氯胺酮濫用致認知障礙與海馬改變的研究進展

彭金芝，李曉東，王乾興△

氯胺酮（ketamine）是N?甲基?D?天門冬氨酸受體（NMDAR）的非競爭性拮抗劑，屬于非苯巴比妥類靜脈麻醉劑［1］。因其具有吸收快、起效快、呼吸抑制作用弱且短暫等優(yōu)點，目前仍廣泛用于臨床麻醉或麻醉誘導(dǎo)［2］。氯胺酮具有致幻作用和精神依賴性，故而在全球范圍內(nèi)出現(xiàn)不同程度的濫用，已被聯(lián)合國毒品與犯罪問題辦公室列入“新精神活性物質(zhì)”，成為中國大陸地區(qū)濫用的主要合成毒品之一，被列為Ⅰ類精神類藥品管理［3?4］。氯胺酮濫用可通過多種機制引起語言、記憶、視空間、執(zhí)行能力等認知功能的損傷，對濫用者的生活產(chǎn)生較大的負面影響［5?6］。鑒于大腦海馬區(qū)結(jié)構(gòu)和功能損傷可導(dǎo)致患者學(xué)習(xí)、記憶、空間定位和情緒調(diào)節(jié)等多方面的障礙［7?8］，本文就氯胺酮濫用對海馬的影響及其相關(guān)認知障礙的可能機制進行綜述，旨在為氯胺酮濫用引起的認知障礙的機制研究和藥物開發(fā)提供新的思路和策略。

1 氯胺酮濫用對海馬相關(guān)認知功能的影響

1.1 海馬的結(jié)構(gòu)與功能 海馬系統(tǒng)由海馬體［包括海馬角（CA）1 和CA3］、齒狀回（dentate gyrus，DG）、腦室下復(fù)合體、穹窿和海馬傘組成。其中，海馬角由端腦內(nèi)側(cè)區(qū)發(fā)育而來，屬于邊緣系統(tǒng)的一部分。海馬在信息編碼、短時記憶、長時記憶、空間導(dǎo)航等方面發(fā)揮著核心作用，主要與海馬角參與形成的3 個突觸回路有關(guān)：第一突觸為內(nèi)嗅區(qū)皮層到DG顆粒細胞的穿通纖維通路；第二突觸為DG顆粒細胞發(fā)出的苔狀纖維到海馬CA3 區(qū)錐體細胞；第三突觸為CA3區(qū)錐體細胞Schaffer側(cè)支到CA1區(qū)錐體細胞［9］。

1.2 氯胺酮濫用導(dǎo)致的海馬相關(guān)認知障礙 認知是指人腦接受外界信息，經(jīng)過加工處理，轉(zhuǎn)換成內(nèi)在的心理活動，從而獲取或應(yīng)用知識的過程。認知障礙是指機體在疾病、毒物、藥物等影響下出現(xiàn)一項或多項認知功能受損。研究表明，氯胺酮濫用可造成機體出現(xiàn)情景記憶力下降［10］，空間記憶［5］和視覺識別記憶障礙［11］等多種形式的記憶功能受損。動物實驗證明，氯胺酮長期濫用大鼠表現(xiàn)為情景式記憶障礙，可能與海馬CA1、CA3 和DG 區(qū)即刻早期基因c?Fos表達增加有關(guān)［12］。

海馬是空間導(dǎo)航的主要認知結(jié)構(gòu)，因含位置細胞，被認為是空間認知地圖的載體；背側(cè)紋狀體（尤其是尾狀核）則主要參與依賴空間記憶而精確導(dǎo)航到目標的動作完成。Morgan 等［13］通過功能磁共振掃描發(fā)現(xiàn)，與正常對照相比，在氯胺酮濫用者的大腦中，與空間導(dǎo)航有關(guān)的3 個關(guān)鍵腦區(qū)（海馬、海馬旁回和尾狀核）的神經(jīng)活動減少，表明這些關(guān)鍵區(qū)的神經(jīng)活動減少可能與氯胺酮濫用者的空間記憶受損密切相關(guān)。動物實驗表明，長期低劑量（10 mg/kg）氯胺酮給藥可導(dǎo)致小鼠海馬齒狀回和海馬CA1、CA2、CA3區(qū)神經(jīng)細胞排列紊亂、胞漿空泡化及細胞萎縮；大鼠表現(xiàn)為被動回避潛伏期縮短和新物體識別測試時間延長，氯胺酮處理導(dǎo)致大鼠的短期記憶和長期記憶受到明顯損害［14］。此外，視覺識別記憶也是一個與海馬功能密切相關(guān)的記憶形成過程。氯胺酮亞慢性給藥可導(dǎo)致大鼠海馬CA1區(qū)NMDAR 依賴性長時程增強（long term potentiation，LTP）和長時程抑制（long term depression，LTD）的損傷，從而導(dǎo)致空間視覺記憶缺陷［15］。

2 氯胺酮濫用致海馬相關(guān)認知功能障礙的潛在機制

2.1 氯胺酮濫用致海馬神經(jīng)細胞發(fā)生異常 在人類妊娠晚期到出生后第3 年（嚙齒類動物為妊娠晚期到出生后2～3 周）存在一個大量神經(jīng)發(fā)生的腦生長突增期，其特點是大量的神經(jīng)干細胞（neural stem cell，NSC）增殖、分化。在此期間海馬的神經(jīng)發(fā)生包括NSC的增殖，向海馬神經(jīng)元和膠質(zhì)細胞的分化、遷移到顆粒細胞層，并發(fā)出軸突與海馬CA3 區(qū)錐體細胞建立突觸聯(lián)系3 個階段，從而在功能上整合到原有的神經(jīng)回路，即顆粒細胞神經(jīng)元?CA3?CA1。體外實驗證實，高濃度 200～1 000 μmol/L 氯胺酮可顯著抑制海馬NSC增殖［16］。

成體神經(jīng)發(fā)生局限在海馬腦下室區(qū)（subventricular zone，SVZ）和亞顆粒區(qū)（subgranular zone，SGZ），氯胺酮可抑制SVZ和SGZ細胞增殖和神經(jīng)元分化，促進NSC 凋亡，導(dǎo)致成人認知功能障礙［17］。此外，在SD大鼠出生后第7～9天氯胺酮給藥可顯著抑制NSC增殖，降低星形膠質(zhì)細胞分化，顯著增強神經(jīng)元分化并抑制大鼠顆粒細胞層新生神經(jīng)元的遷移，干擾其與海馬DG 神經(jīng)回路的整合，導(dǎo)致大鼠海馬依賴性空間記憶障礙［18?19］。

2.2 氯胺酮濫用對海馬樹突棘形成的影響 樹突棘是樹突干上一種棘狀凸起，是大多數(shù)興奮性突觸的突觸后結(jié)構(gòu)，與學(xué)習(xí)記憶密切相關(guān)。樹突棘是一個高度動態(tài)的結(jié)構(gòu)，存在蘑菇型、短粗型、瘦長型及絲狀偽足型4 種類型。其中，蘑菇型和短粗型是成熟形式的樹突棘，與記憶密切相關(guān)［20］。氯胺酮對樹突棘發(fā)育的影響與年齡和氯胺酮作用劑量有關(guān)。研究表明氯胺酮暴露可降低5～13 d新生嚙齒類動物海馬CA1區(qū)樹突棘密度［21］；而在出生后15 d和30 d，用30 mg/kg氯胺酮處理小鼠海馬神經(jīng)元5 h后，樹突棘密度顯著增加［22］。體外培養(yǎng)的大鼠海馬神經(jīng)元暴露較高濃度（100、300 和500 μmol/L）氯胺酮6 h 后，其樹突棘的數(shù)量和長度呈劑量依賴性減少［23］；而亞麻醉劑量的氯胺酮（5 mg/kg）連續(xù)注射5 d，小鼠海馬CA1區(qū)神經(jīng)元蘑菇型樹突棘形成率顯著提高［24］。

2.3 氯胺酮濫用對海馬突觸可塑性的影響 突觸是神經(jīng)元的軸突末梢和其他神經(jīng)元胞體或樹突共同形成的傳遞信息的結(jié)構(gòu)，也是學(xué)習(xí)和記憶得以發(fā)生的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)。突觸的結(jié)構(gòu)和功能的可變性稱為突觸可塑性。突觸可塑性表現(xiàn)形式包括LTP、LTD 和短時程增強（short term potentiation，STP），其中LTP 和LTD 與長期記憶有關(guān)，STP 與短期記憶有關(guān)。由于突觸可塑性是NMDAR 依賴性的，因而氯胺酮可以通過改變突觸可塑性而影響學(xué)習(xí)和記憶功能。研究發(fā)現(xiàn)，1周齡大鼠單次氯胺酮腹腔注射后，海馬區(qū)的LTP 誘導(dǎo)顯著減少，但對成年大鼠的空間記憶能力無明顯影響［25］。也有研究表明，單次靜脈注射氯胺酮 3 h 后，大鼠海馬 CA3?CA1 突觸的 θ 脈沖刺激和強直刺激的LTP 顯著增強，但突觸形態(tài)和功能未發(fā)生改變［26］。氯胺酮可通過阻斷 NMDAR 的作用，抑制STP和LTP，影響NMDAR介導(dǎo)的突觸可塑性而導(dǎo)致記憶障礙，且這種抑制效應(yīng)與氯胺酮劑量成正比［27］。上述結(jié)果的差異可能與氯胺酮給藥的時間、劑量和動物年齡等不同有關(guān)。

2.4 氯胺酮濫用對海馬神經(jīng)細胞死亡的影響 根據(jù)細胞死亡命名委員會建議［28］，細胞死亡可分為兩大類：一類由外在傷害刺激，超出細胞調(diào)節(jié)能力而觸發(fā)的意外性細胞死亡（accidental cell death，ACD），另一類有典型的生化和形態(tài)特征，由一系列級聯(lián)信號和分子調(diào)節(jié)的調(diào)節(jié)性細胞死亡（regulated cell death，RCD）。RCD 可分為細胞凋亡、線粒體通透性轉(zhuǎn)換驅(qū)動的壞死、壞死性凋亡、鐵死亡、細胞焦亡、多聚ADP 核糖聚合酶?1（PARP?1）依賴性細胞死亡、細胞侵入性死亡、中性粒細胞胞外網(wǎng)狀陷阱誘導(dǎo)的細胞死亡、溶酶體依賴性細胞死亡、自噬依賴性細胞死亡和免疫原性細胞死亡等。氯胺酮引起的認知障礙與其導(dǎo)致多種形式的海馬區(qū)細胞死亡有關(guān)。

細胞凋亡又稱Ⅰ型細胞死亡。根據(jù)誘導(dǎo)凋亡的刺激來源不同可分為外源性和內(nèi)源性細胞凋亡。外源性細胞凋亡是由死亡受體（如Fas）的激活或依賴性受體在其配體不足時的退出而激發(fā)的，由Caspase?8傳遞信號到凋亡執(zhí)行者（主要是Caspase?3）而誘導(dǎo)細胞死亡。內(nèi)源性凋亡即經(jīng)典的線粒體凋亡途徑，以線粒體外膜通透性改變和凋亡執(zhí)行者Caspase?3的表達為主要特征［28］。體外實驗表明，氯胺酮處理的鼠嗜鉻細胞瘤細胞（PC12）的線粒體Ca2+外流、膜電位降低、心磷脂耗竭和促凋亡蛋白Bax的表達增加，最終導(dǎo)致PC12細胞凋亡［29］。體內(nèi)實驗表明，連續(xù)用不同劑量的氯胺酮給青春期大鼠腹腔注射8 周，結(jié)果發(fā)現(xiàn)中、高劑量組（15 mg/kg、30 mg/kg）大鼠的空間記憶明顯受損，而低劑量組（7.5 mg/kg）則不明顯；同時還發(fā)現(xiàn)抗氧化劑（超氧化物歧化酶和谷胱甘肽）的水平顯著降低，而Caspase?3 的表達水平增高［30］。Czerniczyniec 等［31］研究發(fā)現(xiàn)，腹腔注射氯胺酮45 min 后，大鼠線粒體中的心磷脂水平顯著降低，而過氧化氫（H2O2）產(chǎn)生速率增加，表明氯胺酮可能通過氧化應(yīng)激影響線粒體功能，進而促進海馬神經(jīng)細胞的凋亡，最終引起認知功能障礙。此外，每日給食蟹猴靜脈注射氯胺酮，6 個月后可引起海馬中的抗凋亡蛋白Bcl?2 的表達水平降低，同時增強促凋亡蛋白Caspase?3和Bax的表達，從而促進海馬神經(jīng)元凋亡，最終引起運動及空間記憶障礙［32］。因此，氯胺酮給藥后可引起大鼠或食蟹猴海馬活性氧（ROS）水平增加，線粒體凋亡途徑激活，抗凋亡蛋白Bcl?2 下降，促凋亡蛋白Bax 表達增強，線粒體外膜通透性轉(zhuǎn)換孔打開，細胞色素C 釋放，引起Caspase級聯(lián)效應(yīng)，激活Caspase?3，從而誘導(dǎo)海馬神經(jīng)細胞的凋亡，使其空間記憶能力受損［30?32］。

自噬依賴性細胞死亡，又稱Ⅱ型細胞死亡，是由自噬分子機制驅(qū)動的一種RCD，以雙層膜結(jié)構(gòu)的自噬泡形成為特征。自噬與凋亡有共同的刺激因素和信號通路，在氧化應(yīng)激的早期階段或輕微氧化損傷時，細胞自噬可降低ROS 的積累，細胞存活；但當(dāng)刺激較強或持續(xù)時間較長時可轉(zhuǎn)而誘導(dǎo)細胞凋亡。Bcl?2家族蛋白在細胞凋亡和自噬中起著關(guān)鍵作用，既可以與自噬蛋白Beclin?1 結(jié)合，通過形成Beclin?1/Bcl?2或Beclin?1/Bcl?xL 復(fù)合體來調(diào)節(jié)自噬，也可以與促凋亡蛋白相互作用而調(diào)控凋亡［28］。研究發(fā)現(xiàn)，氯胺酮給藥后，大鼠海馬CA1區(qū)細胞或體外培養(yǎng)的PC12細胞均表現(xiàn)為抗氧化能力降低，ROS水平上升，一方面凋亡相關(guān)蛋白Bax、Caspase?3 的表達增加，另一方面促進自噬關(guān)鍵基因（Atg）5表達，而抑制Atg4的表達，從而促進細胞自噬［33?34］。

鐵死亡是由鐵積累和脂質(zhì)過氧化驅(qū)動的一種RCD 形式，其主要特征是線粒體收縮、線粒體嵴減少、線粒體膜密度和線粒體膜斷裂增加［28］。研究表明，氯胺酮全身性麻醉后大鼠海馬神經(jīng)元線粒體膜上轉(zhuǎn)鐵蛋白mitoferrin 表達升高，造成線粒體中鐵蓄積和線粒體斷裂，影響線粒體功能，并同時上調(diào)NMDAR 的表達，增強二價金屬轉(zhuǎn)運體1（DMT1）介導(dǎo)的鐵內(nèi)流，刺激鐵從溶酶體的釋放，引起海馬神經(jīng)元鐵死亡，從而導(dǎo)致大鼠的認知障礙，表現(xiàn)為Morris水迷宮實驗中定位航行和空間探索能力的降低［35］。

細胞焦亡是一種由炎性小體激活并嚴重依賴于穿孔蛋白gasdermin 蛋白家族成員形成質(zhì)膜孔的RCD。其主要特征是細胞腫脹、破裂及炎性介質(zhì)的釋放。根據(jù)依賴的炎性Caspase的不同，可以分為經(jīng)典 的 Caspase?1 和 非 經(jīng) 典 的 Caspase?11 凋 亡 途徑［28］。研究表明，10日齡和30日齡小鼠連續(xù)腹腔注射氯胺酮7 d后，除與線粒體凋亡信號途徑相關(guān)的蛋白p53、Caspase?3 和 Caspase?9 顯著上調(diào)外，細胞焦亡相關(guān)蛋白Caspase?1、Caspase?11、NOD 樣受體家族成員（NLRP）3 表達水平也顯著升高，同時可誘導(dǎo)小鼠原代海馬神經(jīng)元細胞膜上孔的形成也顯著增加。以shRNA 沉默Caspase?1 可顯著降低細胞焦亡和線粒體途徑凋亡相關(guān)蛋白的表達［36］。體外實驗證實，氯胺酮誘導(dǎo)的神經(jīng)干細胞毒性可能與糖原合成酶激酶?3（GSK?3）信號通路有關(guān)，沉默GSK?3β 可下調(diào)Caspase?1 和Caspase?3 表達，降低氯胺酮誘導(dǎo)的神經(jīng)干細胞毒性［37］。

3 結(jié)語與展望

氯胺酮濫用可通過影響海馬的神經(jīng)元發(fā)生、分化、突觸形成和功能，以多種方式誘導(dǎo)海馬神經(jīng)細胞的死亡而導(dǎo)致海馬相關(guān)的認知障礙。但這些影響又與氯胺酮作用的時間、劑量、氯胺酮暴露年齡或藥物的相互作用等密切相關(guān)，其確切病理機制迄今尚不完全清楚，甚或有些研究結(jié)論還存在相互矛盾的地方，還有待于通過動物模型及反復(fù)臨床論證來闡明其作用的詳細分子機制。此外，近年來還發(fā)現(xiàn)氯胺酮具有抗抑郁、抗凋亡、抗炎、抗氧化等多重作用［38?39］。因此，有必要進一步闡明氯胺酮的作用機制，趨利避害，為防治氯胺酮濫用導(dǎo)致的疾病和其他相關(guān)疾病的氯胺酮治療與預(yù)防、藥物開發(fā)提供有效的靶點和策略。