NMDA受體在全身麻醉藥神經(jīng)毒性中的作用研究進展

范舜欽, 張嘉偉, 李蒙蒙, 朱守強, 楊志來, 張雷, 顧爾偉

(1安徽醫(yī)科大學(xué)第一附屬醫(yī)院麻醉科, 安徽 合肥 230022; 2安徽醫(yī)科大學(xué)第一臨床醫(yī)學(xué)院, 安徽 合肥 230032)

據(jù)世界衛(wèi)生組織統(tǒng)計, 全球每年約2.34億人接受手術(shù)和麻醉, 其中全身麻醉藥可能產(chǎn)生的神經(jīng)毒性備受關(guān)注。 目前, 全身麻醉藥神經(jīng)毒性作用主要集中于嬰幼兒發(fā)育神經(jīng)毒性及老年群體圍術(shù)期神經(jīng)認知障礙(perioperative neurocognitive disorders, PND)領(lǐng)域。 在發(fā)育神經(jīng)毒性方面, 臨床研究發(fā)現(xiàn)[1-3], 短時間單次暴露于全身麻醉藥不會影響嬰幼兒神經(jīng)發(fā)育; 而長時間或反復(fù)多次全身麻醉藥暴露, 尚無明確證據(jù)表明會產(chǎn)生發(fā)育神經(jīng)毒性作用; 而多數(shù)動物研究[4-5]發(fā)現(xiàn)長時間或反復(fù)多次全身麻醉藥暴露會產(chǎn)生發(fā)育神經(jīng)毒性。 臨床與基礎(chǔ)研究結(jié)論不一致, 可能一方面由于動物實驗麻醉方法(持續(xù)時間及反復(fù)暴露次數(shù))與臨床麻醉真實情況相去甚遠; 另一方面動物實驗多未考慮手術(shù)創(chuàng)傷及其他醫(yī)療行為的潛在影響。 在PND研究方面, 雖然尚未明確全身麻醉藥與PND之間的因果關(guān)系, 但基礎(chǔ)實驗和臨床研究均表明全身麻醉藥和手術(shù)暴露容易使老年患者(或老年嚙齒類動物)發(fā)生PND[6-7]。 然而, 全身麻醉藥產(chǎn)生神經(jīng)毒性的具體機制尚不明確, 炎癥反應(yīng)、 神經(jīng)遞質(zhì)失調(diào)以及離子通道功能異常均為可能的機制[8-9], 其中N-甲基-D-天冬氨酸(N-methyl-D-aspartic acid, NMDA )受體功能及分布異常在其中發(fā)揮了重要作用[10]。 本文將對NMDA受體在全身麻醉藥神經(jīng)毒性中的作用研究進展作一綜述。

1 NMDA受體與全身麻醉藥神經(jīng)毒性

NMDA受體屬于興奮性離子型通道蛋白, 存在于神經(jīng)元突觸前與突觸后結(jié)構(gòu)中。 NMDA受體至少具有5個亞基, 主要由NR1亞基及至少4個NR2亞基組成。 NMDA受體亞基表達水平對其功能有很大的影響, NR2B和 NR2A在海馬和皮層神經(jīng)元中占主導(dǎo)地位, NR2C主要存在于小腦, NR2D較少表達。 NR2B在出生前以及出生后2周表達較高, 此后其表達水平下降[11-12]; NR2A在出生后的第1個月中表達穩(wěn)定增加[12]。 在發(fā)育過程中, 突觸中NR2B與NR2A的比例逐漸增加[13]。 在成熟海馬體中, 突觸 NR2A 的表達水平超過NR2B。 NMDA受體亞基具有N末端、 三次跨膜結(jié)構(gòu)域以及C末端(圖1)[14]。 NMDA受體C端的磷酸化是其發(fā)揮生理作用的主要方式[15-16]。 研究指出[17], NMDA受體在突觸的空間分布也對其生物學(xué)效應(yīng)產(chǎn)生影響: 突觸上NMDA受體的激活可介導(dǎo)神經(jīng)保護作用, 而突觸外NMDA受體的激活可引起神經(jīng)元死亡。

Memantine: NR2B 功能抑制劑; Ifenprodil: NR2B 功能抑制劑; MRZ 2/576: 甘氨酸位點NMDA受體拮抗劑.圖1 NMDA受體在2個NR1和2個NR2亞基之間形成異四聚體[14]

NMDA受體廣泛分布于中樞神經(jīng)系統(tǒng), 參與突觸可塑性的形成, 并與中樞神經(jīng)系統(tǒng)的發(fā)育以及疼痛、 學(xué)習(xí)、 記憶等密切相關(guān)[18]。 NMDA受體可通過介導(dǎo)鈣離子內(nèi)流增強突觸可塑性; 然而, 其過度開放將導(dǎo)致鈣超載或啟動細胞死亡信號轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑, 誘發(fā)凋亡。 此外, 通過調(diào)控突觸上與突觸外NMDA受體的表達與功能也可對細胞存活產(chǎn)生影響[14]。 NMDA受體作為許多全身麻醉藥的作用靶點, 也是介導(dǎo)全身麻醉藥神經(jīng)毒性的重要機制之一。 全身麻醉藥主要通過以下機制影響NMDA受體進而產(chǎn)生神經(jīng)毒性作用: (1)NMDA受體亞基表達量改變[4]; (2)NMDA受體亞基磷酸化狀態(tài)及信號轉(zhuǎn)導(dǎo)通路變化[7]; (3)NMDA受體亞基在突觸上和突觸外的分布發(fā)生改變[19]。

2 NMDA受體在吸入麻醉藥神經(jīng)毒性中的作用

2.1 七氟醚

七氟醚是小兒手術(shù)麻醉誘導(dǎo)及全身麻醉維持中最常用的吸入麻醉藥。 Zhang 等[4]研究發(fā)現(xiàn)6日齡小鼠連續(xù)3 d暴露于2.1%七氟醚, 成年后Y迷宮實驗顯示小鼠學(xué)習(xí)、 記憶能力下降, 同時發(fā)現(xiàn)小鼠前額皮層(prefrontal cortex, PFC)中NMDA受體 NR1和 NR2B表達增高以及 NR2A 表達降低, 而海馬區(qū)NMDA受體表達未受明顯影響, 表明七氟醚引起發(fā)育神經(jīng)毒性與 PFC部位NMDA受體亞基表達變化有關(guān)。 Wang等[19]研究發(fā)現(xiàn)7日齡小鼠暴露于七氟醚(3%, 6 h)后, NR2A表達受到明顯抑制, 而 NR2B表達增加。 神經(jīng)元細胞暴露于Bic(bicuculline, GABA受體阻滯劑)/4-AP(4-aminopyridine, 弱鉀通道阻滯劑)上時, 突觸上NMDA受體可被激活, 繼而減弱七氟醚產(chǎn)生的神經(jīng)毒性作用, 但PEAQX(NR2A功能抑制劑)可以消除此效應(yīng), 而Ifenprodil(NR2B 功能抑制劑)則不會, 提示激活突觸上NR2A可減輕七氟醚引起的發(fā)育神經(jīng)毒性; 進一步研究發(fā)現(xiàn), 在阻斷突觸上 NMDA受體的前提下, 給予 Ifenprodil也可以改善七氟醚誘導(dǎo)的神經(jīng)細胞凋亡, 而 PEAQX 無該作用, 表明抑制突觸外 NR2B也可減輕七氟醚引起的發(fā)育神經(jīng)毒性。 Tian 等[7]在老年鼠研究中將17月齡大鼠連續(xù)3 d暴露于七氟醚(3%, 3 h), 發(fā)現(xiàn)七氟醚可顯著降低非受體型蛋白酪氨酸激酶(Fyn)介導(dǎo)的NR2B的磷酸化, 并在水迷宮(Morris water maze, MWM)實驗中發(fā)現(xiàn)其空間學(xué)習(xí)記憶功能缺陷, 表明NR2B功能異常參與了七氟醚引起的神經(jīng)毒性。 NMDA受體介導(dǎo)七氟醚神經(jīng)毒性作用的研究尚局限于動物模型中, 其在人體中的具體作用需進一步研究。

2.2 異氟醚

異氟醚是臨床常用的吸入麻醉藥之一。 Liu 等[5]將7日齡小鼠連續(xù)3 d暴露于異氟醚(1.5%, 2 h)發(fā)現(xiàn)其可引起海馬NR2B表達水平下降, 導(dǎo)致小鼠海馬神經(jīng)元損傷和學(xué)習(xí)記憶能力下降, 提示異氟醚可通過影響NMDA受體亞基表達水平而產(chǎn)生神經(jīng)毒性作用。 細胞外調(diào)節(jié)蛋白激酶(extracellular regulated protein kinases,ERK1/2)是NMDA受體下游細胞信號激酶, 其磷酸化激活狀態(tài)參與細胞內(nèi)多種生物學(xué)反應(yīng), 對長期記憶形成和突觸可塑性至關(guān)重要[20]。 Liu等[21]將成年雄性小鼠(8周齡)暴露于不同濃度及不同時間的異氟醚, 發(fā)現(xiàn)2 h內(nèi)低濃度(0.5 MAC)的異氟醚可誘導(dǎo)海馬NR2B表達水平、 磷酸化ERK1/2(p-ERK1/2)與總ERK1/2的比值上升, 對神經(jīng)細胞和小鼠認知功能產(chǎn)生保護作用; 而高濃度(1.0 MAC)的異氟醚超過4 h可導(dǎo)致NR2B表達水平、 p-ERK1/2與總ERK1/2的比值下降, 產(chǎn)生神經(jīng)毒性作用和小鼠認知功能下降。 結(jié)果表明, 異氟醚對空間學(xué)習(xí)和記憶的影響具有濃度依賴性和時間依賴性, 提示臨床使用異氟醚時應(yīng)控制給藥濃度和時間以減輕可能出現(xiàn)的并發(fā)癥。

2.3 氧化亞氮(N2O)

N2O是一種具有較強鎮(zhèn)痛作用的吸入麻醉藥, 常與其他麻醉藥復(fù)合應(yīng)用于全身麻醉。 Mawhinney等[22]將344只3月齡和18月齡Fischer鼠隨機分為2組, 一組給予1.8%異氟醚/70% N2O, 另一組給予O2作為對照組。 3個月后, 水迷宮實驗顯示僅18月齡大鼠表現(xiàn)出空間學(xué)習(xí)障礙, Western blot檢測發(fā)現(xiàn)海馬和皮層中NMDA受體亞基NR2B表達水平增加、 p-ERK1/2與總ERK1/2的比值顯著下降, 表明異氟醚/N2O可通過改變NMDA受體亞基表達及影響NMDA受體介導(dǎo)的信號通路而導(dǎo)致老年鼠空間學(xué)習(xí)障礙。 有關(guān)N2O是否可產(chǎn)生發(fā)育神經(jīng)毒性尚不明確, 需進一步研究。

3 NMDA受體在靜脈麻醉藥神經(jīng)毒性中的作用

3.1 氯胺酮

氯胺酮是一種具有確切鎮(zhèn)痛作用的靜脈麻醉藥。 作為NMDA受體非競爭性拮抗劑, 氯胺酮主要通過阻斷NMDA受體而發(fā)揮全身麻醉作用。 Ren等[23]對妊娠大鼠連續(xù)5 d給予氯胺酮, 通過多項行為測試發(fā)現(xiàn)胚胎期給予氯胺酮可引起子代成年期(8周齡)焦慮樣行為。 在敲除子代鼠海馬區(qū)NR2B亞基基因后, 8周齡時的焦慮樣行為將明顯緩解, 提示氯胺酮可通過影響NMDA受體亞基表達水平而產(chǎn)生神經(jīng)毒性作用。 Elsamadicy等[24]在臨床研究方面發(fā)現(xiàn), 接受氯胺酮麻醉的脊柱手術(shù)患者術(shù)后譫妄發(fā)生率顯著高于未接受氯胺酮麻醉的患者, 多元Logistic回歸分析結(jié)果表明術(shù)中使用氯胺酮是患者術(shù)后譫妄發(fā)生率增高的獨立危險因素。 Plyler等[25]2019年發(fā)表一項觀察性研究, 發(fā)現(xiàn)麻醉維持期持續(xù)泵注2 μg/(kg·min)氯胺酮的老年脊柱手術(shù)患者與維持期持續(xù)泵注4 μg/(kg·min)氯胺酮的患者相比(誘導(dǎo)期均接受0.5 mg/kg氯胺酮), 術(shù)后譫妄發(fā)生率明顯降低, 提示氯胺酮與術(shù)后譫妄之間可能存在劑量依賴性。

3.2 丙泊酚

丙泊酚是一種快速、 短效靜脈麻醉藥, 蘇醒迅速而完全, 廣泛用于全身麻醉誘導(dǎo)與維持。 Emik等[26]對成年雌鼠腹腔注射丙泊酚, 通過多種行為學(xué)實驗發(fā)現(xiàn), 麻醉后出現(xiàn)認知功能受損; 在丙泊酚麻醉前腹腔注射美金剛, 發(fā)現(xiàn)美金剛可縮短麻醉恢復(fù)時間、 改善認知功能, 提示丙泊酚可通過激動NMDA受體而產(chǎn)生神經(jīng)毒性。 Chen 等[27]對妊娠 14 d的大鼠腹腔注射丙泊酚, 5 h后剖宮產(chǎn), 發(fā)現(xiàn)胚胎大腦外側(cè)神經(jīng)節(jié)隆起組織caspase-3增多; 培養(yǎng)至妊娠21 d剖宮產(chǎn), 發(fā)現(xiàn)胚胎大腦神經(jīng)細胞增殖減少; 出生后第25天進行行為學(xué)實驗, 發(fā)現(xiàn)子代大鼠青春期出現(xiàn)空間認知和學(xué)習(xí)功能障礙; 出生后30 d發(fā)現(xiàn)海馬CA1和CA3錐體神經(jīng)元樹突分支減少和樹突長度縮短, 以及海馬NR2A、 NR2B、 NR1等亞基表達水平降低, 提示丙泊酚可通過下調(diào)發(fā)育期大腦海馬經(jīng)細胞NMDA受體不同亞基的表達, 產(chǎn)生神經(jīng)毒性。 Wang等[28]對6日齡小鼠連續(xù)6 d腹腔注射丙泊酚, 發(fā)現(xiàn)28日齡時小鼠海馬細胞質(zhì)內(nèi)NR2B蛋白表達增加, 而細胞質(zhì)外NR2B蛋白無明顯變化; 同時海馬細胞質(zhì)內(nèi)外 NR2B亞型Ser1303/1480殘基位點的磷酸化水平增加, 海馬NR2B膜易位(蛋白質(zhì)在細胞膜內(nèi)外位置的改變)下降; 水迷宮實驗顯示青春期小鼠(28日齡)出現(xiàn)空間記憶缺陷, 表明新生鼠長時間暴露于丙泊酚可能通過增加NR2B的磷酸化水平, 下調(diào)海馬NR2B亞基膜易位, 產(chǎn)生神經(jīng)毒性。 由此可見, 丙泊酚產(chǎn)生發(fā)育神經(jīng)毒性的機制可能隨模型不同而不同, NMDA受體在其中的具體分子機制尚待深入研究。

4 展望

全身麻醉藥通過NMDA受體產(chǎn)生神經(jīng)毒性在動物實驗上已經(jīng)得到證實, 但由于人體接受全身麻醉時往往需要復(fù)合用藥, 且存在手術(shù)創(chuàng)傷、 并存疾病等影響, 目前基礎(chǔ)研究模型與臨床實際情況尚存在較大距離, 今后應(yīng)完善動物實驗設(shè)計使其更貼近實際臨床麻醉, 使結(jié)論更具說服力和參考價值。 在以NMDA受體為靶點的神經(jīng)毒性防治研究中, 雖然小樣本臨床研究提示美金剛可降低心臟手術(shù)患者術(shù)后PND發(fā)生率[29], 但仍需多中心、 大樣本、 隨機對照研究驗證。 此外, 突觸內(nèi)外NMDA受體的空間分布影響NMDA受體的功能, 尤其是突觸外NMDA受體的過度激活可能參與了神經(jīng)退行性疾病[如阿爾茨海默病(Alzheimer’s disease, AD)]的發(fā)生發(fā)展[30-32]。 研究表明[33], β淀粉樣蛋白(amyloid-beta, Aβ)可通過下調(diào)突觸上NMDA受體(主要為NR2B), 或增強突觸外NR2B的激活而產(chǎn)生神經(jīng)毒性。 而美金剛通過拮抗突觸外NR2B, 低劑量的NMDA通過阻斷突觸上NMDA受體可減輕Aβ導(dǎo)致的神經(jīng)毒性。 鑒于全身麻醉藥神經(jīng)毒性與AD發(fā)病機制之間有許多共同之處[34]。 因此, 藥物調(diào)控NMDA受體亞基空間分布能否減輕全身麻醉藥神經(jīng)毒性將會成為未來的研究方向之一。