全身麻醉對(duì)晝夜節(jié)律的影響研究

任 倩，陳元敬，黃 河 (重慶醫(yī)科大學(xué)附屬第二醫(yī)院麻醉科，重慶 400010)

晝夜節(jié)律是生物在長(zhǎng)年的演化過(guò)程中被自然選擇出來(lái)的一種內(nèi)源性計(jì)時(shí)機(jī)制[1]，因地球自轉(zhuǎn)導(dǎo)致晝夜交替，1個(gè)周期為24 h。機(jī)體的許多基本生命活動(dòng)都表現(xiàn)出明顯的晝夜節(jié)律現(xiàn)象，如睡眠/覺(jué)醒、免疫調(diào)節(jié)等[2-3]。此外，在分子水平上，生物鐘的基因和蛋白表達(dá)也在1個(gè)周期內(nèi)振蕩[4]。晝夜節(jié)律紊亂會(huì)嚴(yán)重影響機(jī)體的健康及生存。目前，盡管全身麻醉在臨床上應(yīng)用很普遍，但對(duì)于其作用機(jī)制尚不完全清楚。已有研究表明，麻醉能夠影響生物鐘及其核心成分表達(dá)和休息/活動(dòng)節(jié)律的相位變化，從而引起晝夜節(jié)律紊亂[5]。但麻醉藥物眾多，各類(lèi)麻醉藥物對(duì)生物鐘的基因和蛋白表達(dá)及生理行為的影響，以及分子水平和生理行為之間的聯(lián)系還需要深入研究。因此，本研究將從分子水平和生理行為方面闡述麻醉對(duì)晝夜節(jié)律的潛在影響，探尋其可能的作用機(jī)制，為基礎(chǔ)和臨床研究提供參考。

1 晝夜節(jié)律的基本概念及分子機(jī)制

晝夜節(jié)律是生命對(duì)地球以24 h為周期的環(huán)境變化長(zhǎng)期適應(yīng)演化出來(lái)的內(nèi)在計(jì)時(shí)機(jī)制[1]，可以讓生物更好地適應(yīng)外界環(huán)境的變化。機(jī)體的許多行為和生理功能都表現(xiàn)出明顯的晝夜節(jié)律現(xiàn)象，如睡眠/覺(jué)醒、攝食等自主活動(dòng)以及血壓、心率、體溫、激素分泌、細(xì)胞代謝、細(xì)胞增殖、免疫調(diào)節(jié)等[2-3]。晝夜節(jié)律的紊亂會(huì)嚴(yán)重影響機(jī)體的健康及生存。

在分子水平上，哺乳動(dòng)物晝夜節(jié)律的中心調(diào)控由4個(gè)重要的核心生物鐘蛋白組成，包括BMAL1、CLOCK、PERIOD(PER1、PER2、PER3)和CRYPTOCHROME(CRY1、CRY2)[6-8]。轉(zhuǎn)錄—翻譯反饋環(huán)路是生物鐘調(diào)控網(wǎng)絡(luò)的核心內(nèi)容，由多種核心生物鐘基因和鐘控基因組成，主要包括細(xì)胞內(nèi)正性調(diào)控元件CLOCK、BMAL1和負(fù)性調(diào)控元件CRY、PER[1,9-11]。在哺乳動(dòng)物中，轉(zhuǎn)錄因子CLOCK和BMAL1形成異二聚體，結(jié)合到生物鐘基因Per(包括Per1、Per2、Per3)和Cry(包括Cry1、Cry2)上游啟動(dòng)子的E-box反應(yīng)元件(序列CACGTG)上，從而激活靶基因轉(zhuǎn)錄。當(dāng)PER和CRY系列蛋白表達(dá)累積到一定程度，可從胞漿內(nèi)轉(zhuǎn)移至細(xì)胞核中，以PER/CRY異二聚體形式與CLOCK/BMAL1直接作用，從而抑制其轉(zhuǎn)錄活性。因此，在一個(gè)自身維持的周期中，BMAL1的mRNA和蛋白含量與PER和CRY在反相中振蕩。通常在沒(méi)有任何外部刺激的情況下，一個(gè)完整的PER∶CRY/BMAL1∶CLOCK振蕩周期約為24 h[4]。

哺乳動(dòng)物的生物鐘可分為中樞生物鐘和外周生物鐘，中樞生物鐘位于下丘腦視交叉上核(suprachiasmatic nucleus，SCN)，可自主產(chǎn)生并維持晝夜節(jié)律[12]；外周生物鐘存在于心、腎、肝、脾等組織中，一方面受中樞生物鐘直接或間接調(diào)控，另一方面又可獨(dú)立于SCN控制而自主運(yùn)行，調(diào)控與各組織特異性功能相關(guān)的基因表達(dá)。由于體內(nèi)生物鐘是在地球晝夜環(huán)境周期性的變化中進(jìn)化形成，因此光照是影響生物鐘節(jié)律最重要的因素。外界環(huán)境的光照信息是從視網(wǎng)膜直接投射到視交叉上核，導(dǎo)致視交叉上核神經(jīng)元上的N-甲基-D-天冬氨酸(N-methyl-D-aspartate,NMDA)受體被激活，引發(fā)細(xì)胞內(nèi)信號(hào)級(jí)聯(lián)，最終導(dǎo)致Per的轉(zhuǎn)錄[11]。因此，在光照時(shí)間內(nèi)，PER和CRY蛋白水平在視交叉上核中達(dá)到峰值，而在黑暗時(shí)間里，BMAL1和CLOCK蛋白水平達(dá)到峰值[4]。

2 全身麻醉對(duì)生物鐘分子成分表達(dá)的影響

全身麻醉已在臨床上應(yīng)用超過(guò)150年。但目前對(duì)全身麻醉的作用機(jī)制了解甚少，尤其是在靶細(xì)胞中由麻醉藥物引起的分子事件及其對(duì)靶蛋白的影響。因此，確定麻醉對(duì)生物鐘的影響不僅具有科學(xué)價(jià)值，而且還有重要的臨床意義。有研究發(fā)現(xiàn)，臨床上全身麻醉患者術(shù)后常出現(xiàn)睡眠障礙，而麻醉導(dǎo)致的生物鐘紊亂可能是造成患者睡眠障礙的因素之一[4]。近年來(lái)也有研究表明，麻醉和睡眠可能有著共同的調(diào)節(jié)機(jī)制，尤其是和非快速眼動(dòng)睡眠有共同的調(diào)節(jié)機(jī)制，麻醉藥物可能通過(guò)激活或模擬內(nèi)源性睡眠路徑的活動(dòng)起作用[13]。

一項(xiàng)研究表明，麻醉可以改變生物鐘的常規(guī)指標(biāo)，如皮質(zhì)醇、褪黑激素、體溫和休息/活動(dòng)節(jié)律[5]。也有研究發(fā)現(xiàn)，不同的麻醉藥物會(huì)導(dǎo)致不同的晝夜節(jié)律改變。但關(guān)于生物鐘的指標(biāo)如何受到全身麻醉的影響仍有爭(zhēng)議。

在分子水平上，由正性調(diào)控元件和負(fù)性調(diào)控元件構(gòu)成的反饋環(huán)路是生物鐘最為核心的調(diào)節(jié)機(jī)制[1]。許多與生物鐘有關(guān)的基因都會(huì)受到麻醉的影響，但作為生物鐘核心回路組成成分之一的Per2，是麻醉后大腦中唯一表達(dá)減少的基因[14-15]。Per2存在于大腦的不同區(qū)域，但主要表達(dá)于視交叉上核[16]。

Kadota等[16]研究發(fā)現(xiàn)，在光/暗周期和持續(xù)黑暗條件下，吸入七氟烷能可逆性地抑制視交叉上核中小鼠Per2(mouse Per2，mPer2)的表達(dá)，在8：00～12：00使用七氟烷具有持久的效果，mPer2表達(dá)模式在麻醉后的第2天仍然受到干擾；然而，在16：00～20：00或00：00～4：00使用七氟烷，麻醉后的小鼠和未處理的小鼠沒(méi)有顯著差異。說(shuō)明8：00～12：00麻醉會(huì)抑制mPer2表達(dá)，導(dǎo)致PER2蛋白延遲積累，而PER2蛋白是mPer2轉(zhuǎn)錄的一個(gè)調(diào)節(jié)因子，并且可能會(huì)改變麻醉后第2天mPer2表達(dá)的時(shí)間模式；同時(shí)，在持續(xù)黑暗條件下mPer2抑制率高于在光/暗周期條件下，說(shuō)明光照條件下能改變麻醉對(duì)mPer2表達(dá)的影響。因?yàn)楣庹帐且暯徊嫔虾酥衜Per2表達(dá)的一個(gè)主要誘導(dǎo)因子，可影響視交叉上核中神經(jīng)肽的表達(dá)。已有研究表明，血管活性腸肽和促胃液素釋放肽對(duì)視交叉上核中mPer2和mPer1表達(dá)節(jié)律的維持非常重要，即使在缺乏Cry基因而無(wú)正常轉(zhuǎn)錄—翻譯反饋環(huán)路的視交叉上核中，神經(jīng)元之間通過(guò)旁分泌神經(jīng)肽能信號(hào)也能維持正常的晝夜節(jié)律[17-18]。因此，光照條件可能是通過(guò)改變這些肽類(lèi)的活性進(jìn)而干擾麻醉對(duì)mPer2表達(dá)的影響。七氟烷可能影響mPer2轉(zhuǎn)錄的活性，因?yàn)樵诟沃?，mPer2的表達(dá)需要在mPer2啟動(dòng)子區(qū)域有乙酰化組蛋白。已有藥理實(shí)驗(yàn)表明，乙酰化組蛋白在視交叉上核中會(huì)誘發(fā)mPer2的表達(dá)[19]。另外，含有PER2蛋白的復(fù)合物會(huì)將某些類(lèi)型的組蛋白脫乙酰酶帶入細(xì)胞核，從而導(dǎo)致mPer2的抑制[20]。組蛋白乙?；淖饔檬怯蒒PAS2或CLOCK的組蛋白乙酰轉(zhuǎn)移酶正性調(diào)節(jié)，而由SIRT1的組蛋白脫乙酰酶負(fù)性調(diào)節(jié)，其中SIRT1是由煙酰胺腺嘌呤二核苷酸+(nicotinamide adenine dinucleotide+，NAD+)激活[21]。已有研究表明，在關(guān)燈后11.5～15.5 h(主觀(guān)早晨)對(duì)小鼠進(jìn)行七氟烷麻醉后，NAD+在視交叉上核中顯著增加[22]。因此，七氟烷抑制Per2的轉(zhuǎn)錄有可能是通過(guò)增加SCN中NAD+的水平來(lái)激活組蛋白脫乙?；瑥亩种芇er2的轉(zhuǎn)錄[16]。

另外，Ben-Hamouda等[23]研究發(fā)現(xiàn)，丙泊酚可導(dǎo)致小鼠晝夜時(shí)點(diǎn)11和晝夜時(shí)點(diǎn)12時(shí)視交叉上核中的Per1和Per2表達(dá)下降。已有研究表明，γ-氨基丁酸(Gamma aminobutyric acid，GABA)是晝夜節(jié)律系統(tǒng)的主要神經(jīng)遞質(zhì)，GABA能通過(guò)GABA受體的專(zhuān)一性抑制效應(yīng)影響晝夜節(jié)律，而GABA受體的主要目標(biāo)是揮發(fā)性麻醉藥(如七氟烷和異氟醚)和丙泊酚[24]。GABAA和GABAB受體拮抗劑的聯(lián)合應(yīng)用可以完全阻斷七氟烷對(duì)生物熒光節(jié)律的作用，提示七氟烷能通過(guò)GABA信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)抑制Per2的表達(dá)[25]。因此，GABA激動(dòng)劑類(lèi)麻醉藥物可能通過(guò)作用于GABA受體而影響mPer2的轉(zhuǎn)錄活性。

3 全身麻醉對(duì)休息/活動(dòng)節(jié)律的影響

對(duì)于嚙齒動(dòng)物而言，不同的麻醉藥物會(huì)對(duì)休息/活動(dòng)節(jié)律產(chǎn)生不同的影響，如GABA激動(dòng)劑七氟烷、異氟醚和丙泊酚都能對(duì)休息/活動(dòng)節(jié)律產(chǎn)生不同的影響[14,26-27]。吸入七氟烷會(huì)導(dǎo)致小鼠休息/活動(dòng)節(jié)律的相位延遲，且與給藥時(shí)間無(wú)關(guān)[14]；同為吸入麻醉藥的異氟醚在靜息期給藥對(duì)小鼠靜息—活動(dòng)周期無(wú)影響，只有在小鼠活動(dòng)期給藥時(shí)才會(huì)使靜息—活動(dòng)周期提前2 h[26]；靜脈麻醉藥丙泊酚在小鼠休息/活動(dòng)節(jié)律過(guò)渡點(diǎn)2 h左右腹腔注射會(huì)導(dǎo)致休息/活動(dòng)節(jié)律相位提前1 h[27]。NMDA受體拮抗劑氯胺酮在大鼠靜息期給藥時(shí)可使相位提前60～150 min，而在活躍期給藥可使相位延遲40～200 min[28]。說(shuō)明麻醉藥物的類(lèi)型和給藥時(shí)間都能對(duì)休息/活動(dòng)節(jié)律產(chǎn)生不同的影響。為了解釋麻醉藥物的類(lèi)型和給藥時(shí)間的差異，需要進(jìn)一步分析不同麻醉藥物和給藥時(shí)間對(duì)與生物鐘有關(guān)成分表達(dá)的影響。以上諸多實(shí)驗(yàn)是在持續(xù)黑暗(內(nèi)源性晝夜節(jié)律)環(huán)境中進(jìn)行的，而臨床實(shí)踐中存在著許多環(huán)境條件(如光照)。因此，即使麻醉藥物能在持續(xù)黑暗的實(shí)驗(yàn)室條件下干擾晝夜節(jié)律，其影響也可能被光照所掩蓋，因?yàn)楣馐亲顝?qiáng)大的授時(shí)因子。Challet等[27]研究發(fā)現(xiàn)在特定的實(shí)驗(yàn)室條件下(內(nèi)源性晝夜節(jié)律/持續(xù)黑暗)，于小鼠休息/活動(dòng)節(jié)律過(guò)渡點(diǎn)2 h左右使用丙泊酚進(jìn)行麻醉，會(huì)導(dǎo)致休息/活動(dòng)節(jié)律相位提前1 h。Dispersyn等[29]在此基礎(chǔ)上進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)在正常的光照條件(光/暗=12 h/12 h)下，麻醉后的第1天丙泊酚可導(dǎo)致休息/活動(dòng)節(jié)律相位提前60～80 min；在麻醉后的第2天，仍然可觀(guān)察到休息/活動(dòng)節(jié)律相位提前20 min；另外，在麻醉后的第1天和第2天，休息/活動(dòng)節(jié)律的振幅變化幅度都較對(duì)照組降低；麻醉后第1天休息/活動(dòng)節(jié)律周期的平均值下降。說(shuō)明在正常的光/暗周期變化下，全身麻醉后的48 h內(nèi)，丙泊酚會(huì)導(dǎo)致休息/活動(dòng)節(jié)律的變化幅度降低，相位提前1 h。這表明光/暗周期的存在并不能掩蓋麻醉的相移效應(yīng)。

生理行為節(jié)律除了受生物鐘基因本身的調(diào)控外，也同樣受其他通路的影響，如褪黑激素的分泌和體溫節(jié)律均受腎上腺素能通路的調(diào)節(jié)[30]。因此，不能理所當(dāng)然地認(rèn)為麻醉對(duì)生物行為節(jié)律的影響是由于其對(duì)生物鐘分子成分表達(dá)的影響。此外，麻醉對(duì)生物鐘分子成分表達(dá)改變的研究主要集中在小鼠的不活躍期，而麻醉對(duì)休息/活動(dòng)節(jié)律改變的研究主要集中在小鼠的活躍期，如果要研究二者之間的關(guān)聯(lián)，需要完善分子與行為研究之間的一致性。

4 展望

麻醉能夠影響生物鐘核心成分的表達(dá)和休息/活動(dòng)節(jié)律的相位變化，并且處在光/暗周期變化中和持續(xù)黑暗中的動(dòng)物都可觀(guān)察到麻醉對(duì)休息/活動(dòng)周期節(jié)律的影響，表明光/暗周期的存在并不一定會(huì)掩蓋麻醉的相移效應(yīng)。此外，生物鐘變化的方向、類(lèi)型和程度可能取決于麻醉藥物的類(lèi)型、給藥時(shí)間和其他授時(shí)因子的影響。盡管目前有充分的證據(jù)表明麻醉能改變生物鐘分子成分的表達(dá)，但還不能確定其發(fā)生機(jī)制。因?yàn)橛陕樽硪鸬纳镧姾蜁円构?jié)律變化的機(jī)制復(fù)雜，不能從單一作用途徑來(lái)解釋。因此，研究麻醉藥物影響生物鐘的機(jī)制是有意義的，且需要更多的研究來(lái)確定麻醉對(duì)晝夜節(jié)律的影響。此外，目前多數(shù)研究只集中在分析麻醉恢復(fù)后的短期影響，全身麻醉對(duì)長(zhǎng)期晝夜節(jié)律的影響將是后續(xù)研究的方向。