全身麻醉药物的神经毒性作用机制

宋兆莹 张丽妍 于胜波

全身麻醉药物的神经毒性作用机制

宋兆莹 张丽妍 于胜波

全身麻醉药;神经毒性;副作用

自1945年Levy报道3～4岁患儿术后出现短暂情绪后遗症与麻醉密切相关以来［1］，人们一直未间断对麻醉与神经认知行为障碍之间关系的研究［2］。1999年 Ikonomidou等［3］发现NMDA受体拮抗剂氯胺酮能诱导发育期大鼠海马神经元凋亡。2003年Jevtovic-Todorovic等［4］研究表明异氟烷复合咪达吟仑能引起出生后7 d大鼠神经元凋亡大范围增加，并损害大鼠远期的学习记忆能力。此后，人们对全麻药物对中枢神经系统毒性作用的研究迅速增加。本文对全麻药物神经毒性的可能机制进行综述。

1 NMDA受体拮抗作用

N-甲基-D-天冬氨酸(NMDA)受体是谷氨酸受体的主要亚型，是一种对钙离子高度通透的配体电压门控通道受体。NMDA受体在脑发育突触可塑性、学习记忆方面都起到重要作用，如控制发育过程中大脑神经元回路的结构和突触的可塑性，诱导长时程增强作用等［5］。现在普遍认为，在神经系统发育的高峰期，神经元对突触环境的干扰特别敏感，在这时期使用氯胺酮等NMDA受体拮抗剂可干扰突触发育的环境，导致神经细胞的凋亡和损伤［3］，并表现出剂量和时间依赖性［6］。

Wang等［7］研究指出氯胺酮处理后神经元可代偿性上调NMDA受体NR1亚基。NR1是受体的功能部分，构成离子通道。NMDA受体的抑制后上调使大脑相关脑区接受谷氨酸神经递质的刺激加强，导致细胞内钙超载，钙稳态破坏，诱导细胞凋亡。

众所周知，NMDA受体功能在调控中枢神经系统神经递质的平衡中起着非常重要的作用，NMDA受体拮抗剂可引起大鼠大脑皮质的后扣带压(PC)区域和后压部皮质(RSC)区域的神经元损伤［8］，Farber等［9］推测，NMDA 受体拮抗解除了γ-氨基丁酸能神经系统对投射到PC区和RSC区域的基底前脑兴奋性胆碱能和丘脑谷氨酸能通路的抑制作用，从而导致乙酰胆碱和谷氨酸的过度释放，进而对PC区域神经元造成高刺激和伤害。

2 抑制中枢烟碱型乙酰胆碱受体活性

中枢胆碱能系统密切参与学习、记忆等认知功能，而吸入麻醉药物对中枢烟碱型乙酰胆碱受体具有较强的抑制作用。最近研究表明，在低于临床麻醉剂量时就可以明显抑制神经元 α4β2 亚型烟碱受体的活性［10，11］。而且异氟醚抑制大鼠海马LTP与α4β2亚型烟碱受体密切相关［12］。同时异氟醚麻醉后还能减少老年大鼠学海马内的乙酞胆碱含量［13］。另外，氯胺酮在低于临床麻醉剂量下也可以明显抑制神经元烟碱受体(α4β2和 α7亚型)的功能［14］。由此推测，术后认知功能障碍(POCD)可能与乙酰胆碱受体抑制有关。可见全麻药物不仅能影响脑发育，而且能够引起老年脑功能障碍。

3 细胞凋亡

Klimaviciusa等［15］研究发现氯胺酮可致体外培养大鼠小脑颗粒细胞凋亡，说明氯胺酮的毒性存在细胞内机制。氯胺酮作用后细胞内Caspase-3明显活化［16］，Caspase家族在介导细胞凋亡的过程中起着非常重要的作用，其中caspase-3为关键的执行分子。另外，促红细胞生成素 (EPO)能够减轻氯胺酮凋亡诱导作用［17］。EPO主要通过激活PI3K、Akt、GSK-3β信号通路，抑制Caspase-3的活性，从而产生保护作用。多数研究认为细胞内钙超载，钙稳态失衡是麻醉药诱导凋亡的主要机制［18］。

但近几年有研究表明，脑源性神经营养因子(BDNF)在一些条件下，通过非依赖性酪氨酸激酶(Trk)机制与较低亲和力的p75NTR(p75 neurotrophin receptor)接合后，激活c-Jun氨基末端激酶信号通路发挥诱导细胞凋亡的作用［19］。Lu等［20］研究发现，常用复合麻醉药异氟烷、咪达唑仑、氧化亚氮诱导7日龄大鼠神经细胞凋亡呈时间依赖性和BDNF依赖性，在大脑皮质细胞凋亡依赖于非依赖Trk的p75NTR的神经营养因子途径起作用，而在丘脑却是通过依赖于依赖Trk途径的p75NTR的神经营养因子途径引起神经细胞凋亡。β-雌二醇能够上调活性Akt(serine/threonine protein kinase)的蛋白水平而保护麻醉药所引起的神经细胞凋亡［20］。

异氟烷还可通过细胞内钙上调过度激活胞内IP3受体［21］、细胞死亡调节子Bcl-2蛋白家族和活性氧(ROS)相关的线粒体途径［22］或上调 Fas表达［23］等途径启动神经元凋亡。

然而Campbell等［24］研究结果显示单独或联合使用临床相关剂量的氯胺酮、一氧化亚氮和异氟烷对原代培养小鼠皮质神经元均未产生明显的神经毒性作用，仅在超临床剂量时，才产生显著的细胞毒性。可见临床使用浓度全麻药物是否具有直接的细胞毒性，还有待进一步研究。

4 影响突触可塑性

神经系统以调节神经元的内在特性和神经元间的突触连接的能力来适应不断变化的环境的特性，即可塑性。突触的可塑性变化对各种刺激极为敏感。氯胺酮可影响恒河猴神经细胞突触发生有关PSA-NCAM蛋白表达［25］。复合麻醉药咪达唑仑、氧化亚氮、异氟烷致动物易受损脑区广泛、永久性的神经元细胞凋亡跟突触发生的有关调节蛋白(synaptophysin，synaptobrevin，amphiphysin，SNAP-25，and CaM kinaseⅡ)的表达有关［26］。还有直接证据表明，临床相关浓度和时间的异氟烷麻醉能影响发育期神经元的神经突的生长速度和树突棘数量，乃至突触密度［27-29］。

吸入麻醉药异氟醚对不同年龄大鼠的记忆功能均产生损害，特别是对老年大鼠的记忆损害作用更严重，这可能与其抑制海马长时程增强效应(LTP)的形成而有关［12］。LTP是神经突触可塑性和突触传递的一种表现形式，是学习记忆的神经细胞学基础。

不仅对幼年动物，麻醉药对成年啮齿类动物产生亦明显的中枢神经系统损伤作用［30，31］。我们可以认为对外界刺激极其敏感的突触可能是成年动物神经元损伤的首要受害者和导火索。

5 影响细胞代谢

Kamiya等［32］研究发现氯胺酮能够增加大脑边缘系统的血流量和葡萄糖利用率，细胞代谢增强。活性氧是细胞正常代谢的副产物，高代谢可能产生的过多的氧自由基，会导致氧化应激损伤细胞。Willis等［9］使用不同特性的抗氧化剂(如二甲基亚砜、维生素E等)和自旋捕捉剂(如5-二乙氧基磷酰基-5-甲基-1-吡咯啉-氮氧化物等)能不同程度地减轻氯胺酮诱导的神经毒性。

另外有研究发现，异氟烷、氟烷等常用麻醉药改变了β-淀粉样蛋白前体蛋白(β-amyloid protein precusor，APP)的生成降解过程，引起Aβ二级结构发生改变，促使Aβ聚集形成寡聚体，最终形成不可溶性纤维状多肽在神经元间隙暴露沉积形成老年斑［19，33，34］。目前认为，Aβ 异常代谢是阿尔茨海默病发病的起始因素［35］，可见吸入麻醉药有增加阿尔茨海默病(AD)的风险。

6 激活细胞因子

6.1 前炎症因子 Wu等［36］研究发现异氟烷能引起小鼠脑内IL-1、IL-6和TNF-a等前炎症因子表达增加。比照临床婴幼儿使用浓度和时间，异氟烷麻醉可短暂上调发育期大鼠海马 IL-1βmRNA、IL-6 mRNA 和 TNF-αmRNA 的表达。NF-κB/IκBa信号通路可能参与了异氟烷引起的前炎症因子表达上调［37］。这些炎症因子由脑内胶质细胞分泌，在神经炎性反应和脑损伤中起到重要作用。在阿尔茨海默病(AD)模型小鼠中观察到这类细胞因子表达明显升高［38］，可见炎症机制可能在异氟烷加重AD等神经退行性病变中起到重要作用。

6.2 缺氧诱导因子 缺氧诱导因子，Hypoxia inducible factor(HIF)-1α，作为异二聚体转录因子，在调节细胞促生存和死亡的两条通路上均发挥作用。有实验发现，在正常氧压条件下异氟烷能够激活了原代培养神经元和幼鼠脑内神经元的HIF-1α，同时神经元凋亡增加，幼鼠学习记忆能力下降［39］。可见HIF-1α有可能参与异氟烷麻醉的神经毒性机制，但具体通路有待进一步研究。

上述众多研究揭示了全麻药物具有一定的神经毒性，但也有研究提出不同的见解，如:异氟烷虽然能引起发育期皮层和海马神经元凋亡增加，但是对远期的学习记忆能力没有影响［40］;单独应用异氟烷或一氧化二氮对发育期猕猴大脑没产生明显影响［41］等。因此，全麻药物与神经损伤之间的确切关系尚待进一步明确，而且到目前为止，还没有确切的临床证据说明全麻药物具有不可逆的神经毒性［42］。如今，全身麻醉药在外科手术中发挥着不可替代的作用［43］，不能因噎废食。但随着医学科学的进步，人们逐步认识到麻醉药也是“双刃剑”。如何正确认识全麻药物的神经毒性，尤其是幼儿麻醉的副作用和老年患者的术后认知功能障碍，已经成为麻醉学研究的新热点。

［1］Levy DM.Psychic trauma of operations in children and a note on combat neurosis.Am JDISChild，1945，69:7-25.

［2］Reddy SV.Effectof general anesthetics on the developing brain.J Anaesthesiol Clin Pharmacol，2012，28(1):6-10.

［3］Ikonomidou C，Bosch F，Miksa M，et al.Blockade of NMDA receptors and apoptotic neurodegeneration in the developing brain.Science，1999，283(5398):70-74.

［4］Jevtovic-Todorovic V，Hartman RE，Izumi Y，et al.Early exposure to common anesthetic agents causes widespread neurodegeneration in the developing rat brain and persistent learning deficits.J Neurosci，2003，23(3):876-882.

［5］Jensen V，Rinholm JE，Johansen TJ，et al.N-methyl-D-aspartate receptor subunit dysfunction at hippocampal glutamatergic synapses in an animalmodel of attention-deficit/hyperactivity disorder.Neuroscience，2009，158(1):353-364.

［6］Zou X，Patterson TA，Sadovova N，etal.Potential neurotoxicity of ketamine in the developing rat brain.Toxicol Sci，2009，108(1):149-158.

［7］Wang C，Sadovova N，Fu X，etal.The role of the N-methyl-D-as-partate receptor in ketamine-induced apoptosis in rat forebrain culture.Neuroscience，2005，132(4):967-977.

［8］Willis CL，Ray DE.Antioxidants attenuate MK-801-induced cortical neurotoxicity in the rat.Neurotoxicology，2007，28(1):161-167.

［9］Farber NB，Kim SH，Dikranian K，et al.Receptor mechanisms and circuitry underlying NMDA antagonist neurotoxicity.Mol Psychiatry，2002，7(1):32-43.

［10］Rada EM，Tharakan EC，Flood P.Volatile anesthetics reduce agonist affinity at nicotinic acetylcholine receptors in the brain.Anesth Analg，2003，96(1):108-111.

［11］Yamashita M，Mori T，Nagata K，et al.Isofluranemodulation of neuronal nicotinic acetylcholine receptors expressed in human embryonic kidney cells.Anesthesiology，2005，102(1):76-84.

［12］仇金鹏，朴美花，岳云，等.异氟醚对老年大鼠海马突触长时程增强效应的影响.吉林大学学报(医学版)，2010，36(5):832-836.

［13］王晖，徐志鹏，冯春生，等.老年大鼠麻醉后学习记忆能力与海马乙酞胆碱含量的关系.中华医学杂志，2009，89(33):2309-2314.

［14］Coates KM，Flood P.Ketamine and its preservative，benzethonium chloride，both inhibit human recombinant alpha7 and alpha4beta2 neuronal nicotinic acetylcholine receptors in Xenopus oocytes.Br JPharmacol，2001，134(4):871-879.

［15］Klimaviciusa L，Safiulina D，Kaasik A，et al.The effects of glutamate receptor antagonists on cerebellar granule cell survival and development.Neurotoxicology，2008，29(1):101-8.

［16］Scallet AC，Schmued LC，et al.Developmental neurotoxicity of ketamine:morphometric confirmation，exposure parameters，and multiple fluorescent labeling of apoptotic neurons.Toxicol Sci，2004，81(2):364-370.

［17］Shang Y，Wu Y，Yao S，etal.Protective effect of erythropoietin against ketamine-induced apoptosis in cultured rat cortical neurons:involvement of PI3K/Akt and GSK-3 beta pathway.Apoptosis，2007，12(12):2187-2195.

［18］Tang J，Eckenhoff MF，Eckenhoff RG.Anesthesia and the old brain.Anesth Analg，2010，110(2):421-426.

［19］Volosin M，Song W，Almeida RD，et al.Interaction of survival and death signaling in basal forebrain neurons:roles of neurotrophins and proneurotrophins.J Neurosci，2006，26(29):7756-7766.

［20］Lu LX，Yon JH，Carter LB，et al.General anesthesia activates BDNF-dependent neuroapoptosis in the developing rat brain.Apoptosis，2006，11(9):1603-1615.

［21］Zhao Y，Liang G，Chen Q，et al.Anesthetic-induced neurodegenerationmediated via inositol 1，4，5-trisphosphate receptors.J Pharmacol Exp Ther，2010，33(1):14-22.

［22］Zhang Y，Dong Y，Wu X，et al.The mitochondrial pathway of anesthetic isoflurane-induced apoptosis.J Biol Chem，2010，285(6):4025-4037.

［23］Yon JH，Daniel-Johnson J，Carter LB，et al.Anesthesia induces neuronal cell death in the developing rat brain via the intrinsic and extrinsic apoptotic pathways.Neuroscience，2005，135(3):815-827.

［24］Campbell LL，Tyson JA，Stackpole EE，et al.Assessment of general anaesthetic cytotoxicity inmurine cortical neurones in dissociated culture.Toxicology，2011，283(1):1-7.

［25］Slikker W Jr，Zou X，Hotchkiss CE，et al.Ketamine-induced neuronal cell death in the perinatal rhesusmonkey.Toxicol Sci，2007，98(1):145-158.

［26］Nikizad H，Yon JH，Carter LB，et al.Early exposure to general anesthesia causes significant neuronal deletion in the developing rat brain.Ann N Y Acad Sci，2007，1122:69-82.

［27］Lunardi N，Ori C，Erisir A，et al.General anesthesia causes long-lasting disturbances in the ultrastructural properties of developing synapses in young rats.Neurotox Res，2010，17(2):179-88.28.Briner A，De Roo M，Dayer A，etal.Volatile anesthetics rapidly increase dendritic spine density in the ratmedial prefrontal cortex during synaptogenesis.Anesthesiology，2010，112(3):546-556.

［29］De Roo M，Klauser P，Briner A，et al.Anesthetics rapidly promote synaptogenesis during a critical period of brain development.PLoSOne，2009，4(9):e7043.

［30］Majewski-Tiedeken CR，Rabin CR，Siegel SJ.Ketamine exposure in adultmice leads to increased cell death in C3H，DBA2 and FVB inbred mouse strains.Drug Alcohol Depend，2008，92(1-3):217-227.

［31］Jevtovic-Todorovic V，Carter LB.The anesthetics nitrous oxide and ketamine aremore neurotoxic to old than to young rat brain.Neurobiol Aging，2005，26(6):947-956.

［32］Kamiya T，Jacewicz M，Nowak TSJr，et al.Cerebral blood flow thresholds formRNA synthesis after focal ischemia and the effect of MK-801.Stroke，2005，36(11):2463-2467.

［33］Carnini A，Lear JD，Eckenhoff RG.Inhaled anesthetic modulation of amyloid beta(1-40)assembly and growth.Curr Alzheimer Res，2007，4(3):233-241.

［34］Xie Z，Dong Y，Maeda U，etal.The inhalation anesthetic isoflurane induces a vicious cycle of apoptosis and amyloid beta-protein accumulation.JNeurosci，2007，7(6):1247-1254.

［35］Gandy S.The role of cerebral amyloid beta accumulation in common forms of Alzheimer disease.JClin Invest，2005，115(5):1121-1129.

［36］Wu X，Lu Y，Dong Y，etal.The inhalation anesthetic isoflurane increases levels of proinflammatory TNF-α，IL-6，and IL-1β.Neurobiol Aging，2010，28.

［37］施庆余.异氟烷诱导的发育期大鼠大脑神经毒性及米诺环素的保护作用.华中科技大学，2011，博士论文

［38］Hein AM，Stasko MR，Matousek SB，etal.Sustained hippocampal IL-1beta overexpression impairs contextual and spatialmemory in transgenic mice.Brain Behav Immun，2010，24(2):243-253.

［39］Jiang H，Huang Y，Xu H，et al.Hypoxia inducible factor-1α is involved in the neurodegeneration induced by isoflurane in the brain of neonatal rats.JNeurochem，2012，120(3):453-460.

［40］Loepke AW，Istaphanous GK，McAuliffe JJ，et al.The effects of neonatal isoflurane exposure in mice on brain cell viability，adult behavior，learning，and memory.Anesth Analg，2009，108(1):90-104.

［41］Zou X，Liu F，Zhang X，et al.Inhalation anesthetic-induced neuronal damage in the developing rhesusmonkey.Neurotoxicol Teratol，2011，33(5):592-597.

［42］Vutskits L.Anesthetic-related neurotoxicity and the developing brain:shall we change practice?Paediatr Drugs，2012，14(1):13-21.

［43］Ward CG，Loepke AW.Anesthetics and sedatives:toxic or protective for the developing brain?Pharmacol Res，2012，65(3):271-274.

辽宁省博士科研启动基金(项目编号:20111114)

116044大连市第三人民医院药剂科(宋兆莹 张丽妍);大连医科大学基础医学院(于胜波)

ysbdmu@126.com