鹵族吸入麻醉藥神經(jīng)細(xì)胞毒性過(guò)程中起到至關(guān)重要的作用。

2．2 全腦蛋白質(zhì)組學(xué)表達(dá)改變 Futterer等［16］第一次通過(guò)高效、快捷和高通量的分子生物學(xué)技術(shù)，應(yīng)用二維凝膠電泳和質(zhì)譜測(cè)量法，測(cè)定5．7%地氟醚麻醉成年大鼠3 h后的0、24、72 h全腦表達(dá)的蛋白質(zhì)的變化，結(jié)果顯示在地氟醚麻醉后至少72 h內(nèi)存在蛋白質(zhì)表達(dá)改變，這些表達(dá)改變的蛋白在神經(jīng)遞質(zhì)的突觸傳遞及新陳代謝等方面發(fā)揮著重要作用，例如:一氧化氮通路中的NG-二甲基精氨酸-二甲基氨基水解酶(DDAH)在地氟醚麻醉后表達(dá)增強(qiáng)，并至少持續(xù)72 h，另外，在研究中發(fā)現(xiàn)發(fā)動(dòng)蛋白-1(dynamin-1)在地氟醚麻醉后減少，可引起神經(jīng)突觸膜蛋白的功能性結(jié)構(gòu)改變，這提示我們突觸遞質(zhì)釋放過(guò)程有其相對(duì)應(yīng)的蛋白結(jié)構(gòu)及表達(dá)的改變，其他許多在麻醉前后腦內(nèi)差異表達(dá)的蛋白與糖酵解和三羧酸循環(huán)密切相關(guān)。這些結(jié)果都提示我們?cè)谖肼樽砗? h，即存在腦蛋白表達(dá)改變，并至少持續(xù)到術(shù)后72 h，這個(gè)時(shí)間遠(yuǎn)長(zhǎng)于臨床上吸入麻醉后的恢復(fù)時(shí)間，因此，對(duì)于行短時(shí)間麻醉的手術(shù)患者，吸入麻醉藥產(chǎn)生的長(zhǎng)時(shí)間腦蛋白改變還是很重要的，需要進(jìn)一步深入研究。

Kalenka 等［17］在 Futterer等［16］的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步研究吸入麻醉藥對(duì)全腦蛋白表達(dá)的影響:2．4%七氟醚(1MAC)麻醉大鼠3 h后，應(yīng)用二維凝膠電泳和質(zhì)譜測(cè)量法測(cè)定全腦蛋白表達(dá)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)麻醉3小時(shí)后有11種蛋白表達(dá)變化，麻醉后72 h 17種蛋白表達(dá)變化，麻醉后28 d除了1種蛋白外所有蛋白表達(dá)都恢復(fù)到正常水平，這些表達(dá)改變的蛋白與細(xì)胞代謝、細(xì)胞信號(hào)傳導(dǎo)等有關(guān)，但這些蛋白的表達(dá)變化是否和臨床麻醉患者的術(shù)后認(rèn)知功能障礙有關(guān)還有待進(jìn)一步研究。

2．3 β-淀粉樣蛋白質(zhì)集聚 Eckenhoff等［8］通過(guò)研究吸入麻醉藥和靜脈麻醉藥對(duì)大鼠神經(jīng)母細(xì)胞瘤細(xì)胞Aβ寡聚化和細(xì)胞凋亡的影響，發(fā)現(xiàn)異氟烷和氟烷易于結(jié)合小低聚體，增加大鼠細(xì)胞的Aβ寡聚化，最終形成纖維，誘導(dǎo)細(xì)胞凋亡。吸入麻醉藥可增加與阿爾茨海默病相關(guān)的多肽寡聚化和細(xì)胞凋亡。

Xie等［3］通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究異氟醚促細(xì)胞凋亡的作用機(jī)制，用2%異氟醚處理過(guò)度表達(dá)APP的人類H4神經(jīng)膠質(zhì)細(xì)胞6 h可以誘導(dǎo)細(xì)胞凋亡、增加Aβ的產(chǎn)生，并且APP C-末端片段水平增加而非全蛋白水平變化與細(xì)胞凋亡有相關(guān)關(guān)系。進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)證明，異氟醚能提高2種對(duì)細(xì)胞產(chǎn)生毒性作用的酶的濃度和活性［4］。1種是半胱氨酰天冬氨酸特異性蛋白酶，促成β-淀粉樣蛋白的沉積，從而引發(fā)細(xì)胞凋亡。另1種是β-粉狀分泌酶，可分解蛋白質(zhì)，形成典型的β-粉狀蛋白質(zhì)沉積，隨著β-粉狀蛋白質(zhì)濃度的增高，半胱氨酰天冬氨酸特異性蛋白酶的濃度也隨之增高，兩者相互作用，不斷疊加，最終形成粉狀斑塊。

2．4 神經(jīng)突觸受體及神經(jīng)遞質(zhì)的改變 吸入麻醉藥主要作用于2個(gè)受體:激活γ-氨基丁酸(GABA)受體，增加神經(jīng)元的抑制作用;阻滯N-甲基-D-天冬氨酸(NMDA)受體，降低神經(jīng)元的興奮作用。在神經(jīng)突觸形成期使用通過(guò)這兩個(gè)途徑起作用的藥物可引起發(fā)育中鼠腦廣泛的神經(jīng)元凋亡。其機(jī)制可能是NMDA受體阻滯降低細(xì)胞外谷氨酸的濃度，減少突觸形成和細(xì)胞間連接而抑制神經(jīng)元;GABA受體過(guò)度興奮則導(dǎo)致細(xì)胞興奮性毒性［18］。神經(jīng)興奮損傷又與Ca2+大量?jī)?nèi)流致細(xì)胞內(nèi)Ca2+超載所引發(fā)的鏈?zhǔn)綋p傷有關(guān)，谷氨酸還可能通過(guò)刺激G蛋白藕聯(lián)代謝性谷氨酸受體等途徑導(dǎo)致胞內(nèi)鈣庫(kù)釋放［19］。有學(xué)者提出吸入麻醉劑在拮抗NMDA受體方面有著很顯著的作用［15］。然而，同樣是激活GABA受體及拮抗NMDA受體，為何七氟醚和地氟醚對(duì)神經(jīng)元凋亡的影響較異氟醚和氟烷輕，原因尚不清楚。目前認(rèn)為不同的吸入麻醉藥在不同的腦區(qū)有多細(xì)胞和多分子的作用靶點(diǎn)，即使是同一種吸入麻醉藥也無(wú)法用單一的作用靶點(diǎn)解釋所有的麻醉作用。

3 討論

鹵族吸入麻醉藥可通過(guò)不同的機(jī)制對(duì)不同類型動(dòng)物神經(jīng)細(xì)胞產(chǎn)生廣泛而多樣的毒性作用，且這種作用具有濃度和時(shí)間依賴性。鹵族吸入麻醉藥，誘發(fā)神經(jīng)細(xì)胞凋亡是一個(gè)復(fù)雜的過(guò)程，可能是多種機(jī)制共同作用的結(jié)果，具體的分子生物學(xué)機(jī)制還有待進(jìn)一步深入研究。由于人腦和鼠腦存在種屬差異性，還需要大量的基礎(chǔ)和臨床研究。因此，研究吸入麻醉藥對(duì)大腦神經(jīng)元的影響及有關(guān)機(jī)制，不但為臨床麻醉藥的選擇和管理提供科學(xué)指導(dǎo)，為預(yù)防和治療術(shù)后神經(jīng)損害提供理論基礎(chǔ)，而且將推動(dòng)吸入麻醉藥麻醉機(jī)理的研究，進(jìn)一步探索其神經(jīng)細(xì)胞作用靶位。我們希望在保證麻醉效果的情況下，針對(duì)不同患者合理選擇不同麻醉藥及調(diào)節(jié)麻醉藥的濃度和時(shí)間，以達(dá)到最好的麻醉效果，并產(chǎn)生最小的神經(jīng)損傷。

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