《PNAS》 | 吸入麻醉药物作用机制的脂质学说复活了吗？

本文由”Anesthesiology神经科学“授权转载

全身麻醉药的临床应用标志着现代医学的出现，但其分子机制仍不甚明了。脂质学说认为全身麻醉药物主要是通过改变脂质双层特性还是直接作用于特定的膜蛋白，虽然已经不是主流观点了，但仍然可能存在一定的争论。

昨天夜里看到一个推送《麻醉剂对意识的影响有结论了！一个世纪以来的科学争论落下了帷幕》，介绍了5月28日在PNAS在线发表的文章《Studies on the mechanism of general anesthesia》。这么拉风的题目，于是立即下载了详细学习一下，原来标题党的成分更大。

首先我们就需要粗略了解一下全身麻醉药物作用机制的脂质学说说。从乙醚开始临床实用以来大约170年了，大家一直不知道这些挥发性分子到底如何起效的，太神奇了，amazing！除了乙醚，后来陆续发现氯仿，氟烷等等都可以麻醉，这些药物分子结构差很远，效果却类似。

于是在20世纪初期，麻醉学家们一拍脑门，发现似乎有一个规律！！！这些东西的脂溶性都挺强的，并且脂溶性越强，其麻醉的效能越高。

那个时代差不多也正好是细胞脂质膜结构学说的时代，脂溶性的物质可以溶解到生物膜结构里，于是麻醉药物分子可以干扰其正常功能。

Q:

这个理论岂不是可以解释所有的全身麻醉药物的作用机制了喃？

A:

这个理论一直占据了麻醉学主流学术圈直到80年代，蛋白质科学的兴起。80年代以后，麻醉学家发现了越来越多的蛋白靶点，全身麻醉药物可以直接作用于这些靶点，这才让脂质学说慢慢退出了主流学术圈。现在大家普遍认为全身麻醉药物的作用靶点很多，不同麻醉药物分子的作用也是多种多样的。

Q:

脂质学说为什么不主流喃？

A:

那一定是有一些现象，用脂质学说没有办法解释。比如，一些全身麻醉药物存在手性效价差异，但其分配系数是一样的，这就完全不能用脂溶性来解释了。

这里插入一个八卦。

任何药物都有半数有效量（ED50）的概念，用来描述药物的效价。 

Q:

吸入麻醉药物的效价如何来描述喃？如何判断吸入了多少的挥发性麻醉药喃？

A:

其通过吸入起效，起效时间极快，体内代谢相对简单。

于是在60年代，有三个大佬发明了最低肺泡浓度的概念（MAC, minimum alveolar concentration），用肺泡里的挥发性麻醉药的浓度来代表吸入的浓度，从肺泡到血液再到大脑，浓度稳定后，肺泡里的麻醉药浓度就可以来定量其效价了。

其中Edmond Eger（右1）是最主要的先驱，后来在80年代的时候，他也实验室完成了全世界最系统的挥发性麻醉药物分配系数的测定。其中我“师傅”刘进教授当时还是博士后，在Edmond Eger的实验室亲手做了大量的工作。

Q:

上面为什么要提到MAC这一概念喃？

A:

因为要深入理解脂质学说，就要先理解挥发性麻醉药物的MAC。脂质学说的本质就是一定数量的麻醉药物分子占据了细胞膜，从而改变其流动性和功能。

那么，同样呼末浓度的挥发性麻醉药从肺泡扩散到血液，血/气分配系数越高的分子在血里的分压会更高，同时扩散到脑里的分子数量也会更多。因此，脂质学说核心里，不同挥发性麻醉药的MAC乘以其分配系数应该接近一个常数。

Q:

简要介绍了脂质学说，那么脂质学说现在的进展如何了喃？

A:

2017年初，仍然是PNAS上的一篇文章《Clinical concentrations of chemically diverse general anesthetics minimally affect lipid bilayer properties》，是现在British Journal of Anaesthesia 的主编Hugh C. Hemmings的实验室，与楼上研究细胞膜的Olaf S. Andersen 合作，采用了一个全新的人工膜模型，研究了好几种主要全身麻醉药物对膜流动性的影响。（Btw，我为什么知道是楼上的Olaf S. Andersen 喃？因为我当时是Hemmings lab的博士后，观察了实验的全过程。）

这篇研究发现，临床相关浓度的全身麻醉药物对细胞膜模型的影响很小，如图1所示，即使超过麻醉相关浓度的Isoflurane（异氟烷）, Chloroform（氯仿）, Halothane（氟烷）, Ketamine（氯胺酮）, Propofol（丙泊酚）等对膜流动性的影响都是几乎可以忽略不计的，其作用并没有比酒精大。

图1：常见全身麻醉药在治疗浓度下对脂质双分子细胞膜模型的流动性影响很小

而这些全身麻醉药物在很低的浓度下，已经能够对蛋白靶点产生明显的作用了，如图2所示。

图2：常见全身麻醉药在治疗浓度下对蛋白靶点的作用明显，而对细胞膜流动性几乎不影响

因此，2017年的PNAS研究显示，在临床相关浓度下，不同种类的全身麻醉药不会改变脂质双分子层的流动性。尽管麻醉药物在超治疗（有毒）浓度下可能干扰脂质双分子层，但其药理学意义不大。我记得当时这篇文章也是在Weill Cornell Medicine of Cornell University的主页上报道了，也是标题党一样说解决了一个百年争议，正式否定了脂质学说。

下面说回《Studies on the mechanism of general anesthesia》这篇文章。

Q:

这篇文章和2017年的文章矛盾了吗？

A:

其实没有。首先，要说《Studies on the mechanism of general anesthesia》这篇文章解决了一个世纪以来的科学争论完全就是标题党，在仔细看了全文以后，连补充材料都仔细看了以后，发现本文只能得出的结论是异氟烷和氯仿等可能作用于膜脂质筏（lipid rafts），暴露激活PLD2, 然后间接的激活双控钾离子通道TREK-1。

其创新本质就是研究了异氟烷和氯仿激动TREK-1的机制。双控钾离子通道在全身麻醉药物，特别是吸入麻醉药物中的研究并不少，TREK-1能够被异氟烷激动，在其麻醉敏感性中相关，在20年前就有报道（Nat Neuroscience 1999; 2(5): 422-426）；并且，甚至是本文提到的TREK-1与PLD2作用的结构域，在20年前就有相关的文献了（J Biol Chem 2000; 275(37): 28398-405）。

所以，《Studies on the mechanism of general anesthesia》将以上的背景串成了一个完整的故事，本文也没有研究麻醉药物是否改变了细胞膜脂质双分子层的流动性，而是一个功能层面的酶激活，技术上来讲没有赞同也没有反对脂质学说。不支持脂质学说是因为麻醉药物激动TREK-1不是简单的改变了膜的性质，其本质还是蛋白功能；不反对脂质学说是因为这里的故事确实是全身麻醉药物分子直接作用于细胞膜，并且在不同化学结构的分子之间有一定的共性。

《Studies on the mechanism of general anesthesia》的发现。这是一篇来自Scripps Research研究所的Richard Lerner院士和Scott Hansen博士的研究，首先这篇文章自身的结论还是很严谨的。结果显示，全身麻醉药物，这里主要是氯仿和异氟烷能够直接作用于细胞膜脂质双分子层，通过PLD2以两步机制激活离子通道，主要是钾离子通道TREK-1。 应用该机制，作者将果蝇突变为PLD null，发现氯仿的诱导速度变慢了很多，并且通过该机制能够将原本麻醉药不敏感的钾离子通道转换为敏感的通道。

如图3所示，作者发现吸入麻醉药氯仿和异氟烷会破坏细胞膜脂质簇GM1结构域的表观结构。吸入麻醉药会插入并破坏脂质双分子层的原有顺序，从而导致其结构域遭到扩张。

图3：氯仿和异氟烷进入细胞膜GM1结构域

麻醉药对GM1结构域的破坏使磷脂酶D2（PLD2）-TREK-1及其底物磷脂酰胆碱（PC）定位在膜的无序区域中。当PLD2将PC水解为磷脂酸（PA）时，阴离子脂质与已知的门控螺旋结合，该螺旋结构带有一个激活TREK-1的脂质结合位点，从而激活了TREK-1通道。TREK-1是双孔钾离子通道的一种，激活该通道则让钾离子外流，神经元超极化，降低神经元兴奋性（图4）。

图4： 氯仿通过PLD 机制激活TREK-1。

同时，吸入麻醉药和静脉麻醉药丙泊酚均能通过破坏脂质双分子层，激活PLD（图5）。

图5：氯仿，异氟烷和丙泊酚均能够时间依赖地激活TREK-1。氯仿的EC50大约1 mM, 异氟烷的EC50大约0.8 mM。

最后，作者在动物模型中验证了这一发现。敲除果蝇的PLD，能让果蝇对麻醉药物的作用产生抵抗，延长了氯仿产生麻醉作用的诱导时间（图6B）。

图6: 在PLD unll果蝇, 氯仿的诱导速度显著变慢。

以上的研究结果真的就能够说明了全身麻醉药物是通过作用于细胞膜起效的喃？

当然不能，就如同前面所说，顶多能够严谨地说明异氟烷和氯仿可能通过作用于细胞膜，进而通过PLD2机制激活TREK-1，这离解决百年争论可能还差了一大截，至少有以下的问题还不能回答：

1. 以异氟烷为例，本文发现异氟烷活化PLD2的EC50大约0.8 mM。这是什么概念喃？离体实验中，异氟烷的MAC大约0.3 mM，考虑到体温下比室温的时候效价更高，体温下的MAC大约只有0.27 mM，而这里的MAC指的是异氟烷产生制动作用的浓度，如果考虑意识消失，应该0.2 mM就够了，也就是说，本文异氟烷活化PLD2的EC50 大约是其在体麻醉浓度的4倍，这个浓度是否临床相关是一个问题；

2. 在这些体外细胞膜模型中，无论是2017年的PNAS还是最近的PNAS文章, 似乎永远有一个疑问，到底这些模型够不够灵敏，能否监测到临床相关浓度麻醉药在细胞膜产生的细微影响？同时，对细胞膜的影响与麻醉作用很可能不是线性的，对细胞膜很轻微的作用也许就可以引起显著的功能变化喃？从这一点来说，2017年的PNAS并不能真正排除细胞膜的贡献；

3.《Studies on the mechanism of general anesthesia》中，采用了果蝇的动物模型，因为实际有PLD2的敲除小鼠，为什么不用更高级的动物喃？最令人费解的是，为什么有氯仿的行为学研究没有异氟烷？同时，本文采用诱导时间而不是其MAC浓度，根据异氟烷和氯仿激活PLD2速度比较慢这个结果（图5A）, PLD2 可能没有影响氯仿的最终MAC浓度，而是仅仅减慢的其起效时间。所以，即使TREK-1这里参与了麻醉，也只是一种调控作用。

总之，《Studies on the mechanism of general anesthesia》明确了异氟烷和氯仿可能通过干扰细胞膜激活PLD2，再激活双控钾离子通道TREK-1，这是全身麻醉药物调控双控钾离子通道机制的一个重要创新，但离解决“百年争论”还有一段距离。        

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