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新生儿麻醉和表观基因组失调

2021

11/27

古麻今醉

A-

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每年有大量婴幼儿因内科治疗或外科手术等原因需要麻醉。然而大量临床前证据表明，麻醉药物具有神经毒性，导致新生啮齿类动物及灵长类动物的脑细胞快速且广泛的凋亡。

浙江大学医学院附属妇产科医院

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摘要

每年有大量婴幼儿因内科治疗或外科手术等原因需要麻醉。然而大量临床前证据表明，麻醉药物具有神经毒性，导致新生啮齿类动物及灵长类动物的脑细胞快速且广泛的凋亡。这些动物在暴露于麻醉药物后数周或数月表现出认知和行为能力持续受损，麻醉药物的影响可能不仅仅是杀死脑细胞这么简单。在麻醉药物损伤中幸存的神经元会出现慢性神经病变，进而影响大脑发育、突触可塑性和神经元功能。有临床研究声称婴幼儿时期的麻醉药物暴露史与未来的认知功能及行为缺陷有关，了解麻醉药物的神经发育期毒性对公共健康至关重要。为了详细阐述年轻又有可塑性的大脑无法从短暂的麻醉后完全恢复的机制，美国Colorado Anschutz医学院麻醉系Omar Hoseá Cabrera 医生最近在《Biology of Reproduction》杂志发表了一篇综述，根据新生儿麻醉会影响脑细胞基因的转录，引起如组蛋白乙酰化和DNA甲基化等表观遗传失调的研究证据，简要总结了麻醉药物神经发育期毒性现象，并且对新生儿麻醉引起的认知障碍、社会情感行为、神经元形态和突触可塑性等慢性神经病理学进行讨论。总结了麻醉导致的发育期大脑内的遗传和表观遗传失调的证据，并且可能对后代产生影响。

前言

全身麻醉是现代医学中生命支持的重要组成部分，每年全球有数百万婴幼儿因治疗需要接受麻醉。然而大量临床前证据认为麻醉药物对发育过程中的大脑有神经毒素作用。啮齿类及灵长类动物的组织学研究表明，在婴儿大脑发育的关键阶段实施全身麻醉会导致脑细胞迅速且广泛的死亡。这种急性损伤可能造成长期认知障碍，提示儿科及新生儿科每天使用的麻醉药物会造成无法修复的脑损伤。如果麻醉药物神经发育期毒性仅发生在动物模型中，那就没有担忧的必要。但是目前有十多项临床研究报告称，在新生儿时期经历过全身麻醉的儿童会出现认知缺陷。

为什么这些年轻又有可塑性的大脑无法从短暂的麻醉中恢复过来呢？这个问题促使作者研究麻醉药物对大脑功能、形态、遗传和表观遗传机制产生的影响，以及这些影响如何导致长期认知障碍。

其中一个假设是麻醉药物除了产生急性神经毒性导致细胞凋亡外，还会对未凋亡的神经元产生影响，使其出现慢性神经病变。作者了解到，新生儿麻醉暴露可以从宏观到微观各个层面影响大脑发育、突触可塑性和神经元功能。

近期发现麻醉药物对神经发育的另一种有害影响：新生啮齿动物麻醉暴露后，脑细胞中DNA甲基化和组蛋白乙酰化，造成表观基因组失调。在新生儿期有过麻醉暴露史的父母的后代中，即使未接触过麻醉药物，异常的DNA甲基化和基因表达仍然持续存在，提示麻醉可能在挽救生命的同时造成代际伤害。

在这篇综述中，作者简要总结了麻醉导致的发育期神经毒性现象。然后作者讨论由新生儿麻醉引起的如认知障碍、社会情感行为、神经元形态和突触可塑性等的慢性神经病理学。最后给出了发育阶段脑细胞因麻醉导致的遗传和表观遗传失调的证据，这些失调可能会代际传递给未接受麻醉的后代。

麻醉介导的发育性神经毒性的特征

1.快速且广泛的细胞凋亡和死亡

麻醉导致的发育期神经毒性是胎儿或新生儿大脑中的神经元在麻醉过程中细胞凋亡的现象。判断这种毒性的组织学金标准是裂解活化的caspase-3（AC3），这是一个灵敏且公认的细胞凋亡标志物。AC3的免疫组织化学揭示了麻醉导致的发育期神经毒性的两个显著特征：快速性和广泛性。

在模拟人类婴幼儿麻醉的标准模型中，将新生的啮齿动物麻醉6小时。在麻醉开始后不久即可检测到神经细胞凋亡，一直持续到麻醉停止。麻醉开始后的2小时内即可在下脚及尾状核/壳核中检测到AC3阳性神经元。尾状核/壳核的凋亡反应在6小时左右减弱，与此同时新皮质、海马、上下丘脑和小脑区域的神经元AC3阳性。随着麻醉持续时间的延长，神经细胞凋亡范围会逐步扩散到如前丘脑等更深的皮质下结构。

AC3阳性的神经元在早期阶段仍然保持大致正常的细胞形态，细胞凋亡的迹象非常细微，例如会出现螺旋状和破碎的树突（图1A）。到了后期，神经元胞体固缩，细胞外出现含有细胞膜和细胞内容物的凋亡小体（图1B）。到了麻醉后24小时，AC3阳性细胞碎片被完全吞噬，神经毒性损伤在发育期大脑所有皮质和皮质下区域广泛分布的组织学证据基本消失。

一些学者质疑啮齿动物与人类神经元的相关程度。非人类灵长类动物（NHP）的脑细胞与人类婴儿大脑发育轨迹相似，也容易受到麻醉导致的发育期神经毒性影响，其表现与啮齿动物的AC3免疫反应模式相似。此外，NHP幼崽还存在少突胶质细胞和神经元凋亡，表明高等哺乳动物新生儿期麻醉独特的神经病理学特征可能是异常髓鞘形成。

2.麻醉药物易感性窗口期

在研究的所有动物物种中，麻醉导致的发育期神经毒性影响最大的时期是未成熟神经元突触形成期。突触形成期大脑中大量突触爆发式形成，新生的突触前轴突末端与突触后树突进行组装。这种原始神经回路是大脑神经连接的基础，也是复杂的行为和认知的基础。

啮齿动物的突触形成发生在出生后，在出生后第7天（PND7）左右出现高峰。这个时间段的神经发育过程与人类新生婴儿相似。PND7大鼠和小鼠幼崽标准模型广泛用于评估麻醉导致的发育期神经毒性。

NHP和人类从妊娠中期开始经历长时间的突触形成，并在妊娠晚期达到高峰，在出生的最初几年一直存在大量的突触形成。因此，NHP和人类对麻醉药物神经毒性的易感窗口期比啮齿类动物更长，至少从胎儿期到幼儿期。事实上，母体麻醉能够引发NHP胎儿大脑细胞的广泛凋亡。NHP新生儿对麻醉导致的发育期神经毒性也非常敏感，少突胶质细胞和神经元也脆弱易感。

几乎所有的麻醉药物包括丙泊酚、异氟烷、七氟烷和氯胺酮等对啮齿动物幼崽以及NHP的胎儿和新生儿都有强烈的神经毒性。尽管全麻药物调节多个细胞靶点，在临床相关浓度下，这些药物倾向于为NMDA受体拮抗剂和/或γ-氨基丁酸（GABA）受体激动剂。新生儿科和儿科常用的镇静剂和抗癫痫药等也具有相同的药理作用。如果在突触形成期间给药时，对发育中的大脑也会产生类似的神经毒性。

早期研究使用的方法是基于临床镇静麻醉药物的三重鸡尾酒法，模拟婴儿镇静和全身麻醉。三重鸡尾酒法是镇静剂量的苯二氮卓咪达唑仑（9mg/kg），然后是6小时0.75%异氟烷和75%一氧化二氮。咪达唑仑和异氟烷激动GABA受体，因此是GABA模拟物。而一氧化二氮是一种NMDA受体拮抗剂。三重鸡尾酒法具有双重药理学特性，造成的神经毒性比单一镇静剂或麻醉药物更大。

美国食品药物管理局在2016年发布警告，提示临床医生及父母注意长期或多次麻醉的潜在神经危害。麻醉不需要长时间或重复暴露就能使发育中的大脑产生神经病理学改变，短时间暴露、单次暴露、浅麻醉暴露都不可逆地改变新生儿大脑的发育轨迹。

新生儿麻醉的慢性神经病理学

1.认知及社会情感行为

新生儿期的麻醉暴露会导致行为和认知障碍，并持续到成年期。在啮齿动物中，幼年时期有麻醉史的个体与同窝出生无麻醉史的个体相比，在幼年时期及青年时期依赖海马的空间任务的表现存在缺陷，采用激励学习法和厌恶学习法都存在困难。

径向臂迷宫（RAM）和莫里斯水迷宫（MWM）是探索啮齿动物海马依赖性学习和记忆的行为学实验方法。在RAM中，限制进食的啮齿动物通过学习并记住迷宫的哪些臂存在食物，此作为诱饵而获得奖励。在MWM中，厌水但会游泳的啮齿类动物努力学习并记住能够休息的水下平台的位置。在RAM和MWM中，迷宫周围墙壁上存在视觉提示，作为空间参考点来帮助任务获取和记忆。

在一项关于新生儿麻醉对海马依赖性记忆影响的早期研究中，研究者用三重鸡尾酒法麻醉PND7大鼠幼崽，然后测试其发育后期的学习和记忆。幼年动物在MWM中学习水下平台的位置能力受损。当这些动物成年时重新进行测试，发现它们仍然不记得位置，这表明作为执行功能的高级学习能力受损。在RAM实验中也呈现相似的结果：在新生儿期麻醉暴露的幼年动物需要更长的时间来了解迷宫的哪些臂存在食物奖励。其他重复或短时间麻醉暴露的研究也得出类似结果。例如幼年使用1.8%异氟烷麻醉2小时的啮齿动物分别在PND7、PND10和PND13不记得RAM中食物臂的位置。这些海马依赖的记忆性研究表明，新生儿麻醉暴露会导致学习任务所需的短期记忆和记忆任务所需的长期及参考记忆持续存在缺陷。

学习、记忆以及非空间记忆能力变差似乎是新生儿麻醉暴露后可复制和稳定的结果。啮齿动物对新奇事物存在好奇心，利用这一特性进行的行为学实验，检测丘脑和前额皮质依赖的物体识别和社会记忆功能。结果显示：在PND7到PND13重复进行丙泊酚麻醉后，啮齿动物的物体识别能力下降；在PND7进行七氟烷麻醉后，啮齿动物的社会记忆下降。在子宫内妊娠第15天到出生在暴露于50-mg/kg氯胺酮的幼年啮齿动物与对照组相比记录到运动异常，而用2.1%七氟烷麻醉6小时的年轻成年啮齿动物的异常行为类型包括感觉门控缺陷和焦虑样行为。

在新生儿时期使用氯胺酮麻醉过24小时的NHP在青年期的认知类型表现为学习和记忆持续受损，这与啮齿类动物的非常相似，又存在一定不同，表现为动机缺失、精神运动速度较差以及对压力性情绪高反应性。

人类的认知和行为能力比NHP更复杂。人类新生儿期麻醉暴露可能导致在学习和记忆方面存在缺陷之外，还可能会影响高级认知和社会情感行为。临床研究报告表示，新生儿期麻醉与学习和语言障碍风险增加、执行功能受损以及内化行为缺陷有关。

尽管麻醉导致的发育期神经毒性是急性现象，但在新生儿期结束后很长时间内，认知和行为异常都将持续存在，即新生儿麻醉会导致慢性神经病理学改变，干扰存活神经元的功能和可塑性。

2.突触可塑性及神经传递

突触可塑性是神经元处理、编码和存储活动相关信息的基本机制。突触可塑性的定义很简单，其本质却十分复杂，通过化学、形态学和遗传信号的协同作用来确保神经元刺激形成准确的分子记忆。

突触活动依赖神经传递，通过调节影响基因转录的细胞内信号通路来微调突触形态，然后对支架蛋白、神经递质受体、神经营养因子进行改变，影响突触结构。该过程反向作用于神经元突触神经传递任务的反应，控制神经元功能。在神经发育过程中，任何打破微妙平衡的因素都会导致认知和行为障碍。麻醉药物在大脑发育的关键发展阶段会扰乱神经元生物化学、形态学和基因表达，导致认知和行为障碍的出现。

新生儿期麻醉暴露会破坏突触神经传递。作者对PND7的幼年啮齿动物使用三重鸡尾酒法麻醉6小时，电生理技术探测神经元功能，记录到丘脑内兴奋性突触神经传递的延长和增强，减少突触前GABA释放及突触后GABA受体抑制性神经传递，使丘脑神经元过度兴奋。在下叶突（海马体和皮层之间的重要通信枢纽）中也发现了类似的过度兴奋模式，表现为较少的GABA能突触抑制和刺激时神经元放电增加。其他实验使用短时间、重复七氟烷暴露，在新生儿麻醉后的海马和皮质中兴奋性和抑制性突触传递的频率均增加。

认知灵活性和行为适应通过丘脑、皮下、海马和皮层回路处理和存储信息。长时程增强作用（LTP）是一种可塑性形式，在突触前突触后神经元的输入之间进行协调，使神经回路内的突触得到加强。例如，对海马的CA3轴突的高频刺激会靶向在CA1神经元中产生持久的兴奋性突触后电位。

然而，刺激新生儿期接受过三重鸡尾酒法的幼鼠CA3-CA1神经回路时，初次暴露后数周内无法诱发出LTP。在PND7时使用40mg/kg氯胺酮麻醉的幼年动物刺激CA1-下托通路也无法诱发LTP。新生儿麻醉暴露会改变对正常认知功能至关重要的神经回路可塑性以及突触神经传递。

3.突触形态

新生儿麻醉诱导的突触神经传递变化通常伴随神经元形态和突触结构的异常。例如，锥体神经元的树突树被树突棘覆盖，接收兴奋的球突从突触前轴突末梢接收信号。

在新生儿期麻醉的幼年动物中，树突棘密度会因为暴露年龄和检查范围而上调或下调。Briner等人发现，在新生儿晚期（PND16），吸入麻醉药异氟烷（1.5%）、七氟烷（2.5%）或地氟烷（7%）显著增加了V层皮质神经元树突棘的密度。在作者的另一项研究中，丙泊酚麻醉维持超过6小时会导致PND5和PND10的新生儿树突棘密度降低，但用丙泊酚麻醉的幼年动物的树突棘密度增加。此外，使用NMDA拮抗剂氯胺酮（100毫克/千克）或GABA激动剂咪达唑仑（从PND8到PND12为50毫克/千克）进行重复麻醉会导致海马CA1锥体神经元的树突棘密度降低。同样，新生啮齿动物单次接触和多次接触七氟烷也会降低海马体的树突棘密度。因此，新生儿麻醉对树突棘密度有强大的调节作用。

在亚细胞水平上，研究发现新生儿时期使用过三重鸡尾酒麻醉的幼年动物大脑超微结构发生了毁灭性的变化。神经纤维网空虚且杂乱无章，突触前轴突末端缺失，许多其他突触在麻醉暴露几周后发生大量破坏，不仅突触末端的线粒体密度降低，仅存的线粒体也退化，出现肿胀和内嵴受损。在新生NHP使用2.5%七氟烷麻醉9小时后能观察到线粒体破坏，造成神经元处于低能量状态，影响突触可塑性。

突触神经传递和结构长期障碍的确切含义是神经纤维网、突触和线粒体的持续破坏。新生儿期麻醉使得发育期大脑的信息处理状态混乱。由于突触可塑性受一系列受表观遗传调控的基因调节，作者推断新生儿期麻醉可能对基因组和表观基因产生有害影响。

新生儿麻醉引起的遗传和表观遗传失调

1.基因组

在细胞和细胞内水平上将持续的认知障碍与增强的突触可塑性联系起来时，研究的首要目标是突触可塑性基因的经典基因组及其副产物，如信使RNA（mRNA）和蛋白质，再扩展到参与神经元存活和基本功能的基因。

以下大部分讨论均关注脑源性神经营养因子（Bdnf）和细胞Finkel-Biskis-Jinkins鼠肉瘤病毒骨肉瘤癌基因（c-fos），这两个基因对神经元功能至关重要。

Bdnf 对神经发育至关重要，并在整个细胞周期中多方面调节突触可塑性和神经回路功能。Bdnf的遗传表达部分受神经元活动的控制，响应神经元刺激，上调的外显子IV转录物。此外，BDNF蛋白在树突棘附近合成，在树突棘的稳定和清除中发挥作用。Bdnf还通过扩大可用的突触囊泡池来增加神经递质释放，同时影响谷氨酸和GABA突触后受体，产生调节突触神经传递的作用。Bdnf对这些过程的促进作用是通过BDNF与原肌球蛋白相关激酶B（TRKB）受体结合介导的，TRKB与维持突触稳定性和学习记忆相关。与之相反的是BDNF与泛神经营养因子75受体（P75NTR）的结合可以启动细胞凋亡，清理功能失调或无用的突触，产生突触可塑性。

各种麻醉药物和麻醉方案下调新生啮齿动物海马体中的Bdnf。三重鸡尾酒麻醉显著降低了新生儿海马中的总BDNF蛋白含量。当作者量化Bdnf基因的转录产物时，发现从PND6到PND8每天短时间使用七氟烷2小时后，活性依赖性外显子IVmRNA的水平降低，此结论与其他研究结论相似。BDNF蛋白的下调在幼年啮齿动物接受该麻醉方案几周后表现得更明显。在PND7使用氯胺酮（另一种NMDA受体拮抗剂）麻醉6小时也会导致BDNF蛋白减少，并持续到幼年发育阶段。

新生儿期麻醉导致的Bdnf下调的会发生在丘脑。三重鸡尾酒麻醉和丙泊酚麻醉均降低丘脑中BDNF蛋白的表达，而亚麻醉剂量的丙泊酚（25mg/kg）能够降低总Bdnf mRNA水平以及Bdnf基因外显子IV和VI的表达。皮质中麻醉导致的Bdnf下调与其他不同，25-30mg/kg的丙泊酚降低了总Bdnf mRNA以及外显子IV和VI的表达，但皮质提取物中的BDNF蛋白增加。

亚麻醉剂量的丙泊酚后丘脑中的Bdnf受体TRKB蛋白降低，而类似剂量的20mg/kg丙泊酚后P75^NTR蛋白的表达增加。BDNF是神经发育的关键时期突触发生和突触细化的必需蛋白，BDNF受体的表达变化可能是维持BDNF信号稳态的一种补偿机制。有研究表明，新生儿期氯胺酮麻醉6小时会幼鼠的BDNF蛋白水平降低，与海马轴突发育受损的情况相匹配。

另一个神经元活动控制基因表达是c-fos。这是一种极早期基因，其蛋白质产物C-FOS偶联将信号从细胞外刺激转导到靶基因的转录机制。新生儿期接受三联鸡尾酒麻醉、七氟烷或丙泊酚可显著下调皮质、丘脑和海马中C-FOS蛋白的表达。值得注意的是，c-fos和Bdnf类似，容易受到海马体长期失调的影响。幼鼠从PND6到PND8多次暴露于3%七氟烷2小时，在约六周后进入幼年发育阶段C-FOS蛋白仍然下调。而在PND14后期进行麻醉的幼鼠中，皮质中的C-FOS蛋白上调，表明极早期基因的失调具有复杂且阶段性的表现。

研究记录了调节早期发育反应的基因表达（例如，阳离子-氯化物协同转运蛋白NKCC1和KCC2）以及调节神经元存活的基因表达（例如，AKT和XIAP）。新生儿期麻醉会破坏其他调节转录活动和神经元功能的极早期基因。基因失调的背后的机制是什么？最近的研究表明，表观基因组是新生儿麻醉破坏主要目标，这种破坏还会造成异常的基因转录。

2.表观基因组

表观遗传学的定义是通过重塑染色质结构改变基因组读取结果的生化过程。染色质被包装到核小体中，核小体是由短链DNA及包裹DNA的组蛋白H2A、H2B、H3和H4八聚体组成。组蛋白具有很长的氨基末端，容易发生乙酰化、甲基化、磷酸化和泛素化。凝聚染色质中的基因无法被转录，而松散染色质中的基因的可以被读取和转录。染色质的调节机制有好几种，目前在麻醉导致的发育期神经毒性领域受到最多的研究关注的机制有两种：DNA甲基化和组蛋白乙酰化（表1）。

DNA甲基化是一种化学标签，将甲基（-CH3）基团添加到胞嘧啶碱基的碳5位（5mC甲基化，图2A）。DNA甲基化保护基因的启动子免受转录机制的影响，通过抑制转录结合因子的结合或通过将抑制蛋白（如MECP2）募集到转录位点来沉默基因转录。在哺乳动物大脑中，DNA的甲基化是由DNA甲基转移酶（DNMT）家族介导的。DNMT1在DNA复制过程中负责表观遗传模式的保真度。然而，DNMT3a和DNMT3b是de novo DNA甲基转移酶，可将甲基基团添加到未甲基化的DNA上。

另一个主要的表观遗传标签是组蛋白乙酰化（图3A）。DNA甲基化会压缩染色质，使其无法进入转录机制，组蛋白乙酰化与之相反，具有放松染色质结构，允许基因转录。组蛋白乙酰化由组蛋白乙酰转移酶（HAT）介导，而去乙酰化（导致染色质凝聚和基因转录受限）由组蛋白去乙酰化酶（HDAC）介导。

DNA甲基化和组蛋白乙酰化受活性依赖性变化的影响，可能调节参与神经元功能的基因的差异表达。新生儿期麻醉至少在海马体中可以通过DNA的高甲基化和组蛋白的低乙酰化改变染色质结构，抑制基因的转录。

Ju等人从PND7到PND9每天重复七氟烷暴露2小时的新生儿期和幼年期海马中发现Dnmt 3a和Dnmt 3b mRNA和蛋白质的显著上调，相同方案幼年海马体中Dnmt 3a和Dnmt 1的增加。甲基化DNA的标志物5mC也显著上调。此外，当作者在新生儿七氟烷暴露后数周检查位点特异性甲基化情况时，发现Psd95的外显子II和Syp（突触素）的外显子I甲基化增加，这些基因调节突触可塑性和功能。作者还报告了PSD95和SYP蛋白的减少，这将高甲基化基因状态直接与基因表达的改变联系起来。

组蛋白的去乙酰化和随后的转录抑制主要依靠HDAC家族的酶促作用， HDAC从组蛋白尾部去除乙酰基团。对三重鸡尾酒麻醉法的新生大鼠海马中的组蛋白乙酰化情况进行评估，发现乙酰化H3的水平显著降低。此外，七氟烷从PND6到PND8重复、短时麻醉后约6周的大鼠海马中乙酰化H4仍保持下调。HDAC3和HDAC8的长期减少，使整体组蛋白低乙酰化的可能性增大，这是新生儿麻醉暴露的神经病理学机制。

目前正在探究新生儿期麻醉暴露会干扰发育中大脑中组蛋白乙酰化的其他机制。用三重鸡尾酒麻醉PND7大鼠幼崽6小时，然后探测HAT活性、残基特异性组蛋白乙酰化以及突触可塑性基因Bdnf和c-fos的乙酰化状态。

环磷酸腺苷反应元件结合蛋白（CREB）是一种调节多个靶基因的细胞转录因子，在麻醉药物损伤后在海马中立即减少。相关的CREB结合蛋白（CBP）充当支架蛋白，将基因转录激活因子（包括CREB）募集到环磷酸腺苷反应元件（CRE），CRE存在于许多基因启动子序列中。CBP还具有HAT活性，能染色质结构松解到允许转录状态。

然而，在暴露于三重鸡尾酒的啮齿动物幼崽中，作者发现CREB和CBP蛋白显著降低。CBP断裂的可能是通过麻醉剂损伤激活的半胱天冬酶裂解机制。CBP碎片化，HAT活动会受到损害。在海马结构中，赖氨酸残基14（H3K14）的组蛋白H3整体低乙酰化，在麻醉停止后持续数小时。当研究造成组蛋白脱乙酰的内源性HDAC的活性时，发现其酶活性没有变化，因此作者得出结论，H3K14的低乙酰化是由于CBPHAT活性下调所致。

已知组蛋白低乙酰化会凝聚染色质，从而限制基因转录，作者推断受CREB-CBP调控的靶基因的转录会减少。Bdnf和c-fos基因在启动子区域都有CRE基序和CREB结合位点，因此它们的转录受CBPHAT活性的影响。使用基因座特异性染色质免疫沉淀分析，作者发现新生儿期麻醉导致Bdnf和c-fos基因启动子区域内H3K14的低乙酰化。低乙酰化可能是导致Bdnf基因的活性依赖外显子IV的mRNA以及蛋白质表达显著减少的机制。此外，海马中麻醉导致的低乙酰化也下调了c-fos mRNA和蛋白质（图3B）。

3.基因表达的表观基因组调控的异常模式会产生代际影响吗？

迄今为止有两项研究探讨了基因表达的异常、表观基因组的调控是否可以有新生儿期麻醉暴露史的父母传给他们未接受麻醉的后代，都获得了确定的结论。

在Ju及其同事的一项研究中，PND5幼鼠用2.1%的七氟烷麻醉6小时。其中一部分幼崽被抚养到成年，称为第0代（Gen0），与从未暴露于新生儿期麻醉的配偶配对繁殖。对Gen0动物的DNA甲基化进行分析，发现新生儿麻醉暴露的Gen0雄性精子中的阳离子协同转运蛋白基因Kcc2高甲基化，新生儿期麻醉不影响雌性卵巢的甲基化状态。暴露于新生儿麻醉的父母繁殖出第1代（Gen1）本身没有麻醉暴露。在探究成年Gen1的甲基化状态时，雄性的Kcc2基因甲基化显著增加。研究中确实发现Gen1雄性海马体依赖性学习和记忆的下降，但尚不清楚是否可归因于Kcc2甲基化，Kcc2高甲基化的功能仍有待阐明。

作者使用类似的方法来研究新生儿期麻醉对表观基因组的影响，使用3%七氟烷麻醉PND7大鼠幼崽2小时后2.4%七氟烷麻醉4小时，探索幼年动物下脚的DNA甲基化状态（图2B）。一部分麻醉暴露的雌性被保留到成年，然后与无新生儿期麻醉暴露史的雄性配对，对后代Gen1不进行麻醉处理。如上所述，幼年期神经纤维网、线粒体和突触持续遭到破坏，突触神经传递严重失调。因此，了解麻醉药物在这个动态发育阶段的影响机制非常重要。

与麻醉导致的海马体高甲基化相反，新生儿麻醉显著降低Gen0幼年啮齿动物下脚的5mC DNA甲基化。这个发育阶段的甲基化在Gen0雄性和雌性中均出现，没有性别差异。下脚的整体低甲基化可能促进神经元基因的表达，这些基因原本在幼年神经发育过程中是沉默的。因此，作者评估了两种与新生儿麻醉后神经元形态和功能的神经病理学变化可能相关的极早期基因的表达情况：Junb原癌基因（Junb）和活动调节的细胞骨架相关蛋白（Arc）。JUN转录因子家族与FOS转录因子形成二聚体，形成激活蛋白1转录复合物。该复合物将其他转录激活因子（如CREB）募集到靶基因上的CRE序列，从而调节基因转录。Arc通过调节突触膜的柔韧性参与突触可塑性。使用分子分析发现Gen0雄性和雌性幼年啮齿动物的皮下Junb和Arc mRNA显著增加。

探究DNA甲基化和基因表达的异常是否可以传递给在任何发育阶段都不进行麻醉的后代。在成年期，新生儿期麻醉暴露的雌性与未进行麻醉的雄性配对。然后让后代（即无麻醉的Gen1）生长到幼年发育阶段，分析大脑中DNA甲基化状态以及Junb和Arc mRNA。当作者检测Gen1的5mC甲基化时，作者发现雄性和雌性的下脚中都存在大量低甲基化DN，Junb和Arc mRNA仅在雄性Gen1中升高，表明这些基因的表达存在性别特异性，由雄性后代遗传。

结论与展望

本综述中包含的研究证明了新生儿麻醉与持久的基因组和表观基因组失调之间存在联系。所有结果总结在图4中。

简而言之，新生儿麻醉使CBP片段化，干扰组蛋白乙酰化，从而降低HAT活性，导致Bdnf和c-Fos基因的低甲基化。由新生儿麻醉暴露引起的异常DNA甲基化、Junb和Arc的异常表达，并在幼年女性的大脑中观察到，一直持续到成年，并会代际传递给从未接触过麻醉的后代。

神经发育关键基因的表观基因组失调可能是新生儿期麻醉暴露的动物突触神经传递、LTP、神经元形态和认知持续异常的潜在机制之一。因此，在必要的新生儿和儿科医疗操作背景下，相对短暂的麻醉可能会造成代际伤害。

麻醉药物对成年人产生的副作用极小误导大家认为麻醉药物对发育中的大脑也无害，但发育中的大脑并不是缩小版的成年大脑。神经发生、突触发生、髓鞘形成和突触神经传递等动态过程必须保持不受干扰，才能形成支持整个生命周期的正常行为和认知模式。

在新生啮齿动物和NHP中，麻醉导致的发育期神经毒性使数百万神经元在即将成熟并开始形成大脑连接时过早死亡。虽然麻醉药物易感性窗口期很长，但损伤本身时间不长。神经元会在几个小时内发生凋亡、死亡，然后完全分解，因为速度过快而难以检测。然而，啮齿动物、NHP和人类儿童的认知和行为障碍证明麻醉药物改变大脑长期功能。

目前所知的麻醉导致的神经毒性不仅仅包括细胞凋亡，涉及到一系列神经病理学过程。通过DNA甲基化和组蛋白乙酰化的表观基因组过程影响突触神经传递、神经元形态和基因表达。麻醉对发育期的大脑损伤存在表观遗传特征在一定程度上解释了与新生儿期麻醉暴露相关的认知障碍的原因。在这篇综述中，作者概述了调节突触可塑性的活动依赖性转录因子的紊乱、对学习和记忆很重要的大脑结构中基因的异常组蛋白低乙酰化，以及可能对全脑神经元功能、行为和认知产生慢性有害后果的DNA甲基化的遗传性失调。

药物干预能够减轻新生儿期麻醉对表观基因组的一些有害影响。丁酸钠和恩替司他等HDAC抑制剂具有促进组蛋白乙酰化的效果且安全。在咪达唑仑、异氟烷和一氧化二氮麻醉前用恩替司他预处理能够逆转发育中的海马中的H3低乙酰化。在PND7麻醉后使用丁酸钠也恢复了组蛋白乙酰化状态。此外，丁酸钠消除了发育期海马神经元因三重鸡尾酒麻醉法造成的树突病理性形态变化。丁酸钠和恩替诺司他都能够使抑制性GABA突触神经传递完全正常化。

由新生儿麻醉暴露引起的有害功能变化可以通过药理学作用，在表观基因组上靶向逆转，可以在发育中的大脑受到麻醉药物神经毒性作用之前、期间和之后的时间点进行干预，治疗窗口足够大。

总结这些数据对人类新生儿的意义。母亲在生育时需要数月才可以麻醉，尽管后代从未接受过麻醉，但DNA甲基化和基因表达方面依然发生了长期变化。必须尽可能全面地了解表观遗传变化对未接受麻醉的后代的代际神经发育影响。尽管麻醉药物在神经发育关键时期干扰表观基因组的几种机制已经阐明，但仍有许多悬而未决的问题。

首先是对新生儿期麻醉暴露的父母所生的后代进行功能检查。动物模型已经表明表观遗传机制的失调会导致认知障碍，表明表观基因组在学习和记忆中起关键作用。鉴于新生儿麻醉暴露会造成成年后无法解决的严重认知障碍，功能测试应包括神经元兴奋性的电生理特征及突触神经传递的变化。啮齿动物的行为分析应包括海马依赖性记忆测试，以及更复杂的认知测试，确定幼年有麻醉暴露史父母的后代是否存在细微障碍。对未接受麻醉的啮齿动物后代进行的神经生理学和行为研究应对神经元树突结构、树突棘密度、线粒体完整性和突触结构进行详细的测量评估。

性别也是影响麻醉导致的表观基因组失调易感因素。有新生儿期麻醉暴露史的父母所生的男性后代易遗传异常DNA甲基化，女性后代不易感。这种现象的性别特异性机制尚不清楚，有待研究。

将来的研究还可以试图了解新生儿麻醉对基因组和表观基因组规模的影响。出于时间和经济方面的考虑，实验者通常在选定的一部分大脑区域中选择目标并进行评估。但鉴于麻醉导致的发育期神经毒性和神经病理学影响广泛，可能对更多基因的表达产生影响，扰乱更多的表观遗传过程。数百个基因CRE的基序对CBP HAT活动有反应，包括已经发现会被新生儿麻醉影响的基因，包括Trkb、p75NTR、Arc和Akt。麻醉导致的基因内DNA甲基化和组蛋白乙酰化变化关系网络有重要的研究价值。

表观基因组映射扩展还可能扩展到已证实对麻醉诱导的发育神经毒性敏感的特定大脑区域，包括皮层、丘脑、海马和下丘脑。可以在整个大脑中识别异常表观遗传修饰的方式，并作为药理学干预的目标。此外，研究组蛋白甲基化、磷酸化和泛素化状态及其对麻醉导致的认知障碍的影响可能存在另外的机制。

这些调查对于每年数百万接受麻醉的婴儿和儿童的安全很重要，对他们孩子的安全也很重要。

翻译：李辉婷，王路阳

审校：陈新忠