咖啡因对早产儿神经系统的保护作用

蒋晓东，王建辉，包蕾

(重庆医科大学附属儿童医院，儿童发育疾病研究教育部重点实验室，国家儿童健康与疾病临床医学研究中心，儿童发育重大疾病国家国际科技合作基地，儿科学重庆市重点实验室，重庆 400014)

早产儿呼吸暂停(apnea of prematurity，AOP)是早产儿常见的呼吸系统疾病，频繁的呼吸暂停会导致早产儿神经系统损害，影响患儿的近期及远期预后。咖啡因是临床预防和治疗AOP的一线药物，其用于治疗AOP已有40余年的历史，相比其他黄嘌呤类药物，咖啡因具有疗效好、半衰期长、不良反应少、给药方便及常规剂量下无需进行血药浓度监测等优点，现已成为治疗AOP的首选用药[1]。随着咖啡因在AOP治疗中的广泛应用，近年来其对改善早产儿神经系统预后的作用逐渐引起新生儿学界的重视。目前动物实验及临床研究均显示咖啡因对早产儿神经系统具有保护作用，并且对有关咖啡因神经保护作用的机制也进行了相应探索，本文就咖啡因对早产儿神经系统发育的保护作用作一综述。

1 咖啡因的药理学基础和临床应用

咖啡因是甲基黄嘌呤类生物碱，作为腺苷类似物，可以非选择性地拮抗腺苷受体发挥其药理或毒理作用。腺苷受体可分为A1、A2A、A2B和A3四种亚型，其中A1受体对腺苷的亲和力最高，A2A、A2B和A3受体的亲和力逐渐降低[2]。在中枢神经系统(central nervous system，CNS)中，A1受体主要分布在海马、大脑和小脑皮层、丘脑核、某些突触前膜以及少突胶质细胞等表面，而A2A受体则集中分布于尾壳核、核壳、伏隔核和嗅结节[3]。

目前，咖啡因在临床中广泛用于早产儿AOP的预防和治疗。早产儿体内具有较高的基础腺苷水平，低氧和(或)炎症可使其浓度进一步升高，受体表达亦随后增加[4]。腺苷激活A1受体，抑制腺苷酸环化酶活性，从而抑制腺苷三磷酸(ATP)转化为环磷酸腺苷(cAMP)，导致胞内cAMP降低，减少Ca2+内流，进而抑制兴奋性谷氨酸的传递，引发呼吸抑制。腺苷也可通过激活位于延髓呼吸中枢中的γ-氨基丁酸(GABA)能神经元上的A2A受体导致GABA释放增加，引起延髓呼吸神经元节律性放电活动减少而导致呼吸暂停[3]。咖啡因经静脉注射后，可迅速分布至CNS，通过拮抗A1受体解除腺苷的呼吸抑制效应，同时拮抗A2A受体，解除GABA能神经元对呼吸的抑制[3]。此外，咖啡因还能增强外周化学感受器的敏感性，刺激正常呼吸节律的形成。

咖啡因治疗AOP的有效性和安全性已得到广泛共识，除呼吸系统受益之外，其对中枢神经系统功能的保护作用也越来越引起临床的关注。

2 咖啡因的神经系统保护作用

2.1 动物实验

动物实验显示咖啡因具有神经保护作用[5-6]，实验大多利用新生大鼠大脑与人类胎儿胚胎28～32周大脑相似的特点，研究咖啡因对新生大鼠大脑的影响，间接探究咖啡因对早产儿大脑的影响[7]。

脑室周围白质损伤(periventricular white matter injury，PWMI)是导致早产儿脑瘫和认知功能障碍最主要的因素，以大脑髓鞘化延迟、大脑皮质容量减少及继发性脑室扩大为特征。通过慢性低氧刺激和激活A1腺苷受体可建立新生大鼠的PWMI模型，Back S A等[5]研究发现，咖啡因可以改善PWMI新生大鼠的大脑髓鞘化，并减少脑室扩大，提示咖啡因可作为预防PWMI的有效手段。缺氧缺血(hypoxic ischemia，HI)多发生于早产儿，可导致多动症、学习记忆障碍和运动不协调等并发症。Potter M等[6]比较咖啡因与生理盐水对HI脑损伤大鼠模型的干预效果，发现咖啡因治疗组在运动学习能力、对声音的反应敏感度以及非空间迷宫实验均明显优于生理盐水组，并且可以提高大鼠的长期学习能力。Hasan K等[8]研究发现咖啡因可以明显减少由缺氧缺血引起的新生大鼠CNS神经细胞凋亡，尤其海马及顶叶皮质神经元，这可能与提高大鼠长期学习能力有关。

在神经解剖结构方面，有研究发现持续的咖啡因皮下注射可以使大鼠的前额皮质锥体神经元树突长度较生理盐水组显著延长，且这种改变可以一直持续到青春期后(生后70 d)[9]，这将有助于解释咖啡因对边缘区域及细胞结构方面的影响，而这些区域和结构是认知功能的基础，咖啡因提高新生大鼠认知功能可能与其引起树突结构的变化有关。

2.2 临床研究

在临床研究中，咖啡因的神经保护效应主要体现在咖啡因对早产儿神经功能评估、脑电生理及头颅影像学的改变。

Schmidt B等[10]研究从神经功能评分证实了咖啡因的脑保护效应，该研究为一项大样本多中心随机对照研究，出生体质量在500～1 250 g的早产儿随机接受咖啡因治疗或等剂量生理盐水治疗。随访至18～22个月时，发现咖啡因组的脑瘫发生率及中重度认知功能发育障碍明显低于安慰剂组[11]，且咖啡因的使用几乎使脑瘫率减半；5岁时随访发现咖啡因组的大运动发育明显优于安慰剂组[12]，并且咖啡因可明显降低运动协调发展障碍(developmental coordination disorder，DCD)的发生率，后者与儿童学习障碍、行为问题以及自信缺乏等密切相关。11岁时对患儿的手部精细操作、手眼协调能力、静态以及动态平衡能力进行测试，结果显示咖啡因组运动障碍的发生率明显降低[13]。另外，Maitre N L等[14]发现咖啡因治疗可以改善早产儿的听觉处理能力，与早产儿的神经系统预后密切相关。

头颅影像学方面，维多利亚婴儿脑研所对分别接受咖啡因和等剂量生理盐水治疗的出生体质量<1 251 g的早产儿进行头颅核磁共振(MRI)扫描，扩散加权成像显示，咖啡因治疗组患儿在表观、径向及轴向扩散系数上明显降低，尤其在脑的优势区域改变最为显著，这些表观扩散系数的降低代表了脑白质组织的成熟[15]。这种改变不是通过减少肺损伤的发生来介导的，表明咖啡因是直接发挥脑保护作用的。

在脑电生理方面，钱瑞英等[16]分别对咖啡因组及未采用任何呼吸兴奋药物的对照组行振幅整合脑电图(aEEG)检测，结果显示，在同一校正胎龄咖啡因组的暴发间期明显短于对照组。而暴发间期的缩短是反映早产儿大脑成熟的标志[17]。此外，Supcun S等[18]发现给予胎龄<34周的早产儿注射咖啡因，与对照组比较，30 min后咖啡因组患儿aEEG连续性更高，且振幅明显升高。Hassanein S M等[19]研究得出相似的结果，并且发现咖啡因使用4周后随访aEEG仍提示患儿脑电活动增强。

3 咖啡因脑保护作用可能存在的机制

3.1 咖啡因减少颅内出血的发生

颅内出血是早产儿发生中重度神经系统不良结局的独立高危因素[20]。Dobson N R等[21]发现早期使用咖啡因可以明显减少颅内出血，包括严重的脑室内出血，其机制可能与咖啡因减少脑血流灌注有关。有研究[22]显示，神经元、星形胶质细胞与脑血管平滑肌在CNS中组成的血管神经单元是腺苷与咖啡因调节脑小动脉张力的基础，其中星形胶质细胞是连接神经元与脑血管之间的桥梁，形成神经血管耦合。缺氧是早产儿发生颅内出血重要的高危因素，在缺氧条件下局部脑组织产生大量腺苷，激活神经元突触前膜A2A受体，促进前突触释放谷氨酸，使其在突触间隙的浓度升高，并与相邻胶质细胞表面受体结合，引起胶质细胞ATP释放增加，后者迅速转化为腺苷，形成正反馈，大量增加的腺苷激活脑小动脉平滑肌细胞上A2受体引起血管平滑肌扩张。而咖啡因通过阻断突触前膜A2A受体抑制兴奋性谷氨酸释放，通过阻断上诉过程减少血管神经耦合，同时咖啡因可直接作用于血管平滑肌上的A2A和A2B受体，通过 GS-AC-PKA 路径而引起血管收缩[23]，从而减少脑血流量，降低颅内出血风险。

3.2 对抗氧化防御机制的作用

由于抗氧化防御系统在新生儿期不成熟，尤其是早产儿的抗氧化应激能力更弱，当早产儿从宫内相对缺氧条件过渡到宫外相对高氧状态时，早产儿极易遭受氧化损伤[24]。Endesfelder S等[25]发现咖啡因可通过减少活性氧的产生、磷酸化作用及拮抗神经细胞膜上A1受体减少β-淀粉样蛋白积累，发挥其抗氧化作用，保护人体免受氧化应激损害。Endesfelder S等[7]也发现咖啡因可以通过增加抗氧化酶及激活Nrf2-Keap1旁路途径调控抗氧化基因表达，促进抗氧化物质的生成，调节氧化还原转录因子的表达，减少氧化应激激活的炎症反应，下调炎症因子水平，也可以通过减少活性氧激活的DNA聚合酶过度激活引起的细胞凋亡，并减少由细胞裂解Ca2+释放诱导的促凋亡因子的产生。

3.3 改善神经元髓鞘化障碍

持续发作AOP可导致患儿缺氧发作，以及应激、炎症反应会导致腺苷水平急剧增加[26]，后者可进一步激活少突胶质祖细胞上的A1受体，使其过早成熟而引起神经细胞髓鞘化障碍，引起神经元脱髓鞘化，并影响神经元的转移、增殖及分化[5]，并最终导致PWMI的发生。咖啡因作为腺苷受体阻断剂，可能通过阻断A1受体，改善不良因素刺激下神经细胞的髓鞘化障碍，从而发挥脑保护作用。

3.4 调节脑源性神经营养因子的表达

动物研究表明，咖啡因通过作用于Ca2+/cAMP反应元件结合蛋白(response element binding protein，CREB)发挥神经保护作用[27]。CREB介导脑源性神经营养因子(brain-derived neurotrophic factor，BDNF)的表达，该产物是一种促进神经细胞存活及神经细胞成熟的生长因子，可促进突触生长及增加突触的可塑性，同时促进海马区记忆相关蛋白的表达。并且该实验发现暴露于临床相关浓度的柠檬酸咖啡因(100～500 μmol)后可以启动上诉神经保护机制[27]，将有助于解释临床使用咖啡因增加新生儿的记忆及学习能力的现象。

3.5 拮抗谷氨酸诱导的神经兴奋毒性

苏兴文等[28]通过体外神经元培养观察到咖啡因可以拮抗谷氨酸诱导的神经兴奋毒性，而后者可诱导神经元的凋亡。目前研究[29]认为，谷氨酸神经兴奋毒性主要是通过神经元膜上的N-甲基-D-天冬氨酸受体(N-methyl-D-aspartic acid receptor，NMDA)及电压依赖性钙通道作用，引起胞外的钙大量内流，或神经元发生“钙超载”而触发细胞死亡；而咖啡因可以通过拮抗NMDA受体及腺苷A1及A2a受体发挥其神经保护作用[30]，但具体作用机制有待进一步探讨，值得注意的是这种保护作用可能与缺氧缺血性脑损伤、癫痫等密切相关。

3.6 增强脑神经元自身修复能力

在动物模型中，咖啡因通过细胞内钙诱导的钙释放，导致相关蛋白磷酸化和诱导基因表达，从而增强神经元的可塑性，通过这些机制，咖啡因可以改变神经突触的形态，诱导产生更大的棘突，改变了神经网络，增加了大脑不同区域之间的新的连接途径[31]。当早产儿大脑发育受到损伤和干扰时，改善神经元的重塑能力对恢复神经功能至关重要。

4 咖啡因脑保护作用目前存在的争议

在一些缺氧缺血的动物模型中，腺苷被证实可以保护脑避免能量衰竭和细胞死亡[32]，咖啡因在阻断腺苷受体的同时也可能阻断腺苷发挥其保护作用。但有研究通过基因工程敲除小鼠的腺苷脱氨酶表达基因，使其体内腺苷水平达到正常小鼠的100倍以上，不但没有观察到腺苷的保护作用，相反的是观察到脑白质及灰质体积明显减小，以及继发性脑室扩大等PWMI的临床表现[33]；也有报道妊娠期和哺乳期暴露于咖啡因中会导致其后代小鼠成年后海马区GABA神经元丢失和一些认知缺陷[34]；另有研究证实基因的多态性会影响咖啡因治疗患儿支气管肺发育不良结局及AOP反应相关[35]，咖啡因对脑的保护作用是否也受基因多态性的影响，尚需进一步研究证实。

咖啡因对发育中的脑保护作用到目前已经发现二十余年[36]，且目前大部分临床及实验室研究的证据支持咖啡因具有神经保护作用，其有望成为一种有效的神经系统保护剂，增加潜在的神经系统预后；但其机制目前仍不完全明确，且对其神经保护作用仍有一些争议，这些均有待于进一步的研究证实。