咖啡因?qū)υ绠a(chǎn)兒神經(jīng)系統(tǒng)的保護(hù)作用

蔣曉東，王建輝，包蕾

(重慶醫(yī)科大學(xué)附屬兒童醫(yī)院，兒童發(fā)育疾病研究教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，國(guó)家兒童健康與疾病臨床醫(yī)學(xué)研究中心，兒童發(fā)育重大疾病國(guó)家國(guó)際科技合作基地，兒科學(xué)重慶市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶 400014)

早產(chǎn)兒呼吸暫停(apnea of prematurity，AOP)是早產(chǎn)兒常見的呼吸系統(tǒng)疾病，頻繁的呼吸暫停會(huì)導(dǎo)致早產(chǎn)兒神經(jīng)系統(tǒng)損害，影響患兒的近期及遠(yuǎn)期預(yù)后?？Х纫蚴桥R床預(yù)防和治療AOP的一線藥物，其用于治療AOP已有40余年的歷史，相比其他黃嘌呤類藥物，咖啡因具有療效好、半衰期長(zhǎng)、不良反應(yīng)少、給藥方便及常規(guī)劑量下無需進(jìn)行血藥濃度監(jiān)測(cè)等優(yōu)點(diǎn)，現(xiàn)已成為治療AOP的首選用藥[1]。隨著咖啡因在AOP治療中的廣泛應(yīng)用，近年來其對(duì)改善早產(chǎn)兒神經(jīng)系統(tǒng)預(yù)后的作用逐漸引起新生兒學(xué)界的重視。目前動(dòng)物實(shí)驗(yàn)及臨床研究均顯示咖啡因?qū)υ绠a(chǎn)兒神經(jīng)系統(tǒng)具有保護(hù)作用，并且對(duì)有關(guān)咖啡因神經(jīng)保護(hù)作用的機(jī)制也進(jìn)行了相應(yīng)探索，本文就咖啡因?qū)υ绠a(chǎn)兒神經(jīng)系統(tǒng)發(fā)育的保護(hù)作用作一綜述。

1 咖啡因的藥理學(xué)基礎(chǔ)和臨床應(yīng)用

咖啡因是甲基黃嘌呤類生物堿，作為腺苷類似物，可以非選擇性地拮抗腺苷受體發(fā)揮其藥理或毒理作用。腺苷受體可分為A1、A2A、A2B和A3四種亞型，其中A1受體對(duì)腺苷的親和力最高，A2A、A2B和A3受體的親和力逐漸降低[2]。在中樞神經(jīng)系統(tǒng)(central nervous system，CNS)中，A1受體主要分布在海馬、大腦和小腦皮層、丘腦核、某些突觸前膜以及少突膠質(zhì)細(xì)胞等表面，而A2A受體則集中分布于尾殼核、核殼、伏隔核和嗅結(jié)節(jié)[3]。

目前，咖啡因在臨床中廣泛用于早產(chǎn)兒AOP的預(yù)防和治療。早產(chǎn)兒體內(nèi)具有較高的基礎(chǔ)腺苷水平，低氧和(或)炎癥可使其濃度進(jìn)一步升高，受體表達(dá)亦隨后增加[4]。腺苷激活A(yù)1受體，抑制腺苷酸環(huán)化酶活性，從而抑制腺苷三磷酸(ATP)轉(zhuǎn)化為環(huán)磷酸腺苷(cAMP)，導(dǎo)致胞內(nèi)cAMP降低，減少Ca2+內(nèi)流，進(jìn)而抑制興奮性谷氨酸的傳遞，引發(fā)呼吸抑制。腺苷也可通過激活位于延髓呼吸中樞中的γ-氨基丁酸(GABA)能神經(jīng)元上的A2A受體導(dǎo)致GABA釋放增加，引起延髓呼吸神經(jīng)元節(jié)律性放電活動(dòng)減少而導(dǎo)致呼吸暫停[3]。咖啡因經(jīng)靜脈注射后，可迅速分布至CNS，通過拮抗A1受體解除腺苷的呼吸抑制效應(yīng)，同時(shí)拮抗A2A受體，解除GABA能神經(jīng)元對(duì)呼吸的抑制[3]。此外，咖啡因還能增強(qiáng)外周化學(xué)感受器的敏感性，刺激正常呼吸節(jié)律的形成。

咖啡因治療AOP的有效性和安全性已得到廣泛共識(shí)，除呼吸系統(tǒng)受益之外，其對(duì)中樞神經(jīng)系統(tǒng)功能的保護(hù)作用也越來越引起臨床的關(guān)注。

2 咖啡因的神經(jīng)系統(tǒng)保護(hù)作用

2.1 動(dòng)物實(shí)驗(yàn)

動(dòng)物實(shí)驗(yàn)顯示咖啡因具有神經(jīng)保護(hù)作用[5-6]，實(shí)驗(yàn)大多利用新生大鼠大腦與人類胎兒胚胎28～32周大腦相似的特點(diǎn)，研究咖啡因?qū)π律笫蟠竽X的影響，間接探究咖啡因?qū)υ绠a(chǎn)兒大腦的影響[7]。

腦室周圍白質(zhì)損傷(periventricular white matter injury，PWMI)是導(dǎo)致早產(chǎn)兒腦癱和認(rèn)知功能障礙最主要的因素，以大腦髓鞘化延遲、大腦皮質(zhì)容量減少及繼發(fā)性腦室擴(kuò)大為特征。通過慢性低氧刺激和激活A(yù)1腺苷受體可建立新生大鼠的PWMI模型，Back S A等[5]研究發(fā)現(xiàn)，咖啡因可以改善PWMI新生大鼠的大腦髓鞘化，并減少腦室擴(kuò)大，提示咖啡因可作為預(yù)防PWMI的有效手段。缺氧缺血(hypoxic ischemia，HI)多發(fā)生于早產(chǎn)兒，可導(dǎo)致多動(dòng)癥、學(xué)習(xí)記憶障礙和運(yùn)動(dòng)不協(xié)調(diào)等并發(fā)癥。Potter M等[6]比較咖啡因與生理鹽水對(duì)HI腦損傷大鼠模型的干預(yù)效果，發(fā)現(xiàn)咖啡因治療組在運(yùn)動(dòng)學(xué)習(xí)能力、對(duì)聲音的反應(yīng)敏感度以及非空間迷宮實(shí)驗(yàn)均明顯優(yōu)于生理鹽水組，并且可以提高大鼠的長(zhǎng)期學(xué)習(xí)能力。Hasan K等[8]研究發(fā)現(xiàn)咖啡因可以明顯減少由缺氧缺血引起的新生大鼠CNS神經(jīng)細(xì)胞凋亡，尤其海馬及頂葉皮質(zhì)神經(jīng)元，這可能與提高大鼠長(zhǎng)期學(xué)習(xí)能力有關(guān)。

在神經(jīng)解剖結(jié)構(gòu)方面，有研究發(fā)現(xiàn)持續(xù)的咖啡因皮下注射可以使大鼠的前額皮質(zhì)錐體神經(jīng)元樹突長(zhǎng)度較生理鹽水組顯著延長(zhǎng)，且這種改變可以一直持續(xù)到青春期后(生后70 d)[9]，這將有助于解釋咖啡因?qū)吘墔^(qū)域及細(xì)胞結(jié)構(gòu)方面的影響，而這些區(qū)域和結(jié)構(gòu)是認(rèn)知功能的基礎(chǔ)，咖啡因提高新生大鼠認(rèn)知功能可能與其引起樹突結(jié)構(gòu)的變化有關(guān)。

2.2 臨床研究

在臨床研究中，咖啡因的神經(jīng)保護(hù)效應(yīng)主要體現(xiàn)在咖啡因?qū)υ绠a(chǎn)兒神經(jīng)功能評(píng)估、腦電生理及頭顱影像學(xué)的改變。

Schmidt B等[10]研究從神經(jīng)功能評(píng)分證實(shí)了咖啡因的腦保護(hù)效應(yīng)，該研究為一項(xiàng)大樣本多中心隨機(jī)對(duì)照研究，出生體質(zhì)量在500～1 250 g的早產(chǎn)兒隨機(jī)接受咖啡因治療或等劑量生理鹽水治療。隨訪至18～22個(gè)月時(shí)，發(fā)現(xiàn)咖啡因組的腦癱發(fā)生率及中重度認(rèn)知功能發(fā)育障礙明顯低于安慰劑組[11]，且咖啡因的使用幾乎使腦癱率減半；5歲時(shí)隨訪發(fā)現(xiàn)咖啡因組的大運(yùn)動(dòng)發(fā)育明顯優(yōu)于安慰劑組[12]，并且咖啡因可明顯降低運(yùn)動(dòng)協(xié)調(diào)發(fā)展障礙(developmental coordination disorder，DCD)的發(fā)生率，后者與兒童學(xué)習(xí)障礙、行為問題以及自信缺乏等密切相關(guān)。11歲時(shí)對(duì)患兒的手部精細(xì)操作、手眼協(xié)調(diào)能力、靜態(tài)以及動(dòng)態(tài)平衡能力進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果顯示咖啡因組運(yùn)動(dòng)障礙的發(fā)生率明顯降低[13]。另外，Maitre N L等[14]發(fā)現(xiàn)咖啡因治療可以改善早產(chǎn)兒的聽覺處理能力，與早產(chǎn)兒的神經(jīng)系統(tǒng)預(yù)后密切相關(guān)。

頭顱影像學(xué)方面，維多利亞嬰兒腦研所對(duì)分別接受咖啡因和等劑量生理鹽水治療的出生體質(zhì)量<1 251 g的早產(chǎn)兒進(jìn)行頭顱核磁共振(MRI)掃描，擴(kuò)散加權(quán)成像顯示，咖啡因治療組患兒在表觀、徑向及軸向擴(kuò)散系數(shù)上明顯降低，尤其在腦的優(yōu)勢(shì)區(qū)域改變最為顯著，這些表觀擴(kuò)散系數(shù)的降低代表了腦白質(zhì)組織的成熟[15]。這種改變不是通過減少肺損傷的發(fā)生來介導(dǎo)的，表明咖啡因是直接發(fā)揮腦保護(hù)作用的。

在腦電生理方面，錢瑞英等[16]分別對(duì)咖啡因組及未采用任何呼吸興奮藥物的對(duì)照組行振幅整合腦電圖(aEEG)檢測(cè)，結(jié)果顯示，在同一校正胎齡咖啡因組的暴發(fā)間期明顯短于對(duì)照組。而暴發(fā)間期的縮短是反映早產(chǎn)兒大腦成熟的標(biāo)志[17]。此外，Supcun S等[18]發(fā)現(xiàn)給予胎齡<34周的早產(chǎn)兒注射咖啡因，與對(duì)照組比較，30 min后咖啡因組患兒aEEG連續(xù)性更高，且振幅明顯升高。Hassanein S M等[19]研究得出相似的結(jié)果，并且發(fā)現(xiàn)咖啡因使用4周后隨訪aEEG仍提示患兒腦電活動(dòng)增強(qiáng)。

3 咖啡因腦保護(hù)作用可能存在的機(jī)制

3.1 咖啡因減少顱內(nèi)出血的發(fā)生

顱內(nèi)出血是早產(chǎn)兒發(fā)生中重度神經(jīng)系統(tǒng)不良結(jié)局的獨(dú)立高危因素[20]。Dobson N R等[21]發(fā)現(xiàn)早期使用咖啡因可以明顯減少顱內(nèi)出血，包括嚴(yán)重的腦室內(nèi)出血，其機(jī)制可能與咖啡因減少腦血流灌注有關(guān)。有研究[22]顯示，神經(jīng)元、星形膠質(zhì)細(xì)胞與腦血管平滑肌在CNS中組成的血管神經(jīng)單元是腺苷與咖啡因調(diào)節(jié)腦小動(dòng)脈張力的基礎(chǔ)，其中星形膠質(zhì)細(xì)胞是連接神經(jīng)元與腦血管之間的橋梁，形成神經(jīng)血管耦合。缺氧是早產(chǎn)兒發(fā)生顱內(nèi)出血重要的高危因素，在缺氧條件下局部腦組織產(chǎn)生大量腺苷，激活神經(jīng)元突觸前膜A2A受體，促進(jìn)前突觸釋放谷氨酸，使其在突觸間隙的濃度升高，并與相鄰膠質(zhì)細(xì)胞表面受體結(jié)合，引起膠質(zhì)細(xì)胞ATP釋放增加，后者迅速轉(zhuǎn)化為腺苷，形成正反饋，大量增加的腺苷激活腦小動(dòng)脈平滑肌細(xì)胞上A2受體引起血管平滑肌擴(kuò)張。而咖啡因通過阻斷突觸前膜A2A受體抑制興奮性谷氨酸釋放，通過阻斷上訴過程減少血管神經(jīng)耦合，同時(shí)咖啡因可直接作用于血管平滑肌上的A2A和A2B受體，通過 GS-AC-PKA 路徑而引起血管收縮[23]，從而減少腦血流量，降低顱內(nèi)出血風(fēng)險(xiǎn)。

3.2 對(duì)抗氧化防御機(jī)制的作用

由于抗氧化防御系統(tǒng)在新生兒期不成熟，尤其是早產(chǎn)兒的抗氧化應(yīng)激能力更弱，當(dāng)早產(chǎn)兒從宮內(nèi)相對(duì)缺氧條件過渡到宮外相對(duì)高氧狀態(tài)時(shí)，早產(chǎn)兒極易遭受氧化損傷[24]。Endesfelder S等[25]發(fā)現(xiàn)咖啡因可通過減少活性氧的產(chǎn)生、磷酸化作用及拮抗神經(jīng)細(xì)胞膜上A1受體減少β-淀粉樣蛋白積累，發(fā)揮其抗氧化作用，保護(hù)人體免受氧化應(yīng)激損害。Endesfelder S等[7]也發(fā)現(xiàn)咖啡因可以通過增加抗氧化酶及激活Nrf2-Keap1旁路途徑調(diào)控抗氧化基因表達(dá)，促進(jìn)抗氧化物質(zhì)的生成，調(diào)節(jié)氧化還原轉(zhuǎn)錄因子的表達(dá)，減少氧化應(yīng)激激活的炎癥反應(yīng)，下調(diào)炎癥因子水平，也可以通過減少活性氧激活的DNA聚合酶過度激活引起的細(xì)胞凋亡，并減少由細(xì)胞裂解Ca2+釋放誘導(dǎo)的促凋亡因子的產(chǎn)生。

3.3 改善神經(jīng)元髓鞘化障礙

持續(xù)發(fā)作AOP可導(dǎo)致患兒缺氧發(fā)作，以及應(yīng)激、炎癥反應(yīng)會(huì)導(dǎo)致腺苷水平急劇增加[26]，后者可進(jìn)一步激活少突膠質(zhì)祖細(xì)胞上的A1受體，使其過早成熟而引起神經(jīng)細(xì)胞髓鞘化障礙，引起神經(jīng)元脫髓鞘化，并影響神經(jīng)元的轉(zhuǎn)移、增殖及分化[5]，并最終導(dǎo)致PWMI的發(fā)生。咖啡因作為腺苷受體阻斷劑，可能通過阻斷A1受體，改善不良因素刺激下神經(jīng)細(xì)胞的髓鞘化障礙，從而發(fā)揮腦保護(hù)作用。

3.4 調(diào)節(jié)腦源性神經(jīng)營(yíng)養(yǎng)因子的表達(dá)

動(dòng)物研究表明，咖啡因通過作用于Ca2+/cAMP反應(yīng)元件結(jié)合蛋白(response element binding protein，CREB)發(fā)揮神經(jīng)保護(hù)作用[27]。CREB介導(dǎo)腦源性神經(jīng)營(yíng)養(yǎng)因子(brain-derived neurotrophic factor，BDNF)的表達(dá)，該產(chǎn)物是一種促進(jìn)神經(jīng)細(xì)胞存活及神經(jīng)細(xì)胞成熟的生長(zhǎng)因子，可促進(jìn)突觸生長(zhǎng)及增加突觸的可塑性，同時(shí)促進(jìn)海馬區(qū)記憶相關(guān)蛋白的表達(dá)。并且該實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)暴露于臨床相關(guān)濃度的檸檬酸咖啡因(100～500 μmol)后可以啟動(dòng)上訴神經(jīng)保護(hù)機(jī)制[27]，將有助于解釋臨床使用咖啡因增加新生兒的記憶及學(xué)習(xí)能力的現(xiàn)象。

3.5 拮抗谷氨酸誘導(dǎo)的神經(jīng)興奮毒性

蘇興文等[28]通過體外神經(jīng)元培養(yǎng)觀察到咖啡因可以拮抗谷氨酸誘導(dǎo)的神經(jīng)興奮毒性，而后者可誘導(dǎo)神經(jīng)元的凋亡。目前研究[29]認(rèn)為，谷氨酸神經(jīng)興奮毒性主要是通過神經(jīng)元膜上的N-甲基-D-天冬氨酸受體(N-methyl-D-aspartic acid receptor，NMDA)及電壓依賴性鈣通道作用，引起胞外的鈣大量?jī)?nèi)流，或神經(jīng)元發(fā)生“鈣超載”而觸發(fā)細(xì)胞死亡；而咖啡因可以通過拮抗NMDA受體及腺苷A1及A2a受體發(fā)揮其神經(jīng)保護(hù)作用[30]，但具體作用機(jī)制有待進(jìn)一步探討，值得注意的是這種保護(hù)作用可能與缺氧缺血性腦損傷、癲癇等密切相關(guān)。

3.6 增強(qiáng)腦神經(jīng)元自身修復(fù)能力

在動(dòng)物模型中，咖啡因通過細(xì)胞內(nèi)鈣誘導(dǎo)的鈣釋放，導(dǎo)致相關(guān)蛋白磷酸化和誘導(dǎo)基因表達(dá)，從而增強(qiáng)神經(jīng)元的可塑性，通過這些機(jī)制，咖啡因可以改變神經(jīng)突觸的形態(tài)，誘導(dǎo)產(chǎn)生更大的棘突，改變了神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，增加了大腦不同區(qū)域之間的新的連接途徑[31]。當(dāng)早產(chǎn)兒大腦發(fā)育受到損傷和干擾時(shí)，改善神經(jīng)元的重塑能力對(duì)恢復(fù)神經(jīng)功能至關(guān)重要。

4 咖啡因腦保護(hù)作用目前存在的爭(zhēng)議

在一些缺氧缺血的動(dòng)物模型中，腺苷被證實(shí)可以保護(hù)腦避免能量衰竭和細(xì)胞死亡[32]，咖啡因在阻斷腺苷受體的同時(shí)也可能阻斷腺苷發(fā)揮其保護(hù)作用。但有研究通過基因工程敲除小鼠的腺苷脫氨酶表達(dá)基因，使其體內(nèi)腺苷水平達(dá)到正常小鼠的100倍以上，不但沒有觀察到腺苷的保護(hù)作用，相反的是觀察到腦白質(zhì)及灰質(zhì)體積明顯減小，以及繼發(fā)性腦室擴(kuò)大等PWMI的臨床表現(xiàn)[33]；也有報(bào)道妊娠期和哺乳期暴露于咖啡因中會(huì)導(dǎo)致其后代小鼠成年后海馬區(qū)GABA神經(jīng)元丟失和一些認(rèn)知缺陷[34]；另有研究證實(shí)基因的多態(tài)性會(huì)影響咖啡因治療患兒支氣管肺發(fā)育不良結(jié)局及AOP反應(yīng)相關(guān)[35]，咖啡因?qū)δX的保護(hù)作用是否也受基因多態(tài)性的影響，尚需進(jìn)一步研究證實(shí)。

咖啡因?qū)Πl(fā)育中的腦保護(hù)作用到目前已經(jīng)發(fā)現(xiàn)二十余年[36]，且目前大部分臨床及實(shí)驗(yàn)室研究的證據(jù)支持咖啡因具有神經(jīng)保護(hù)作用，其有望成為一種有效的神經(jīng)系統(tǒng)保護(hù)劑，增加潛在的神經(jīng)系統(tǒng)預(yù)后；但其機(jī)制目前仍不完全明確，且對(duì)其神經(jīng)保護(hù)作用仍有一些爭(zhēng)議，這些均有待于進(jìn)一步的研究證實(shí)。