异氟烷诱导术后认知功能障碍的机制及预防的研究进展

饶婉宜，鲁惠顺（浙江大学附属妇产科医院麻醉科，浙江 杭州 310000）

异氟烷诱导术后认知功能障碍的机制及预防的研究进展

饶婉宜，鲁惠顺
（浙江大学附属妇产科医院麻醉科，浙江 杭州 310000）

近年来大量实验研究表明，以异氟烷为代表的多种临床常用的吸入麻醉药可通过不同的机制对啮齿类动物的学习记忆功能产生广泛而多样的作用。线粒体功能障碍和氧化应激被认为是在异氟烷诱导的神经细胞凋亡、神经细胞功能退化中发挥重要作用。本文综述了目前已有的异氟烷引起术后认知功能障碍的比较明确的机制及预防方法。这些作用的具体机制包括抑制海马神经元脑源性神经营养因子前体的水解，促进神经元凋亡；过度活化1、4、5-三磷酸肌醇受体，引起细胞内钙离子失调；抑制乙酰胆碱，抑制长时程增强等。同时包括了目前的一些探索性预防措施的研究如右美托咪啶和氙等。

异氟烷；认知障碍；神经营养因子；右美托咪啶

异氟烷（isoflurane）、七氟烷（sevoflurane）和地氟烷（desflurane）是最常用的吸入麻醉药。吸入麻醉药可引起不同类型细胞包括神经细胞的毒性作用，导致神经元凋亡或损伤，产生术后认知功能障 碍（postoperativecognitivedysfunction，POCD）［1］，而异氟烷的毒性作用最显著。已有一系列异氟烷针对孕啮齿动物、新生啮齿动物、成年啮齿动物、老年啮齿动物的认知功能影响的研究，虽然结果不完全一致，但可明确异氟烷的神经毒性与用药时间窗、用药剂量、用药次数、年龄和性别有关［1］。大多数研究认为，孕中期幼鼠在神经发育期经临床剂量的麻醉药物作用，会导致发育中的神经元凋亡，海马神经元退化，大脑神经元数目急剧减少，抑制神经元发育和增殖，血液中神经退行性变标志物S100β增加，还能产生术后认知记忆功能障碍，并将一直延续到青春期甚至成年后［1-3］。其可能机制为多途径，如作用于天门冬氨酸（N-methyl-D-aspartate，NMDA）和γ-氨基丁酸（γ-aminobutyric acid，GABA）受体等［3］。线粒体功能障碍和氧化应激被认为是在异氟烷诱导的神经细胞凋亡中发挥重要作用［1］。本文就目前异氟烷引起术后认知功能障碍的比较明确的机制及预防方法进行综述。

1　异氟烷诱导认知功能障碍的机制

1.1异氟烷抑制BNDF前体水解，增加神经元凋亡

脑源性神经营养因子（brain-derived neurotrophic factor，BDNF）是调节中枢神经系统兴奋性突触的传递和可塑性的主要物质。在大脑发育过程中，BDNF可促进神经元生长、分化，增强各种突触的可塑性。BNDF最初是由突触小泡分泌出BNDF前体，然后BDNF前体在突触间隙经纤溶酶水解为成熟的BNDF（mBDNF）。麻醉药物之所以能诱导发育中幼鼠大脑神经元凋亡，部分是由于BDNF依赖的神经凋亡级联机制所致［4］。在2个最脆弱的大脑区域，大脑皮质和丘脑，BDNF通过激活原肌球蛋白受体激酶（tropomyosin receptor kinase receptors，Trk）受体依赖性（丘脑）或P75神经营养蛋白受体（P75 neurotrophin receptor，P75NTR）依赖性（大脑皮质）神经营养途径，促进细胞凋亡。纤溶酶是纤溶酶原被一种由突触前神经囊泡释放的蛋白酶-组织纤溶酶原激活物（tissue plasminogenactivator，tPA）水解后形成。而异氟烷恰恰能抑制这种tPA释放，导致BNDF前体不能正常水解，堆积在突触间隙与BNDF受体P75NTR结合，P75NTR诱导海马神经元凋亡［5］。进一步研究证明，异氟烷的作用部分是通过是P75NTR进一步激活Ras同族基因家族成员RhoA（Ras homolog gene family，member A，RhoA），一个小G蛋白，解聚肌动蛋白，导致细胞骨架解聚和凋亡。抑制RhoA的活化或预防下游肌动蛋白解聚，可能显著减弱异氟烷介导的发育中神经元神经毒性［6］。

1.2异氟烷与NMDA受体

NMDA受体被认为可能介导吸入麻醉剂如异氟烷和一氧化氮生成的制动作用。与野生型对照相比，NMDA受体GluRe1亚基基因敲除小鼠显示出较大的异氟烷最小肺泡浓度（alveolar concentration，MAC）值，提示对异氟烷的制动作用有抵抗。而采用血清素5-羟色胺2A受体拮抗剂酮色林或与多巴胺D2受体拮抗剂氟哌啶预处理，能消除增高的异氟烷MAC值。提示基因敲除小鼠对吸入麻醉剂的制动作用的耐受，似乎是继发于基因敲除后单胺能活性的增加，而不是NMDA受体功能受损的直接结果［7］。异氟烷（0.25，0.5，0.75和1 MAC）以浓度依赖的方式增加NMDA受体电流的幅度，同时增加细胞色素c的mRNA表达。0.5 MAC异氟烷刺激6 h后，细胞色素c mRNA的表达最高（P＜0.05）。提示在培养大鼠海马神经元，异氟烷可能通过NMDA受体促进细胞色素c的表达［8］。目前的数据表明，异氟烷可诱导海马区域的NR2B亚基合成增多，降低海马和皮质的磷酸化ERK1/2，导致空间认知功能障碍［9］。

1.3异氟烷过度活化1，4，5-三磷酸肌醇受体，引起细胞内钙离子失调

异氟烷通过内质网释放和细胞外钙内流，增加原代皮质神经元细胞内钙离子浓度。采用1，4，5-三磷酸肌醇受体（inositol 1，4，5-trisphosphate receptors，InsP3R）拮抗剂光溜海绵素（xestospongin）预处理，抑制InsP3R活动及其表达，几乎消除了异氟烷介导的原代新生大鼠皮质和海马神经元的细胞内钙离子浓度增高和细胞死亡，及出生后第7天大鼠的大脑神经变性。此外，异氟烷通过激活InsP3R的前体蛋白裂解酶，激活β淀粉样蛋白β位点。研究结果表明，通过InsP3R的过度激活，导致钙离子失调，可能是啮齿动物的神经元细胞培养和脑发育过程中，异氟烷诱导神经退行性疾病的机制之一［10］。

1.4异氟烷抑制乙酰胆碱，抑制长时程增强

乙酰胆碱（acetylcholine，ACh）与大脑学习、记忆等功能密切相关。胆碱能至海马投射主要是隔海马投射和斜角带海马投射，根据动物行为或脑电图变化，清醒过程中伴有海马胆碱能活性增强；此外，提高海马区ACh水平能增强大鼠记忆、认知功能［11］。吴安石等［12］研究证明，异氟烷抑制海马ACh的释放与剂量有关，停吸1.4%异氟烷后1 h，海马ACh的释放未完全恢复到基础水平。此外，中枢神经元α4β2亚型烟碱型乙酰胆碱受体（nicotinic acetylcholine receptors，nAChR）参与诱导海马的长时程增强（long-term potentiation，LTP）。异氟烷0.125～0.5 mmol·L-1显著抑制LTP。异氟烷对LTP的抑制作用不仅是可逆的，而且可以通过nAChR激动剂烟碱和α4β2 nAChR激动剂A85380和棘蛙素预防，而且nAChR拮抗剂美加明和α4β2 nAChR拮抗剂DHβE可模仿和加强这一效应。这些结果提示，海马CA1区神经元α4β2nAChR亚型的抑制参与异氟烷介导的LTP的抑制作用［13］。

1.5其他

我们的前期研究还证明，大鼠孕期吸入异氟烷临床相关的浓度可能会导致神经元凋亡，突触数量减少，结构不完整，致密物质减少，出生后空间记忆学习障碍。其机制可能与海马CA1区生长相关蛋白43（growth-associated protein43，GAP-43）和神经肽Y（neuropeptide Y，NPY）下调、C/EBP同源转录因子蛋白（C/EBP homologous transcription factor protein，CHOP）和胱天蛋白酶12上调有关［14-16］。

2　探索中的预防方法

2.1右美托咪啶（dexmedetomidine）

右美托咪定是选择性α2肾上腺受体激动剂，具有麻醉、镇痛和脑保护作用。已有许多研究结果表明，它能减弱异氟烷所致的新生大鼠神经细胞凋亡和神经退行性变［17］。右美托咪定的脑保护作用机制可能是通过恢复磷酯酰肌醇3-激酶/Akt的活性，减弱异氟烷所导致的新生大鼠海马神经细胞凋亡［18］。也有研究表明，右美托咪定对异氟烷诱导的海马神经凋亡的保护作用是通过JNK和P38丝裂原活化蛋白激酶通路［19］。右美托咪定也能通过抑制异氟烷诱导的胱天蛋白酶3，Bcl-2和pERK的表达增加，对皮质凋亡起保护作用，但不能完全逆转异氟烷的损伤。而且增加剂量并不增强其保护作用［20］。总之，右美托咪定是一个具有神经保护作用的麻醉辅助药物，为临床上防治POCD提供了思路。

2.2氙（xenon）

氙预处理能防止异氟烷诱导的体内外神经凋亡及认知功能恶化，而缺氧会加重异氟烷的神经凋亡。氙预处理能增加Bcl-2表达而降低细胞色素c释放和P53表达［21］。但氙的浓度增加也会引起与异氟烷类似的神经毒性，1和2 MAC氙会导致海马CA1、CA3区和齿状区神经元死亡，但0.75 MAC的氙没有这样的作用［22］。

2.3其他

白藜芦醇（resveratrol）是天然存在的植物抗毒素，在红葡萄皮和红葡萄酒中浓度高，已被证实具有抗感染、抗氧化和保护心脏的功能。研究结果表明，白藜芦醇的保护作用是独立于它的直接清除自由基的性能。用不同浓度的白藜芦醇处理神经元细胞发现，白藜芦醇可诱导线粒体超氧化物歧化酶和过氧化氢酶的表达，并减少线粒体氧化应激和损伤，通过激活Akt信号通路从而有效地减轻异氟烷诱导的神经细胞毒性［23］。对老龄小鼠采用异氟烷麻醉6 h和（或）48 h后，海马区域IL-1β、TNF-α、NLRP3及裂解的胱天蛋白酶3、Bax的水平显著增加，IkBα 和Bcl-2显著下降，而白藜芦醇预处理则能全面改善［24］。

此外，合成氨基苯并衍生物普克拉索（pramipexole）能恢复线粒体完整性，配合他药可望防止全麻诱导的线粒体和神经元损伤，以及认知功能障碍的早期发展［25］。

3　结语

大多数麻醉剂（挥发性麻醉药）对大脑发育的影响像一把双刃剑；它们在不同环境下，既有神经毒性也有神经保护作用。通过对异氟烷的神经毒性的机制研究，上述右美托咪啶和氙等可望解决此类问题。然而近年来也有研究发现，孕后期低浓度异氟烷（1.3%）暴露后，新生小鼠并未产生神经毒性反应，其认知和记忆功能也短期内（＜24 h）未受损，异氟烷组小鼠记忆功能要强于对照组。同时用2 MAC异氟烷预处理大鼠皮质神经元1 h，可减轻暴露于2 MAC异氟烷24 h的神经毒性［26］，这也提示可望通过异氟烷预处理以预防和降低其神经毒性。因此，对异氟烷机制的研究可能会改善现存的临床问题，并找到更好的解决办法。

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Mechanisms and prevention of isoflurane induced postoperative cognitive dysfunction

RAO Wan-yi，LU Hui-shun
（Anesthesiology Department，Women's Hospital，School of Medicine，Zhejiang University，Hangzhou 310000，China）

In recent years，a large number of pre-clinical cell and animal studies have shown that isoflurane as the representative of a variety of clinical commonly used inhaled anesthetics may induce neurotoxicity，including neuroapoptosis，neurodegeneration，and long-term neurocognitive and behav-ioral deficits.Mitochondrial dysfunction and oxidative stress play an important role in the side effect. This paper reviews the currently relatively clear mechanisms by which isoflurane causes postoperative cognitive dysfunction and prevention methods.Specific mechanisms of these effects include inhibition of the hydrolysis of brain-derived neurotrophic factor precursor in hippocampal neurons，promotion of neuronal apoptosis，overactivation of 1，4，5-inositol trisphosphate receptor，intracellular calcium imbalance，acetylcholine inhibition，inhibition of long-term potentiation.At the same time，current preventive studies are introduced，such as dexmedetomidine and xenon.

isoflurane；cognitive disorder；neurotrophic factor；dexmedetomidine

LU Hui-shun，Tel；13758199100；E-mail：luhs@zju.edu.cn

R971.2

A

1000-3002-（2016）02-0178-05

10.3867/j.issn.1000-3002.2016.02.014

2015-05-30接受日期：2015-12-17）

（本文编辑：齐春会）

饶婉宜，女，硕士，主要从事麻醉药理学研究，E-mail：raowanyi@163.com，Tel：15805718642

鲁惠顺，Tel：13758199100，E-mail：luhs@zju. edu.cn