麻醉藥物防治脊髓缺血再灌注損傷的動物實(shí)驗(yàn)研究進(jìn)展▲

樊曉娜 劉 嬌 王黔艷 張雙霜 胡 霽

(華中科技大學(xué)同濟(jì)醫(yī)學(xué)院附屬梨園醫(yī)院麻醉科，湖北省武漢市 430077，電子郵箱：fxn8023@163.com)

【提要】 脊髓缺血再灌注損傷因其發(fā)生機(jī)制復(fù)雜、病情嚴(yán)重后果而被廣泛重視。近年來，麻醉藥物對器官的保護(hù)作用成為學(xué)者關(guān)注及研究的熱點(diǎn)，其可通過抗炎、抗氧化、抗凋亡、調(diào)節(jié)自噬水平及維持血脊髓屏障完整等多種機(jī)制，減輕脊髓缺血再灌注后運(yùn)動神經(jīng)元損傷。本文就常用麻醉藥物對脊髓缺血再灌注損傷動物的防治效果、劑量及機(jī)制等做一綜述。

截癱或者下肢輕癱是外科手術(shù)術(shù)后嚴(yán)重并發(fā)癥，盡管外科手術(shù)技術(shù)不斷發(fā)展，但是手術(shù)后脊髓損傷發(fā)生率仍高達(dá)32%[1]。發(fā)生脊髓損傷的主要原因是術(shù)中臨時阻斷胸腹主動脈導(dǎo)致脊髓缺血，此后血流再恢復(fù)可能導(dǎo)致?lián)p傷加重，這種效應(yīng)稱為脊髓缺血再灌注損傷(spinal cord ischemia-reperfusion injury，SCIRI)。缺血再灌注可啟動復(fù)雜的交互級聯(lián)反應(yīng)，誘導(dǎo)急性炎癥反應(yīng)、脂質(zhì)過氧化、細(xì)胞凋亡、鈣超載等多種病理過程，導(dǎo)致細(xì)胞和組織環(huán)境改變、血脊髓屏障功能破壞[2-3]。亞致死劑量的缺血預(yù)處理或后處理已被證實(shí)可用于實(shí)驗(yàn)動物主動脈阻斷后的脊髓保護(hù)[4-5]，但其安全范圍和風(fēng)險仍存在爭議。因此，能夠替代缺血處理、發(fā)揮類似神經(jīng)保護(hù)作用的有效藥物具有廣闊的臨床應(yīng)用前景。近年來，麻醉藥物的器官保護(hù)作用愈加得到重視。本文對麻醉藥物在SCIRI動物實(shí)驗(yàn)中應(yīng)用的研究進(jìn)展做一綜述，旨在為臨床研究提供新的思路。

1 靜脈麻醉藥物在SCIRI動物實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用研究

右美托咪定是一種α2腎上腺素受體激動劑，其對脊髓的保護(hù)作用在體內(nèi)及體外SCIRI動物模型中均已得到證實(shí)[6-8]。研究表明，于缺血前1 h或30 min給予右美托咪定以10 μg/(kg·h)的速率靜脈輸注，能有效減輕兔脊髓損傷[9-10]。于缺血前1 h或再灌注即刻以5 μg/(kg·h)的速率靜脈輸注右美托咪定可明顯改善SCIRI大鼠的后肢神經(jīng)功能[11]。Goyagi等[12]研究發(fā)現(xiàn)，從脊髓缺血前30 min到再灌注后48 h，分別以0.1 μg/(kg·h)、1 μg/(kg·h)及10 μg/(kg·h)的速率靜脈持續(xù)輸注右美托咪定，均可改善大鼠的神經(jīng)功能和組織學(xué)結(jié)果，效果呈非劑量依賴性。此外，于缺血前鞘內(nèi)注射(L5～L6)右美托咪定(1 μg/kg)，同樣能改善大鼠脊髓組織損傷[13]，但這種給藥方式的相關(guān)研究較少。

丙泊酚是臨床常用的靜脈麻醉藥，動物實(shí)驗(yàn)研究表明其對SCIRI也具有一定防治作用。缺血前10 min及再灌注即刻，將丙泊酚(30 mg/kg)稀釋于30 mL 0.9%氯化鈉溶液中，以3 mL/min的速率靜脈輸注，可有效減輕SCIRI兔的脊髓損傷[14-15]。曾俊等[16]研究結(jié)果顯示，在SCIRI兔模型中采用主動脈內(nèi)灌注丙泊酚也具有脊髓保護(hù)效應(yīng)，并且這種保護(hù)作用在30 mg/kg到50 mg/kg之間呈劑量依賴性，50 mg/kg效果最佳。與右美托咪定類似，在脊髓缺血前1 h，通過鞘內(nèi)注射的方式給予SCIRI大鼠丙泊酚(100 μg或300 μg)，同樣能減輕脊髓損傷后的組織病理學(xué)改變[17]。

因此，靜脈輸注右美托咪定或丙泊酚有可能可以作為一種有效的脊髓保護(hù)措施應(yīng)用于臨床，但其劑量及安全性尚需要進(jìn)一步研究探討。鞘內(nèi)注射靜脈麻醉藥物保護(hù)缺血脊髓神經(jīng)的有效性需要更深入的臨床前研究去證實(shí)。

2 吸入性麻醉藥物在SCIRI動物實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用研究

陳瓊等[18]于脊髓缺血再灌注前5 min給予家兔吸入七氟烷[0.5肺泡最小有效濃度(minimum alveolar concentration，MAC)、1.0 MAC和1.5 MAC]10 min，結(jié)果顯示，1.0 MAC七氟烷對于脊髓的保護(hù)作用最強(qiáng)，而當(dāng)其濃度增加到1.5 MAC時，再灌注早期血流動力學(xué)變化明顯，保護(hù)作用減弱。Wang等[19]的研究結(jié)果也證實(shí)于再灌注即刻持續(xù)吸入1.0 MAC七氟烷10 min，可對兔脊髓起到保護(hù)作用。Ding等[20]在脊髓缺血前1 h用3.7%七氟烷預(yù)處理家兔30 min，結(jié)果顯示其脊髓運(yùn)動神經(jīng)元存活率增加，神經(jīng)功能改善。還有研究發(fā)現(xiàn)，在脊髓缺血前2 h，采用2.4%～2.7%濃度的七氟烷預(yù)處理大鼠1 h能減輕其脊髓損傷[21]。值得注意的是，當(dāng)預(yù)處理時間提前到脊髓缺血前24 h，吸入3.4%七氟烷2 h同樣觀察到類似的神經(jīng)保護(hù)效應(yīng)[22]。因此，七氟烷對脊髓的保護(hù)作用可能具有即刻效應(yīng)以及延遲效應(yīng)。

研究顯示，異氟烷對脊髓神經(jīng)元的保護(hù)作用同樣具有延遲效應(yīng)。在脊髓缺血前24 h，采用2.8%濃度異氟烷預(yù)處理大鼠30 min，可提高大鼠的缺血耐受力[23]。此外，在脊髓缺血前5 d，給予大鼠重復(fù)吸入1.4%異氟醚(1 h/d)，也可以保護(hù)脊髓組織[24]。吸入性麻醉藥物所誘導(dǎo)的延遲性脊髓缺血耐受是一個重要發(fā)現(xiàn)，其相關(guān)機(jī)制可能是未來研究的一個方向。

3 麻醉藥物防治SCIRI的作用機(jī)制

3.1 抗炎作用 SCIRI后過度放大的炎癥反應(yīng)是產(chǎn)生二次損傷并造成遲發(fā)性截癱的重要因素[25-26]。高遷移率族蛋白-1作為無菌炎癥的早期介質(zhì)，與Toll樣受體4相互作用，可激活下游信號分子核因子κB(nuclear factor kappaB,NF-κB)，調(diào)節(jié)促炎基因如白細(xì)胞介素(interleukin,IL)-1β、IL-6、腫瘤壞死因子α(tumor necrosis factor α,TNF-α)等轉(zhuǎn)錄，在神經(jīng)系統(tǒng)損傷性應(yīng)答中發(fā)揮重要作用[10，27-28]。SCIRI過程中NF-κB被高度激活，而右美托咪定可通過抑制其信號通路，減少下游炎性因子的產(chǎn)生，抑制炎癥反應(yīng)并保護(hù)缺血脊髓[10]。丙泊酚對脊髓的保護(hù)作用同樣與抑制NF-κB信號通路有關(guān)[16]。但是Kim等[23]研究發(fā)現(xiàn)，異氟烷可能通過增加NF-κB的表達(dá)，從而發(fā)揮對缺血脊髓的保護(hù)作用。因此，NF-κB信號通路的激活或是抑制對SCIRI的調(diào)節(jié)作用，是否與病理過程或脊髓損傷程度不同有關(guān)，目前仍存在爭議，如何通過對NF-κB信號通路及其上下游信號分子進(jìn)行調(diào)節(jié)以達(dá)到抗脊髓損傷的目的，可能是未來研究的關(guān)注點(diǎn)。

此外，脊髓損傷可誘導(dǎo)小膠質(zhì)細(xì)胞形態(tài)、基因表達(dá)和功能行為的快速變化[29]。右美托咪定及七氟烷可通過抑制小膠質(zhì)細(xì)胞的活化，減少基質(zhì)金屬蛋白酶(matrix metalloprotein，MMP)-9、CXC類趨化因子配體10、CC類趨化因子配體2和炎性因子(IL-1β、TNF-α和 IL-6)的表達(dá)，減輕再灌注損傷[8，21]。研究表明，右美托咪定的抗炎作用還與其穩(wěn)定肥大細(xì)胞膜，減少促炎因子釋放有關(guān)[30]。

3.2 抗氧化作用 活性氧在缺血再灌注血流恢復(fù)后初期大量產(chǎn)生，是致死性損傷發(fā)生的重要因素之一。超氧化物歧化酶(superoxide dismutase，SOD)能有效清除活性氧，減輕組織細(xì)胞的損傷。研究表明，丙泊酚的神經(jīng)保護(hù)機(jī)制與上調(diào)脊髓組織內(nèi)SOD1活性有關(guān)[14]。然而Song等[31]研究發(fā)現(xiàn)，脊髓缺血再灌注10 min內(nèi)，活性氧的產(chǎn)生反而有助于抵抗損傷。七氟烷也可促使適量的活性氧釋放，而釋放的活性氧可能作為信號分子通過激活相關(guān)信號通路增加過氧化氫酶及SOD的活性，保護(hù)脊髓免受缺血再灌注損傷[18-19]。因此，在SCIRI中，活性氧的產(chǎn)生可能扮演著“雙刃劍”的角色，一方面其大量產(chǎn)生與急劇堆積可造成細(xì)胞及組織的損傷；另一方面，早期適度增高的活性氧可能刺激組織抗傷害性信號通路的活化，從而產(chǎn)生保護(hù)效應(yīng)。在活性氧爆發(fā)性損傷產(chǎn)生之前，通過調(diào)節(jié)其生成以增強(qiáng)機(jī)體抗氧化系統(tǒng)活性、抵抗致死性損傷，將可能作為一種有效的神經(jīng)保護(hù)策略應(yīng)用于臨床。

3.3 抗凋亡作用 神經(jīng)細(xì)胞凋亡被認(rèn)為是導(dǎo)致遲發(fā)性截癱發(fā)生的重要機(jī)制。Freeman等[7]通過模擬缺血再灌注損傷發(fā)現(xiàn)，在死亡的神經(jīng)細(xì)胞中大部分為凋亡神經(jīng)元。因此，各種抗凋亡策略可被用于降低截癱的發(fā)生率。當(dāng)接受不同的凋亡刺激時，抗凋亡蛋白B細(xì)胞淋巴瘤2(B-cell lymphoma 2，Bcl-2)和促凋亡蛋白Bcl-2相關(guān)X蛋白(Bcl-2 associated X protein,Bax)相互作用，抑制或激活線粒體外膜通透性(mitochondrial outer membrane permeability，MOMP)。MOMP的發(fā)生導(dǎo)致位于線粒體膜間隙的細(xì)胞色素c、線粒體衍生的第二種半胱天冬酶激活劑等釋放到細(xì)胞質(zhì)中，引發(fā)半胱氨酸天冬氨酸蛋白酶(cysteinyl aspartate specific proteinase，Caspase)級聯(lián)反應(yīng)，導(dǎo)致主要的效應(yīng)因子Caspase-3等激活，造成大量的蛋白發(fā)生水解[32]。右美托咪定對脊髓的保護(hù)作用與其調(diào)節(jié)凋亡蛋白表達(dá)有關(guān)[11]，但是其上游機(jī)制未明。在離體培養(yǎng)的脊髓神經(jīng)元中，右美托咪定可能通過激活磷脂酰肌醇-3激酶/蛋白激酶B(phosphatidylinositol-3-kinase/protein kinase B，PI3K-Akt)通路，減少神經(jīng)元細(xì)胞凋亡[7]。因此，在缺血再灌注損傷中，右美托咪定對凋亡的調(diào)節(jié)機(jī)制可能與其作用于PI3K-Akt-Bcl-2/Bax信號通路有關(guān)。七氟烷對神經(jīng)元凋亡的抑制作用與其上調(diào)脊髓內(nèi)磷酸化的細(xì)胞外信號調(diào)節(jié)激酶水平有關(guān)[20]，但其下游效應(yīng)機(jī)制尚需進(jìn)一步研究探討。

3.4 自噬調(diào)節(jié)作用 神經(jīng)系統(tǒng)的損傷可激活自噬，而自噬可能通過某種機(jī)制促進(jìn)其功能恢復(fù)?？沟蛲龅鞍譈cl-2可與自噬體成核關(guān)鍵平臺分子Beclin-1的BH3結(jié)構(gòu)域相結(jié)合并影響其活性，阻止Beclin-1組裝前自噬體結(jié)構(gòu)[33]。Fan等[34]研究發(fā)現(xiàn)，脊髓缺血后，Bcl-2的磷酸化破壞了脊髓神經(jīng)元Bcl-2/Beclin-1復(fù)合物的形成，從而增強(qiáng)自噬。自噬主要發(fā)生在再灌注早期(6 h內(nèi))，而缺血預(yù)處理能夠增強(qiáng)和維持自噬水平到再灌注后12 h，認(rèn)為自噬是一種對缺血的保護(hù)性反應(yīng)。曹寧等[22]于再灌注后24 h取大鼠脊髓組織進(jìn)行檢測，發(fā)現(xiàn)七氟烷預(yù)處理對缺血脊髓的保護(hù)機(jī)制可能與抑制自噬/溶酶體途徑有關(guān)。因此，缺血再灌注誘導(dǎo)的自噬活性反映了細(xì)胞死亡和細(xì)胞保護(hù)機(jī)制的激活，但其作用可能取決于組織以及損傷的性質(zhì)。早期激活的自噬可能通過抑制細(xì)胞凋亡和炎癥從而減輕SCIRI，但隨后過度的自噬通過誘導(dǎo)自噬性細(xì)胞死亡加重SCIRI。因此，在SCIRI過程中，如何調(diào)節(jié)自噬以達(dá)到抗損傷的目的是未來研究的重點(diǎn)。此外，自噬與凋亡蛋白Bcl-2可能是防治SCIRI的一個重要靶點(diǎn)。

3.5 其他機(jī)制

3.5.1 血脊髓屏障及神經(jīng)營養(yǎng)因子：血脊髓屏障是血液循環(huán)和脊髓組織之間的生理和代謝物質(zhì)擴(kuò)散的屏障，其結(jié)構(gòu)完整有助于維持脊髓微環(huán)境的穩(wěn)態(tài)。脊髓損傷后，MMP-9的上調(diào)引起血脊髓屏障的重要成分(緊密連接分子)發(fā)生降解，導(dǎo)致血脊髓屏障破裂和出血，引發(fā)繼發(fā)性損傷級聯(lián)反應(yīng)。丙泊酚及右美托咪定均可通過降低MMP-9的表達(dá)，以維持血脊髓屏障的完整性[13，15]。此外，右美托咪定可增強(qiáng)血管生成素1/酪氨酸激酶受體系統(tǒng)，通過防止微血管滲漏，保護(hù)血脊髓屏障[13]。

研究表明，右美托咪定還可通過增加腦源性神經(jīng)營養(yǎng)因子和膠質(zhì)細(xì)胞源性神經(jīng)營養(yǎng)因子(glial cell line-derived neurotrophic factor，GDNF)的產(chǎn)量，提高神經(jīng)元的缺血耐受[6，35]。GDNF在給藥24 h后濃度達(dá)到最高值，提示可能需要在手術(shù)前1 d應(yīng)用右美托咪定，以最大限度地提高缺血再灌注損傷時脊髓的GDNF濃度。除了GDNF，可能還有其他由星形膠質(zhì)細(xì)胞分泌的物質(zhì)保護(hù)神經(jīng)元。因此，通過共同培養(yǎng)神經(jīng)元和星形膠質(zhì)細(xì)胞，以進(jìn)一步模擬運(yùn)動神經(jīng)元在脊髓中被包圍的真實(shí)微環(huán)境是未來研究的另一個方向。

3.5.2 相關(guān)鉀離子通道：雙孔鉀離子通道是一種可被高度調(diào)節(jié)的背景鉀通道超家族，也被稱為“背景”或“基線”鉀通道。它們在整個電壓范圍內(nèi)包括靜息膜電位上是開放的，有助于重構(gòu)去極化對細(xì)胞的作用[36]。TWIK相關(guān)鉀離子通道1(TWIK-related K+channel 1，TREK1)作為超家族成員之一，在腦組織和脊髓中高度表達(dá)，已經(jīng)被證明可被一定濃度的揮發(fā)性麻醉劑激活[24，37]。研究表明，異氟烷能夠顯著增加缺血脊髓組織中TREK1的表達(dá)，通過降低Caspase-3活性，減少亞G1細(xì)胞的比例，抑制神經(jīng)元凋亡[38]。因此，對TREK1的表達(dá)進(jìn)行調(diào)控可能是異氟烷保護(hù)脊髓免受缺血再灌注損傷的重要機(jī)制。

4 小結(jié)與展望

麻醉藥物對缺血脊髓的保護(hù)作用在動物實(shí)驗(yàn)研究中已得到證實(shí)。然而，現(xiàn)有的大多數(shù)研究只評估了一周內(nèi)的短期效果，而且動物實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ筒⒉荒芡耆佻F(xiàn)臨床中病理生理變化的復(fù)雜性，因模型差異而導(dǎo)致觀察到的神經(jīng)保護(hù)作用所需的麻醉藥物閾值劑量也會不同。因此，在設(shè)計動物實(shí)驗(yàn)時應(yīng)嚴(yán)格控制變量，以探索麻醉藥物神經(jīng)保護(hù)效應(yīng)是否存在劑量依賴性。上述麻醉藥物通過各種效應(yīng)機(jī)制減輕SCIRI，對這些機(jī)制的研究有助于深入了解SCIRI產(chǎn)生的原因，并為防治SCIRI提供新策略。