全麻药物对患者术后认知功能障碍的作用机制及其相关调控网络的构建

沈园园 蒋 铭 王 军 颜朋朋 陈甜甜 李杏瑞

洛阳市第一中医院(河南 洛阳 471000)

全身麻醉是一种通过静脉、呼吸道或者肌肉注射等方式将麻醉药物导入患者体内，从而引发神经系统出现抑制现象的生理过程，常见的临床表现包括：全身痛觉消失、意识不清、反射抑制等[1,2]。全身麻醉药物的作用原理是通过抑制兴奋性神经元同时加强抑制性神经元的功能从而实现全身麻醉的功效[3]。如今，全身麻醉药在外科手术中发挥着不可替代的作用。全身麻醉药物通常具有镇静及催眠等作用，同时伴随遗忘等副作用，这便是导致引发术后认知障碍的一个关键诱发因素[4]。

手术后认知功能障碍(postoperative cognitive dysfunction，POCD)常常发生在患者手术后，由于受手术期间各种因素的影响，患者出现精神异常的表现，具体表现为记忆、学习、认知、意识、精神活动及睡眠等功能的紊乱[5-7]。记忆在人类的认知功能中占有重要的地位，随着人们对全麻的机制研究不断深入，全麻药物对记忆功能产生的影响也越来越多的受到人们的关注。当前应用在临床的全麻药物大部分都会对人类的学习、记忆功能产生多方面的影响。有研究表明，吸入类麻醉药物产生的记忆阻断功能和年龄因素有着十分紧密的联系；在青年动物的空间学习记忆研究中发现，异氟烷联合氧化亚氮麻醉可以增强与巩固其相关方面的功能，而对于老年动物而言，抑制了其空间认知功能；另有研究表明，吸入式麻醉药物利用多种机制对学习及记忆功能产生多种多样的毒性反应，特别针对发育中的大脑[8-10]。以上研究大多集中在动物实验中，是否在人类中同样适用有待进一步确定。

引起术后认知功能障碍的重要原因之一是吸入式麻醉药物对患者麻醉后记忆功能产生的影响[11-12]。临床上常用的全麻药物都会在不同的程度上引起认知功能的障碍，但是由于研究实验条件不统一及临床样本量相对较小，因而难以对全麻类药物引发的认知功能障碍的作用机制得出定论。虽然目前POCD的作用机制尚未十分明确，但多数研究者认为其主要原因仍然是中枢神经的炎症反应，其在POCD的发生机制中产生重要的影响，抑制中枢神经炎症可以在一定程度上改善患者的术后认知能力[13]。本文通过文献挖掘麻醉后中枢神经炎症中可能参与的相关基因，然后对相关基因进行GO功能注释和KEGG分析，同时结合KEGG数据库绘制影响记忆相关基因的调控网络图，从而分析推测相关基因与患者术后认知功能障碍的关系，以便为以后研究全身麻醉药物所引起的术后认知功能障碍的具体作用机制提供理论依据，同时为以后研究麻醉的分子作用机理也具有指导意义。

1 材料和方法

1.1研究对象 当前临床上经常使用与麻醉关系密切的基因标记物：C-fos、HIF-1α、STAT3、Bcl-2。

1.2麻醉易感基因的GO分析 GO分析时，进入在线网站AmiGO的首页(http://geneontology.org)，筛选条件为“Homo sapiens”、“gene”，分别对麻醉相关基因C-fos、HIF-1α、STAT3、Bcl-2进行GO功能注释初步分析。

1.3麻醉易感基因的KEGG网络分析 麻醉相关基因进行KEGG分析时，先进入在线网站KEGG PATHWAY Databa的首页(http://www.kegg.jp/kegg/pathway.html)，筛选条件organism为“hsa”，key words为C-fos、HIF-1α、STAT3、Bcl-2，查询麻醉相关基因在患者认知功能中的调控网络。

2 结果

2.1麻醉易感基因的GO分析结果 GO分析又称基因本体论(gene ontology)，主要用于研究基因的具体功能，GO分析功能的分类依据是基因及蛋白在生物体中发挥的作用，主要分为分子功能(molecular_function)、细胞组分(cellular_component)和生物过程(biological_process)三大部分。C-fos基因的GO分析结果见表1。由表1可知，C-fos基因具有生物过程、细胞组分和分子功能三种功能。生物过程涉及蛋白结合、神经系统发育等；细胞组分涉及到转录因子AP-1复合物等；分子功能主要涉及VEGF-D激活的受体活性和RNA转录激活剂活性等。

表1 C-fos基因的GO分析结果

HIF-1α基因的GO功能分析结果如表2。由表可知，HIF-1α在生物过程及分子功能中发挥重要功能，生物过程主要涉及到低氧诱导因子-1α信号通路、低氧诱导因子-1α信号通路的调控、低氧诱导因子-1α信号通路的上调和下调等多个过程；HIF-1α涉及到的分子功能主要涉及到低氧诱导因子-天冬酰胺加氧酶活性。

表3为STAT3基因的GO分析结果，STAT3具有生物过程和分子功能两种功能，生物过程主要涉及到STAT3蛋白的酪氨酸和丝氨酸磷酸化、STAT3蛋白的酪氨酸磷酸化的调控、STAT3蛋白的丝氨酸磷酸化的调控、STAT信号通路、STAT信号通路的调控、通过JAK-STAT的生长激素受体信号通路、通过JAK-STAT的受体信号通路的调控等多个过程；分子功能涉及到STAT家族蛋白结合等。

表2 HIF-1α基因的GO分析结果

表3 STAT3基因的GO分析结果

表4为Bcl-2基因的GO分析结果。Bcl-2细胞组分涉及到SOD1-Bcl-2复合物、Bcl-2家族蛋白复合物、BAD-BCL-2复合物、BCL-2复合物、BAX复合物、BAK复合物等；分子功能主要涉及到与BH域结合。

2.2麻醉相关基因调控网络模型的建立 GO功能分析结合KEGG数据库对本课题筛选的4个基因进行通路分析，构建由上述基因参与的麻醉相关基因的调控网络图，如图1所示。

表4 Bcl-2基因的GO分析结果

图1 麻醉相关基因调控网络图

3 讨论

POCD是术后常见的并发症之一，多见于老年患者[14]。POCD主要表现为患者术后引发的记忆功能减弱、注意力分散等认知功能的改变，更为甚者表现出人格改变和(或)社会行为功能下降[15]。尽管报道有关POCD和全麻的文章有很多，但是关于全麻导致的POCD作用机制尚不明确，当前认为在POCD中发挥重要影响的因素是中枢神经炎症反应，而当中枢神经炎症被一定程度抑制时，患者的认知功能得到明显改善[16]。研究表明，LPS引起的认知功能损伤与前炎性因子的表达和神经元调往有关；而前炎性因子可损害神经元功能，包括长时程增强与工作记忆形成。包括细胞因子TNF-α、IL-1b均与海马长时程增强、神经突出可塑性密切相关，而后者则在记忆形成与维持中起到重要作用。

张晓莹等通过LPS侧脑室微注射探索研究发现去铁胺可对脂多糖诱发的小鼠神经炎反应与记忆损伤起到保护作用，LPS脑室注射液可触发小鼠中枢神经炎症从而短暂的导致认知功能障碍，神经炎症过程中减低脑铁含量可能会减轻海马区小胶质细胞激活与炎症因子的释放，从而改善认知功能[17]。Ozacmak等通过丙酮酸乙酯预防慢性脑低灌注通过保护认知功能发现此过程中氧化应激、细胞凋亡蛋白酶3激活和IL-1β水平均有所减少，结果表明，慢性脑低灌注造成显著的障碍空间工作记忆、IL-1β等提高。然而，EP治疗明显改善了记忆障碍，研究显示丙酮酸乙酯的保护作用可能来自于抑制炎症反应、凋亡过程和氧化应激[18]。在Kiecolt-Glaser等人[19]研究中表明，POCD产生的同时，实验对象体内的中枢神经炎症因子如TNF-α、IL-1β、IL-6等均呈上调趋势。其中在脑组织损伤过程中，炎症因子IL-6发挥双重功能，当IL-6的浓度位于正常生理状态或低表达状态时，会产生对神经元的保护功能，当IL-6的含量迅速升高便会加快神经元及内皮细胞损伤的发生[20]。

七氟醚和丙泊酚是临床上常用的全麻药物，前者吸入给药，后者静脉给药，已有以新生乳鼠为对象的研究结果显示，七氟醚和丙泊酚能够引起新生乳鼠的神经元损伤、认知功能减退[21]。在全麻药(吸入麻醉药等)诱导后迅速出现c-fos基因的表达，说该基因对全麻药存在积极的反应。目前许多研究表明C-fos基因在痛觉传递及调控过程中，参与强啡肽及脑啡肽的转录偶合过程，协同作用于痛觉调控，这与其在神经系统中普遍存在是密不可分的[22]。越来越多的研究证明C-fos基因在麻醉过程中发挥关键作用，一些研究表明，C-fos基因作为第三信使参与麻醉过程中痛觉的传导及调控功能[23]。

全麻药在帮助患者镇痛的同时，可能降低患者的记忆功能，使其意识下降，失去对伤害刺激的反射功能等，七氟醚和丙泊酚都是临场经常使用的全麻药，在一项新生乳鼠的研究中发现，这两种麻醉药都能使乳鼠的神经元损伤并引发认知功能下降[21]。许多研究均表明，全麻药物可以导致中枢脑细胞多个基因积极响应，由此在表达上发生变化，例如Hemeoxygenase-1、VEGF、BDNF、prepronociceptin、insulin-like growth factor Igene基因等[24]。在麻醉后，导致认知能力丧失或降低的一个关键病理环节即神经元细胞的过度凋亡[25]。影响神经元损伤及凋亡，引发认知能力下降的细胞因子中发挥主要作用的是炎症反应细胞因子。发挥保护功能的细胞因子有BDNF、VEGF等，在HIF-1α的诱导下，上述保护因子可以大量表达[26]，BDNF可加快神经元的再生，进而增强突触间的联系及认知功能[27]；VEGF只作用于血管内皮细胞，它可加快内皮细胞生长、促进新生血管形成，这样中枢神经系统的侧枝循环及血流灌注功能就会加强，进一步提高神经功能[28]。当中枢神经系统的损伤细胞因子数量变多，保护性的细胞因子数量降低时会产生两种结果，一种是可以直接引发神经元损伤，另一种是可经过激活细胞凋亡过程从未引发神经元的损伤[29-30]。bcl-2基因是抗凋亡基因，bax基因是促凋亡基因，caspase-3为凋亡过程重要的凋亡执行蛋白酶基因，上述三个基因在细胞凋亡的进程中发挥的功能已经成为当今的研究热点[31-32]。陈玢等通过七氟烷诱导短暂的术后认知功能障碍，发现caspase-3可能与POCD发生有关，而异氟烷、七氟烷都可以诱导Aβ形成，继而激活caspase-3；同时七氟烷可以激活特定的酶激活tau蛋白的磷酸化产生认知功能障碍。半胱氨酸蛋白酶(caspase)经过一些列高度调控的级联反应事件导致细胞凋亡，而β淀粉样前蛋白是中广泛存在于各类细胞的单链跨膜糖蛋白，它可以被caspase-3剪切，其蛋白水解产物聚合形成Aβ，Aβ可诱导caspase-3激活促使细胞凋亡。七氟烷可以通过β淀粉样蛋白形成，继而激活半胱氨酸蛋白酶-3。β淀粉样蛋白在突触前的积累影响突触前蛋白突触素和突触后蛋白的表达，从而产生认知功能缺陷[33]。

HIF-1是维持细胞内氧平衡的关键调节因子，在缺血诱导的血管生成、缺血后细胞代谢、维持肿瘤细胞的代谢适应等方面都起着非常重要的作用。当环境缺氧时，缺氧诱导因子(Hypoxia-Inducible Factor-1α，HIF-1α)能启动多种下游基因发生转录激活，例如p53和BNIP3基因，从而增加神经细胞的凋亡，引发神经细胞变性坏死，最终导致认知功能丧失或下降[34]。有研究表明在老年人中，人工髋关节置换手术后引发的POCD，在很大程度上可能与手术麻醉造成的应激反应及血清HIF-1α的高表达有着密切的联系，因为可以将围术期血清HIF-1α水平作为预测及诊断老年患者手术后认知功能发生障碍风险的监测指标。目前众多研究者倾向于认为POCD的发生机制和创伤后的炎症反应有着密切的联系[35-36]，氧浓度和炎性反应之间有着紧密的联系，研究表明炎性反应和低氧反应的通路间也存在重要的关系，共同在神经细胞的凋亡中发挥关键作用，例如HIF-lα mRNA蛋白的表达及活化受TNF-α基因诱导的炎症反应的影响[37-38]。

研究表明，当PI3K/Akt信号通路激活时能够有效降低神经损伤的发生，减少炎症细胞的死亡，这个通路普遍存在神经系统中，在胶质细胞、神经元的生存、分化及凋亡等进程中发生重要作用[39-40]。PI3K/Akt信号通路是目前研究的热点通路，主要参与抗凋亡及促存活的信号传导途径，它能够调节神经细胞的凋亡及自噬，调控细胞的存活，一旦抑制此信号通路就会引发认知功能障碍[41-42]。NO/cGMP信号通路在细胞生长分化及肌肉活动中起着关键作用，它是存在细胞内的一个关键通路，发挥功能时该通路可传导胞外信号至胞内，研究发现，该通路可通过介导麻醉药物作用于突触，从而发挥镇痛的功效[43-44]。STAT3在神经系统中主要参与诱导神经干细胞向星形胶质细胞分化，目前已经知道STAT3在神经系统发育及抑制细胞凋亡、参与损伤修复等方面起着关键作用，研究发现异氟醚麻醉可以对正在发育的神经元产生不利的影响，且抑制STAT3的转录表达[45]。

当前多数专家及学者倾向认为中枢神经炎症反应仍然是导致老年患者产生POCD的主要因素。本文通过阅读文献推测全麻药物可能通过中枢神经炎症造成麻醉患者认知功能损害、神经元凋亡，导致记忆下降，从而引起术后认知功能障碍。抑制中枢神经炎症可以改善患者的术后认知功能，而在该神经炎症反应中C-fos、HIF-1α、STAT3、Bcl-2等基因均可能参与到其中发挥重要作用，通过对这几个基因功能分析和构建其在POCD中的调控网络，为以后POCD的作用机制研究提供参考。同时随着全身麻醉手术的日益增多，全麻药物对患者术后认知功能障碍的作用机制和相关调控网络将更加完善。