七氟醚麻醉對發(fā)育期腦組織的神經(jīng)毒性作用研究進展

李帥蓉，陶利軍，江波，王奮珍

(內(nèi)蒙古醫(yī)科大學(xué)附屬醫(yī)院，呼和浩特010050)

七氟醚麻醉對發(fā)育期腦組織的神經(jīng)毒性作用研究進展

李帥蓉，陶利軍，江波，王奮珍

(內(nèi)蒙古醫(yī)科大學(xué)附屬醫(yī)院，呼和浩特010050)

七氟醚因麻醉誘導(dǎo)、蘇醒快，氣道刺激性小，麻醉平穩(wěn)等優(yōu)點被廣泛應(yīng)用于產(chǎn)科和兒科麻醉中。發(fā)育期腦組織因解剖結(jié)構(gòu)和生理功能不成熟，敏感且易受損。動物研究和臨床研究均提示七氟醚麻醉對發(fā)育期腦組織有一定的神經(jīng)毒性，其作用可能與誘導(dǎo)神經(jīng)元異常凋亡、降低突觸可塑性、引發(fā)興奮性/抑制性神經(jīng)遞質(zhì)失衡、造成神經(jīng)元表型缺失有關(guān)。

七氟醚；七氟醚神經(jīng)毒性；神經(jīng)元凋亡；突觸可塑性；興奮性經(jīng)遞質(zhì)；抑制性神經(jīng)遞質(zhì)失衡；神經(jīng)元表型缺失；腦組織；發(fā)育期腦組織；麻醉

隨著外科及麻醉技術(shù)的發(fā)展，全世界每年有將近150萬例嬰幼兒接受全身麻醉[1]。七氟醚因具有血氣分配系數(shù)低，麻醉誘導(dǎo)、蘇醒快，氣道刺激性小，血流動力學(xué)平穩(wěn)等優(yōu)點被廣泛用于兒科和產(chǎn)科麻醉，并被認為在小兒全麻誘導(dǎo)及維持中有顯著優(yōu)點。但越來越多的研究發(fā)現(xiàn)七氟醚暴露可導(dǎo)致發(fā)育期腦組織神經(jīng)元異常凋亡，甚至?xí)p傷其日后的學(xué)習(xí)、記憶功能，但具體作用機制目前并不明確。闡明七氟醚對發(fā)育期腦組織神經(jīng)毒性的發(fā)生機制對圍術(shù)期小兒神經(jīng)保護具有重大意義?，F(xiàn)將發(fā)育期腦組織的特點、七氟醚麻醉對發(fā)育期腦組織的神經(jīng)毒性作用及相關(guān)作用機制研究進展情況綜述如下。

1 發(fā)育期腦組織的特點

脊椎動物中樞神經(jīng)系統(tǒng)的發(fā)育起源于外胚層的神經(jīng)管，隨后發(fā)育為脊髓和大腦。嚙齒類動物的神經(jīng)管在孕中期形成，相當(dāng)于大鼠胎齡的10.5～11 d、小鼠胎齡的9～9.5 d。而人類神經(jīng)管的形成發(fā)生在孕早期，即懷孕的第3～4周[2]。人類出生時腦組織神經(jīng)元的數(shù)量約為10億個，腦組織發(fā)育期間，在多種神經(jīng)生長因子、腦源性營養(yǎng)因子、神經(jīng)遞質(zhì)參與調(diào)節(jié)下，不成熟腦組織向成熟腦組織轉(zhuǎn)化，有50%～70%的神經(jīng)元借助大腦結(jié)構(gòu)、功能的正常建立而凋亡[3]，此階段腦組織對內(nèi)環(huán)境的改變非常敏感，任何對中樞神經(jīng)系統(tǒng)的干擾因素都可能引起神經(jīng)元的異常凋亡和腦組織結(jié)構(gòu)、功能的長期受損。

對出生后人類腦組織發(fā)育情況的評估主要依靠尸檢測量腦組織的重量。Dobbing等[4]首次提出了腦生長的快速爆發(fā)期，相當(dāng)于人類胚胎后3個月至出生后第2～3年、嚙齒類動物產(chǎn)后第7～10天。此期全腦質(zhì)量迅速增加，軸突快速延伸，樹突迅速出芽，突觸大量形成。此期腦組織具有高度可塑性，但對內(nèi)外環(huán)境改變十分敏感，這就為麻醉藥物干擾其正常發(fā)育帶來了可能性。

雖然傳統(tǒng)神經(jīng)解剖學(xué)依據(jù)腦組織質(zhì)量可以初步評估腦組織整體的發(fā)育情況，但是無法單獨觀察到大腦各個區(qū)域的發(fā)育情況，而且倫理學(xué)也限制了嬰幼兒傳統(tǒng)神經(jīng)解剖學(xué)的研究。在20世紀90年代，隨著非侵入性成像技術(shù)的迅速發(fā)展，磁共振成像(MRI)為研究腦組織發(fā)育期特點提供了新的思路，其可相對直觀地反應(yīng)腦發(fā)育期白質(zhì)和灰質(zhì)的變化情況。MRI檢查發(fā)現(xiàn)6歲左右兒童的腦組織體積可達成人的90%～95%[5]。胎兒6個月前腦白質(zhì)與灰質(zhì)的MRI顯像特點與成人相反，從胎兒6個月至其出生后2個月隨著腦組織含水量下降、髓鞘積累，影像學(xué)改變趨于成人。腦皮質(zhì)隨著年齡呈線性增長，而額葉灰質(zhì)則呈非線性增長(人類11～12歲達峰，16～17歲時出現(xiàn)輕微減小)[6]。可見腦組織白質(zhì)和灰質(zhì)的發(fā)育并非完全同步，僅僅依靠腦組織質(zhì)量的改變來評估腦發(fā)育情況是不全面的，分區(qū)域研究腦組織發(fā)育情況很有必要。

發(fā)育期腦組織不僅在結(jié)構(gòu)上與成熟腦組織不同，其神經(jīng)遞質(zhì)的功能也存在特異性。在成熟神經(jīng)元中發(fā)揮抑制作用的γ-氨基丁酸(GABA)，在神經(jīng)元發(fā)育早期是一種重要的興奮性神經(jīng)遞質(zhì)。發(fā)育期海馬神經(jīng)元中GABA和谷氨酸能突觸的成熟是序貫形成的。成熟的神經(jīng)元通過激活α-氨基羥甲基惡唑丙酸受體(AMPAR)來激活N-甲基-D天冬氨酸受體(NMDA)增加神經(jīng)元的興奮性。而在神經(jīng)發(fā)育早期AMPAR發(fā)育不成熟，NMDA的激活需要依靠激活GABA受體實現(xiàn)[7]。

2 七氟醚對發(fā)育期腦組織的神經(jīng)毒性作用

七氟醚最先于1990年由日本藥監(jiān)部門批準應(yīng)用于臨床，最初人們認為隨著麻醉作用的消失，七氟醚從體內(nèi)徹底代謝,不會產(chǎn)生長時間的不良影響。直到2003年Jevtovic-Todorovic等[8]首次報道七氟醚暴露可引起發(fā)育期嚙齒類動物大腦神經(jīng)元異常凋亡并損傷其認知功能。這一發(fā)現(xiàn)引起了社會和醫(yī)學(xué)界的極大關(guān)注。近年來很多研究圍繞七氟醚對發(fā)育期腦組織的神經(jīng)毒性作用展開。

有關(guān)七氟醚對發(fā)育期腦組織神經(jīng)毒性作用的臨床前研究，通常以嚙齒類動物和靈長類動物為主要研究對象。七氟醚對發(fā)育期腦組織的神經(jīng)毒性作用主要有以下表現(xiàn)：①大腦神經(jīng)元的缺失或形態(tài)改變：新生大鼠單次七氟醚暴露可引起海馬CA1和CA3區(qū)錐體神經(jīng)元缺失增加，神經(jīng)元樹突棘總體密度降低，原始神經(jīng)元丟失、形態(tài)改變，微清蛋白(PV)中間神經(jīng)元表型缺失[9～11]。②凋亡相關(guān)蛋白及基因表達改變：海馬、丘腦及頂葉皮質(zhì)、紋狀體的凋亡蛋白酶Caspase-3表達增加[12,13]；神經(jīng)型一氧化氮合酶、糖原合成酶激酶3、Blc-2及磷酸化細胞外信號調(diào)節(jié)激酶1/2表達降低,促凋亡基因Bax表達增加[14,15]。③調(diào)節(jié)突觸重塑/可塑性相關(guān)基因及蛋白表達改變：海馬內(nèi)突觸后致密物95(PSD-95)、突觸素Ⅰ(Synapsin-1)、C-Fas(Fas基因家族成員)、腦源性神經(jīng)營養(yǎng)因子( BDNF)水平下降[16]。④學(xué)習(xí)、空間記憶功能障礙:2 h以上2%～3%七氟醚暴露可導(dǎo)致幼鼠成年后空間記憶和學(xué)習(xí)能力受損，主要表現(xiàn)為逃避潛伏期延長和平臺穿越次數(shù)減少[17,18]。

七氟醚對發(fā)育期腦組織的神經(jīng)毒性是客觀存在的，但動物研究結(jié)果是否與人類一致存在很大爭議。其原因主要包括以下幾點：第一，由于倫理學(xué)的限制，七氟醚暴露是否引起小兒神經(jīng)系統(tǒng)的組織病理學(xué)改變很難確定。第二，動物研究已經(jīng)發(fā)現(xiàn)七氟醚的神經(jīng)毒性作用具有時間依賴性[19,20]，動物和人是不同物種，其大腦發(fā)育特點顯著不同，嚙齒類動物大腦發(fā)育時長明顯短于人類，相同的七氟醚暴露時間，嚙齒類動物相對于人類來說對發(fā)育期大腦作用時間更長。第三，與動物研究相比，臨床研究很難將七氟醚暴露與疾病本身、手術(shù)因素相區(qū)別。第四，動物研究缺乏客觀的監(jiān)測手段，以排除血壓波動、血氧降低、二氧化碳蓄積對研究結(jié)果的影響。第五，很多研究為回顧性研究，由于七氟醚暴露時醫(yī)療水平和監(jiān)測手段的局限性，無法排除術(shù)中血壓、血氧、二氧化碳分壓、麻醉深度等對研究結(jié)果的影響。臨床研究[21]報道，七氟醚麻醉可使新生兒血清S100-β蛋白及神經(jīng)烯醇化酶水平升高，提示七氟醚暴露可能引起新生兒腦損傷；另外七氟醚麻醉與靜脈麻醉相比，小兒術(shù)后行為異常的發(fā)生率更高[22]。而最近一個多中心的、關(guān)于吸入麻醉是否影響患兒術(shù)后遠期認知功能的研究[23]發(fā)現(xiàn)，0～3歲的患兒在單次、短期吸入麻醉下行腹股溝疝修補術(shù)后，分別于8歲和15歲時測得的IQ值與相同年齡段兄弟姐妹IQ值之間無統(tǒng)計學(xué)差異。

3 七氟醚對發(fā)育期腦組織神經(jīng)毒性作用的可能機制

3.1 誘導(dǎo)神經(jīng)元異常凋亡 動物研究發(fā)現(xiàn)七氟醚暴露可引起嚙齒類動物海馬及大腦皮層神經(jīng)元異常凋亡。七氟醚可能通過以下途徑誘導(dǎo)神經(jīng)元凋亡： ①線粒體依賴性途徑： 線粒體不僅能為細胞供能，在調(diào)控細胞凋亡的過程中也發(fā)揮重要作用。線粒體通透性轉(zhuǎn)變孔(MPTP)是位于線粒體內(nèi)外膜之間由多個蛋白質(zhì)組成的復(fù)合通道。正常情況下，MPTP周期性開放，線粒體外的正離子進入線粒體內(nèi)，而線粒體內(nèi)膜的質(zhì)子泵將線粒體基質(zhì)中的質(zhì)子泵入胞漿，從而維持線粒體外正內(nèi)負的跨膜電位。七氟醚通過誘導(dǎo)氧化應(yīng)激反應(yīng)、促進內(nèi)質(zhì)網(wǎng)鈣超載、改變Bcl家族促凋亡蛋白表達使MPTP異常開放，導(dǎo)致線粒體膜電位消失、呼吸鏈斷裂，Caspase-3及細胞色素C等凋亡因子釋放，從而啟動神經(jīng)元的凋亡[24,25]。②死亡受體依賴性途徑：死亡受體依賴性途徑是細胞凋亡的經(jīng)典途徑之一，而Fas/FasL是主要死亡受體通路之一,七氟醚可上調(diào)Fas蛋白水平，通過激活相應(yīng)膜受體，形成死亡誘導(dǎo)信號傳導(dǎo)復(fù)合物，激活Caspase-8而啟動凋亡級聯(lián)，直接激活下游效應(yīng)因子Caspase-3，通過拆散細胞骨架、阻斷DNA復(fù)制和修復(fù)、干擾mRNA剪切，損傷DNA與核結(jié)構(gòu)誘導(dǎo)神經(jīng)元凋亡[26]。

3.2 降低突觸可塑性 突觸可塑性是指在一定條件下突觸可通過改變形態(tài)而調(diào)整自身功能，以適應(yīng)不斷變化的環(huán)境。突觸的這種可塑性主要依靠樹突棘形態(tài)、數(shù)目的改變而實現(xiàn)。Synapsin-1、PSD-95、BNDF對突觸的發(fā)生、穩(wěn)定和可塑性調(diào)節(jié)起重要作用。七氟醚通過降低發(fā)育期腦組織中Synapsin-1、PSD-95、BNDF的表達，影響谷氨酸能突觸成熟，降低樹突棘密度和突觸可塑性，使突觸信息傳遞的有效性下降，從而引起大鼠七氟醚暴露后學(xué)習(xí)、空間記憶功能損傷[16]。

3.3 引發(fā)興奮性/抑制性神經(jīng)遞質(zhì)失衡 成熟神經(jīng)系統(tǒng)依靠興奮性神經(jīng)遞質(zhì)和抑制性神經(jīng)遞質(zhì)的相對平衡維持其自身的正常功能。七氟醚通過作用于NMDA、GABA受體引起發(fā)育期大腦興奮性/抑制性神經(jīng)遞質(zhì)失衡，進而引起行為異常和學(xué)習(xí)、記憶功能障礙的的發(fā)生。其作用機制主要有以下幾點：第一，通過拮抗NMDA受體，使NMDA受體代償性上調(diào)，待七氟醚洗出后，發(fā)育期神經(jīng)元對谷氨酸的敏感性增強。第二，由于GABA在神經(jīng)發(fā)育早期為興奮性神經(jīng)遞質(zhì)，七氟醚激活GABA受體可使發(fā)育期腦組織過度興奮；二者協(xié)同產(chǎn)生興奮性神經(jīng)毒性作用[27,28]。

3.4 造成神經(jīng)元表型缺失 PV中間神經(jīng)元是抑制性GABA能中間神經(jīng)元的主要表型，對海馬及新皮層局部環(huán)路具有抑制作用，參與大腦學(xué)習(xí)、記憶及信息傳遞。動物研究[11]發(fā)現(xiàn)PV中間神經(jīng)元的表型缺失與七氟醚暴露后引起的小鼠認知功能損傷是同時發(fā)生的。PV中間神經(jīng)元缺失后大腦表現(xiàn)為過度興奮，引起認知功能損傷[29]。

總之，七氟醚作為臨床上常用的小兒吸入麻醉藥，其對發(fā)育期腦組織的神經(jīng)毒性是客觀存在的。雖然七氟醚引起發(fā)育期腦組織神經(jīng)毒性的機制在動物研究中取得了一些進展，但由于倫理學(xué)的限制、人類神經(jīng)系統(tǒng)的復(fù)雜性在臨床研究中進展受到一定限制。隨著基礎(chǔ)生命科學(xué)、麻醉學(xué)、神經(jīng)心理學(xué)的發(fā)展，有可能在不遠的將來就會闡明七氟醚對發(fā)育期腦組織神經(jīng)毒性的作用機制，進而制定圍術(shù)期發(fā)育期腦組織的保護策略。

[1] 李建立,侯艷寧. 全身麻醉藥對發(fā)育期大腦影響的研究進展[J]. 臨床麻醉學(xué)雜志,2016,32(6):610-613.

[2] Bridgette D,Blomgren K,Gimlin K, et al. Brain development in rodents and humans: identifying benchmarks of maturation and vulnerability to injury across species[J]. Prog Neurobiol, 2013, 106(7):1-16.

[3] Creeley CE,Catherine E.From drug-Induced developmental neuroapoptosis to pediatric anesthetic neurotoxicity-where are we now[J]. Brain Sci, 2016, 6(3):32.

[4]Dobbing J, Sands J. Comparative aspects of brain growth spurt[J]. Early Hum Dev， 1979,3(1):79-83.

[5] Bansal R, Gerber AJ, Peterson BS. Brain morphometry using anatomical magnetic resonance imaging[J]. J Am Acad Child Adolesc Psychiatry， 2008,47(6):619-621.

[6] Xiong M, Li J, Ma SM, et al. Effects of hypothermia on oilgodendrocyte precursor cell proliferation,differentiation and maturation following hypoxia ischemia in vivo and in vitro[J]. Exp Neurol， 2013,247(9):720-729

[7] Zhao YL1, Xiang Q, Shi QY, et al. GABAergic excitotoxicity injury of the immature hippocampal pyramidal neurons exposure to isoflurane[J]. Anesth Analg, 2011,113(5):1152-1160.

[8] Jevtovic-Todorovic V, Boscolo A, Sanchez V,et al .Anesthesia-induced developmental neurodegeneration: the role of neuronal organelles[J]. Front Neurol， 2012,11(3):141.

[9] Zhou X,Song FH, He W, et al. Neonatal exposure to sevoflurane caused apoptosis and reduces nNOS protein express on in rat hippocampus[J]. Mol Med Red， 2012,6(3):543-546.

[10] Feng X, Liu JJ, Zhou X, et al. Single sevoflurane exposure decreases neuronal nitric oxide synthase levels in the hippocampus of developing rats[J] . Br J Aaesth， 2012,109(2) :225-233.

[11] 張慧,孫曉茹,唐會,等.豐富環(huán)境對新生小鼠暴露于七氟醚所致微清蛋白中間神經(jīng)元表型缺失及認知功能損傷的影響[J].臨床麻醉學(xué)雜志，2016,32(2):156-160.

[12] Lei X, Zhang W, Liu T, et al. Perinatal supplementation with omega-3 polyunsaturated fatty acids improves sevoflurane-induced neurodegeneration and memory impairment in neonatal rats[J]. PLoS One， 2013,8(8)：70645.

[13] Yonamine R, Satoh Y, Kodama M, et al. Coadministration of hydrogen gas as part of the carrier gas mixture suppresses neuronal apoptosis and subsequent behavioral deficits caused by neonatal exposure to sevoflurane in mice[J]. Anesthesiology， 2013,118(1):105-113.

[14] Lu X, Lv S, Mi Y, et al. Neuroprotective effect of miR-665 against sevoflurane anesthesia-induced cognitive dysfunction in rats through PI3K/Akt signaling pathway by targeting insulin-like growth factor 2[J]. Am J Transl Res， 2017,9(3):1344-1356.

[15] Feng X, Liu JJ, Zhou X, et al. Single sevoflurane exposure decreases neuronal nitric oxide synthase levels in the hippocampus of developing rats[J]. Br J Anaesth， 2012,109(2):225-233.

[16] 張慧,賈敏,孫曉茹,等. 豐富環(huán)境對七氟醚吸入誘發(fā)新生大鼠遠期認知功能障礙的影響[J]. 臨床麻醉學(xué)雜志，2015,31(8):786-789.

[17] Ji M, Wang X, Sun, X. et al. Environmental enrichment ameliorates neonatal sevoflurane exposure-induced cognitive and synaptic plasticity impairments[J]. J Mol Neurosci， 2015, 57(3): 358-365.

[18] Lin D, Liu J, Kramberg L, et al. Early‐life single‐episode sevoflurane exposure impairs social behavior and cognition later in life[J]. Brain Behavior， 2016,6(9):514.

[19] Amrock LG, Starner ML, Murphy KL, et al. Long-term effects of single or multiple neonatal sevoflurane exposures on rat hippocampal ultrastructure[J]. Anesthesiology， 2015,122(1):87-95.

[20] Zhang L, Zhang J, Dong Y, et al . The potential dual effects of sevoflurane on AKT GSK3 signaling pathway [J]. Med Gas Res， 2014 ,4(1):5.

[21] 盧國林,饒冬東,陳小琳,等. 七氟烷暴露對新生兒術(shù)后早期S100β蛋白及神經(jīng)烯醇化酶表達水平的影響[J]. 中國臨床藥理學(xué)雜志，2013,29(7):509-511.

[22] Mohkamkar M, Farhoudi F, Alam-Sahebpour A, et al. Postanesthetic emergence agitation in pediatric patients under general anesthesia[J]. Iran J Pediatr， 2014,24(2):184-190.

[23] Sun LS, Li G, Miller TL, et al.Association between a single general anesthesia exposure before age 36 months and neurocognitive outcomes in later childhood [J]. JAMA，2016,315(21):2312-2320.

[24] Zhou X, Li W, Chen X, et al. Dose-dependent effects of sevoflurane exposure during early lifetime on apoptosis in hippocampus and neurocognitive outcomes in Sprague-Dawley rats[J]. Int J Physiol Pathophysiol Pharmacol，2016,8(3):111-119.

[25] 梁凱,曹秉振. 線粒體調(diào)控的細胞凋亡研究進展[J]. 生物醫(yī)學(xué)工程與臨床，2014,18(5):501-505.

[26] 彭偉,駱泓潔,元小冬. 死亡受體介導(dǎo)的細胞凋亡研究進展[J]. 生命的化學(xué)，2016,36(5):629-632.

[27] Lim BG, Shen FY, Kim YB, et al. Possible role of GABAergic depolarization in neocortical neurons in generating hyperexcitatory behaviors during emergence from sevoflurane anesthesia in the rat[J]. ASN Neuro，2014,6(2)：141.

[28] 王萌萌，任娟娟，朱宇航，等.多次七氟醚麻醉對新生大鼠的神經(jīng)毒性作用[J].中華麻醉學(xué)雜志，2016，36(4)：411-413.

[29] Hu H, Gan J, Jonas P .Interneurons. Fast-spiking,parvalbumin GABAergic interneurons:from cellular design to microcircuit function[J].Science， 2014,345(6169):1255263.

10.3969/j.issn.1002-266X.2017.43.034

R614.2

A

1002-266X(2017)43-0107-04

內(nèi)蒙古自治區(qū)衛(wèi)生和計劃生育委員會醫(yī)療衛(wèi)生科研計劃項目(201303068)。

陶利軍(E-mail: 50944550@qq.com)

2017-05-25)