全身麻醉药的神经毒性及其对发育期认知功能影响的机制研究进展

郑 羿 石学银

全身麻醉作为确保各年龄段人群接受复杂手术的有效干预方式，已存在超过150年。全身麻醉药通过影响脑内各种神经递质，干预不同脑区之间的神经整合，对整个中枢神经系统产生麻醉效果。原始观点认为，当全身麻醉药的作用消退后，大脑会完全恢复到麻醉前状态。然而，越来越多实验室证据表明，对发育期大脑，全身麻醉药可能存在神经毒性［1-3］。在形态学上，该神经毒性主要表现为全身麻醉药对神经元增殖、分化、凋亡、神经系统网络形成和神经炎性反应的影响；在功能学上，最主要表现为引起全身麻醉后实验动物的认知功能障碍。以下就全身麻醉药的神经毒性引起发育期认知功能障碍机制的研究进展作一综述。

1 全身麻醉药造成脑发育期认知功能障碍的条件

1.1 脑易损关键期 研究证明，大脑对于全身麻醉药的敏感性在整个发育期并不均一，而是存在一段极易受损的关键期。动物实验证明，此关键期与脑内突触发生的高峰期相吻合。该关键期具有种属差异性，大鼠为出生后7～10 d，恒河猴为出生后5～16 d，人类为出生前3个月～3岁［4］。对于同一物种，脑内突触发生的高峰期在不同区域存在差异。如相关研究发现大鼠海马DG区神经元在出生后21 d的易损性明显高于出生后7 d，这与该区神经元的生成高峰期偏后有关。因此，有学者提出，发育期动物大脑对于全身麻醉药物的易损性不但与动物的年龄有关，还可能与特定脑区具体细胞的细胞年龄有关。此外，不同细胞类型对全身麻醉药的易损性也可能存在差异。如Zhou等［5］研究发现，谷氨酸能神经元和γ-氨基丁酸（GABA）能神经元较胆碱能神经元更易受到全身麻醉药的损害。

此外，研究证实，全身麻醉药也可影响处于易损关键期外的神经元。如1.5%异氟烷、2.5%七氟烷或7%地氟烷麻醉，可显着增加出生后16 d大鼠皮层神经元树突棘密度，且该效应具有明显的暴露时间依赖性。此外，以上挥发性全身麻醉药没有一种能够诱导明显的神经元凋亡［6］。在同一发育时间点，Chung等［7］的研究发现，2.5%七氟烷暴露2 h，能够导致兴奋型/抑制型突触传递信号的失衡。以上研究结果提示，在脑易损关键期内外，全身麻醉药神经毒性的产生机制可能有所差异。

1.2 用药方案 全身麻醉药对发育期大脑产生损伤与否，与用药方案关系密切。用药方案主要包括药物剂量、用药时间和药物接触次数等。如使用2%七氟烷麻醉2 h会使出生后7 d大鼠海马神经元的长时程增强（LTP）下降，但在相同暴露时长下，1%七氟烷却不会导致该现象［8］；在用药时间方面，氯胺酮麻醉持续暴露9 h可引起新生恒河猴发生明显的神经元凋亡，而持续暴露3 h则不会出现该现象［9］。因此，对于全身麻醉药产生的发育期神经毒性而言，不同种类全身麻醉药可能存在一定的最小接触剂量和最短接触时间。此外，药物的接触次数也可能影响神经损伤程度。如Huang等［10］发现，连续3次氯胺酮麻醉会降低发育期小鼠的神经元突触可塑性和运动学习能力，而单次麻醉则并未造成该影响。

2 全身麻醉药造成发育期脑认知功能障碍的机制

2.1 神经元退行性变 实验［1］结果表明，全身麻醉药会引起多种实验动物（含非人灵长类）的神经元发生退行性变，主要体现为全身麻醉药引起的神经元凋亡。全身麻醉药引起发育期神经元凋亡的可能机制如下。

2.1.1 改变神经元的兴奋性 对于发育期神经元，获得周围神经元的兴奋性和抑制性传入至关重要。全身麻醉药通过降低神经元兴奋性，抑制神经元获得周围传入信息，进而影响其生存与分化。但也有研究［11］发现，在发育早期，脑内GABA受体为兴奋性时，全身麻醉药会明显加速神经元的凋亡；而在发育晚期，当脑内GABA受体变为抑制性时，全身麻醉药导致的神经元凋亡会明显减少。临床常用全身麻醉药多为GABA受体激动剂，主要对脑内GABA受体起兴奋性作用，因此该观点认为全身麻醉药在神经发育早期所造成的神经元显着凋亡与其对神经元的兴奋作用有关。

2.1.2 影响脑源性神经营养因子（BDNF）BDNF失衡对发育期神经元的影响较大。在脑内，BDNF 以前体 （pr o-BDNF）形式分泌。pr o-BDNF通过蛋白酶裂解为成熟的BDNF后，与Tr k B受体结合（促神经元存活、分化），也可直接与p75神经营养因子受体结合（促凋亡）。近期发现，使用p75神经营养因子受体抑制剂可减少异氟烷麻醉造成的发育期神经元凋亡［12］，其可能的机制为异氟烷降低神经元活性，神经元放电减少，引起参与裂解pro-BDNF的组织血纤维蛋白溶酶原激活物释放减少，而造成BDNF失衡。由于实验年龄段（出生后5～7 d）的小鼠脑内GABA受体为兴奋性受体，此时异氟烷主要对神经元产生兴奋性作用而非抑制神经元活性，因而以上结论是否成立尚待考证。也有研究［13］证明，BDNF的失衡可影响突触发生。

2.1.3 影响神经胶质细胞 全身麻醉药不但直接影响神经元的发育，还可通过影响神经胶质细胞，间接影响神经元发育。Creeley等［13］使孕120 d恒河猴接受5 h异氟烷麻醉，之后对新生猴的各脑区进行分析，发现少突胶质细胞凋亡总量超过神经元，凋亡的少突胶质细胞多集中于处在髓鞘化起始阶段的脑区（小脑、尾状核、壳核、杏仁核等）。由此认为，在髓鞘化的起始阶段，少突胶质细胞对全身麻醉药的敏感性可能会提高。除了造成少突胶质细胞的凋亡，早前研究［14］显示，全身麻醉药还可引起脑内星形胶质细胞凋亡。

2.1.4 线粒体钙超载与过氧化物损伤 在脑发育期，全身麻醉药的GABAA受体激动作用使细胞内Ca2＋浓度升高，影响神经元线粒体膜电位和膜稳定性，进而造成神经元功能失调和死亡。Boscolo等［15］发现，线粒体膜保护剂普拉克索（PPX）能改善全身麻醉药所致的发育期大鼠长时程认知障碍。近期的研究［16］结果也表明，全身麻醉药所致的神经元钙超载会引发凋亡，而使用Ca2＋螯合剂或钙通道受体阻断剂，能很好地拮抗这一现象。此外，许多全身麻醉药还引起氧自由基的堆积。为验证氧自由基在全身麻醉药神经毒性中的作用，有研究在使用全身麻醉药的同时，复合使用氧自由基清除剂，发现能有效拮抗其促细胞凋亡作用，并对麻醉后长时程认知功能障碍具有一定的改善作用。

2.2 神经发生异常 神经发生是神经干细胞不断增殖、分化，并最终向功能区域迁移，与其他功能性神经元建立突触联系的过程。理论上，持续的神经发生可在一定程度上补偿发育期的神经元丢失；因此，全身麻醉药在造成发育期神经元凋亡的同时是否影响神经发生，也是关注的重点。近年大量离体和在体实验发现，全身麻醉药抑制发育期的神经发生。如Slikker等［17］发现，10μmol/L氯胺酮能够显着抑制离体发育期大鼠神经干细胞的分化；Stratmann等［18］发现，异氟烷麻醉可使出生后7 d的大鼠同时产生长时程认知功能障碍和神经祖细胞分化抑制。需要指出的是，全身麻醉药对发育期神经发生并非单向抑制作用，而是与动物发育阶段、药物剂量存在密切联系。全身麻醉药影响发育期脑神经发生的具体机制，目前尚未明确，可能与其通过对发育期神经祖细胞产生去极化作用，使之脱离正常细胞周期，无法完成后续增殖与分化有关［19］。神经发生在发育期各脑区普遍存在，而在成年后仅发生于海马DG区等零星区域；因此，全身麻醉药通过抑制神经发生所造成的认知损伤在发育期要远高于成年，且可长期存在（尤其在海马区）［20］。

2.3 突触发生和神经网络形成异常 多项研究结果表明，全身麻醉药可在多方面影响发育期动物的突触发生和神经网络形成。Mintz等［20］发现，全身麻醉药可造成发育早期皮层神经元的多种突触发生障碍，如轴突导向异常、生长锥萎陷、轴突分支异常。Lunar di等［21］的研究结果也表明，全身麻醉药可改变出生后7 d的大鼠突触前囊泡和突触前膜的空间位置关系，在一定程度上降低突触传递的效率。然而，也有实验证明全身麻醉药对突触发生的影响并非单向，其作用结果与实验动物所处的神经发育阶段有关。如在大鼠神经发育的早期（出生后5～7 d），全身麻醉药会造成多个脑区的突触数量明显减少［22］；而在神经发育的稍后期（出生后15～20 d），同等剂量的全身麻醉药却可使突触密度增加［6］。这种全身麻醉药对突触发生的双向调控作用，可能与不同发育阶段脑内GABAA受体的兴奋性与抑制性转换有关。

3 认知功能障碍与神经元退行性变的关系

全身麻醉药对发育期人或实验动物的神经毒性主要分为器质性（神经退行性变、神经发生异常、突触形成和神经网络形成异常等）和功能性（术后长时程的认知功能障碍）两方面。器质性改变是功能性改变的基础，是全身麻醉药引起发育期认知功能障碍的重要机制［23-24］。发育期各脑区的神经元凋亡，尤其是与学习记忆功能高度相关的海马区神经元凋亡，与之关系密切。支持该观点的主要依据为，许多干预全身麻醉药造成发育期神经元凋亡的措施，如使用IL-6抑制剂［24］、红细胞生成素［24］、p75受体抑制剂等，可同时减轻其长时程认知功能损伤。然而，全身麻醉药引起的神经元凋亡是否为造成认知功能障碍的充分和必要条件，近年许多研究提出了不同的观点。如同在1个最低肺泡有效浓度（MAC）下，2 h的异氟烷麻醉能引起大鼠明显的神经元凋亡，而1 h的异氟烷麻醉则不能，两者均未造成实验动物长时程的认知功能障碍；而若将异氟烷麻醉时间延长至4 h，则可造成其认知功能障碍。在一项类似研究中，异氟烷麻醉引起了显着的神经元凋亡，但未损伤其成年后的空间记忆能力［25］。由此作者推断，只有当全身麻醉引起的神经元凋亡达到一定程度时，才可能引起明显的认知功能障碍。此外，Stratmann等［18］的研究发现，高碳酸血症虽然使出生后7 d组的大鼠产生了明显的神经元凋亡，但其认知功能不但没有下降，反而超过了空白对照组。综上所述，全身麻醉药所造成的发育期神经元凋亡程度并不一定与认知功能损伤呈正比，两者之间的关系有待进一步研究。

4 全身麻醉药发育期神经毒性的相关临床研究

多项大样本临床回顾性研究系统评价了全身麻醉药对发育期神经元的潜在毒性。如一项含5 050例疝修补手术患儿的队列研究发现，接受全身麻醉的患儿在术后3年出现认知功能障碍的概率较对照组增加了2.3倍［26］；而另一项纳入5 357例患儿（0～4岁）的队列研究结果也显示，术后学习能力障碍程度与接受全身麻醉的次数和时间呈明显正相依赖，只接受1次全身麻醉的患儿，术后学习能力与对照组的差异无统计学意义，而接受2次全身麻醉的患儿出现术后学习能力障碍的比例是对照组的1.6倍，接受≥3次全身麻醉的患儿出现术后学习能力障碍的比例则高达对照组的2.6倍［27］。在 Flick 等［28］的研究中也得到类似 结果佐证，即对2周岁以下的儿童，只有接受≥2次全身麻醉，才会造成患儿出现明显的术后学习能力障碍。然而，并非所有临床研究都肯定全身麻醉药具有发育期神经毒性。如Davidson等［29］于《柳叶刀》撰文指出，多中心联合临床研究发现，对于60周龄前儿童行七氟烷麻醉，平均麻醉时间54 min，在儿童2岁时进行智力评价，全身麻醉组与对照组结果的差异并无统计学意义。因此，全身麻醉药发育期神经毒性的临床研究结果尚不明确，长时程或多次的全身麻醉可能会对儿童的认知功能和学习能力产生一定影响，而短时程单次的全身麻醉对发育期神经毒性仍待进一步确认。

5 结 语

大量动物实验证据表明，全身麻醉药对发育期大脑可能产生一定损伤。其产生的神经毒性和认知障碍程度，主要取决于全身麻醉药的作用时间、剂量、频率、药物种类和实验动物神经元所处的发育阶段。尽管动物实验与临床研究存在差异，但越来越多的流行病学证据表明，全身麻醉药与麻醉后认知障碍存在一定联系，动物实验结果为今后更多设计精良的临床试验提供了良好参考。