全身麻醉药诱发睡眠紊乱的研究进展

【综述】

全身麻醉药可诱发患者术后睡眠紊乱，继而引起脑功能障碍、机体代谢水平及激素水平紊乱、免疫调节降低以及外周器官功能恢复延迟等一系列临床相关问题。研究证实，全身麻醉药可作用于动物的活动时相，抑制周期基因（period, Per）的表达引起昼夜节律紊乱，其机制可能与昼夜节律相关的γ‑氨基丁酸（γ‑aminobutyric acid, GABA）受体激活以及NMDA受体抑制有关。同时光照可干扰动物的活动，使全身麻醉药在动物体内的代谢和药效产生显著变化。然而，全身麻醉药诱发睡眠紊乱的分子生物学机制仍未阐释清楚。本文从昼夜节律对全身麻醉药的影响及全身麻醉药对时钟基因的调控出发，聚焦于全身麻醉药诱发术后睡眠紊乱的分子生物学机制，以期推进术后舒适化医疗和快速康复。

全身麻醉药诱发患者术后睡眠紊乱，导致患者术后睡眠节律破坏、睡眠总时间减少、睡眠质量下降。睡眠节律破坏主要表现为夜间睡眠减少、日间睡眠增加即睡眠颠倒 。研究表明，与丙泊酚相比，吸入麻醉药仅可满足非快速动眼睡眠的需要，快速动眼睡眠可发生后期反弹 。睡眠紊乱患者术后恢复困难，易发生阵发性低氧血症、缺血性心血管疾病、术后痛觉敏化等并发症。探讨全身麻醉药引起术后睡眠紊乱的机制对于围手术期患者的麻醉安全，降低围手术期患者的并发症、发病率和病死率具有重要的意义。

2.1　全身麻醉药对中枢时钟基因（circadian locomotor output kaput, Clock）的调控

研究表明，全身麻醉药可直接或间接地改变下丘脑视交叉上核（suprachiasmatic nucleus, SCN）中Clock的表达，并导致Clock的相位改变。SCN是昼夜节律的调控中枢，它通过调节内源性的芳香烃受体核转位蛋白样l基因（brain and muscle ARNT‑like 1, Bmal1）、Clock、Per、隐花素基因（cryptochrome, Cry）核糖核酸（messenger ribonucleic acid, mRNA）的表达，进而调控外周组织和器官的节律性活动，从而控制整个生物体的昼夜节律 。包括人在内的哺乳动物可通过机体的整体通讯系统同步体内各组织器官细胞的昼夜节律。心脏、血管、胃肠道等各组织器官都参与体内昼夜节律的同步化。因此，全身麻醉药诱导的节律紊乱可影响术后重要器官功能的恢复。

研究提示，全身麻醉药对昼夜节律调控机制中的2个主要反馈环路均存在作用。第1个环路中，由Clock和Bmal1基因翻译的Clock和Bmal1蛋白在细胞质中形成异二聚体，是生物钟相关基因转录的起始动力。当其转运入细胞核，结合Cry和Per基因的启动子，激活其转录，但当细胞质中的Per和Cry蛋白增多到一定量时，它们通过磷酸化作用被激活后相互作用形成异二聚体，转运入核，借助Per蛋白的Per‑Arnt‑Sim结构域结合到Bmal1/Clock二聚体上，降低其转录激活作用，达到抑制自身转录的结果。第2个环路中，二聚体Bmal1/Clock激活维甲酸受体相关孤儿核受体基因的转录，其翻译产物蛋白通过结合至Bmal1基因的启动子抑制Bmal1基因的转录 。

全身麻醉药可短暂抑制Per基因的转录，导致Per表达周期的相位改变。Ben‑Hamouda等 在昼夜节律时间（circadian time, CT）10时给予大鼠腹腔注射丙泊酚120 mg/kg，测量大鼠SCN中Per1、Per2基因mRNA的表达，发现短期丙泊酚麻醉会导致SCN中Per1、Per2表达的下降。Kadota等 研究证实小鼠吸入浓度为2.5%七氟醚4 h后，Per2基因mRNA表达比对照组显著下降。

全身麻醉药也可通过促进Bmal1蛋白酶体降解间接影响Clock基因的表达。Bellet等 研究表明，氯胺酮可以通过抑制Bmal1/Clock二聚体结合于Per1启动子从而抑制Per1基因的表达。已有研究证明Clock具有组蛋白乙酰化酶的活性 ，可使组蛋白3、4乙酰化，抑制Bmal1/Clock二聚体结合于Per1启动子可使转录起始区域乙酰化的组蛋白水平减少。组蛋白的去乙酰化具有节律性并受去乙酰化酶沉默调节蛋白1的调节，且沉默调节蛋白1对烟酰胺腺嘌呤二核苷酸水平敏感，七氟醚可增加烟酰胺腺嘌呤二核苷酸含量，引起Per2基因表达降低。这些研究证明全身麻醉药通过抑制Bmal1/Clock二聚体结合，进而抑制Per1、Per2基因的表达。然而，目前关于SCN中Clock基因表达的调节研究很少，仅有少量研究表示异氟醚麻醉后小鼠SCN区域Cry1、Clock基因表达时相改变 。

2.2　NMDA受体抑制、GABA和阿片类受体激活后昼夜节律的变化

GABA受体对适应光暗周期变化、调节昼夜节律有重要作用。GABAA和GABAB受体均参与调节光引起的昼夜节律相位改变。在持续黑暗的环境中给予光照刺激可增加SCN神经元中GABA受体的激活。持续GABA受体激活可导致节律基因的相位改变，抑制Per2基因表达 。Ehlen等 将GABAA受体激动剂蝇蕈醇微注射入仓鼠SCN区域，发现GABAA受体激活可抑制Per1、Per2 mRNA的表达。

Biello等 将NMDA微注射于小鼠的SCN，发现幼龄小鼠的行为节律发生与光信号诱导相似的相位改变，且可被NMDA受体阻滞剂阻断。氯胺酮抑制Per1基因表达的作用是通过抑制糖原合成酶（glycogen synthase kinase, GSK）3β途径而消除的 ，GSK3β可通过直接磷酸化Bmal1引起Bmal1蛋白水平降低，导致Per1转录启动子Bmal1/Clock二聚体减少。抑制NMDA受体可激活GSK3β ， 这表明GSK3β可能是全身麻醉药发挥作用的重要靶点。因此，作用为NMDA受体拮抗剂的全身麻醉药（如氯胺酮、七氟醚）可通过激活GSK3β促进Bmal1蛋白酶体降解，导致昼夜节律改变。

Pačesová等 分别于CT3和CT15给大鼠腹腔注射吗啡1 mg/kg，夜间注射吗啡可引起大鼠SCN区域阿片类受体活性降低，Per1表达增加，阿片类药物可通过激活细胞外调节蛋白激酶1/2和GSK3β途径引起Clock基因相位改变。

2.3　激素水平的干扰

褪黑素是一种由SCN中央昼夜起搏器的交感神经控制合成、由松果体释放的激素，可以传递白天的光神经内分泌信息，是昼夜节律的生物标志 。褪黑素分泌可在某些昼夜节律紊乱的情况下发生改变，可能是引起患者术后睡眠障碍的机制之一。Dispersyn等 为大鼠腹腔注射丙泊酚120 mg/kg，待麻醉苏醒后，于多个时间点测量大鼠血清中褪黑素的含量，结果显示丙泊酚麻醉后4 h血清褪黑素浓度降低，麻醉后20 h浓度增加，丙泊酚麻醉对大鼠褪黑素分泌昼夜节律的干扰作用与光暗周期的变化相关。

皮质醇是受垂体促肾上腺皮质激素控制、由肾上腺皮质分泌的激素，呈现昼夜节律性。Kaushal等 比较了依托咪酯和丙泊酚麻醉对心血管手术后的患者血清皮质醇浓度的影响，结果显示依托咪酯组患者术后皮质醇浓度降低，而丙泊酚组患者术后皮质醇浓度升高。不同全身麻醉药对激素水平的影响不同，这提示全身麻醉药可能通过干扰体内激素分泌的昼夜节律，导致术后睡眠紊乱。

患者全身麻醉后Clock基因表达被抑制，易发生昼夜节律紊乱进而出现脑功能障碍（包括术后谵妄、术后认知功能障碍、睡眠障碍、痴呆等）。术后脑功能障碍可发生于任何年龄阶段，尤其多见于老年患者。Xia等 研究提示，睡眠‑觉醒周期参与了异氟醚引起的术后认知功能障碍。Song等 研究表明，异氟醚麻醉5 h可导致SCN中Cry1 mRNA表达延迟11.4 h，Bmal1和Clock mRNA的表达分别提前6.9 h和5.4 h，导致老年小鼠昼夜节律破坏，引起严重的记忆损害，且若在麻醉前给予褪黑素，可以使节律基因mRNA表达峰值正常化，有利于异氟醚麻醉后小鼠认知功能障碍的恢复。以上研究证明麻醉药物可能通过干扰Clock基因的表达引起术后脑功能障碍，全身麻醉后昼夜节律的恢复有利于术后脑功能障碍的恢复。

昼夜节律影响生物体生理和行为的各个方面（包括睡眠‑觉醒周期、心血管活性、内分泌系统、胃肠道生理等）。目前研究表明昼夜节律对全身麻醉药的作用有明显影响。深入了解昼夜节律对全身麻醉药的影响有助于理解全身麻醉药调控昼夜节律的机制，有利于指导临床合理用药，促进术后患者的快速康复。

4.1　静脉全身麻醉药

Challet等 分别于休息时相和活动时相给予大鼠腹腔注射丙泊酚100 mg/kg，通过比较两组大鼠翻正反射的消失时间，发现在休息时相给予丙泊酚，麻醉作用时间延长。吴健等 研究发现昼夜节律可影响右美托咪定的镇静效果，14:00~16:00给予右美托咪定的镇静效果显著强于9:00~11:00的效果。

4.2　吸入全身麻醉药

Gökmen等 分别于授时因子时间（zeitgeber time, ZT）0‑6和ZT12‑18使大鼠暴露于1.5%异氟醚6 h，测量肝、脑中Bmal1、Clock、Per2、Cry2基因mRNA表达水平，发现异氟醚麻醉效果与给药时间相关：于ZT0‑6给予异氟醚麻醉可引起Bmal1、Clock、Per2、Cry2基因表达显著下降，而于ZT12‑18给予异氟醚麻醉只引起节律基因表达水平的轻微下降。Kadota等 研究表明，小鼠在8:00~12:00暴露于2.5%七氟醚对Per2 mRNA表达的抑制作用相比于其他时段更显著持久。

4.3　阿片类药物

研究表明疼痛的强度和疼痛刺激的反应性存在节律性，镇痛药物的药物代谢动力学和药物效应动力学也存在一定的昼夜节律性 。Yoshida等 为小鼠注射吗啡15 mg/kg后30 min观察小鼠对热板刺激的反应时间，发现夜间注射吗啡的镇痛效果显著优于日间，且吗啡镇痛效果的24 h节律与脑中μ阿片类受体表达的24 h节律相一致。

以上研究证明，在动物的休息时相给予全身麻醉药相比于活动时相可产生更加持久、显著的麻醉效果，而在活动时相使用全身麻醉药对昼夜节律的影响更大，临床中应综合昼夜节律的影响因素，更合理安全地使用全身麻醉药。

由于全身麻醉药通过影响昼夜节律导致术后睡眠紊乱，且昼夜节律也可影响全身麻醉药的效果和作用时间，所以麻醉医师应提高临床工作能力，尽量减少麻醉手术时间和全身麻醉药的用量，并对患者实施个体化的麻醉方案，降低全身麻醉药对患者昼夜节律的影响。围手术期使用褪黑素可改善患者术后睡眠质量 。术后使用低剂量右美托咪定可改善非心脏手术后老年患者ICU的睡眠质量 。此外，研究表明，改善术后病房光照、噪声情况，为患者制定合理的护理方案可减少术后谵妄的发生率，并改善睡眠‑觉醒周期 。

全身麻醉药通过影响昼夜节律诱发术后睡眠紊乱，但其具体的分子生物学机制仍未完全阐释清楚。未来的工作旨在更充分地了解全身麻醉药致睡眠紊乱的具体机制，其有利于指导临床合理应用全身麻醉药，推进舒适化麻醉、精准麻醉，提高麻醉质量。这些机制也可解释睡眠紊乱后外周器官功能的恢复问题，为研究中枢Clock基因调控下神经递质和激素信号的传递如何作用于同步全身昼夜节律提供理论基础。