全身麻醉对昼夜节律的影响研究

任 倩，陈元敬，黄 河 (重庆医科大学附属第二医院麻醉科，重庆 400010)

昼夜节律是生物在长年的演化过程中被自然选择出来的一种内源性计时机制[1]，因地球自转导致昼夜交替，1个周期为24 h。机体的许多基本生命活动都表现出明显的昼夜节律现象，如睡眠/觉醒、免疫调节等[2-3]。此外，在分子水平上，生物钟的基因和蛋白表达也在1个周期内振荡[4]。昼夜节律紊乱会严重影响机体的健康及生存。目前，尽管全身麻醉在临床上应用很普遍，但对于其作用机制尚不完全清楚。已有研究表明，麻醉能够影响生物钟及其核心成分表达和休息/活动节律的相位变化，从而引起昼夜节律紊乱[5]。但麻醉药物众多，各类麻醉药物对生物钟的基因和蛋白表达及生理行为的影响，以及分子水平和生理行为之间的联系还需要深入研究。因此，本研究将从分子水平和生理行为方面阐述麻醉对昼夜节律的潜在影响，探寻其可能的作用机制，为基础和临床研究提供参考。

1 昼夜节律的基本概念及分子机制

昼夜节律是生命对地球以24 h为周期的环境变化长期适应演化出来的内在计时机制[1]，可以让生物更好地适应外界环境的变化。机体的许多行为和生理功能都表现出明显的昼夜节律现象，如睡眠/觉醒、摄食等自主活动以及血压、心率、体温、激素分泌、细胞代谢、细胞增殖、免疫调节等[2-3]。昼夜节律的紊乱会严重影响机体的健康及生存。

在分子水平上，哺乳动物昼夜节律的中心调控由4个重要的核心生物钟蛋白组成，包括BMAL1、CLOCK、PERIOD(PER1、PER2、PER3)和CRYPTOCHROME(CRY1、CRY2)[6-8]。转录—翻译反馈环路是生物钟调控网络的核心内容，由多种核心生物钟基因和钟控基因组成，主要包括细胞内正性调控元件CLOCK、BMAL1和负性调控元件CRY、PER[1,9-11]。在哺乳动物中，转录因子CLOCK和BMAL1形成异二聚体，结合到生物钟基因Per(包括Per1、Per2、Per3)和Cry(包括Cry1、Cry2)上游启动子的E-box反应元件(序列CACGTG)上，从而激活靶基因转录。当PER和CRY系列蛋白表达累积到一定程度，可从胞浆内转移至细胞核中，以PER/CRY异二聚体形式与CLOCK/BMAL1直接作用，从而抑制其转录活性。因此，在一个自身维持的周期中，BMAL1的mRNA和蛋白含量与PER和CRY在反相中振荡。通常在没有任何外部刺激的情况下，一个完整的PER∶CRY/BMAL1∶CLOCK振荡周期约为24 h[4]。

哺乳动物的生物钟可分为中枢生物钟和外周生物钟，中枢生物钟位于下丘脑视交叉上核(suprachiasmatic nucleus，SCN)，可自主产生并维持昼夜节律[12]；外周生物钟存在于心、肾、肝、脾等组织中，一方面受中枢生物钟直接或间接调控，另一方面又可独立于SCN控制而自主运行，调控与各组织特异性功能相关的基因表达。由于体内生物钟是在地球昼夜环境周期性的变化中进化形成，因此光照是影响生物钟节律最重要的因素。外界环境的光照信息是从视网膜直接投射到视交叉上核，导致视交叉上核神经元上的N-甲基-D-天冬氨酸(N-methyl-D-aspartate,NMDA)受体被激活，引发细胞内信号级联，最终导致Per的转录[11]。因此，在光照时间内，PER和CRY蛋白水平在视交叉上核中达到峰值，而在黑暗时间里，BMAL1和CLOCK蛋白水平达到峰值[4]。

2 全身麻醉对生物钟分子成分表达的影响

全身麻醉已在临床上应用超过150年。但目前对全身麻醉的作用机制了解甚少，尤其是在靶细胞中由麻醉药物引起的分子事件及其对靶蛋白的影响。因此，确定麻醉对生物钟的影响不仅具有科学价值，而且还有重要的临床意义。有研究发现，临床上全身麻醉患者术后常出现睡眠障碍，而麻醉导致的生物钟紊乱可能是造成患者睡眠障碍的因素之一[4]。近年来也有研究表明，麻醉和睡眠可能有着共同的调节机制，尤其是和非快速眼动睡眠有共同的调节机制，麻醉药物可能通过激活或模拟内源性睡眠路径的活动起作用[13]。

一项研究表明，麻醉可以改变生物钟的常规指标，如皮质醇、褪黑激素、体温和休息/活动节律[5]。也有研究发现，不同的麻醉药物会导致不同的昼夜节律改变。但关于生物钟的指标如何受到全身麻醉的影响仍有争议。

在分子水平上，由正性调控元件和负性调控元件构成的反馈环路是生物钟最为核心的调节机制[1]。许多与生物钟有关的基因都会受到麻醉的影响，但作为生物钟核心回路组成成分之一的Per2，是麻醉后大脑中唯一表达减少的基因[14-15]。Per2存在于大脑的不同区域，但主要表达于视交叉上核[16]。

Kadota等[16]研究发现，在光/暗周期和持续黑暗条件下，吸入七氟烷能可逆性地抑制视交叉上核中小鼠Per2(mouse Per2，mPer2)的表达，在8：00～12：00使用七氟烷具有持久的效果，mPer2表达模式在麻醉后的第2天仍然受到干扰；然而，在16：00～20：00或00：00～4：00使用七氟烷，麻醉后的小鼠和未处理的小鼠没有显著差异。说明8：00～12：00麻醉会抑制mPer2表达，导致PER2蛋白延迟积累，而PER2蛋白是mPer2转录的一个调节因子，并且可能会改变麻醉后第2天mPer2表达的时间模式；同时，在持续黑暗条件下mPer2抑制率高于在光/暗周期条件下，说明光照条件下能改变麻醉对mPer2表达的影响。因为光照是视交叉上核中mPer2表达的一个主要诱导因子，可影响视交叉上核中神经肽的表达。已有研究表明，血管活性肠肽和促胃液素释放肽对视交叉上核中mPer2和mPer1表达节律的维持非常重要，即使在缺乏Cry基因而无正常转录—翻译反馈环路的视交叉上核中，神经元之间通过旁分泌神经肽能信号也能维持正常的昼夜节律[17-18]。因此，光照条件可能是通过改变这些肽类的活性进而干扰麻醉对mPer2表达的影响。七氟烷可能影响mPer2转录的活性，因为在肝中，mPer2的表达需要在mPer2启动子区域有乙酰化组蛋白。已有药理实验表明，乙酰化组蛋白在视交叉上核中会诱发mPer2的表达[19]。另外，含有PER2蛋白的复合物会将某些类型的组蛋白脱乙酰酶带入细胞核，从而导致mPer2的抑制[20]。组蛋白乙酰化的作用是由NPAS2或CLOCK的组蛋白乙酰转移酶正性调节，而由SIRT1的组蛋白脱乙酰酶负性调节，其中SIRT1是由烟酰胺腺嘌呤二核苷酸+(nicotinamide adenine dinucleotide+，NAD+)激活[21]。已有研究表明，在关灯后11.5～15.5 h(主观早晨)对小鼠进行七氟烷麻醉后，NAD+在视交叉上核中显著增加[22]。因此，七氟烷抑制Per2的转录有可能是通过增加SCN中NAD+的水平来激活组蛋白脱乙酰化，从而抑制Per2的转录[16]。

另外，Ben-Hamouda等[23]研究发现，丙泊酚可导致小鼠昼夜时点11和昼夜时点12时视交叉上核中的Per1和Per2表达下降。已有研究表明，γ-氨基丁酸(Gamma aminobutyric acid，GABA)是昼夜节律系统的主要神经递质，GABA能通过GABA受体的专一性抑制效应影响昼夜节律，而GABA受体的主要目标是挥发性麻醉药(如七氟烷和异氟醚)和丙泊酚[24]。GABAA和GABAB受体拮抗剂的联合应用可以完全阻断七氟烷对生物荧光节律的作用，提示七氟烷能通过GABA信号转导抑制Per2的表达[25]。因此，GABA激动剂类麻醉药物可能通过作用于GABA受体而影响mPer2的转录活性。

3 全身麻醉对休息/活动节律的影响

对于啮齿动物而言，不同的麻醉药物会对休息/活动节律产生不同的影响，如GABA激动剂七氟烷、异氟醚和丙泊酚都能对休息/活动节律产生不同的影响[14,26-27]。吸入七氟烷会导致小鼠休息/活动节律的相位延迟，且与给药时间无关[14]；同为吸入麻醉药的异氟醚在静息期给药对小鼠静息—活动周期无影响，只有在小鼠活动期给药时才会使静息—活动周期提前2 h[26]；静脉麻醉药丙泊酚在小鼠休息/活动节律过渡点2 h左右腹腔注射会导致休息/活动节律相位提前1 h[27]。NMDA受体拮抗剂氯胺酮在大鼠静息期给药时可使相位提前60～150 min，而在活跃期给药可使相位延迟40～200 min[28]。说明麻醉药物的类型和给药时间都能对休息/活动节律产生不同的影响。为了解释麻醉药物的类型和给药时间的差异，需要进一步分析不同麻醉药物和给药时间对与生物钟有关成分表达的影响。以上诸多实验是在持续黑暗(内源性昼夜节律)环境中进行的，而临床实践中存在着许多环境条件(如光照)。因此，即使麻醉药物能在持续黑暗的实验室条件下干扰昼夜节律，其影响也可能被光照所掩盖，因为光是最强大的授时因子。Challet等[27]研究发现在特定的实验室条件下(内源性昼夜节律/持续黑暗)，于小鼠休息/活动节律过渡点2 h左右使用丙泊酚进行麻醉，会导致休息/活动节律相位提前1 h。Dispersyn等[29]在此基础上进行研究，发现在正常的光照条件(光/暗=12 h/12 h)下，麻醉后的第1天丙泊酚可导致休息/活动节律相位提前60～80 min；在麻醉后的第2天，仍然可观察到休息/活动节律相位提前20 min；另外，在麻醉后的第1天和第2天，休息/活动节律的振幅变化幅度都较对照组降低；麻醉后第1天休息/活动节律周期的平均值下降。说明在正常的光/暗周期变化下，全身麻醉后的48 h内，丙泊酚会导致休息/活动节律的变化幅度降低，相位提前1 h。这表明光/暗周期的存在并不能掩盖麻醉的相移效应。

生理行为节律除了受生物钟基因本身的调控外，也同样受其他通路的影响，如褪黑激素的分泌和体温节律均受肾上腺素能通路的调节[30]。因此，不能理所当然地认为麻醉对生物行为节律的影响是由于其对生物钟分子成分表达的影响。此外，麻醉对生物钟分子成分表达改变的研究主要集中在小鼠的不活跃期，而麻醉对休息/活动节律改变的研究主要集中在小鼠的活跃期，如果要研究二者之间的关联，需要完善分子与行为研究之间的一致性。

4 展望

麻醉能够影响生物钟核心成分的表达和休息/活动节律的相位变化，并且处在光/暗周期变化中和持续黑暗中的动物都可观察到麻醉对休息/活动周期节律的影响，表明光/暗周期的存在并不一定会掩盖麻醉的相移效应。此外，生物钟变化的方向、类型和程度可能取决于麻醉药物的类型、给药时间和其他授时因子的影响。尽管目前有充分的证据表明麻醉能改变生物钟分子成分的表达，但还不能确定其发生机制。因为由麻醉引起的生物钟和昼夜节律变化的机制复杂，不能从单一作用途径来解释。因此，研究麻醉药物影响生物钟的机制是有意义的，且需要更多的研究来确定麻醉对昼夜节律的影响。此外，目前多数研究只集中在分析麻醉恢复后的短期影响，全身麻醉对长期昼夜节律的影响将是后续研究的方向。