吸入性麻醉劑與腦缺血及神經(jīng)保護(hù)的研究進(jìn)展

董傳斌

(枝江市人民醫(yī)院，湖北 枝江 443200)

七氟烷是目前一種較為新型的吸入麻醉劑。與異氟烷和地氟烷相比，七氟烷具有氣道刺激相對(duì)較小，起效和恢復(fù)更快，血流動(dòng)力學(xué)穩(wěn)定性高于其他強(qiáng)效吸入劑等優(yōu)點(diǎn)，且其顯著特點(diǎn)是具有低于異氟烷的血/氣分布系數(shù)，因而可快速誘導(dǎo)麻醉并縮短蘇醒時(shí)間〔1〕。尤其針對(duì)心腦血管疾病患者，七氟烷能提供具有類(lèi)似血流動(dòng)力學(xué)穩(wěn)定性的麻醉，在臨床手術(shù)時(shí)可使患者出現(xiàn)更快速、更有效的麻醉狀態(tài)，同時(shí)快速恢復(fù)術(shù)后清醒狀態(tài)〔2〕。吸入麻醉藥與其他常規(guī)麻醉藥相比，因其相對(duì)安全的給藥途徑和較快的起效速度而具有實(shí)用優(yōu)勢(shì)。研究發(fā)現(xiàn)，在正常大鼠腦局部缺血時(shí)給予吸入麻醉藥，即麻醉預(yù)處理(APC)，可顯著地降低正常大鼠的腦缺血再灌注損傷，還有一定的神經(jīng)保護(hù)作用〔3〕。該保護(hù)作用可能涉及的機(jī)制是缺血時(shí)保持三磷酸腺苷(ATP)水平，降低中性粒細(xì)胞的黏附，增加一氧化氮的產(chǎn)生，抑制自由基產(chǎn)生或減少鈣超載，通過(guò)激活線粒體ATP依賴(lài)性鉀通道(mKATP)通道減少腦缺血誘導(dǎo)的腦組織損傷，進(jìn)而改善正常大鼠局灶性腦缺血再灌注損傷〔4〕。在腦氧和糖代謝的研究表明七氟烷預(yù)處理的神經(jīng)保護(hù)作用包括改變谷氨酸轉(zhuǎn)運(yùn)體活性改變、電生理改變、抑制線粒體通透性轉(zhuǎn)換孔(mPTP)的開(kāi)放，抵抗興奮性氨基酸的毒性，抑制活性氧的釋放，抑制炎癥、腦脂質(zhì)過(guò)氧化和神經(jīng)元的凋亡，降低氧化應(yīng)激和維持線粒體膜穩(wěn)定性〔5〕。

在神經(jīng)元細(xì)胞中，線粒體在腦缺血再灌注(I /R)損傷期間產(chǎn)生大量的ATP和病理活性氧，它們還在吸入性麻醉劑誘導(dǎo)的預(yù)處理中起關(guān)鍵作用〔6〕。研究表明七氟烷和其他吸入性麻醉劑通過(guò)mKATP通道在I/R期間保護(hù)大腦免受損傷，mKATP通道開(kāi)放導(dǎo)致鉀流入，抑制線粒體中的鈣超載，活性氧的產(chǎn)生和多種下游激酶的激活來(lái)使大腦免受I/R損傷，這被認(rèn)為是APC的關(guān)鍵步驟〔7〕。研究表明，異氟烷可在體外直接激活大腦mKATP通道，異氟烷處理后ATP敏感的K+電流顯著增加，mKATP通道阻斷劑5-羥基癸酸鹽(HD)完全消除了這種效應(yīng)〔8〕。Matthias等〔9〕證實(shí)了七氟烷能夠在缺血期間阻止線粒體基質(zhì)體積收縮，并且這種效應(yīng)是通過(guò)mKATP通道開(kāi)放介導(dǎo)的。研究表明，七氟烷預(yù)處理通過(guò)增加蛋白激酶C的ε亞家族(PKC-ε)磷酸化對(duì)抗大腦I/R損傷來(lái)保護(hù)神經(jīng)元，并且mKATP通道阻滯劑5-HD抑制了這種作用〔10〕。

1 異氟烷與腦缺血再灌注的關(guān)系

當(dāng)腦缺血缺氧發(fā)生時(shí)會(huì)導(dǎo)致腦內(nèi)ATP大量耗竭，Na+和Cl-內(nèi)流引起腦細(xì)胞水腫，同時(shí)腦內(nèi)谷氨酸過(guò)度釋放促進(jìn)神經(jīng)元細(xì)胞Ca2+內(nèi)流，增加N-甲基-D-天冬氨酸(NMDA)依賴(lài)性Ca2+內(nèi)流，導(dǎo)致腦細(xì)胞內(nèi)Ca2+超載，同時(shí)大量氧自由基形成，線粒體損傷，這些均導(dǎo)致腦細(xì)胞的凋亡〔11〕。研究表明，正常大鼠腦缺血再灌注時(shí)，使用異氟烷預(yù)處理可顯著抑制腦細(xì)胞的mPTP的開(kāi)放來(lái)保護(hù)腦細(xì)胞，同時(shí)也可降低大腦缺血缺氧誘導(dǎo)的腦細(xì)胞水腫和線粒體的損傷〔12〕。異氟烷預(yù)處理保護(hù)腦免受缺血缺氧損傷的機(jī)制包括調(diào)節(jié)Ca2+濃度抑制鈣超載，清除氧自由基，促進(jìn)線粒體KATP通道的開(kāi)放及抑制mPTP的開(kāi)放〔13〕。此外，研究發(fā)現(xiàn)異氟烷治療可抑制腦缺血缺氧誘導(dǎo)的促凋亡蛋白Bax和半胱天冬酶-3的表達(dá)水平來(lái)保護(hù)腦細(xì)胞〔14〕。

2 異氟烷在腦缺血時(shí)的神經(jīng)保護(hù)作用

氨基酸神經(jīng)遞質(zhì)如天冬氨酸、谷氨酸、谷氨酰胺、甘氨酸和γ-氨基丁酸在中樞神經(jīng)系統(tǒng)中具有重要功能。當(dāng)腦缺氧時(shí)突觸間隙和細(xì)胞外液中高濃度的興奮性氨基酸(EAA)是引起興奮性毒性和神經(jīng)元死亡的常見(jiàn)原因〔15〕。異氟烷的保護(hù)作用可能是抑制神經(jīng)遞質(zhì)氨基酸的興奮性毒性。有報(bào)道表明，EAA中的谷氨酸和天冬氨酸在低氧性腦損傷機(jī)制中起著關(guān)鍵作用。NMDA受體是EAA的主要受體，其活化會(huì)導(dǎo)致缺氧時(shí)腦細(xì)胞內(nèi)Ca2+超載而產(chǎn)生腦損傷〔16〕。實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，異氟烷預(yù)處理減少了缺氧誘導(dǎo)的谷氨酸和天冬氨酸的釋放，從而減少了神經(jīng)細(xì)胞的興奮性毒性〔17〕。γ-氨基丁酸(GABA)是中樞神經(jīng)系統(tǒng)中的一種抑制性神經(jīng)遞質(zhì)，研究發(fā)現(xiàn)，異氟烷預(yù)處理可顯著激活GABA受體活性，這可保護(hù)神經(jīng)元免受缺氧損傷〔18〕，甘氨酸是一種EAA調(diào)節(jié)劑，可通過(guò)增加谷氨酸的NMDA受體的敏感性來(lái)增強(qiáng)EAA誘導(dǎo)的興奮性毒性，研究發(fā)現(xiàn)，異氟烷預(yù)處理治療以劑量依賴(lài)性方式逆轉(zhuǎn)缺氧誘導(dǎo)的甘氨酸濃度升高造成的神經(jīng)損傷作用，這表明異氟烷對(duì)中樞神經(jīng)系統(tǒng)具有保護(hù)作用〔19〕。

線粒體功能障礙導(dǎo)致神經(jīng)系統(tǒng)疾病，包括神經(jīng)退行性疾病和中風(fēng)，其中，類(lèi)似于腦I/R損傷，過(guò)量的Ca2+攝取可激活mPTP的開(kāi)放，導(dǎo)致神經(jīng)元死亡后ATP合成顯著減少〔20〕。最近的研究證實(shí)，mPTP開(kāi)放的抑制也是APC誘導(dǎo)的神經(jīng)保護(hù)的最重要的細(xì)胞機(jī)制之一。 有研究表明，在缺血性腦發(fā)生時(shí)，異氟烷預(yù)處理通過(guò)超極化線粒體膜和抑制Ca2+誘導(dǎo)的mPTP的開(kāi)放來(lái)保護(hù)線粒體正常功能免受腦I/R損傷，并且異氟烷預(yù)處理的腦缺血大鼠可顯著減少神經(jīng)功能缺損和降低大鼠腦梗死體積〔21〕。

異氟烷麻醉處理可顯著降低在缺血刺激的大鼠皮質(zhì)中谷氨酸受體介導(dǎo)的Ca2+的內(nèi)流作用。異氟烷可調(diào)節(jié)NMDA受體介導(dǎo)的細(xì)胞內(nèi)Ca2+內(nèi)流和三磷酸肌醇依賴(lài)性Ca2+的釋放，將Ca2+濃度維持在適當(dāng)范圍內(nèi)可以在腦缺血時(shí)發(fā)揮神經(jīng)保護(hù)作用〔29〕。研究發(fā)現(xiàn)，異氟烷誘導(dǎo)的Ca2+磷酸化可通過(guò)激活細(xì)胞增殖相關(guān)的Ras-Raf-MEK-ERK信號(hào)傳導(dǎo)來(lái)減少腦缺血誘導(dǎo)的神經(jīng)細(xì)胞的死亡，抑制絲裂原活化蛋白激酶(MEK)1/細(xì)胞外調(diào)解蛋白激酶(ERK)信號(hào)通路可消除異氟烷介導(dǎo)的神經(jīng)保護(hù)作用〔30〕。異氟烷預(yù)處理可通過(guò)促存活MEK1 / ERK信號(hào)傳導(dǎo)或抗凋亡磷脂酰肌醇-3激酶(PI3K)/蛋白激酶B(Akt)信號(hào)通路來(lái)抑制神經(jīng)元死亡〔31〕。異氟烷預(yù)處理時(shí)的神經(jīng)保護(hù)作用也依賴(lài)于細(xì)胞內(nèi)適當(dāng)?shù)腃a2+濃度和Ca2+依賴(lài)性的信號(hào)傳導(dǎo)，鈣調(diào)素是一種重要的Ca2+敏感結(jié)合蛋白與絲裂原活化蛋白激酶(MAPK)、PKB/Akt、鈣調(diào)蛋白依賴(lài)性激酶(CaMK)Ⅱ是一種重要的神經(jīng)調(diào)節(jié)酶，研究還發(fā)現(xiàn)，異氟烷預(yù)處理可通過(guò)抑制鈣調(diào)素與MAPK、PKB/Akt和CaMKⅡ的結(jié)合，從而在腦缺血時(shí)發(fā)揮對(duì)神經(jīng)的保護(hù)作用〔32〕。

3 七氟烷與腦缺血再灌注的關(guān)系

七氟烷預(yù)處理的神經(jīng)保護(hù)作用包括改變谷氨酸轉(zhuǎn)運(yùn)體活性，抑制mPTP的開(kāi)放和活性氧的釋放，抵抗興奮性氨基酸毒性，抑制腦脂質(zhì)過(guò)氧化和神經(jīng)元凋亡，減少氧化應(yīng)激和維持線粒體膜穩(wěn)定性〔33〕。與其他麻醉藥相比，七氟烷具有穩(wěn)定腦血流量和腦代謝的作用是作為神經(jīng)保護(hù)劑的主要原因〔34〕。七氟烷和異氟烷預(yù)處理對(duì)腦缺血再灌注損傷的保護(hù)機(jī)制涉及抑制mPTP開(kāi)放，其開(kāi)放的主要誘因是在腦缺血發(fā)生時(shí)，線粒體鈣超載，炎癥反應(yīng)和氧化應(yīng)激增強(qiáng)等〔35〕。在腦缺血期間，內(nèi)源性氧化劑和抗氧化劑的平衡被破壞，促炎細(xì)胞因子如腫瘤壞死因子(TNF)-α，白細(xì)胞介素(IL)-1和IL-6等物質(zhì)在再灌注階段大量產(chǎn)生。TNF-α和其他促炎細(xì)胞因子通過(guò)誘導(dǎo)磷酸化和核因子(NF)-κB的激活而引起進(jìn)一步的氧化應(yīng)激〔36〕。作為轉(zhuǎn)錄因子，NF-κB廣泛參與并調(diào)節(jié)大量細(xì)胞因子和趨化因子的表達(dá)，如TNF-α、IL-1、IL-6，環(huán)氧合酶-2和黏附分子等，這些炎性因子是使細(xì)胞產(chǎn)生炎癥和細(xì)胞凋亡的關(guān)鍵物質(zhì)，吸入性麻醉劑預(yù)處理可通過(guò)抑制NF-κB的活化誘導(dǎo)的炎癥反應(yīng)，從而抑制NF-κB依賴(lài)性炎性細(xì)胞因子的產(chǎn)生來(lái)保護(hù)大腦免受I/R損傷〔37〕。Ma等〔38〕在體內(nèi)冠狀動(dòng)脈閉塞實(shí)驗(yàn)中證明，七氟烷預(yù)處理可減弱NF-κB及其兩個(gè)亞基p50和p65的表達(dá)，從而降低炎癥因子TNF-α和細(xì)胞間黏附分子-1的表達(dá)。用七氟烷預(yù)處理后可抑制NF-κB的結(jié)合活性和活化，從而顯著降低大腦I/R損傷期間TNF-α、IL-1和IL-6的表達(dá)。

4 七氟烷在腦缺血時(shí)的神經(jīng)保護(hù)作用

小膠質(zhì)細(xì)胞是中樞神經(jīng)系統(tǒng)的重要清除劑，在缺血后具有神經(jīng)毒性和神經(jīng)保護(hù)的雙重作用，在腦缺血發(fā)生時(shí)，小膠質(zhì)細(xì)胞既可迅速分泌促炎因子引發(fā)炎癥，同時(shí)，它也可吞噬壞死細(xì)胞碎片并分泌神經(jīng)營(yíng)養(yǎng)因子以保護(hù)缺血神經(jīng)元〔39〕?？墒褂妹嘎?lián)免疫吸附試驗(yàn)(ELISA)評(píng)估壞死組織細(xì)胞碎片中常見(jiàn)的毒性細(xì)胞因子如TNF-α來(lái)檢測(cè)七氟烷預(yù)處理是否加強(qiáng)了小膠質(zhì)細(xì)胞的吞噬作用。研究者對(duì)七氟烷預(yù)處理組的大鼠腦梗死區(qū)的小膠質(zhì)細(xì)胞檢測(cè)發(fā)現(xiàn)，七氟烷預(yù)處理組的大鼠腦梗死部位的TNF-α水平顯著低于對(duì)照組。說(shuō)明七氟烷預(yù)處理可增強(qiáng)腦缺血后的小膠質(zhì)細(xì)胞遷移和吞噬活性，同時(shí)為神經(jīng)細(xì)胞的存活創(chuàng)造有利的微環(huán)境〔40，41〕；七氟烷預(yù)處理還可通過(guò)抑制炎癥保護(hù)腦缺血周?chē)纳窠?jīng)元；七氟烷也可能促進(jìn)小膠質(zhì)細(xì)胞活化，吞噬有毒的壞死碎片并分泌神經(jīng)營(yíng)養(yǎng)因子，為腦部修復(fù)創(chuàng)造有利的微環(huán)境，即七氟烷預(yù)處理增強(qiáng)缺血性損傷后梗塞區(qū)內(nèi)的內(nèi)源性神經(jīng)的發(fā)生和重建〔42〕。研究表明七氟烷預(yù)處理可促進(jìn)神經(jīng)母細(xì)胞的增殖，遷移和分化，并且隨后的神經(jīng)發(fā)生是促進(jìn)小膠質(zhì)細(xì)胞神經(jīng)保護(hù)激活的結(jié)果。激活的小膠質(zhì)細(xì)胞吞噬壞死碎片并在七氟烷預(yù)處理后促使大腦分泌神經(jīng)營(yíng)養(yǎng)因子如BDNF，良好的腦部微環(huán)境可促進(jìn)缺血部位的功能修復(fù)〔43，44〕。

有研究報(bào)道，在再灌注開(kāi)始時(shí)給予七氟烷時(shí)有明顯的神經(jīng)保護(hù)作用，并且在給予七氟烷后5 min時(shí)這種作用就逐漸喪失，表明給藥時(shí)間、藥物作用時(shí)間與APC的保護(hù)效應(yīng)有密切聯(lián)系〔45〕。此外，最近發(fā)現(xiàn)在使用5-HD后P38磷酸化降低，表明mKATP通道開(kāi)放和p38磷酸化是七氟烷預(yù)處理介導(dǎo)的神經(jīng)保護(hù)作用的關(guān)鍵過(guò)程〔46〕。與心臟保護(hù)相似，PKC-ε也參與APC介導(dǎo)的神經(jīng)保護(hù)作用。 Ye等〔47〕研究表明，在腦缺血發(fā)生時(shí)，用七氟烷預(yù)處理30 min后使用5-HD不僅可以降低神經(jīng)功能損傷評(píng)分和腦梗死體積，而且還可抑制轉(zhuǎn)染后24 h PKC-ε向膜組分的轉(zhuǎn)位。該結(jié)果還表明PKC-ε作為mKATP通道的上游靶標(biāo)的作用，并因此表明PKC-ε參與APC介導(dǎo)的大腦和神經(jīng)保護(hù)過(guò)程〔48〕。

研究還發(fā)現(xiàn)，七氟烷在腦缺血時(shí)的神經(jīng)保護(hù)作用機(jī)制涉及激活PI3K/Akt途徑，可能激活A(yù)kt下游蛋白，如糖原合酶激酶3(GSK-3β)，P70S6激酶(P70S6K)和內(nèi)皮型一氧化氮合酶(eNOS)，抑制mPTP開(kāi)放及促進(jìn)鉀通道開(kāi)放〔49，50〕。在腦損傷研究中發(fā)現(xiàn)，PI3K/Akt通路參與七氟烷對(duì)腦缺血再灌注損傷的保護(hù)作用〔51〕，七氟烷后處理通過(guò)促進(jìn)線粒體KATP通道開(kāi)放減少腦缺血誘導(dǎo)的腦組織損傷，并通過(guò)PI3K/Akt 途徑抑制mPTP開(kāi)放減少局灶性腦缺血再灌注后的神經(jīng)損傷〔52〕。因此，七氟烷后處理對(duì)缺氧缺血性腦損傷大鼠神經(jīng)保護(hù)的潛在機(jī)制可能是抑制mPTP開(kāi)放。

研究發(fā)現(xiàn)，腦缺血缺氧在一定程度上可促進(jìn)新生大鼠皮質(zhì)神經(jīng)元和海馬神經(jīng)前體細(xì)胞的增殖，而七氟烷可降低腦代謝率并促進(jìn)神經(jīng)功能的恢復(fù)〔53〕。七氟烷后處理誘導(dǎo)p-Akt、p-eNOS和p-GSK-3β表達(dá)上調(diào)，并且顯著增加mPTP活性來(lái)保護(hù)腦缺血誘導(dǎo)的神經(jīng)細(xì)胞的損傷。這些研究結(jié)果表明，七氟烷后處理可能通過(guò)PI3K/Akt/eNOS和PI3K/Akt/GSK-3β途徑抑制mPTP的開(kāi)放達(dá)到神經(jīng)保護(hù)作用〔54〕。盡管環(huán)孢素(Cs)A是一種mPTP特異性阻斷劑，它模擬七氟烷后處理提供的神經(jīng)保護(hù)作用，但未能增強(qiáng)七氟烷后處理的效果〔55〕。這些結(jié)果表明，七氟烷后處理可能通過(guò)阻斷mPTP開(kāi)放并減少腦缺血缺氧大鼠的神經(jīng)損傷來(lái)保護(hù)腦組織。不同濃度的七氟烷和不同劑量的CsA是否能夠不同程度地預(yù)防缺氧缺血性腦損傷需要深入研究〔56〕?？傊?，七氟烷后處理可通過(guò)PI3K/Akt/eNOS和PI3K/Akt/GSK-3β途徑阻斷mPTP開(kāi)放并減少海馬中的神經(jīng)元凋亡，從而改善新生缺氧缺血性腦損傷大鼠的神經(jīng)損傷作用〔57〕。

綜上，吸入麻醉劑異氟烷和七氟烷預(yù)處理在腦缺血缺氧發(fā)生時(shí)的保護(hù)作用的機(jī)制包括促生存激酶級(jí)聯(lián)的募集、抑制氧自由基、NF-κB介導(dǎo)的炎癥反應(yīng)和mPTP的開(kāi)放，促進(jìn)PKC-ε介導(dǎo)的mKATP通道的開(kāi)放及基因表達(dá)，還有一些信號(hào)調(diào)節(jié)通路也參與腦缺血的神經(jīng)保護(hù)過(guò)程，即激活PI3K/Akt途徑，Akt下游蛋白GSK-3β、P70S6K、eNOS，抑制mPTP開(kāi)放和促進(jìn)mKATP開(kāi)放。其中其他類(lèi)型的吸入性麻醉劑預(yù)處理在腦缺血和神經(jīng)保護(hù)作用的關(guān)系還需要進(jìn)一步研究探討。