全麻藥物對患者術(shù)后認(rèn)知功能障礙的作用機(jī)制及其相關(guān)調(diào)控網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建

沈園園 蔣 銘 王 軍 顏朋朋 陳甜甜 李杏瑞

洛陽市第一中醫(yī)院(河南 洛陽 471000)

全身麻醉是一種通過靜脈、呼吸道或者肌肉注射等方式將麻醉藥物導(dǎo)入患者體內(nèi)，從而引發(fā)神經(jīng)系統(tǒng)出現(xiàn)抑制現(xiàn)象的生理過程，常見的臨床表現(xiàn)包括：全身痛覺消失、意識不清、反射抑制等[1,2]。全身麻醉藥物的作用原理是通過抑制興奮性神經(jīng)元同時(shí)加強(qiáng)抑制性神經(jīng)元的功能從而實(shí)現(xiàn)全身麻醉的功效[3]。如今，全身麻醉藥在外科手術(shù)中發(fā)揮著不可替代的作用。全身麻醉藥物通常具有鎮(zhèn)靜及催眠等作用，同時(shí)伴隨遺忘等副作用，這便是導(dǎo)致引發(fā)術(shù)后認(rèn)知障礙的一個(gè)關(guān)鍵誘發(fā)因素[4]。

手術(shù)后認(rèn)知功能障礙(postoperative cognitive dysfunction，POCD)常常發(fā)生在患者手術(shù)后，由于受手術(shù)期間各種因素的影響，患者出現(xiàn)精神異常的表現(xiàn)，具體表現(xiàn)為記憶、學(xué)習(xí)、認(rèn)知、意識、精神活動(dòng)及睡眠等功能的紊亂[5-7]。記憶在人類的認(rèn)知功能中占有重要的地位，隨著人們對全麻的機(jī)制研究不斷深入，全麻藥物對記憶功能產(chǎn)生的影響也越來越多的受到人們的關(guān)注。當(dāng)前應(yīng)用在臨床的全麻藥物大部分都會(huì)對人類的學(xué)習(xí)、記憶功能產(chǎn)生多方面的影響。有研究表明，吸入類麻醉藥物產(chǎn)生的記憶阻斷功能和年齡因素有著十分緊密的聯(lián)系；在青年動(dòng)物的空間學(xué)習(xí)記憶研究中發(fā)現(xiàn)，異氟烷聯(lián)合氧化亞氮麻醉可以增強(qiáng)與鞏固其相關(guān)方面的功能，而對于老年動(dòng)物而言，抑制了其空間認(rèn)知功能；另有研究表明，吸入式麻醉藥物利用多種機(jī)制對學(xué)習(xí)及記憶功能產(chǎn)生多種多樣的毒性反應(yīng)，特別針對發(fā)育中的大腦[8-10]。以上研究大多集中在動(dòng)物實(shí)驗(yàn)中，是否在人類中同樣適用有待進(jìn)一步確定。

引起術(shù)后認(rèn)知功能障礙的重要原因之一是吸入式麻醉藥物對患者麻醉后記憶功能產(chǎn)生的影響[11-12]。臨床上常用的全麻藥物都會(huì)在不同的程度上引起認(rèn)知功能的障礙，但是由于研究實(shí)驗(yàn)條件不統(tǒng)一及臨床樣本量相對較小，因而難以對全麻類藥物引發(fā)的認(rèn)知功能障礙的作用機(jī)制得出定論。雖然目前POCD的作用機(jī)制尚未十分明確，但多數(shù)研究者認(rèn)為其主要原因仍然是中樞神經(jīng)的炎癥反應(yīng)，其在POCD的發(fā)生機(jī)制中產(chǎn)生重要的影響，抑制中樞神經(jīng)炎癥可以在一定程度上改善患者的術(shù)后認(rèn)知能力[13]。本文通過文獻(xiàn)挖掘麻醉后中樞神經(jīng)炎癥中可能參與的相關(guān)基因，然后對相關(guān)基因進(jìn)行GO功能注釋和KEGG分析，同時(shí)結(jié)合KEGG數(shù)據(jù)庫繪制影響記憶相關(guān)基因的調(diào)控網(wǎng)絡(luò)圖，從而分析推測相關(guān)基因與患者術(shù)后認(rèn)知功能障礙的關(guān)系，以便為以后研究全身麻醉藥物所引起的術(shù)后認(rèn)知功能障礙的具體作用機(jī)制提供理論依據(jù)，同時(shí)為以后研究麻醉的分子作用機(jī)理也具有指導(dǎo)意義。

1 材料和方法

1.1研究對象 當(dāng)前臨床上經(jīng)常使用與麻醉關(guān)系密切的基因標(biāo)記物：C-fos、HIF-1α、STAT3、Bcl-2。

1.2麻醉易感基因的GO分析 GO分析時(shí)，進(jìn)入在線網(wǎng)站AmiGO的首頁(http://geneontology.org)，篩選條件為“Homo sapiens”、“gene”，分別對麻醉相關(guān)基因C-fos、HIF-1α、STAT3、Bcl-2進(jìn)行GO功能注釋初步分析。

1.3麻醉易感基因的KEGG網(wǎng)絡(luò)分析 麻醉相關(guān)基因進(jìn)行KEGG分析時(shí)，先進(jìn)入在線網(wǎng)站KEGG PATHWAY Databa的首頁(http://www.kegg.jp/kegg/pathway.html)，篩選條件organism為“hsa”，key words為C-fos、HIF-1α、STAT3、Bcl-2，查詢麻醉相關(guān)基因在患者認(rèn)知功能中的調(diào)控網(wǎng)絡(luò)。

2 結(jié)果

2.1麻醉易感基因的GO分析結(jié)果 GO分析又稱基因本體論(gene ontology)，主要用于研究基因的具體功能，GO分析功能的分類依據(jù)是基因及蛋白在生物體中發(fā)揮的作用，主要分為分子功能(molecular_function)、細(xì)胞組分(cellular_component)和生物過程(biological_process)三大部分。C-fos基因的GO分析結(jié)果見表1。由表1可知，C-fos基因具有生物過程、細(xì)胞組分和分子功能三種功能。生物過程涉及蛋白結(jié)合、神經(jīng)系統(tǒng)發(fā)育等；細(xì)胞組分涉及到轉(zhuǎn)錄因子AP-1復(fù)合物等；分子功能主要涉及VEGF-D激活的受體活性和RNA轉(zhuǎn)錄激活劑活性等。

表1 C-fos基因的GO分析結(jié)果

HIF-1α基因的GO功能分析結(jié)果如表2。由表可知，HIF-1α在生物過程及分子功能中發(fā)揮重要功能，生物過程主要涉及到低氧誘導(dǎo)因子-1α信號通路、低氧誘導(dǎo)因子-1α信號通路的調(diào)控、低氧誘導(dǎo)因子-1α信號通路的上調(diào)和下調(diào)等多個(gè)過程；HIF-1α涉及到的分子功能主要涉及到低氧誘導(dǎo)因子-天冬酰胺加氧酶活性。

表3為STAT3基因的GO分析結(jié)果，STAT3具有生物過程和分子功能兩種功能，生物過程主要涉及到STAT3蛋白的酪氨酸和絲氨酸磷酸化、STAT3蛋白的酪氨酸磷酸化的調(diào)控、STAT3蛋白的絲氨酸磷酸化的調(diào)控、STAT信號通路、STAT信號通路的調(diào)控、通過JAK-STAT的生長激素受體信號通路、通過JAK-STAT的受體信號通路的調(diào)控等多個(gè)過程；分子功能涉及到STAT家族蛋白結(jié)合等。

表2 HIF-1α基因的GO分析結(jié)果

表3 STAT3基因的GO分析結(jié)果

表4為Bcl-2基因的GO分析結(jié)果。Bcl-2細(xì)胞組分涉及到SOD1-Bcl-2復(fù)合物、Bcl-2家族蛋白復(fù)合物、BAD-BCL-2復(fù)合物、BCL-2復(fù)合物、BAX復(fù)合物、BAK復(fù)合物等；分子功能主要涉及到與BH域結(jié)合。

2.2麻醉相關(guān)基因調(diào)控網(wǎng)絡(luò)模型的建立 GO功能分析結(jié)合KEGG數(shù)據(jù)庫對本課題篩選的4個(gè)基因進(jìn)行通路分析，構(gòu)建由上述基因參與的麻醉相關(guān)基因的調(diào)控網(wǎng)絡(luò)圖，如圖1所示。

表4 Bcl-2基因的GO分析結(jié)果

圖1 麻醉相關(guān)基因調(diào)控網(wǎng)絡(luò)圖

3 討論

POCD是術(shù)后常見的并發(fā)癥之一，多見于老年患者[14]。POCD主要表現(xiàn)為患者術(shù)后引發(fā)的記憶功能減弱、注意力分散等認(rèn)知功能的改變，更為甚者表現(xiàn)出人格改變和(或)社會(huì)行為功能下降[15]。盡管報(bào)道有關(guān)POCD和全麻的文章有很多，但是關(guān)于全麻導(dǎo)致的POCD作用機(jī)制尚不明確，當(dāng)前認(rèn)為在POCD中發(fā)揮重要影響的因素是中樞神經(jīng)炎癥反應(yīng)，而當(dāng)中樞神經(jīng)炎癥被一定程度抑制時(shí)，患者的認(rèn)知功能得到明顯改善[16]。研究表明，LPS引起的認(rèn)知功能損傷與前炎性因子的表達(dá)和神經(jīng)元調(diào)往有關(guān)；而前炎性因子可損害神經(jīng)元功能，包括長時(shí)程增強(qiáng)與工作記憶形成。包括細(xì)胞因子TNF-α、IL-1b均與海馬長時(shí)程增強(qiáng)、神經(jīng)突出可塑性密切相關(guān)，而后者則在記憶形成與維持中起到重要作用。

張曉瑩等通過LPS側(cè)腦室微注射探索研究發(fā)現(xiàn)去鐵胺可對脂多糖誘發(fā)的小鼠神經(jīng)炎反應(yīng)與記憶損傷起到保護(hù)作用，LPS腦室注射液可觸發(fā)小鼠中樞神經(jīng)炎癥從而短暫的導(dǎo)致認(rèn)知功能障礙，神經(jīng)炎癥過程中減低腦鐵含量可能會(huì)減輕海馬區(qū)小膠質(zhì)細(xì)胞激活與炎癥因子的釋放，從而改善認(rèn)知功能[17]。Ozacmak等通過丙酮酸乙酯預(yù)防慢性腦低灌注通過保護(hù)認(rèn)知功能發(fā)現(xiàn)此過程中氧化應(yīng)激、細(xì)胞凋亡蛋白酶3激活和IL-1β水平均有所減少，結(jié)果表明，慢性腦低灌注造成顯著的障礙空間工作記憶、IL-1β等提高。然而，EP治療明顯改善了記憶障礙，研究顯示丙酮酸乙酯的保護(hù)作用可能來自于抑制炎癥反應(yīng)、凋亡過程和氧化應(yīng)激[18]。在Kiecolt-Glaser等人[19]研究中表明，POCD產(chǎn)生的同時(shí)，實(shí)驗(yàn)對象體內(nèi)的中樞神經(jīng)炎癥因子如TNF-α、IL-1β、IL-6等均呈上調(diào)趨勢。其中在腦組織損傷過程中，炎癥因子IL-6發(fā)揮雙重功能，當(dāng)IL-6的濃度位于正常生理狀態(tài)或低表達(dá)狀態(tài)時(shí)，會(huì)產(chǎn)生對神經(jīng)元的保護(hù)功能，當(dāng)IL-6的含量迅速升高便會(huì)加快神經(jīng)元及內(nèi)皮細(xì)胞損傷的發(fā)生[20]。

七氟醚和丙泊酚是臨床上常用的全麻藥物，前者吸入給藥，后者靜脈給藥，已有以新生乳鼠為對象的研究結(jié)果顯示，七氟醚和丙泊酚能夠引起新生乳鼠的神經(jīng)元損傷、認(rèn)知功能減退[21]。在全麻藥(吸入麻醉藥等)誘導(dǎo)后迅速出現(xiàn)c-fos基因的表達(dá)，說該基因?qū)θ樗幋嬖诜e極的反應(yīng)。目前許多研究表明C-fos基因在痛覺傳遞及調(diào)控過程中，參與強(qiáng)啡肽及腦啡肽的轉(zhuǎn)錄偶合過程，協(xié)同作用于痛覺調(diào)控，這與其在神經(jīng)系統(tǒng)中普遍存在是密不可分的[22]。越來越多的研究證明C-fos基因在麻醉過程中發(fā)揮關(guān)鍵作用，一些研究表明，C-fos基因作為第三信使參與麻醉過程中痛覺的傳導(dǎo)及調(diào)控功能[23]。

全麻藥在幫助患者鎮(zhèn)痛的同時(shí)，可能降低患者的記憶功能，使其意識下降，失去對傷害刺激的反射功能等，七氟醚和丙泊酚都是臨場經(jīng)常使用的全麻藥，在一項(xiàng)新生乳鼠的研究中發(fā)現(xiàn)，這兩種麻醉藥都能使乳鼠的神經(jīng)元損傷并引發(fā)認(rèn)知功能下降[21]。許多研究均表明，全麻藥物可以導(dǎo)致中樞腦細(xì)胞多個(gè)基因積極響應(yīng)，由此在表達(dá)上發(fā)生變化，例如Hemeoxygenase-1、VEGF、BDNF、prepronociceptin、insulin-like growth factor Igene基因等[24]。在麻醉后，導(dǎo)致認(rèn)知能力喪失或降低的一個(gè)關(guān)鍵病理環(huán)節(jié)即神經(jīng)元細(xì)胞的過度凋亡[25]。影響神經(jīng)元損傷及凋亡，引發(fā)認(rèn)知能力下降的細(xì)胞因子中發(fā)揮主要作用的是炎癥反應(yīng)細(xì)胞因子。發(fā)揮保護(hù)功能的細(xì)胞因子有BDNF、VEGF等，在HIF-1α的誘導(dǎo)下，上述保護(hù)因子可以大量表達(dá)[26]，BDNF可加快神經(jīng)元的再生，進(jìn)而增強(qiáng)突觸間的聯(lián)系及認(rèn)知功能[27]；VEGF只作用于血管內(nèi)皮細(xì)胞，它可加快內(nèi)皮細(xì)胞生長、促進(jìn)新生血管形成，這樣中樞神經(jīng)系統(tǒng)的側(cè)枝循環(huán)及血流灌注功能就會(huì)加強(qiáng)，進(jìn)一步提高神經(jīng)功能[28]。當(dāng)中樞神經(jīng)系統(tǒng)的損傷細(xì)胞因子數(shù)量變多，保護(hù)性的細(xì)胞因子數(shù)量降低時(shí)會(huì)產(chǎn)生兩種結(jié)果，一種是可以直接引發(fā)神經(jīng)元損傷，另一種是可經(jīng)過激活細(xì)胞凋亡過程從未引發(fā)神經(jīng)元的損傷[29-30]。bcl-2基因是抗凋亡基因，bax基因是促凋亡基因，caspase-3為凋亡過程重要的凋亡執(zhí)行蛋白酶基因，上述三個(gè)基因在細(xì)胞凋亡的進(jìn)程中發(fā)揮的功能已經(jīng)成為當(dāng)今的研究熱點(diǎn)[31-32]。陳玢等通過七氟烷誘導(dǎo)短暫的術(shù)后認(rèn)知功能障礙，發(fā)現(xiàn)caspase-3可能與POCD發(fā)生有關(guān)，而異氟烷、七氟烷都可以誘導(dǎo)Aβ形成，繼而激活caspase-3；同時(shí)七氟烷可以激活特定的酶激活tau蛋白的磷酸化產(chǎn)生認(rèn)知功能障礙。半胱氨酸蛋白酶(caspase)經(jīng)過一些列高度調(diào)控的級聯(lián)反應(yīng)事件導(dǎo)致細(xì)胞凋亡，而β淀粉樣前蛋白是中廣泛存在于各類細(xì)胞的單鏈跨膜糖蛋白，它可以被caspase-3剪切，其蛋白水解產(chǎn)物聚合形成Aβ，Aβ可誘導(dǎo)caspase-3激活促使細(xì)胞凋亡。七氟烷可以通過β淀粉樣蛋白形成，繼而激活半胱氨酸蛋白酶-3。β淀粉樣蛋白在突觸前的積累影響突觸前蛋白突觸素和突觸后蛋白的表達(dá)，從而產(chǎn)生認(rèn)知功能缺陷[33]。

HIF-1是維持細(xì)胞內(nèi)氧平衡的關(guān)鍵調(diào)節(jié)因子，在缺血誘導(dǎo)的血管生成、缺血后細(xì)胞代謝、維持腫瘤細(xì)胞的代謝適應(yīng)等方面都起著非常重要的作用。當(dāng)環(huán)境缺氧時(shí)，缺氧誘導(dǎo)因子(Hypoxia-Inducible Factor-1α，HIF-1α)能啟動(dòng)多種下游基因發(fā)生轉(zhuǎn)錄激活，例如p53和BNIP3基因，從而增加神經(jīng)細(xì)胞的凋亡，引發(fā)神經(jīng)細(xì)胞變性壞死，最終導(dǎo)致認(rèn)知功能喪失或下降[34]。有研究表明在老年人中，人工髖關(guān)節(jié)置換手術(shù)后引發(fā)的POCD，在很大程度上可能與手術(shù)麻醉造成的應(yīng)激反應(yīng)及血清HIF-1α的高表達(dá)有著密切的聯(lián)系，因?yàn)榭梢詫g(shù)期血清HIF-1α水平作為預(yù)測及診斷老年患者手術(shù)后認(rèn)知功能發(fā)生障礙風(fēng)險(xiǎn)的監(jiān)測指標(biāo)。目前眾多研究者傾向于認(rèn)為POCD的發(fā)生機(jī)制和創(chuàng)傷后的炎癥反應(yīng)有著密切的聯(lián)系[35-36]，氧濃度和炎性反應(yīng)之間有著緊密的聯(lián)系，研究表明炎性反應(yīng)和低氧反應(yīng)的通路間也存在重要的關(guān)系，共同在神經(jīng)細(xì)胞的凋亡中發(fā)揮關(guān)鍵作用，例如HIF-lα mRNA蛋白的表達(dá)及活化受TNF-α基因誘導(dǎo)的炎癥反應(yīng)的影響[37-38]。

研究表明，當(dāng)PI3K/Akt信號通路激活時(shí)能夠有效降低神經(jīng)損傷的發(fā)生，減少炎癥細(xì)胞的死亡，這個(gè)通路普遍存在神經(jīng)系統(tǒng)中，在膠質(zhì)細(xì)胞、神經(jīng)元的生存、分化及凋亡等進(jìn)程中發(fā)生重要作用[39-40]。PI3K/Akt信號通路是目前研究的熱點(diǎn)通路，主要參與抗凋亡及促存活的信號傳導(dǎo)途徑，它能夠調(diào)節(jié)神經(jīng)細(xì)胞的凋亡及自噬，調(diào)控細(xì)胞的存活，一旦抑制此信號通路就會(huì)引發(fā)認(rèn)知功能障礙[41-42]。NO/cGMP信號通路在細(xì)胞生長分化及肌肉活動(dòng)中起著關(guān)鍵作用，它是存在細(xì)胞內(nèi)的一個(gè)關(guān)鍵通路，發(fā)揮功能時(shí)該通路可傳導(dǎo)胞外信號至胞內(nèi)，研究發(fā)現(xiàn)，該通路可通過介導(dǎo)麻醉藥物作用于突觸，從而發(fā)揮鎮(zhèn)痛的功效[43-44]。STAT3在神經(jīng)系統(tǒng)中主要參與誘導(dǎo)神經(jīng)干細(xì)胞向星形膠質(zhì)細(xì)胞分化，目前已經(jīng)知道STAT3在神經(jīng)系統(tǒng)發(fā)育及抑制細(xì)胞凋亡、參與損傷修復(fù)等方面起著關(guān)鍵作用，研究發(fā)現(xiàn)異氟醚麻醉可以對正在發(fā)育的神經(jīng)元產(chǎn)生不利的影響，且抑制STAT3的轉(zhuǎn)錄表達(dá)[45]。

當(dāng)前多數(shù)專家及學(xué)者傾向認(rèn)為中樞神經(jīng)炎癥反應(yīng)仍然是導(dǎo)致老年患者產(chǎn)生POCD的主要因素。本文通過閱讀文獻(xiàn)推測全麻藥物可能通過中樞神經(jīng)炎癥造成麻醉患者認(rèn)知功能損害、神經(jīng)元凋亡，導(dǎo)致記憶下降，從而引起術(shù)后認(rèn)知功能障礙。抑制中樞神經(jīng)炎癥可以改善患者的術(shù)后認(rèn)知功能，而在該神經(jīng)炎癥反應(yīng)中C-fos、HIF-1α、STAT3、Bcl-2等基因均可能參與到其中發(fā)揮重要作用，通過對這幾個(gè)基因功能分析和構(gòu)建其在POCD中的調(diào)控網(wǎng)絡(luò)，為以后POCD的作用機(jī)制研究提供參考。同時(shí)隨著全身麻醉手術(shù)的日益增多，全麻藥物對患者術(shù)后認(rèn)知功能障礙的作用機(jī)制和相關(guān)調(diào)控網(wǎng)絡(luò)將更加完善。