七氟醚麻醉对发育期脑组织的神经毒性作用研究进展

李帅蓉，陶利军，江波，王奋珍

(内蒙古医科大学附属医院，呼和浩特010050)

七氟醚麻醉对发育期脑组织的神经毒性作用研究进展

李帅蓉，陶利军，江波，王奋珍

(内蒙古医科大学附属医院，呼和浩特010050)

七氟醚因麻醉诱导、苏醒快，气道刺激性小，麻醉平稳等优点被广泛应用于产科和儿科麻醉中。发育期脑组织因解剖结构和生理功能不成熟，敏感且易受损。动物研究和临床研究均提示七氟醚麻醉对发育期脑组织有一定的神经毒性，其作用可能与诱导神经元异常凋亡、降低突触可塑性、引发兴奋性/抑制性神经递质失衡、造成神经元表型缺失有关。

七氟醚；七氟醚神经毒性；神经元凋亡；突触可塑性；兴奋性经递质；抑制性神经递质失衡；神经元表型缺失；脑组织；发育期脑组织；麻醉

随着外科及麻醉技术的发展，全世界每年有将近150万例婴幼儿接受全身麻醉[1]。七氟醚因具有血气分配系数低，麻醉诱导、苏醒快，气道刺激性小，血流动力学平稳等优点被广泛用于儿科和产科麻醉，并被认为在小儿全麻诱导及维持中有显著优点。但越来越多的研究发现七氟醚暴露可导致发育期脑组织神经元异常凋亡，甚至会损伤其日后的学习、记忆功能，但具体作用机制目前并不明确。阐明七氟醚对发育期脑组织神经毒性的发生机制对围术期小儿神经保护具有重大意义。现将发育期脑组织的特点、七氟醚麻醉对发育期脑组织的神经毒性作用及相关作用机制研究进展情况综述如下。

1 发育期脑组织的特点

脊椎动物中枢神经系统的发育起源于外胚层的神经管，随后发育为脊髓和大脑。啮齿类动物的神经管在孕中期形成，相当于大鼠胎龄的10.5～11 d、小鼠胎龄的9～9.5 d。而人类神经管的形成发生在孕早期，即怀孕的第3～4周[2]。人类出生时脑组织神经元的数量约为10亿个，脑组织发育期间，在多种神经生长因子、脑源性营养因子、神经递质参与调节下，不成熟脑组织向成熟脑组织转化，有50%～70%的神经元借助大脑结构、功能的正常建立而凋亡[3]，此阶段脑组织对内环境的改变非常敏感，任何对中枢神经系统的干扰因素都可能引起神经元的异常凋亡和脑组织结构、功能的长期受损。

对出生后人类脑组织发育情况的评估主要依靠尸检测量脑组织的重量。Dobbing等[4]首次提出了脑生长的快速爆发期，相当于人类胚胎后3个月至出生后第2～3年、啮齿类动物产后第7～10天。此期全脑质量迅速增加，轴突快速延伸，树突迅速出芽，突触大量形成。此期脑组织具有高度可塑性，但对内外环境改变十分敏感，这就为麻醉药物干扰其正常发育带来了可能性。

虽然传统神经解剖学依据脑组织质量可以初步评估脑组织整体的发育情况，但是无法单独观察到大脑各个区域的发育情况，而且伦理学也限制了婴幼儿传统神经解剖学的研究。在20世纪90年代，随着非侵入性成像技术的迅速发展，磁共振成像(MRI)为研究脑组织发育期特点提供了新的思路，其可相对直观地反应脑发育期白质和灰质的变化情况。MRI检查发现6岁左右儿童的脑组织体积可达成人的90%～95%[5]。胎儿6个月前脑白质与灰质的MRI显像特点与成人相反，从胎儿6个月至其出生后2个月随着脑组织含水量下降、髓鞘积累，影像学改变趋于成人。脑皮质随着年龄呈线性增长，而额叶灰质则呈非线性增长(人类11～12岁达峰，16～17岁时出现轻微减小)[6]。可见脑组织白质和灰质的发育并非完全同步，仅仅依靠脑组织质量的改变来评估脑发育情况是不全面的，分区域研究脑组织发育情况很有必要。

发育期脑组织不仅在结构上与成熟脑组织不同，其神经递质的功能也存在特异性。在成熟神经元中发挥抑制作用的γ-氨基丁酸(GABA)，在神经元发育早期是一种重要的兴奋性神经递质。发育期海马神经元中GABA和谷氨酸能突触的成熟是序贯形成的。成熟的神经元通过激活α-氨基羟甲基恶唑丙酸受体(AMPAR)来激活N-甲基-D天冬氨酸受体(NMDA)增加神经元的兴奋性。而在神经发育早期AMPAR发育不成熟，NMDA的激活需要依靠激活GABA受体实现[7]。

2 七氟醚对发育期脑组织的神经毒性作用

七氟醚最先于1990年由日本药监部门批准应用于临床，最初人们认为随着麻醉作用的消失，七氟醚从体内彻底代谢,不会产生长时间的不良影响。直到2003年Jevtovic-Todorovic等[8]首次报道七氟醚暴露可引起发育期啮齿类动物大脑神经元异常凋亡并损伤其认知功能。这一发现引起了社会和医学界的极大关注。近年来很多研究围绕七氟醚对发育期脑组织的神经毒性作用展开。

有关七氟醚对发育期脑组织神经毒性作用的临床前研究，通常以啮齿类动物和灵长类动物为主要研究对象。七氟醚对发育期脑组织的神经毒性作用主要有以下表现：①大脑神经元的缺失或形态改变：新生大鼠单次七氟醚暴露可引起海马CA1和CA3区锥体神经元缺失增加，神经元树突棘总体密度降低，原始神经元丢失、形态改变，微清蛋白(PV)中间神经元表型缺失[9～11]。②凋亡相关蛋白及基因表达改变：海马、丘脑及顶叶皮质、纹状体的凋亡蛋白酶Caspase-3表达增加[12,13]；神经型一氧化氮合酶、糖原合成酶激酶3、Blc-2及磷酸化细胞外信号调节激酶1/2表达降低,促凋亡基因Bax表达增加[14,15]。③调节突触重塑/可塑性相关基因及蛋白表达改变：海马内突触后致密物95(PSD-95)、突触素Ⅰ(Synapsin-1)、C-Fas(Fas基因家族成员)、脑源性神经营养因子( BDNF)水平下降[16]。④学习、空间记忆功能障碍:2 h以上2%～3%七氟醚暴露可导致幼鼠成年后空间记忆和学习能力受损，主要表现为逃避潜伏期延长和平台穿越次数减少[17,18]。

七氟醚对发育期脑组织的神经毒性是客观存在的，但动物研究结果是否与人类一致存在很大争议。其原因主要包括以下几点：第一，由于伦理学的限制，七氟醚暴露是否引起小儿神经系统的组织病理学改变很难确定。第二，动物研究已经发现七氟醚的神经毒性作用具有时间依赖性[19,20]，动物和人是不同物种，其大脑发育特点显著不同，啮齿类动物大脑发育时长明显短于人类，相同的七氟醚暴露时间，啮齿类动物相对于人类来说对发育期大脑作用时间更长。第三，与动物研究相比，临床研究很难将七氟醚暴露与疾病本身、手术因素相区别。第四，动物研究缺乏客观的监测手段，以排除血压波动、血氧降低、二氧化碳蓄积对研究结果的影响。第五，很多研究为回顾性研究，由于七氟醚暴露时医疗水平和监测手段的局限性，无法排除术中血压、血氧、二氧化碳分压、麻醉深度等对研究结果的影响。临床研究[21]报道，七氟醚麻醉可使新生儿血清S100-β蛋白及神经烯醇化酶水平升高，提示七氟醚暴露可能引起新生儿脑损伤；另外七氟醚麻醉与静脉麻醉相比，小儿术后行为异常的发生率更高[22]。而最近一个多中心的、关于吸入麻醉是否影响患儿术后远期认知功能的研究[23]发现，0～3岁的患儿在单次、短期吸入麻醉下行腹股沟疝修补术后，分别于8岁和15岁时测得的IQ值与相同年龄段兄弟姐妹IQ值之间无统计学差异。

3 七氟醚对发育期脑组织神经毒性作用的可能机制

3.1 诱导神经元异常凋亡 动物研究发现七氟醚暴露可引起啮齿类动物海马及大脑皮层神经元异常凋亡。七氟醚可能通过以下途径诱导神经元凋亡： ①线粒体依赖性途径： 线粒体不仅能为细胞供能，在调控细胞凋亡的过程中也发挥重要作用。线粒体通透性转变孔(MPTP)是位于线粒体内外膜之间由多个蛋白质组成的复合通道。正常情况下，MPTP周期性开放，线粒体外的正离子进入线粒体内，而线粒体内膜的质子泵将线粒体基质中的质子泵入胞浆，从而维持线粒体外正内负的跨膜电位。七氟醚通过诱导氧化应激反应、促进内质网钙超载、改变Bcl家族促凋亡蛋白表达使MPTP异常开放，导致线粒体膜电位消失、呼吸链断裂，Caspase-3及细胞色素C等凋亡因子释放，从而启动神经元的凋亡[24,25]。②死亡受体依赖性途径：死亡受体依赖性途径是细胞凋亡的经典途径之一，而Fas/FasL是主要死亡受体通路之一,七氟醚可上调Fas蛋白水平，通过激活相应膜受体，形成死亡诱导信号传导复合物，激活Caspase-8而启动凋亡级联，直接激活下游效应因子Caspase-3，通过拆散细胞骨架、阻断DNA复制和修复、干扰mRNA剪切，损伤DNA与核结构诱导神经元凋亡[26]。

3.2 降低突触可塑性 突触可塑性是指在一定条件下突触可通过改变形态而调整自身功能，以适应不断变化的环境。突触的这种可塑性主要依靠树突棘形态、数目的改变而实现。Synapsin-1、PSD-95、BNDF对突触的发生、稳定和可塑性调节起重要作用。七氟醚通过降低发育期脑组织中Synapsin-1、PSD-95、BNDF的表达，影响谷氨酸能突触成熟，降低树突棘密度和突触可塑性，使突触信息传递的有效性下降，从而引起大鼠七氟醚暴露后学习、空间记忆功能损伤[16]。

3.3 引发兴奋性/抑制性神经递质失衡 成熟神经系统依靠兴奋性神经递质和抑制性神经递质的相对平衡维持其自身的正常功能。七氟醚通过作用于NMDA、GABA受体引起发育期大脑兴奋性/抑制性神经递质失衡，进而引起行为异常和学习、记忆功能障碍的的发生。其作用机制主要有以下几点：第一，通过拮抗NMDA受体，使NMDA受体代偿性上调，待七氟醚洗出后，发育期神经元对谷氨酸的敏感性增强。第二，由于GABA在神经发育早期为兴奋性神经递质，七氟醚激活GABA受体可使发育期脑组织过度兴奋；二者协同产生兴奋性神经毒性作用[27,28]。

3.4 造成神经元表型缺失 PV中间神经元是抑制性GABA能中间神经元的主要表型，对海马及新皮层局部环路具有抑制作用，参与大脑学习、记忆及信息传递。动物研究[11]发现PV中间神经元的表型缺失与七氟醚暴露后引起的小鼠认知功能损伤是同时发生的。PV中间神经元缺失后大脑表现为过度兴奋，引起认知功能损伤[29]。

总之，七氟醚作为临床上常用的小儿吸入麻醉药，其对发育期脑组织的神经毒性是客观存在的。虽然七氟醚引起发育期脑组织神经毒性的机制在动物研究中取得了一些进展，但由于伦理学的限制、人类神经系统的复杂性在临床研究中进展受到一定限制。随着基础生命科学、麻醉学、神经心理学的发展，有可能在不远的将来就会阐明七氟醚对发育期脑组织神经毒性的作用机制，进而制定围术期发育期脑组织的保护策略。

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内蒙古自治区卫生和计划生育委员会医疗卫生科研计划项目(201303068)。

陶利军(E-mail: 50944550@qq.com)

2017-05-25)