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全身麻醉在脑发育中潜在神经毒性作用研究进展
作者:代红雨[1] 柳兆芳[2] 
单位:皖南医学院[1] 皖南医学院弋矶山医院[2]  
文章号:W140121  
2019/11/21 14:24:58    
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  现代医学认为全身麻醉是一项安全的医疗过程,并广泛应用于孕妇及小儿等特殊患者群体。近期FDA发布警告称,孕后期孕妇或低于3岁的小儿长时间(3h以上)或高频率应用麻醉药,存在脑发育异常的风险。此外,相关基础研究及临床调查提示,发育中脑暴露于全麻药物后可诱发神经元凋亡、干扰突触塑形能力等,从而引起神经认知及行为能力缺陷。本文就全身麻醉在脑发育中神经毒性作用神经结局以及潜在机制进行综述。

  现代医学认为全身麻醉是一项安全的医疗过程,并广泛应用于孕妇及小儿等特殊患者群体。近期FDA发布警告称,孕后期孕妇或低于3岁的小儿长时间(3h以上)或高频率应用麻醉药,存在脑发育异常的风险。此外,相关基础研究及临床调查提示,发育中脑暴露于全麻药物后可诱发神经元凋亡、干扰突触塑形能力等,从而引起神经认知及行为能力缺陷。本文就全身麻醉在脑发育中神经毒性作用神经结局以及潜在机制进行综述。


1.脑神经系统发生


  脑神经系统发生是指神经发育中几个特征性阶段相互作用并产生神经功能的完整过程,包括神经细胞生成、神经元迁移、突触形成以及轴突髓鞘化等。就人类而言,妊娠早期神经管神经上皮经分化完成形态结构转变后,具备产生神经细胞的能力。妊娠12~20周神经元快速增殖,在这期间神经数目呈“井喷”式增长并迁移至未来行使功能的特定位置,随后神经元发生程序性死亡以维持脑的正常外形。


  约妊娠20周,神经元之间开始构筑突触结构,在胎儿娩出后2~3年,突触生成达高峰期,这一时期脑神经发育进入爆发阶段(突触生成期),伴随轴突、树突大量的生成,神经细胞间形成连接最终完成神经网络化。因此,无论是胎儿期或是早期小儿,其脑神经系统均处于不稳定状态,显示出强烈的易损性,此阶段应用中枢抑制性全麻药物,存在神经发育异常的风险。


2.麻醉药神经毒性证据


2.1基础研究证据


  Istaphanous等的研究为全麻药在脑发育中神经毒性作用提供了直接证据,通过定量分析细胞凋亡相关蛋白酶caspase-3的表达发现,暴露于异氟醚的新生小鼠脑皮质神经元凋亡密度较未经麻醉者明显增加,分别为2.0%±0.004%与0.08%±0.001%(P=0.0017)。此外,在突触发育过程中,全麻药物通过抑制突触小体的形成以及突触蛋白的表达,进一步影响突触功能,最终破坏神经环路正常结构。


  Deng等针对年龄相关性麻醉药脑神经区域损害的对照研究中发现,经异氟醚麻醉6h后,发现新生小鼠位于大脑皮层、海马CA1区、尾壳核等神经发生较早的区域神经细胞凋亡证据,神经增殖较晚的齿状回颗粒细胞则在幼年期显示出强烈的易损性并延伸至成年期,结果表明:(1)神经细胞发育水平是麻醉药发挥神经毒性作用的重要因素,且毒性作用存在时间窗;(2)处于神经发育高峰的脑神经区域更易受损;(3)经历神经发育活跃期的小儿全身麻醉仍有神经损害的风险。基因学研究中,Lin等研究发现,2.4%七氟醚麻醉2h可长期影响新生小鼠脑特定miRNAs的表达,且下游通路分析提示轴突导向突触发育功能受损。除器质性损害外,麻醉药还可引起神经功能障碍。

 

  Kodama等的研究发现,吸入性麻醉药包括七氟醚、异氟醚及地氟醚,均存在干扰新生小鼠长时记忆功能,其中地氟醚还表现出抑制短时记忆生成的作用。Jessica等在灵长动物研究中发现,新生恒河猴1个月内接受3次七氟醚麻醉,6月龄时焦虑行为增加。Coleman等的研究中,新生恒河猴短期内不同频率暴露于异氟醚麻醉,结果发现接受高频率麻醉者1月龄运动反应能力下降;1岁时新环境焦虑发生率高。提示短期内多次全身麻醉远期行为缺陷发生率高。


  另有文献报道,新生小鼠暴露于1.2%七氟醚与未经麻醉者相比,成年期海马区5-溴脱氧尿嘧啶核苷的表达显著增加,分别为35.83±2.14、30.83±2.85,且与海马区相关的学习记忆功能显著提高,预示着低浓度吸入性麻醉药具有促进神经发生的作用;实验还发现经低浓度暴露组成年期后,其海马区脑源性营养因子(BDNF)表达同步增加,因此推测BDNF在这一过程中发挥重要作用。BDNF是广泛存在于神经元及突触中的保护性因子,具有促进神经细胞再生以及受损神经修复等功能。小剂量或低浓度麻醉药促进BDNF表达机制目前尚无文献报道。


2.2临床研究证据


  现有的临床回顾性研究,由于相关因素及观察指标等层面的差异而存在分歧。部分研究提示,年龄小于2~4岁或经多次全身麻醉(2次及以上)的小儿远期神经功能缺陷风险率增加,表现为行为障碍、学习记忆能力下降,以及心理疾病如多动症等。另有学者认为较未经麻醉者,早期小儿全身麻醉未来学业障碍或自闭症发病率无明显升高。Ing等为临床研究提供了新的思路,利用神经心理学测试对小儿神经发育进行全面评估,发现3岁前接受全身麻醉者具有认知及语言功能损害风险。


  Backeljauw等的回顾性研究中,4岁前接受手术麻醉的患儿,除引起听力理解力以及智力降低外,进一步的影像学检查更是发现大脑枕叶皮质以及小脑白质密度减低。由于研究设计的缺陷以及部分观察指标如学业成绩等,在评估神经损害结局中缺乏敏感性,因此回顾性研究不能作为全身麻醉脑发育神经毒性确切证据。


  澳大利亚及全球26个国家进行的临床多中心前瞻性随机对照试验(RCT)中,针对2种麻醉方式对小儿神经发育影响的对比研究(General Anaesthesia Study,GAS),纳入矫正胎龄<60周择期腹股沟疝手术的婴幼儿,随机实施蛛网膜下腔阻滞麻醉(药物为布比卡因)与全身麻醉(药物为七氟醚),2年及5年后分别进行神经发育与神经心理评估。根据贝利婴幼儿发展量表,GAS研究最近的数据提示早期接受短时间七氟醚全身麻醉(平均54min)者2岁时认知评分与蛛网膜下腔阻滞麻醉者无明显差异,分别为98.6±14.2和98.2±14.7。


  GAS研究依然存在缺陷,忽略了小儿生长环境等外界因素,且贝利婴幼儿发展量表对于2岁小儿的适用性有待验证。Sun等针对全身麻醉在小儿神经认知及行为结局的双向队列研究中(Pediatric Anesthesia Neurodevelopment Assessment,PANDA),采用同胞对照法,选取ASAⅠ~Ⅱ级足月产受试同胞,以同胞中一名36月龄前经历全身麻醉下腹股沟疝手术者作为麻醉暴露组,并于8~15岁进行一次神经心理学测试。结果发现与对照组相比,麻醉暴露组在语言、记忆、行为能力、注意力以及视空间知觉等认知层面评分差异均无统计学意义;而与行为转归相关的儿童行为量表测试中,经麻醉者内化得分明显升高,差异为3.2分(95%CI:1.1~5.3),表明早期小儿接受全身麻醉无远期神经功能障碍风险。


  PANDA研究设计的优势在于,通过同胞对照法减少遗传、家庭环境等干扰因素,此外,应用不同类型量表工具分别对神经认知及社会行为能力进行评估,减少了研究结果的信息偏倚。


3.麻醉药潜在神经毒性机制


3.1Ca2+浓度失平衡


  神经发育过程中,Ca2+作为重要的信号分子,参与突触的生成以及神经网络的构筑。一方面,神经元生长锥利用Ca2+的浓度差来引导轴突正确生长,避免神经病理性发育。另一方面,胞质内Ca2+参与调节钙调素依赖蛋白激酶II(CaMKⅡ)的表达,促使环磷腺苷效应元件结合蛋白(CREB)磷酸化,从而激活BDNF的转录程序。因此,任何扰乱神经元细胞内Ca2+浓度平衡(Ca2+振荡)的因素均可导致突触发育不良以及抑制神经元发生。


  临床上常用镇静药如氯胺酮、氧化亚氮等,通过抑制N-甲基-D-天冬氨酸(NMDA)受体发挥镇静效应。NMDA受体NR1亚型的表达,促使细胞外Ca2+内流,神经细胞内Ca2+浓度显著升高。丙泊酚及多数吸入性麻醉药则是通过兴奋GABA受体从而发挥麻醉作用。GABA受体的兴奋,可增强突触后抑制电位,伴随着细胞膜电势能的变化,电压门控钙离子通道开放增加,大量Ca2+内流,从而使胞质内Ca2+浓度失衡。


3.2线粒体受损


  线粒体是广泛存在于真核细胞内具有高度动态特性的细胞器,可根据不同组织需要改变其形态及数目,并且影响细胞有丝分裂、凋亡等多种生理过程。线粒体是产生活性氧(ROS)重要场所之一,麻醉下ROS生成与清除平衡破坏,胞质及线粒体ROS浓度均显著升高。细胞内高浓度ROS除引起氧化应激致细胞凋亡外,同时可破坏线粒体的完整性。一方面,增加线粒体裂解蛋白Drp-1的表达并聚集于线粒体外膜直接破坏其正常形态;另一方面,抑制融合蛋白Mfn-2生成,引起线粒体裂解/融合补偿机制缺乏。


  胞质内Ca2+蓄积是导致线粒体损伤另一重要因素,通过线粒体钙单向转运体的作用增加线粒体Ca2+浓度,引起线粒体膜电位的损害导致功能丧失,受损的线粒体进一步释放凋亡诱导因子如BAX、细胞色素C等,并抑制Bcl-2保护性因子的表达,最终启动细胞凋亡通路。Xu等的研究中,原代大鼠脑皮质神经元经七氟醚或异氟醚麻醉1h,通过免疫荧光法发现,伴随神经元线粒体形态受损,神经发生以及突触功能均受限;应用线粒体裂解抑制剂Mdivi-1预处理后其神经损伤得到改善。


3.3炎性细胞因子及凋亡蛋白


  现普遍认为,除外科手术外,麻醉药同样具有促进炎性细胞因子释放的作用,尽管有文献提示丙泊酚、异氟醚、咪达唑仑、氯胺酮等通过抑制小神经胶质细胞功能减少IL-1β的释放。脑组织炎性细胞因子TNF等浓度的增加,不仅引起神经炎症细胞凋亡,还可对阿尔茨海默病的进展产生不利影响。


  Xia等通过丹参酮ⅡA抗炎预处理后发现,经七氟醚麻醉的新生小鼠伴随脑组织IL-1β、IL-6水平下降,海马区神经元凋亡减少,且远期神经功能缺陷发生率降低。FAS是TNF家族中调节细胞凋亡常见的信号分子,通过与其天然配体FASL结合进一步激活细胞内一系列蛋白水解酶,破坏细胞核DNA序列,从而诱导细胞凋亡。近些年来,有学者发现FAS-FASL信号通路在异氟醚诱导的未成熟神经元凋亡中发挥重要作用,其机制目前尚无文献报道。


  综上所述,关于全身麻醉在脑发育中神经毒性作用,基础研究已从组织学角度给出有力证据,表现为诱导神经细胞凋亡,干扰突触正常发育及塑形能力,最终导致神经功能缺陷以及学习能力下降。由于伦理等问题,临床研究仍处于流行病学调查阶段,因回顾性研究设计的诸多缺陷以及前瞻性研究的缺乏,导致全麻药物是否影响人类脑神经系统发育仍然未知。未来研究中,除寻找临床证据外,应探索小儿全身麻醉神经保护措施。


  来源:代红雨,柳兆芳.全身麻醉在脑发育中潜在神经毒性作用研究进展[J].沈阳医学院学报,2019,21(04):374-377.

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