氯胺酮滥用致认知障碍与海马改变的研究进展

彭金芝，李晓东，王乾兴△

氯胺酮（ketamine）是N−甲基−D−天门冬氨酸受体（NMDAR）的非竞争性拮抗剂，属于非苯巴比妥类静脉麻醉剂［1］。因其具有吸收快、起效快、呼吸抑制作用弱且短暂等优点，目前仍广泛用于临床麻醉或麻醉诱导［2］。氯胺酮具有致幻作用和精神依赖性，故而在全球范围内出现不同程度的滥用，已被联合国毒品与犯罪问题办公室列入“新精神活性物质”，成为中国大陆地区滥用的主要合成毒品之一，被列为Ⅰ类精神类药品管理［3−4］。氯胺酮滥用可通过多种机制引起语言、记忆、视空间、执行能力等认知功能的损伤，对滥用者的生活产生较大的负面影响［5−6］。鉴于大脑海马区结构和功能损伤可导致患者学习、记忆、空间定位和情绪调节等多方面的障碍［7−8］，本文就氯胺酮滥用对海马的影响及其相关认知障碍的可能机制进行综述，旨在为氯胺酮滥用引起的认知障碍的机制研究和药物开发提供新的思路和策略。

1 氯胺酮滥用对海马相关认知功能的影响

1.1 海马的结构与功能 海马系统由海马体［包括海马角（CA）1 和CA3］、齿状回（dentate gyrus，DG）、脑室下复合体、穹窿和海马伞组成。其中，海马角由端脑内侧区发育而来，属于边缘系统的一部分。海马在信息编码、短时记忆、长时记忆、空间导航等方面发挥着核心作用，主要与海马角参与形成的3 个突触回路有关：第一突触为内嗅区皮层到DG颗粒细胞的穿通纤维通路；第二突触为DG颗粒细胞发出的苔状纤维到海马CA3 区锥体细胞；第三突触为CA3区锥体细胞Schaffer侧支到CA1区锥体细胞［9］。

1.2 氯胺酮滥用导致的海马相关认知障碍 认知是指人脑接受外界信息，经过加工处理，转换成内在的心理活动，从而获取或应用知识的过程。认知障碍是指机体在疾病、毒物、药物等影响下出现一项或多项认知功能受损。研究表明，氯胺酮滥用可造成机体出现情景记忆力下降［10］，空间记忆［5］和视觉识别记忆障碍［11］等多种形式的记忆功能受损。动物实验证明，氯胺酮长期滥用大鼠表现为情景式记忆障碍，可能与海马CA1、CA3 和DG 区即刻早期基因c−Fos表达增加有关［12］。

海马是空间导航的主要认知结构，因含位置细胞，被认为是空间认知地图的载体；背侧纹状体（尤其是尾状核）则主要参与依赖空间记忆而精确导航到目标的动作完成。Morgan 等［13］通过功能磁共振扫描发现，与正常对照相比，在氯胺酮滥用者的大脑中，与空间导航有关的3 个关键脑区（海马、海马旁回和尾状核）的神经活动减少，表明这些关键区的神经活动减少可能与氯胺酮滥用者的空间记忆受损密切相关。动物实验表明，长期低剂量（10 mg/kg）氯胺酮给药可导致小鼠海马齿状回和海马CA1、CA2、CA3区神经细胞排列紊乱、胞浆空泡化及细胞萎缩；大鼠表现为被动回避潜伏期缩短和新物体识别测试时间延长，氯胺酮处理导致大鼠的短期记忆和长期记忆受到明显损害［14］。此外，视觉识别记忆也是一个与海马功能密切相关的记忆形成过程。氯胺酮亚慢性给药可导致大鼠海马CA1区NMDAR 依赖性长时程增强（long term potentiation，LTP）和长时程抑制（long term depression，LTD）的损伤，从而导致空间视觉记忆缺陷［15］。

2 氯胺酮滥用致海马相关认知功能障碍的潜在机制

2.1 氯胺酮滥用致海马神经细胞发生异常 在人类妊娠晚期到出生后第3 年（啮齿类动物为妊娠晚期到出生后2～3 周）存在一个大量神经发生的脑生长突增期，其特点是大量的神经干细胞（neural stem cell，NSC）增殖、分化。在此期间海马的神经发生包括NSC的增殖，向海马神经元和胶质细胞的分化、迁移到颗粒细胞层，并发出轴突与海马CA3 区锥体细胞建立突触联系3 个阶段，从而在功能上整合到原有的神经回路，即颗粒细胞神经元−CA3−CA1。体外实验证实，高浓度 200～1 000 μmol/L 氯胺酮可显著抑制海马NSC增殖［16］。

成体神经发生局限在海马脑下室区（subventricular zone，SVZ）和亚颗粒区（subgranular zone，SGZ），氯胺酮可抑制SVZ和SGZ细胞增殖和神经元分化，促进NSC 凋亡，导致成人认知功能障碍［17］。此外，在SD大鼠出生后第7～9天氯胺酮给药可显著抑制NSC增殖，降低星形胶质细胞分化，显著增强神经元分化并抑制大鼠颗粒细胞层新生神经元的迁移，干扰其与海马DG 神经回路的整合，导致大鼠海马依赖性空间记忆障碍［18−19］。

2.2 氯胺酮滥用对海马树突棘形成的影响 树突棘是树突干上一种棘状凸起，是大多数兴奋性突触的突触后结构，与学习记忆密切相关。树突棘是一个高度动态的结构，存在蘑菇型、短粗型、瘦长型及丝状伪足型4 种类型。其中，蘑菇型和短粗型是成熟形式的树突棘，与记忆密切相关［20］。氯胺酮对树突棘发育的影响与年龄和氯胺酮作用剂量有关。研究表明氯胺酮暴露可降低5～13 d新生啮齿类动物海马CA1区树突棘密度［21］；而在出生后15 d和30 d，用30 mg/kg氯胺酮处理小鼠海马神经元5 h后，树突棘密度显著增加［22］。体外培养的大鼠海马神经元暴露较高浓度（100、300 和500 μmol/L）氯胺酮6 h 后，其树突棘的数量和长度呈剂量依赖性减少［23］；而亚麻醉剂量的氯胺酮（5 mg/kg）连续注射5 d，小鼠海马CA1区神经元蘑菇型树突棘形成率显著提高［24］。

2.3 氯胺酮滥用对海马突触可塑性的影响 突触是神经元的轴突末梢和其他神经元胞体或树突共同形成的传递信息的结构，也是学习和记忆得以发生的结构基础。突触的结构和功能的可变性称为突触可塑性。突触可塑性表现形式包括LTP、LTD 和短时程增强（short term potentiation，STP），其中LTP 和LTD 与长期记忆有关，STP 与短期记忆有关。由于突触可塑性是NMDAR 依赖性的，因而氯胺酮可以通过改变突触可塑性而影响学习和记忆功能。研究发现，1周龄大鼠单次氯胺酮腹腔注射后，海马区的LTP 诱导显著减少，但对成年大鼠的空间记忆能力无明显影响［25］。也有研究表明，单次静脉注射氯胺酮 3 h 后，大鼠海马 CA3−CA1 突触的 θ 脉冲刺激和强直刺激的LTP 显著增强，但突触形态和功能未发生改变［26］。氯胺酮可通过阻断 NMDAR 的作用，抑制STP和LTP，影响NMDAR介导的突触可塑性而导致记忆障碍，且这种抑制效应与氯胺酮剂量成正比［27］。上述结果的差异可能与氯胺酮给药的时间、剂量和动物年龄等不同有关。

2.4 氯胺酮滥用对海马神经细胞死亡的影响 根据细胞死亡命名委员会建议［28］，细胞死亡可分为两大类：一类由外在伤害刺激，超出细胞调节能力而触发的意外性细胞死亡（accidental cell death，ACD），另一类有典型的生化和形态特征，由一系列级联信号和分子调节的调节性细胞死亡（regulated cell death，RCD）。RCD 可分为细胞凋亡、线粒体通透性转换驱动的坏死、坏死性凋亡、铁死亡、细胞焦亡、多聚ADP 核糖聚合酶−1（PARP−1）依赖性细胞死亡、细胞侵入性死亡、中性粒细胞胞外网状陷阱诱导的细胞死亡、溶酶体依赖性细胞死亡、自噬依赖性细胞死亡和免疫原性细胞死亡等。氯胺酮引起的认知障碍与其导致多种形式的海马区细胞死亡有关。

细胞凋亡又称Ⅰ型细胞死亡。根据诱导凋亡的刺激来源不同可分为外源性和内源性细胞凋亡。外源性细胞凋亡是由死亡受体（如Fas）的激活或依赖性受体在其配体不足时的退出而激发的，由Caspase−8传递信号到凋亡执行者（主要是Caspase−3）而诱导细胞死亡。内源性凋亡即经典的线粒体凋亡途径，以线粒体外膜通透性改变和凋亡执行者Caspase−3的表达为主要特征［28］。体外实验表明，氯胺酮处理的鼠嗜铬细胞瘤细胞（PC12）的线粒体Ca2+外流、膜电位降低、心磷脂耗竭和促凋亡蛋白Bax的表达增加，最终导致PC12细胞凋亡［29］。体内实验表明，连续用不同剂量的氯胺酮给青春期大鼠腹腔注射8 周，结果发现中、高剂量组（15 mg/kg、30 mg/kg）大鼠的空间记忆明显受损，而低剂量组（7.5 mg/kg）则不明显；同时还发现抗氧化剂（超氧化物歧化酶和谷胱甘肽）的水平显著降低，而Caspase−3 的表达水平增高［30］。Czerniczyniec 等［31］研究发现，腹腔注射氯胺酮45 min 后，大鼠线粒体中的心磷脂水平显著降低，而过氧化氢（H2O2）产生速率增加，表明氯胺酮可能通过氧化应激影响线粒体功能，进而促进海马神经细胞的凋亡，最终引起认知功能障碍。此外，每日给食蟹猴静脉注射氯胺酮，6 个月后可引起海马中的抗凋亡蛋白Bcl−2 的表达水平降低，同时增强促凋亡蛋白Caspase−3和Bax的表达，从而促进海马神经元凋亡，最终引起运动及空间记忆障碍［32］。因此，氯胺酮给药后可引起大鼠或食蟹猴海马活性氧（ROS）水平增加，线粒体凋亡途径激活，抗凋亡蛋白Bcl−2 下降，促凋亡蛋白Bax 表达增强，线粒体外膜通透性转换孔打开，细胞色素C 释放，引起Caspase级联效应，激活Caspase−3，从而诱导海马神经细胞的凋亡，使其空间记忆能力受损［30−32］。

自噬依赖性细胞死亡，又称Ⅱ型细胞死亡，是由自噬分子机制驱动的一种RCD，以双层膜结构的自噬泡形成为特征。自噬与凋亡有共同的刺激因素和信号通路，在氧化应激的早期阶段或轻微氧化损伤时，细胞自噬可降低ROS 的积累，细胞存活；但当刺激较强或持续时间较长时可转而诱导细胞凋亡。Bcl−2家族蛋白在细胞凋亡和自噬中起着关键作用，既可以与自噬蛋白Beclin−1 结合，通过形成Beclin−1/Bcl−2或Beclin−1/Bcl−xL 复合体来调节自噬，也可以与促凋亡蛋白相互作用而调控凋亡［28］。研究发现，氯胺酮给药后，大鼠海马CA1区细胞或体外培养的PC12细胞均表现为抗氧化能力降低，ROS水平上升，一方面凋亡相关蛋白Bax、Caspase−3 的表达增加，另一方面促进自噬关键基因（Atg）5表达，而抑制Atg4的表达，从而促进细胞自噬［33−34］。

铁死亡是由铁积累和脂质过氧化驱动的一种RCD 形式，其主要特征是线粒体收缩、线粒体嵴减少、线粒体膜密度和线粒体膜断裂增加［28］。研究表明，氯胺酮全身性麻醉后大鼠海马神经元线粒体膜上转铁蛋白mitoferrin 表达升高，造成线粒体中铁蓄积和线粒体断裂，影响线粒体功能，并同时上调NMDAR 的表达，增强二价金属转运体1（DMT1）介导的铁内流，刺激铁从溶酶体的释放，引起海马神经元铁死亡，从而导致大鼠的认知障碍，表现为Morris水迷宫实验中定位航行和空间探索能力的降低［35］。

细胞焦亡是一种由炎性小体激活并严重依赖于穿孔蛋白gasdermin 蛋白家族成员形成质膜孔的RCD。其主要特征是细胞肿胀、破裂及炎性介质的释放。根据依赖的炎性Caspase的不同，可以分为经典 的 Caspase−1 和 非 经 典 的 Caspase−11 凋 亡 途径［28］。研究表明，10日龄和30日龄小鼠连续腹腔注射氯胺酮7 d后，除与线粒体凋亡信号途径相关的蛋白p53、Caspase−3 和 Caspase−9 显著上调外，细胞焦亡相关蛋白Caspase−1、Caspase−11、NOD 样受体家族成员（NLRP）3 表达水平也显著升高，同时可诱导小鼠原代海马神经元细胞膜上孔的形成也显著增加。以shRNA 沉默Caspase−1 可显著降低细胞焦亡和线粒体途径凋亡相关蛋白的表达［36］。体外实验证实，氯胺酮诱导的神经干细胞毒性可能与糖原合成酶激酶−3（GSK−3）信号通路有关，沉默GSK−3β 可下调Caspase−1 和Caspase−3 表达，降低氯胺酮诱导的神经干细胞毒性［37］。

3 结语与展望

氯胺酮滥用可通过影响海马的神经元发生、分化、突触形成和功能，以多种方式诱导海马神经细胞的死亡而导致海马相关的认知障碍。但这些影响又与氯胺酮作用的时间、剂量、氯胺酮暴露年龄或药物的相互作用等密切相关，其确切病理机制迄今尚不完全清楚，甚或有些研究结论还存在相互矛盾的地方，还有待于通过动物模型及反复临床论证来阐明其作用的详细分子机制。此外，近年来还发现氯胺酮具有抗抑郁、抗凋亡、抗炎、抗氧化等多重作用［38−39］。因此，有必要进一步阐明氯胺酮的作用机制，趋利避害，为防治氯胺酮滥用导致的疾病和其他相关疾病的氯胺酮治疗与预防、药物开发提供有效的靶点和策略。