4　七氟烷发育神经毒性的研究进展

每年全世界超过2亿人需要接受手术治疗,其中大多数是使用吸入麻醉药如异氟烷、七氟烷或地氟烷等进行全身麻醉。虽然这些麻醉药物过去被认为是安全有效的,但越来越多的研究表明其与术后认知功能下降有关。七氟烷在临床应用上由于其起效迅速,可控性好,气道刺激性小等优点被广泛应用于妊娠妇女、新生儿以及婴幼儿的手术麻醉中。然而这类特殊人群正处于神经发育高峰期,大脑发育并未完全成熟,突触形成,回路重塑,其对内外环境的变化极为敏感,七氟烷是否会对这个特殊的人群产生神经毒性及其发生机制以及如何避免其神经毒性已经成为广大麻醉学家和科研工作者的研究焦点。本文主要就近年来关于七氟烷发育期神经毒性的作用及其机制的研究进展做一综述。

一、七氟烷神经毒性及神经保护的双重性

大量研究表明,七氟烷预处理、后处理或者短时间暴露对多种应激状态具有神经保护作用。七氟烷预处理对脑缺血再灌注损伤具有保护作用已得到广泛证实,Chen等研究发现该保护作用是通过抑制内源性的Akt的阻断剂羧基末端调节蛋白从而激活Akt途径所致。Yang等认为典型的Notch信号途径在此过程中也发挥着一定的作用。Zhang等研究发现2%七氟烷后处理可激活Erk1/2使其磷酸化增加从而抑制Bid,Bim,Puma,Bax等促凋亡蛋白表达水平保护原代大鼠皮层神经元抵抗糖氧剥夺损伤。Wen等研究结果表明2%七氟烷暴露2h对于缺血再灌注引起的海马神经元死亡有显著的神经保护效应,七氟烷在脑缺血再灌注时通过增强Akt信号途径进一步抑制JNK3/Caspase-3发挥保护作用。

药物的作用都有双面性,伴随着七氟烷神经保护作用的研究,越来越多的科研工作者证实七氟烷也具有神经毒性作用,且七氟烷的神经毒性作用在发育神经表现得更显著。

Satomoto等研究发现6日龄新生小鼠暴露于3%七氟烷6h后可显著增加脑细胞凋亡数量,并导致成年后持续的学习能力缺陷,干扰其社会记忆的形成并抑制其社交能力。Yuheng Wang等用2.4%七氟烷分别于大鼠孕前或妊娠大鼠于孕期E6,E10,E14,E18每天暴露6h,结果显示孕期长期暴露于七氟烷而非孕前暴露可致出生后鼠的海马发生广泛的凋亡性神经退变,作者还提出该实验中七氟烷的神经毒性可能是通过上调海马中PKCα以及p-JNK水平,同时下调p-ERK和FOS水平所致。目前关于七氟烷对啮齿动物发育期神经系统的毒性影响已得到大量实验证实,介于临床手术影响、麻醉用药的复杂性以及患者基础疾病和个体差异,尚缺乏七氟烷对人类神经系统发育期毒性的直接证明。

二、不同吸入麻醉药对发育期神经毒性的比较

目前的研究多认为常用的吸入麻醉药中,地氟烷、异氟烷比七氟烷神经毒性更大。0.75%的异氟烷和1.1%七氟烷(均为0.5MAC)分别处理7日龄小鼠6h,异氟烷表现出更大的致神经退变作用,引起血液中S100β增加,脑组织中caspase-3的激活以及PARP的增加也显著高于七氟烷组,然而在0.5MAC浓度下,二者均不影响成年后小鼠的学习记忆能力。Mitsuyoshi Kodama等使用等效剂量的地氟烷、异氟烷以及七氟烷(1MAC)暴露于6日龄的新生小鼠1h,地氟烷表现出更大的神经毒性,引起更多的神经细胞凋亡并损害后期的工作记忆。Wei等比较4%七氟烷和2.4%异氟烷对大鼠嗜铬细胞瘤细胞(PC12细胞)和原代皮质神经元的细胞凋亡和凋亡相关蛋白Bcl-2/Bax(Bcl-2-associated X protein gene)比值的影响,结果只有异氟烷诱导神经细胞凋亡,显著降低Bcl-2/Bax比值,而七氟烷并无影响。David R.Gambling等比较1%七氟烷、0.5%异氟烷以及蛛网膜下腔阻滞麻醉三者在剖宫产手术过程中对母亲以及新生儿各方面的影响,其对新生儿进行了阿普加评分、脐动脉血血气分析、神经适应能力评分以及改良的新生儿行为评估等,比较说明三者对各项评分均无显著差异,然而作者并没有对新生儿做长期追踪评估,且其所使用麻醉浓度较低,可能出现结果偏差。

综合各项实验研究所见,同等效应的吸入麻醉药物中七氟烷的毒性最低,因此也是目前临床上使用最多者,低浓度短时间的七氟烷暴露其神经毒性并不明显。

三、七氟烷对发育期神经毒性的机制研究

随着七氟烷对发育期神经毒性作用的明确,其机制研究也广泛开展,但其发挥神经毒性的具体机制并未得到明确阐述,仍有待进一步研究。目前关于七氟烷发育神经毒性的机制主要包括以下几个方面。

(一)神经递质与受体学说

吸入麻醉药主要是通过阻滞大脑中NMDA受体和(或)激活GABAA受体产生麻醉作用,而NMDA受体和GABAA受体系统可影响发育期脑细胞的增殖、分化和迁移等过程,在此时期该递质系统的活性和功能状态对于哺乳动物神经系统结构和功能发育具有重要意义。Kaindl AM等提出在大脑发育关键期抑制NMDA受体或激活GABAA受体不仅对脑皮质引起急性的更导致长期的影响。因此有部分学者认为在大脑发育高峰期暴露于吸入麻醉药,干扰了大脑正常发育所需的神经递质系统,从而影响神经发育导致神经毒性以及长期的认知功能障碍。

(二)突触可塑性与长时程增强(long-term potentiation,LTP)

Haseneder等研究不同浓度七氟烷(0.3,0.6,1.1MAC)对小鼠脑切片海马C1区突触传递和突触可塑性(LTP)的影响,结果显示,低浓度的七氟烷(0.3,0.6MAC)对突触传递和LTP没有影响,而高浓度的七氟烷则抑制LTP的产生。Zhang等也认为七氟烷对大鼠认知功能的影响与其抑制突触传递密切相关,1.3MAC七氟烷可显著增加海马Sy1蛋白水平,抑制突触前神经递质的释放,从而减少突触传递的有效性引起记忆损害。

(三)细胞凋亡途径

七氟烷可诱导海马神经元发生广泛的凋亡性神经退变引起神经毒性。那么,七氟烷是通过哪些途径诱导细胞凋亡的呢?首先,Wei提出的IP3与钙稳态学说已得到广泛认可。内质网内合适的钙水平维持对于细胞的正常功能是必需的,大量钙从内质网释放出来导致细胞内钙超载以及内质网钙枯竭均可导致细胞凋亡。目前关于吸入麻醉药异氟烷通过过度激活IP3受体诱导细胞内钙失衡发挥神经毒性已有大量研究。Yang等比较七氟烷、异氟烷和地氟烷对IP3受体激活以及钙稳态的影响,证明了七氟烷也可通过激活IP3受体诱发钙超载发挥发育神经毒性作用,只是等效浓度下异氟烷的作用更显著。Komita等认为内质网应激在七氟烷凋亡性神经退变中也发挥了一定的作用。Yufune等认为氧化应激的发生抑制ERK的磷酸化也参与了七氟烷发育神经毒性的机制。

(四)神经退行性疾病相关蛋白

吸入麻醉药类似于阿尔茨海默病(Alzheimer’s Disease,AD)可增加β-淀粉样蛋白(amyloid β protein,Aβ)的产生和聚集,触发以淀粉样蛋白病理为基础的神经病变。Dong等发现常用的吸入麻醉药七氟烷也可增加Aβ水平,用4.1%七氟烷处理人类H4神经胶质瘤细胞6h以及2.5%七氟烷暴露于小鼠2h,体内外结果均显示七氟烷可增加β淀粉样前体蛋白裂解酶以及Aβ的水平。Tao等对6日龄小鼠进行研究发现3%七氟烷可引起Tau蛋白磷酸化并激活GSK3β。研究发现七氟烷确实可引起新生小鼠神经毒性,此神经毒性对于AD转基因小鼠更为敏感,同样的七氟烷处理可诱发AD转基因小鼠更广泛的神经凋亡。

四、七氟烷发育神经毒性的防治手段

随着七氟烷发育期神经毒性的发现,其防治手段成为研究的热点问题。氢气作为七氟烷载气混合物的一部分可抑制新生鼠暴露于七氟烷所致的神经细胞凋亡和随后的行为缺陷。有学者发现发育期暴露于七氟烷的小鼠若在后期置于丰富的周围环境下可减轻七氟烷诱导的认知功能障碍以及突触可塑性损伤。Zhao等研究表明短期吸入麻醉药预处理可减轻其长期暴露的神经毒性。有学者提出右美托咪定可能减轻或预防七氟烷的发育神经毒性。临床观察发现,单次剂量给予右美托咪定可减轻小儿七氟烷麻醉苏醒后的躁动发生率。近年研究显示右美托咪定可能通过激活α2肾上腺素受体来减轻吸入麻醉药的神经损伤。Farag E等研究显示激活α2肾上腺素受体能活化磷脂酰肌醇3激酶-蛋白激酶B途径,产生神经保护作用。关于七氟烷发育期神经毒性的防治手段有待于在临床进一步研究。

五、总结

七氟烷通过多种途径对发育神经发挥毒性作用,引起长期认知功能障碍以及学习能力缺陷,对其机制的深入研究有利于指导临床上麻醉药物的选择及安全应用。目前关于七氟烷的发育神经毒性研究主要集中于动物和细胞实验,由于临床上手术因素的影响以及药物的复杂性等原因关于此方面研究甚少,今后应加强开展可靠的临床试验研究,明确七氟烷对新生儿、婴幼儿的发育神经毒性及其治疗手段。

(吕静静　刘俊达　鲁显福　李元海)

参考文献

1.Chen Y,Nie H,Tian L,et al.Sevoflurane preconditioning-induced neuroprotection is associated with Akt activation via carboxy-terminal modulator protein inhibition.Br J Anaesth,2015;114(2):327-335.

2.Yang QZ,Yan WJ,Li X,et al.Activation of Canonical Notch Signaling Pathway Is Involved in the Ischemic Tolerance Induced by Sevoflurane Preconditioning in Mice.Anesthesiology,2012;117:996-1005.

3.Zhang LM,Zhao XC,Sun WB,et al.Sevoflurane post-conditioning protects primary rat cortical neurons against oxygenglucose deprivation/resuscitation via down-regulation in mitochondrial apoptosis axis of Bid,Bim,Puma-Bax and Bak mediated by Erk1/2.J Neurol Sci,2015;357(1-2):80-87.

4.Wen XR,Fu YY,Liu HZ,et al.Neuroprotectionof Sevoflurane Against Ischemia/Reperfusion-Induced Brain Injury ThroughInhibiting JNK3/Caspase-3 by Enhancing Akt Signaling Pathway.MolNeurobiol,2015;015:9111-9118.

5.Satomoto M,Satoh Y,Terui K,et al.NeonatalExposure to Sevoflurane Induces AbnormalSocial Behaviors and Deficits in Fear Conditioning in Mice.Anesthesiology,2009;110:628-37.

6.Wang YH,Cheng YX,Liu GB,et al.Chronic exposure of gestation rat to sevoflurane impairs offspringbrain development.Neurol Sci,2012;33:535-544.

7.X Zhou,Song FH,He W,et al.Neonatal exposure to sevoflurane causes apoptosis and reduces nNOS protein expression in rathippocampus.Molecular Medicine Reports,2012;6:543-546.

8.Wang SQ,Fang F,Xue ZG,et al.Neonatalsevoflurane anesthesia induceslong-term memory impairment anddecreases hippocampal PSD-95 expressionwithout neuronal loss.European Review for Medical and Pharmacological Sciences,2013;17:941-950.

9.Shen XF,Liu YS,Xu SQ,et al.Early life exposure to sevoflurane impairs adulthood spatial memory in the rat.NeuroToxicology,2013;39:45-56.

10.Zheng H,Dong YL,Xu ZP,et al.Sevoflurane Anesthesia in Pregnant Mice Induces Neurotoxicity in Fetal and Offspring Mice.Anesthesiology,2013;118:516-526.

11.Takaenoki Y,Satoh Y,Araki Y,et al.Neonatal Exposure to Sevoflurane in Mice CausesDeficits in Maternal Behavior Later in Adulthood.Anesthesiology,2014;120:403-415.

12.Liang G,Ward C,Peng J,et al.Isoflurane Causes Greater Neurodegeneration Than anEquivalent Exposure of Sevoflurane in the DevelopingBrain of Neonatal Mice.Anesthesiology,2010;112:1325-1334.

13.Kodama M,Satoh Y,Otsubo Y,et al.Neonatal Desflurane Exposure Induces More RobustNeuroapoptosis than Do Isoflurane and Sevoflurane andImpairs Working Memory.Anesthesiology,2011;115:979-991.

14.Haseneder R,Kratzer S,Meyer LV,et al.Isoflurane andsevoflurane dose-dependently impair hippocampal longtermpotentiation.Eur J Pharmaeol,2009;623(I):47-51.

15.Zhang DX,Jiang S,Yu LN,et al.The effect of sevoflurane on the cognitive function ofrats and its association with the inhibitionof synaptic transmission.Int J Clin Exp Med,2015;8(11):20853-20860.

16.Komita M,JinH,Aoe T.The Effect of Endoplasmic Reticulum Stress onNeurotoxicity Caused by Inhaled Anesthetics.Anesth Analg,2013;117:1197-1204.

17.Yufune S,Satoh Y,AkaiR,et al.Suppression of ERKphosphorylation through oxidativestress is involved in themechanismunderlying sevoflurane-induced toxicity in the developing brain.Sci Rep,2016;6:21859.

18.Dong YL,Zhang GH,ZhangB,et al.The Common Inhalational Anesthetic SevofluraneInduces Apoptosis and Increases-Amyloid Protein Levels.Arch Neurol,2009;66(5):620-631.

19.Tao GR,Zhang J,ZhangL,et al.Sevoflurane Induces Tau Phosphorylation and GlycogenSynthase Kinase 3β Activation in Young Mice.Anesthesiology,2014;121(3):510-27.

20.Lu Y,Wu X,Dong YL,et al.Anesthetic Sevoflurane Causes Neurotoxicity Differently inNeonatal Naïve and Alzheimer Disease Transgenic Mice.Anesthesiology,2010;112:1404-1416.