婴幼儿心脏手术中右美托咪定对发育期神经保护作用研究进展

魏碧玉 高明龙 刘晴晴 刘永哲

1山西医科大学麻醉系（太原030000）；2中国人民解放军总医院第七医学中心（北京100000）

先天性心脏病占所有出生缺陷的0.8%～1.2%，每1 000 例新生儿中就有5.8 个患有先天性心脏病，随着心外科技术的发展，90%的先天性心脏病患儿都能存活至成年以后［1］。但一项调查显示了患儿在心脏手术后一年，14.5%的患儿神经发育状况延迟［2］。发育期神经损伤的危险因素与患儿多在五个月以内、神经发育不完善、CPB 所致缺血再灌注损伤诱发神经炎症及麻醉药的神经毒性作用有关，尤其是紫绀型先天性心脏病患儿多属于早产儿和新生儿，大多出生后Apgar 评分低、肺功能差、有抢救史、手术时间长、成为了心脏病手术后神经缺陷的高危人群［3］。随着患儿年龄的增长，表现出记忆力减退、运动、认知和语言功能发育延迟，经MRI 检查可发现脑梗塞、脑出血、海马区容积减少等［4］，发现后神经细胞已经出现了不可逆损伤，所以预防性药物的研究迫在眉睫。已经有研究表明Dex 可通过抗炎、抑制细胞凋亡、减轻七氟烷的神经毒性对发育期神经损伤有预防作用［5］。目前Dex 围术期应用数据主要来自成人，而对于婴幼儿主要用于术后镇静，而术中用于预防发育期神经缺陷少有研究，限制了Dex 在婴幼儿心脏手术中神经保护方面的使用。这篇综述从CPB、麻醉等方面分别阐述了Dex 对发育期神经损伤的保护作用，指导Dex 安全有效的应用于临床，减少发育期神经缺陷对患儿以后工作学习的影响。

1 婴幼儿CPB 对Dex 药代动力学的影响

虽然在CPB 期间和术后Dex 越来越多的应用于婴幼儿，但是说明书中并未说明使用剂量。Dex 在肝脏中经肝尿苷-5-二磷酸葡萄糖醛酸转移酶直接葡糖醛酸化和肝细胞色素P450CYP2A6 介导的脂肪族羟基化，然后经肾脏排泄，1 岁以内的婴幼儿受尚未成熟的药物代谢酶系统及术中CPB 的影响，Dex 的使用区别于成人［6］。CPB 可降低药物的清除率，增加药物的分布容积，一项单中心试验以＜36 个月的婴幼儿为研究对象，经计算得出CPB 前10 min内负荷剂量为0.7 μg∕kg，随后在CPB 中维持输注0.2 μg∕（kg·h）或0.25 μg∕（kg·h），维持目标血药浓度0.6 ng∕mL 可保证安全有效的镇静效果，并且以这个剂量输注不会造成低血压和心动过缓［7］。CPB 结束后回到重症监护室，Dex的药代动力学受CPB 时间的影响，CPB 时间超过60 min 时Dex的清除率随着CPB时间延长而下降；术后新生儿连续输注量为0.3 μg∕（kg·h），婴儿连续输注量为0.75 μg（∕kg·h），可达到满意的镇静效果［8］。这两项研究提示，婴幼儿药物代谢酶系统不成熟、生理功能不稳定不能以成人剂量应用于婴幼儿，不管是在CPB 中还是CPB 后，要考虑CPB 对肝、肾功能损伤及内环境的破坏，减少镇静药的使用、以免发生药物蓄积，造成低血压或心跳骤停等不良事件。

2 Dex 可减轻缺氧造成的发育期神经损伤

2.1 先天性心脏病患儿术中CPB 所致缺氧可诱发脑损伤 婴幼儿脑血流占心输出来量的20%，脑耗氧量为全身耗氧量的50%而成人只占20%，缺氧5 min 便会造成神经细胞的不可逆损伤，先天性心脏病患儿由于低灌注和低氧血症造成脑氧输送减少，尤其是CPB 期间的非搏动性低灌注和深低温均可导致脑血流自动调节功能受损［9］。大脑海马神经元是对缺血缺氧最敏感的区域，分布着大量的小胶质细胞，是中枢神经系统最主要的免疫防线，为大脑提高了一个高度动态和高效的监测系统，小胶质细胞经典激活型（M1 型）促进释放炎性因子，而替代激活型（M2 型）促进组织修复和再生，脑缺血缺氧时，外周氧自由基、炎症因子等通过血脑屏障进入脑组织，中枢小胶质细胞迅速被激活，释放大量的炎症因子，肿瘤坏死因子α（tumor necrosis factor α，TNF-α）、白细胞介素6（interleukin 6，IL-6）、IL-1β 等损伤脑组织［10］。研究表明海马区过度的炎症反应与海马神经元活力降低与记忆受损有关［3］。LATAL 等［11］对48 名曾经做过心脏手术的青少年的脑部核磁研究表明，与正常青少年相比，心脏手术后孩子的海马体积下降了10%，且与孩子轻度认知障碍、社交和沟通能力受损、注意力不集中有关。复杂型先天性心脏病患儿手术前，用高分辨率和运动校正的T2 加权图像对脑功能进行评估，使用相差血管造影术计算脑氧输送量（cerebral oxygen delivery，CDO2），发现皮质灰质体积和皮层折叠指数（gyrifcation index，GI）减少的患儿与脑氧输送量减少有关，该研究指出CDO2 减少与皮质受损密切相关，是以后脑神经发育缺陷的早期预测因子，但是皮质受损组和健康孩子脑血流量和脑氧饱和度却没有差异［12］，因此在CPB 中使用目标导向灌注，动脉泵流量基于氧输送而不是基于体表面积和温度是否可以降低发育期神经缺陷还有待进一步大样本量研究。

2.2 Dex 可减轻缺氧诱发的脑损伤 研究表明不管在体内实验还是体外实验，Dex 均可通过抑制核蛋白转录因子（nuclear factor kappa B，NF-κB）磷酸化、小胶质细胞的活化、改造小胶质细胞M1 表型到M2 表型发挥抗炎作用，从而减少大脑皮层区神经细胞凋亡［13］。胞内活性氧在调控小胶质细胞的表型极化中起重要作用［14］，Dex 能否通过改变胞内活性氧的浓度促进小胶质细胞表型极化发挥神经保护作用，还有待进一步研究，但是为发育期神经缺陷治疗提供新思路。Dex 可调节microRNA 和靶细胞毒性颗粒相关RNA 结合蛋白1（target cytotoxic granule associated RNA binding protein like 1，TIAL1）之间的相互作用诱导神经保护作用，在体外，过氧化氢（H2O2）处理诱导神经细胞凋亡，乳酸脱氢酶释放，细胞内钙积累，以及丙二醛和活性氧的产生，H2O2处理抑制microRNA-223-3p 的表达，并增强TIAL1 的表达，Dex 可增强microRNA 的表达抑制氧化应激造成的神经毒性作用［15］。对缺血缺氧性脑损伤，至今没有好的治疗方法，研究表明长的非编码RNA（long noncoding RNAs，lncRNA）在缺血缺氧性脑损伤的神经发育和发病机理中起重要作用。母系表达基因3（maternally expressed gene，MEG3），MEG3 的沉默或miR-129-5p 的上调降低了神经细胞凋亡率和脑萎缩程度，并且还增强了缺血缺氧性新生小鼠的学习和记忆能力，MEG3 直接靶向并抑制miR-129-5p 的表达，Dex 可促进MEG3 的沉默，抑制细胞凋亡［16］。Dex 还可抑制缺氧引起的NF-κB∕COX-2（Cyclooxygenase 2）通路激活，抑制海马神经元凋亡［17］。Toll 样受体4（TLR4）是细胞表面的模式识别受体，除在免疫细胞中表达外，在心、肾、脑、肺各个器官中广泛表达，作为“分子警察”监测着细胞的功能，是介导炎症反应的重要受体，Dex可抑制TLR4∕NF-κB 通路对新生鼠海马C3 区发挥保护作用［18］。缺氧诱导因子-1（HIF-1）是有转录活性的核蛋白，与缺氧适应、炎症发展相关，当细胞缺氧时，HIF-1α 才会在细胞中表达，在氧-葡萄糖剥夺皮质神经元细胞中Dex通过上调HIF-1α 抑制神经元自噬，上调B 淋巴细胞瘤-2 基因（B-cell lymphoma-2，Bcl-2）抑制神经细胞凋亡［19］。神经细胞缺血缺氧线粒体受损时，线粒体中细胞色素C（CytC）释放，线粒体凋亡途径激活，Dex 抑制线粒体生物发生和线粒体呼吸复合体，调节线粒体膜电位，激活Bcl-2 抗凋亡蛋白，减轻神经细胞凋亡［20］。CPB 后给予Dex，Dex 通过调节幼鼠海马区JAK2 和STAT3 蛋白的磷酸化抑制炎症减少凋亡发挥神经保护作用，CPB 前给予Dex 是否效果更显著，还有待于进一步临床实验证明［21］。Dex 在快通道麻醉脑保护中也显示出了优越性，小剂量阿片类药物、镇静药，快速拔管是快通道麻醉的特点，但是心脏手术中氧化应激，血流动力学不稳定带来了神经损伤，与对照组相比，Dex 组脑氧摄取率高、动静脉乳酸差小、术后拔管时间短、血液中S100β 蛋白和神经元特异性烯醇化酶（NSE）偏低［22］。

综上，Dex 结合中枢神经系统α2 受体通过多种经典抗炎、抗凋亡通路稳定神经系统微环境，减轻缺氧引起的发育期神经细胞损伤，在错综复杂的网络中Dex 的神经保护机制在分子和基因水平仍然尚未阐明，尤其局限于分子水平，在基因水平涉及的领域尚少，需要不断探究，不断研究扩大Dex 的使用范围。

3 Dex 通过调节突触可塑性发挥脑保护作用

突触可塑性是突触之间的连接强度具有可调节的特性，控制突触信息传递与学习和记忆密切相关，研究表明在小鼠海马C1 区，RAS 家族小GTP 酶（RAS、Rap1、Rap2）是控制突触可塑性的分子开关，可独立调节同一突触的不同形式的突触可塑性［23］。再灌注过程中，大脑突然暴露于高氧环境中，氧自由基生成增多，Dex 预处理6 d 龄幼鼠可减轻氧化应激造成的神经元增殖和突触可塑性，降低RAS、Rap 表达，对高氧诱导的齿状回神经损伤有保护作用［24］。缺血缺氧促使去甲肾上腺素（NE）释放增多和谷氨酸堆积，激活N-甲基-D-天冬氨酸受体（N-methyl-D-aspartic acid receptor，NMDAR），激活Ca2+依赖性蛋白酶活性，导致细胞损伤，Dex 在突触前膜减少NE 和谷氨酸释放，在突触后膜调节β 受体和下游蛋白激酶A（protein kinase A，PKA）抑制NMDAR 激活，抑制突触后长时程增强阻止海马CA1区神经元缺血引起的的病理性突触可塑性，保护神经元免受相对短暂的缺血所造成的功能损害［25］。同一突触不同形式的突触可塑性的分子调节机制尚不清楚，Dex 对突触可塑性调节的研究不仅对发育期神经保护发挥了重要作用，也促进了突触可塑性调节的研究，对记忆缺陷等神经疾病的治疗也是一个重大的突破。

4 Dex 可减轻七氟烷的神经毒性作用

4.1 七氟烷对婴幼儿具有神经毒性所用 七氟烷具有无气道刺激性、诱导快速平稳、在体内基本不代谢而以原形从肺部排出，且同时有镇静和肌松作用等诸多优点，广泛应用于婴幼儿的麻醉诱导与维持［26］。2 岁以内是全脑质量迅速增加、突触数量达到峰值和突触间建立联系的关键时期［27］。为先天性心脏病患儿麻醉，麻醉医生最常被问到的问题是“麻醉是否会影响到孩子的神经发育”、“孩子的记忆力是否会受到损害”、“日后的学习是否会产生障碍”等问题。大量的动物研究指出，未成熟大脑接触全麻药可造成神经凋亡、抑制突触间建立联系［28］。在3 项大型临床回顾性研究中指出，2 岁以内健康儿童接受全身麻醉与术后神经发育不良后果的关系很小，但是早产儿、先心病患儿接受麻醉后发生神经发育缺陷的危险性大大增加［29］。

基于以上研究，2016年美国食品药品监督管理局（FDA）建议，3 岁以下的儿童和妊娠最后3 个月的妇女，重复应用全身麻醉药和镇静药，可能会影响儿童发育。先天性心脏病婴幼儿常使用七氟烷，且麻醉时间超过3 h，术后超过24 h 镇静，且有的危重患儿有二次开胸经历。近年动物实验表明七氟烷通过激活突触外NMDA 受体、增加FAS蛋白的表达、抑制胎儿神经干细胞的表达呈剂量依赖性促进脑部多区域神经细胞凋亡，造成发育期神经受损［30］。WILLIAMS 等［26］指出小儿术后躁动与七氟烷麻醉有关，特别是在学龄前儿童，与患儿神经不良预后有关，所以临床上选择性使用七氟烷，在脑电双频指数的指导下用最少的七氟烷达到合适的麻醉深度。

4.2 Dex 可减轻七氟烷对婴幼儿的神经毒性作用 随着神经毒性和术后躁动研究的深入，预防药物及机制也成为了研究热点。丝氨酸∕苏氨酸激酶（Akt）是一种原癌基因，它在调控细胞生长、增殖方面有重要作用，脑源性生长因子（brain-derived neurotrophic factor，BDNF）与酪氨酸激酶受体结合可激活磷脂酰肌醇激酶3（phosphatidylinositide 3-kinases，PI3K）进而活化Akt，促进神经细胞的增殖和分化［31］。

LI 等［31］发现在新生大鼠中，Dex 可解除七氟烷诱导的海马神经元细胞周期停滞，增加酪氨酸激酶B（tyrosine kinase B，TrkB）和BDNF 的表达，促进神经细胞增殖，保持神经系统的功能。自噬是真核生物中不同于细胞凋亡的程序性死亡，缺血、缺氧、线粒体受损都可诱发自噬，在细胞内发挥“清道夫”的作用，促凋亡基因BCL2-Associated X（BAX）表达增多可以促进细胞自噬和凋亡，Dex 通过抑制细胞凋亡和自噬作用减轻七氟烷对发育中神经的毒性作用，在丘脑中保护作用最大，海马区和皮质区域保护作用最低［32］。SHAN 等［33］对孕20 d 的大鼠进行七氟烷麻醉4 h，生后第一天Dex 预处理组小鼠的海马神经元线粒体动力相关蛋白（dynamin-related protein 1，Drp1）表达显著减少，Drp1 是GTP 酶家族成员，根据线粒体形态调节线粒体融合与裂解，Dex 可作为Drp1 抑制剂减轻七氟烷对发育期神经的毒性作用，所以可以推断线粒体的动力异常在早期神经发育中起了重要作用，提示可从细胞器的动力学平衡研究神经发育。妊娠20 d 的孕鼠暴露于3%七氟醚2 h 或4 h，后代的海马C1 区神经元轴突损伤，刚出生后幼鼠凋亡相关蛋白的表达包括BAX 和半胱天冬氨酸蛋白水解酶-3（cysteinyl aspartate specific proteinase-3，caspase-3）以及神经细胞轴突损伤标志物淀粉样蛋白前体蛋白（amyloid precursor protein，APP）和脑衰反应调节蛋白2（collapsin response mediator protein-2，CRMP-2）在出生后1 d 和3 d 表达增多，骨形态发生蛋白（bone morphogenetic protein，BMP）∕Smad 通路可调节神经细胞的自我更新和分化、细胞增殖、迁移和凋亡，Dex 可剂量依赖性的激活BMP∕Smad 通路减轻七氟烷的神经毒性作用［34］。对于降低七氟烷麻醉后躁动的发生率，一项meta 分析中Dex 相比丙泊酚、氯胺酮、咪达唑仑与芬太尼有很大的优越性，Dex 不会诱发组织学损伤并且当与另一种麻醉剂一起施用时显示出有益效果［35］。所以不管是动物实验还是临床研究Dex 通过多条信号通路对婴幼儿发育期神经保护发挥了重大作用，为Dex 能安全应用于孕妇和小儿奠定了基础，解决了小儿全身麻醉选择药物的难题，选择性α-2 肾上腺素能受体激动剂Dex 被认为是一种替代的无毒镇静剂。

5 结语与展望

婴幼儿先天性心脏病术后发育期神经缺陷受到医学界的广泛关注，轻度认知障碍、社交和沟通能力受损、注意力不集中严重影响了患儿往后的正常工作和学习，加重了家庭和社会的负担。近年来Dex 在婴幼儿神经保护方面取得了很大的进展，减轻七氟烷的神经毒性、改善缺氧引起的神经损伤及影响突触的可塑性方面，机制越来越明确，在围术期稳定中枢神经系统微环境中发挥很大的作用，可能对于某些患儿，是否使用预防药物对他的神经预后是截然不同的结局。但是由于医生缺乏对Dex 药代动力学方面数据的掌握，以及说明书指明18 岁以下不建议使用，所以大部分研究结果均来自动物实验，临床多中心随机实验较少，先心病孩子如果能随访到成人以后，得出Dex 对神经远期预后的影响则更有意义，如果临床上可以联合应用一些对神经预后有预测作用的监测指标，如脑氧饱和度评判右美托咪定的神经保护效应则更有意义。