NMDA受体拮抗剂和GABAA受体激动剂对未成熟大脑的影响及可能的防治措施

李清，陆江，王焱林

(1.湖北医药学院附属太和医院 麻醉科，湖北 十堰 442000； 2.武汉大学中南医院 麻醉科，湖北 武汉 430071)

随着现代医疗技术的提高，新生儿和婴幼儿手术及有创性治疗的开展越来越广泛，小儿应用全麻药物日益普遍。全麻药的共同作用机制是通过作用于中枢神经系统的N-甲基D-天冬氨酸(NMDA)受体和γ-氨基丁酸A亚型(GABAA)受体从而改变中枢神经系统的兴奋性。新近动物实验研究发现，GABAA受体和NMDA受体在大脑发育阶段发挥重要作用[1-2]，突触形成期是所有哺乳动物未发育成熟大脑都必须经历的快速发育期[3]，此时有数十亿计的突触连接网络形成，且内外环境变化对中枢神经系统影响显著[4]。若突触形成期用药物短暂性过度激动GABAA受体或(和)阻断NMDA受体，均可触发数百万计的神经元细胞凋亡[5-6]，这表明全麻药物对幼年动物脑发育有显著影响。全麻药物对人类大脑发育阶段的影响究竟如何，会不会影响小儿的学习、记忆和认知功能，现在尚不清楚。目前小儿麻醉的合理用药及安全性受到广泛关注。作者对国内外关于该领域的研究进行综述。

1 NMDA受体拮抗剂和GABAA受体激动剂对未成熟大脑的影响

几乎所有全麻药和部分神经安定镇静药的共同药理作用机制，是通过作用于中枢神经系统突触部位的NMDA受体和GABAA受体而改变中枢神经系统的兴奋性。其中作为NMDA受体拮抗剂减弱NMDA受体兴奋效应的药物有氧化亚氮、氙气、氯胺酮等，GABAA受体激动剂增强对GABAA受体抑制效应的药物包括巴比妥类、苯二氮卓类、异氟烷、七氟烷、安氟烷、地氟烷、依托咪酯、丙泊酚等。新近大量动物实验研究证实作用于NMDA受体和GABAA受体的药物对幼年动物脑发育有显著影响。中枢神经系统快速发育过程中，细胞凋亡是清除非正常神经细胞的必需方式，这保证了神经系统的合理、正常结构，但病理性细胞凋亡则将导致神经网络结构破坏。在哺乳动物未发育成熟大脑的快速发育期——突触形成期，有数十亿计的突触连接网络形成，若在此关键时期，用药物短暂性过度激动GABAA受体或(和)阻断NMDA受体，均可触发数百万计的神经元细胞凋亡[7-8]。新生鼠用临床相关浓度的全麻药处理6 h以上，可同时拮抗NMDA受体和激动GABAA受体而导致广泛的神经元凋亡。麻醉药物如氟烷、N2O、异氟烷、氯胺酮、丙泊酚等在脑快速发育期都有敏感的神经毒性，可诱发未成熟大脑神经细胞死亡、影响神经突触发育，从而导致成年后学习认知功能受损，其损害程度与剂量呈正相关[9-10]。

1.1 NMDA受体拮抗剂对脑发育的影响

NMDA 受体在神经元迁移过程中发挥重要调控作用。大脑快速发育的突触形成期是NMDA受体的过度敏感期阶段，这时表达NMDA受体的神经元细胞对其NMDA受体活性异常敏感。妊娠后期持续到出生后两星期是幼年大鼠的大脑快速发育期，在这期间短暂性应用NMDA受体拮抗剂可诱发大量神经元细胞凋亡[7]。该研究结果是在幼鼠脑冲击伤模型探讨外伤对未成熟大脑损伤影响时被发现的[11]：用适当冲击力击打出生7 d大鼠的头顶部时，外力通过颅骨传导导致受力部位对应的大脑皮层出现较小范围创伤兴奋毒性损伤和凋亡，但在其大脑对应部位深部较远位置也出现延迟性的扩散性神经细胞凋亡；在幼鼠脑冲击伤模型实验中，于头顶部冲击伤之前用MK-801(NMDA受体拮抗剂)进行预处理，结果发现，减轻了创伤部位大脑皮层的凋亡和损伤而显著增加了其对应深部扩散性延迟性凋亡，由此推测NMDA受体拮抗剂可能促进快速发育期未成熟大脑的神经细胞凋亡。进一步的实验证实，NMDA受体拮抗剂(苯环己哌啶、MK-801及氯胺酮等)可诱发出生7 d大鼠未成熟大脑重要区域神经元细胞的大量凋亡。与突触形成期处于同一时间段，人类NMDA受体拮抗剂时限性神经毒性发生在妊娠后期3个月持续到出生后3年(大脑快速发育的突触形成期)，且与年龄有相关性[7]。

1.2 GABAA受体激动剂对脑发育的影响

GABAA受体激动剂可诱发未成熟大脑的重要区域神经元细胞大量凋亡[8]。巴比妥类(如戊巴比妥、苯巴比妥等)和苯二氮卓类(如安定、咪唑安定、氯硝安定等)都可诱发幼鼠神经细胞大量凋亡且有剂量依赖性，各类GABAA受体激动剂诱发未成熟大脑神经细胞凋亡的分布部位基本一致，但与NMDA受体拮抗剂的分布型有些不同。巴比妥类和苯二氮卓类药物只诱发快速发育期大脑神经细胞凋亡且与发育年龄相关。乙醇(即酒精)既是GABAA受体激动剂又是NMDA受体拮抗剂，乙醇血浆浓度(200 mg·dl-1)作用 4 h，可诱发快速发育期未成熟大脑异常广泛和严重的神经元细胞凋亡变性[8]，电镜下观察发现乙醇对神经细胞的损伤具有凋亡的典型特征，乙醇的这种作用可以解释妊娠期孕妇服用乙醇引起的以脑组织结构改变和神经性行为异常为特征的婴儿乙醇综合征。目前GABAA受体激动剂在临床上以麻醉、镇静、神经安定及抗癫痫等药理效应用于麻醉科手术室、儿科、ICU、产科、神经内外科等。在临床应用研究中发现，巴比妥类和苯二氮卓类等药物在抗癫痫治疗中所用剂量已远远超过其诱发神经元大量凋亡的临界值，在妊娠晚期孕妇、新生儿及婴幼儿应用上述药物都可诱发胎儿或婴儿未成熟大脑重要区域的神经元细胞大量凋亡而导致其头围缩小和认知能力损害或障碍[12]。

1.3 NMDA受体拮抗剂和GABAA受体激动剂单独或联合应用对脑发育的影响

新近大量动物实验研究发现，NMDA受体拮抗剂或GABAA受体激动剂单独应用对动物神经系统发育的影响为：氯胺酮可引起剂量依赖和时间依赖性的神经变性损伤，长期使用临床麻醉浓度的氯胺酮对幼年动物中枢神经系统发育可产生神经毒性影响[13-14]；丙泊酚可诱发短暂性神经功能异常，但不引起长期的认知功能障碍；七氟烷应用于新生小鼠引起其神经元结构变化和认知功能障碍。另有研究发现，经历过麻醉的新生动物在成年后发生了认知功能障碍。目前并没有前瞻性研究来评估全身麻醉所导致一过性、短暂的神经后遗症。

目前临床上为了避免单用一种药物高浓度可能带来的副作用和提高患儿的舒适度，在小儿麻醉或用于其他治疗目的时通常选择复合用药，患儿通常同时或先后接触几种不同的麻醉、镇静或抗癫痫药。由于大多数全麻药、镇静、神经安定及抗癫痫药物都具有拟GABAA或(和)拮抗NMDA的特性，探讨复合用药在神经毒性方面作用是否相加或协同至关重要。大量的实验证据显示，几种全身麻醉药物同时使用可加重大脑皮质的损害，若同时使用即使是低浓度的氯胺酮和氧化亚氮，即可产生比药物毒性相加更强的神经毒性作用。NMDA拮抗剂和GABAA受体兴奋剂按常用剂量联合使用所导致的神经毒性严重程度可与高血浓度的乙醇相比，其引起的双重神经元凋亡损伤分布型与给予乙醇后出现的神经元凋亡分布型一致[8]。复合应用镇静浓度的咪达唑仑和氯胺酮比单独使用其中任一种药物能更显著地引起幼年小鼠大脑细胞的凋亡[3]。出生10 d的小鼠接受氯胺酮复合丙泊酚或硫喷妥钠导致发育脑组织广泛的神经退行性变，且有永久性自发活动和学习能力缺陷[7]。当丙泊酚与氯胺酮复合应用于幼年大鼠时会引起剂量依赖性神经损伤，导致行为和认知功能障碍[13]。以上研究结果提示：全身麻醉药物联合应用所致脑发育过程中神经元损伤的情况值得高度重视，系统地评估复合全身麻醉药物对小儿患者脑发育方面的影响确有必要。

2 NMDA受体拮抗剂和GABAA受体激动剂对神经干细胞(NSCs)增殖分化过程的影响

2.1 NSCs在脑发育与神经再生过程中的作用

NSCs是指存在于中枢神经系统具有自我更新、自我繁殖能力和多向分化潜能(可分化为神经元、星形胶质细胞、少突胶质细胞)，并可提供足量脑组织的细胞[15]。自1992年Renyolds从成年哺乳动物脑内分离培养出NSCs并证实成年人体内存在NSCs以来，关于NSCs研究已成为现代神经科学的研究热点[16]。大量研究已证实，NSCs广泛存在于哺乳动物胚胎和新生机体内神经系统，如海马、室管膜下区、纹状体、嗅球和脊髓等。NSCs增殖分化在神经发育与再生中起着关键性作用，学习记忆和认知功能与海马齿状回内源性NSCs的神经再生有极密切的关系。

2.2 GABAA受体激动剂和NMDA受体拮抗剂对NSCs增殖分化的影响

NSCs正常增殖分化受自身基因和外来信号共同调节。新近研究发现，细胞内游离钙离子作为细胞内外信号转导通路的信使，在NSCs增殖分化和中枢神经系统发育过程的信号转导中发挥重要作用[17-18]，细胞内游离钙离子浓度在生理范围内的升高，可促进细胞增殖分化、合成与分解代谢等正常生理过程；当细胞内游离钙离子浓度升高至钙超载时，将触发一系列病理生理变化，导致代谢紊乱、抑制细胞增殖分化或诱导凋亡发生[19]。通过影响神经细胞内游离钙离子浓度变化发挥药理作用，是NMDA受体拮抗剂和GABAA受体激动剂最重要的药理作用机制之一。细胞实验发现，异氟烷不会导致NSCs死亡，但可抑制NSCs增值和分化，并促进新分化神经细胞凋亡[20]。七氟烷和地氟烷是否抑制未成熟脑组织NSCs增值及诱发分化的神经细胞凋亡或干扰树突发育，还有待进一步研究。氯胺酮通过降低细胞内钙离子浓度明显抑制胚胎大鼠脑NSCs增殖，并诱发NSCs大量凋亡，同时影响其分化趋势，使其向星型胶质细胞分化比例明显增加而向神经元分化比例减少，且有剂量依赖性[21]。丙泊酚通过升高细胞内钙离子浓度，临床相关剂量可促进大鼠NSCs增殖向神经元细胞分化，高浓度时明显抑制NSCs增殖并诱发细胞大量凋亡[22]。最新研究发现，与细胞增殖、分化和凋亡相关的Bach1、Nrf2、Nurr1、CyclinD1、Survivin和aven基因在NSCs增殖分化和脑发育过程中发挥关键作用[23-25]。NMDA受体拮抗剂和GABAA受体激动剂是否影响细胞增殖、分化和凋亡相关基因表达，从而影响NSCs增殖分化和脑发育过程，有待进一步深入研究。

3 单唾液酸四已糖神经节苷脂(GM1)对快速发育未成熟大脑可能的保护作用

尽管有很多关于全麻、镇静、神经安定及抗癫痫药物对小儿脑发育影响的研究报道[26]，但是弃用目前在小儿手术和其他疾病治疗中常规使用的这些药物是不现实的，且在小儿群体中评价这些药物对小儿脑发育影响的工作较难开展。如何减少全麻药对小儿脑发育的影响，是迫在眉睫的课题。因此开展相关实验研究，探讨现阶段常用于小儿的全麻、镇静、神经安定及抗癫痫药物对神经系统发育的影响很有意义。

神经节苷脂(ganglioside，GS)是位于细胞膜表面的一种含唾液酸糖鞘脂，占细胞浆总脂类的5%～20%，主要位于双脂层的外表面，是大多数哺乳动物细胞膜的组成成分。GM1是GS家族的重要亚型之一，它是神经元包膜中含量最丰富的GS，只存在于神经系统中，具有促进神经再生、促进神经轴突生长和形成、恢复神经支配功能、改善神经传导、促进脑电活动及其他神经电生理指标的恢复、保护细胞膜、促进细胞膜各种酶活性恢复等作用。其可能作用机制为：(1) 作为细胞膜的保护剂，直接嵌入受损神经细胞膜填补缺损，保持细胞膜的完整性；(2) 维持细胞膜上Na+-K+-ATP酶和Ca2+-Mg2+-ATP酶的活性，减缓缺血后脑组织能量缺乏，维持细胞内外离子平衡、减轻神经细胞水肿、抑制细胞内钙的超载，抑制一氧化氮大量合成和细胞凋亡[27-28]；(3) 抑制病理性脂质过氧化反应，减少自由基的产生，增加超氧化物歧化酶、谷胱甘肽过氧化物酶、过氧化氢酶的含量，增加对氧自由基的清除能力；(4) 拮抗兴奋性氨基酸的神经毒性作用，减轻神经元细胞的变性、坏死；(5) 与内源性神经营养因子有协同作用，增强其效应[29]；(6) 促进NSCs增殖和分化[30-31]。

GM1对中枢神经系统损伤具有明显的修复作用。外源性GM1易于通过血脑屏障，聚集到受损脑区，嵌入细胞膜内，模仿内源性GM1功能，发挥其神经营养作用并抵抗各种因素所致的神经损伤。外源性GM1作为新型的神经保护剂，具有较好的临床应用前景。若围术期GM1与全麻药联合使用对快速发育未成熟大脑是否有保护效应？目前尚不清楚。如果外源性GM1与全麻药联合使用，将为围术期小儿神经系统发育的保护提供新的临床思路和措施，有重要的研究价值和临床意义。

4 总结与展望

综上所述，GABAA受体和NMDA受体在未成熟大脑发育阶段和NSCs的增值分化过程中发挥着重要作用。作用于NMDA受体和GABAA受体的药物对快速发育未成熟动物大脑发育有显著的影响。GM1对中枢神经系统损伤具有促进神经再生、促进神经轴突生长和形成、恢复神经支配功能、改善神经传导、促进脑电活动及其他神经电生理指标的恢复、保护细胞膜、促进细胞膜各种酶活性恢复等作用。若GM1与全麻药联合使用，对围术期小儿快速发育的未成熟大脑是否有保护效应？目前尚不清楚。开展这方面的研究具有重要的临床价值，可为小儿麻醉合理用药和安全性及相关围手术麻醉期脑发育的药物保护措施研究提供理论依据，同时对新型麻醉药及神经精神类药物开发具有重大指导意义。

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