20　全麻药物对生物钟基因及昼夜行为节律的影响

生物节律，亦称“生物钟”，是有机体内部发生的周期性变化过程，当这种变化过程与地球昼夜交替周期相一致时，这种生命活动就称为昼夜节律，最典型的例子是睡眠与觉醒的昼夜节律。临床上手术后患者常经历昼夜节律紊乱的困扰，表现为睡眠剥夺和睡眠紊乱。术后患者夜间醒来的次数较术前明显增加，或术后白天和下午睡眠时间增加，而夜间睡眠时间减少。住院的环境、手术应激以及疾病本身等众多因素都能对昼夜节律产生影响，但最近越来越多研究表明全麻药物本身也可诱发该紊乱的形成。本文就全身麻醉药物对生物钟基因表达及昼夜行为节律影响方面作一综述。

一、视交叉上核（suprachiasmatic nucleus, SCN）中生物钟基因的表达

地球上多数动物的生命活动与地球的昼夜周期同步，这种同步主要是由细胞中的生物钟调节。在哺乳动物，位于SCN神经元中的生物钟级别最高，SCN的生物钟可协调非SCN生物钟的活动，从而调控整个机体的昼夜节律。同时SCN对外界刺激——授时因子非常敏感，其节律可以被自然因素（如光照）和人工因素（如药物）所重置。

哺乳动物的生物钟分子有四个核心成员，它们是BMAL1（brain and muscle arnt-like 1）、CLOCK（circadian locomotor output kaput）、PERIOD（人类 PER1、PER2 和 PER3）和CRYPTOCHROME（人类 CRY1和 CRY2）。BMAL1与CLOCK形成异二聚体，进入细胞核内发挥转录因子的作用，能够上调per和cry基因转录；PER和CRY也形成异二聚体，其功能是抑制BMAL1：CLOCK的转录活性。因此，BMAL1与PER和CRY存在反馈抑制，形成转录/翻译反馈环路（transcription/translation feedback loops，TTFL）。在无任何外部刺激的情况下，PER：CRY /BMAL1：CLOCK的一个完整振荡周期约为24小时，称为自由运行周期，或称内源性生物钟。暴露于地球的昼夜交替会改变TTFL的动力学，可使得PER：CRY/BMAL1：CLOCK的自由运行周期与地球24小时昼夜周期一致。生物钟的形成与进化有关，生物钟周期在种属间和个体间存在一定差异。

光照是外界最重要的“授时因子”。当眼内特定的视网膜神经节细胞检测到光时，视网膜下丘脑束被活化，继而导致SCN腹侧核神经元的N-甲基-D天冬氨酸（N-methyld-aspartate glutamate receptors，NMDA）受体激活，启动细胞内信号级联，引起PER基因转录。因此，白天有光照时PER和CRY蛋白水平在SCN中达到峰值，而夜间无光照时BMAL1和CLOCK的蛋白水平达到峰值。

SCN生物钟可通过调控神经递质和激素的释放调节机体的生理和行为变化，包括褪黑素、皮质醇和胰岛素在内的许多激素分泌均受生物钟的调节。激素通过血液循环可影响外周组织如肝脏和心脏的生物钟相位，从而实现对生理活动昼夜节律的调控。

二、全身麻醉药物对生物钟基因表达的影响

已有许多证据表明，全麻药物能够改变生物钟基因的表达。Anzai等发现七氟烷可以直接或间接影响大鼠SCN中PER2的表达；Cheeseman等发现异氟烷通过影响生物钟基因的表达而改变蜜蜂的时间知觉；Yoshida等发现丙泊酚和右美托咪定对生物钟基因表达的抑制作用可持续至大鼠完全清醒后的24小时。此外，一些研究还发现全麻药物对生物钟基因表达的影响可能与实施麻醉的时间有关。多项研究证实在PER2表达周期性波动上升期（通常为上午），七氟烷、右美托咪定或丙泊酚都能较快地下调PER2的表达水平，但在其他时间，如下午或晚上（通常为PER2表达周期性波动的下降期），麻醉药物的抑制作用不明显。

全麻药物影响生物钟基因表达机制还未明确。一些全身麻醉药，如氯胺酮、异氟烷、七氟烷，都有拮抗NMDA受体的作用。Bellet等将氯胺酮作用于体外培养的NG108-15神经细胞，结果发现氯胺酮可通过抑制CLOCK：BMAL1复合物与PER1启动子结合从而抑制PER1的表达，进一步研究发现抑制糖原合酶激酶3β（GSK3β）后氯胺酮对PER1表达的抑制作用消失，而氯胺酮可通过拮抗NMDA受体可激活GSK3β。GSK3β激活后，通过磷酸化BMAL1，引起后者被蛋白酶体靶向降解，CLOCK：BMAL1复合物受到抑制。以上几项研究表明，NMDA受体及其下游的信号转导通路GSK3β可能是某些全麻药物影响生物钟基因表达的作用靶点。

丙泊酚和戊巴比妥是非NMDA受体拮抗剂，其对生物钟基因表达的影响可能通过SCN中γ-氨基丁酸（γ-aminobutyric acid，GABA）受体发挥作用。有研究表明，GABA受体在生物钟响应光/暗周期的变化中也起到关键作用，在黑暗期间对实验动物给予光线暴露会增加SCN神经元GABA受体的激活，将GABA受体激动剂蝇蕈醇直接注入哺乳动物SCN可引起PER2基因表达抑制，并可导致生物钟相位改变。因此，GABA对生物钟调节也至关重要。目前关于丙泊酚或戊巴比妥类药物通过激动GABA受体而影响生物钟基因表达的分子机制还不清楚。

三、全身麻醉药物对动物昼夜行为节律的影响

生物的昼夜行为节律受生物钟调控。动物昼夜节律变化与动物种属、麻醉药物类型及实验条件有关，麻醉药物对昼夜节律的影响较对生物钟基因表达的影响较为复杂。

Ohe等将大鼠置于黑暗环境下饲养，在第3天的主观白天（subjective day）用七氟烷进行麻醉，发现苏醒后的大鼠自发活动减少，同时休息活动的时相后移。而Anzai等在相同实验条件下却未发现苏醒后大鼠的休息活动节律的明显变化。Mihara等发现用氯胺酮和戊巴比妥麻醉后均能够引起大鼠自发活动减少，但氯胺酮在活动期麻醉后引起休息活动时相推迟，在休息期麻醉后则导致休息活动时相提前。Xia等用异氟烷在小鼠活动期麻醉，苏醒后休息期的自发活动增加。上述研究麻醉药物对动物昼夜行为节律的影响并不一致，这也提示较生物钟基因表达变化，全麻后昼夜行为节律受更多因素的影响。

四、当前研究存在的问题

迄今为止，有关麻醉药物对哺乳动物生物节律影响的研究还只是处于起步阶段，还存在诸多问题，不同研究在实验设计上存在差异，这也导致了实验结果的不一致。

首先，在哺乳动物，光干扰麻醉药物影响生物节律的作用还未明确。在蜜蜂的有关研究中已显示麻醉药物和光照对生物节律时相的影响相互抵消。Ludin等发现黑暗时给予异氟烷麻醉，蜜蜂的休息/活动时相发生推迟；但当蜜蜂同时暴露于光照和异氟烷麻醉的情况后，麻醉引起的蜜蜂休息/活动时相改变被消除了。光线作为日常生活中无处不在的事物，极有可能在实验设计时被研究人员所忽视，这一点是至关重要的。目前啮齿类动物的研究很少关注光照对麻醉药物影响休息/活动节律的干扰作用。可否通过调节光照周期来消除麻醉药物对昼夜节律影响是一值得探讨的问题。

其次，人类的活动节律为日间活动、夜间休息，而目前大多数实验研究对象是夜行性啮齿类动物，其休息/活动节律与人类截然相反。在夜行性动物的活动期，SCN中BMAL1/CLOCK表达水平处于高值，而在日行性动物的活动期，PER/CRY表达水平处于高值。虽然有研究表明日行性啮齿动物和夜行性啮齿动物的SCN具有相似的PER mRNA的昼夜变化模式，但有关其他生物钟基因的研究还缺乏足够的证据。因此，不论活动节律还是生物钟基因表达，都很难将动物实验观察到的现象应用到临床中。

最后，关于麻醉引起生物钟基因表达与麻醉后昼夜节律紊乱的对应关系有待探究。许多研究已经证实，麻醉药物可以影响生物钟基因表达，同时麻醉后可观察到实验动物休息/活动行为、褪黑素分泌和体温调节等生理活动节律的改变，这在一定程度上支持麻醉可通过影响生物钟基因表达进而对动物生理和行为产生影响的假设。需要注意的是，生理活动受多种因素调控，比如体温调节不仅受到SCN生物钟的控制，也受到肾上腺素能通路的影响。众所周知，肾上腺素能通路也可被麻醉药物干扰，那么褪黑素分泌和体温节律的变化以及类似的其他生理和行为的改变就不能只归因于麻醉药物对生物钟基因表达的影响，它们之间是否具有因果关系尚待进一步确定。

五、总结

尽管众多证据表明全麻药物可以影响生物钟基因的表达以及昼夜行为节律的改变，然而这种改变并不一致，且机制复杂。实验动物的选择，实验条件的控制对探究全麻药物对生物节律的影响至关重要。这一问题的解决，将为临床上全麻后患者昼夜节律紊乱提供新的预防和治疗方向。

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