生理因素和麻醉药物对类淋巴系统功能的影响

2022
06/21

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古麻今醉
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正确选择麻醉药物及其剂量是保证类淋巴系统研究能够顺利开展并获得客观实验数据的前提。

董瑞1 韩玉强2 张富俊3 夏天娇1,4 顾小萍1

1南京大学医学院附属鼓楼医院麻醉科,南京 210008;2徐州医科大学鼓楼临床学院,南京 210008;3江苏大学鼓楼临床医学院,南京 210008;4江苏省医学分子技术重点实验室,南京 210093

国际麻醉学与复苏杂志,2022,43(4):435-440.

DOI:10.3760/cma.j.cn321761-20210611-00533

 基金项目 

国家自然科学基金(81730033,81701371,82001132);

十三五强卫工程重点人才项目(ZDRCA2016069);

南京大学医学院研究生科研与实践创新计划项目(2021)

REVIEW ARTICLES

【综述】

蛛网膜下腔中的脑脊液可以通过大脑表面动脉和穿通动脉构成的血管周围间隙(perivascular spaces, PVS)进入脑实质,与间质液(interstitial fluid, ISF)进行交换,携带细胞代谢废物和毒性蛋白通过静脉PVS离开脑实质, 这种功能性的脑脊液循环通路称为胶质‑淋巴系统或类淋巴系统。水通道蛋白‑4(aquaporin 4, AQP4)是类淋巴系统的“阀门”,正常情况下AQP4呈极化表达,即主要表达于星形胶质细胞血管旁的终足上,促进PVS内脑脊液与ISF的物质交换;当AQP4发生除极,在星形胶质细胞胞体高表达时,会显著抑制PVS内脑脊液和ISF的物质交换 。

在外周,组织液中的蛋白质和其他大分子物质可由淋巴系统清除,而类淋巴系统可清除大脑中的毒性蛋白和乳酸等能量代谢产物。此外,类淋巴系统还可以将来自脉络丛和脑脊液中的生物信息及活性物质传递到脑实质 。因此,类淋巴系统对于维持大脑内环境稳态具有重要作用。各种原因引起类淋巴系统功能障碍可导致中枢毒性代谢产物积累、大脑内环境失调、神经元损伤,进而引起一系列相关神经系统疾病和认知功能损害 。

鉴于类淋巴系统的重要功能,自其2012年被首次发现便成为脑科学领域研究的热点。活体神经影像学技术的发展更是极大促进了类淋巴系统的功能研究。然而,类淋巴系统容易受到机体生理因素和麻醉状态的影响,这些因素干扰了对类淋巴系统研究结果的解读。因此,本研究对影响类淋巴系统功能的生理因素进行阐述,并就目前类淋巴系统活体研究中常用的麻醉方案进行回顾,探讨麻醉药物影响类淋巴系统的作用机制,为进一步完善类淋巴系统功能的研究设计提供参考。

1 影响类淋巴系统功能的生理因素     

1.1 脉络丛生成的脑脊液

脑脊液是类淋巴系统发挥生理功能的主要承担者,是类淋巴系统重要的宏观驱动因素。脑脊液充填大脑和脊髓周围,参与维持中枢内环境平衡、提供营养和调节颅内压。脑脊液由脉络丛持续产生且总量保持相对恒定,持续生成的脑脊液驱动液体由脑室系统流入蛛网膜下腔,进而沿动脉PVS流入脑实质,由脑脊液流动产生的驱动力能够促进类淋巴系统内脑脊液与ISF的物质交换和代谢产物清除。脑部炎症刺激和大脑微环境改变均会引起脑脊液生成速度改变。因此,脉络丛可根据内环境的变化通过调控脑脊液生成进而增强类淋巴系统的清除功能 。

1.2 大脑表面动脉和穿通动脉搏动

脑脊液沿大脑表面动脉和穿通动脉PVS进入脑实质,在此过程中动脉搏动发挥了血管泵的作用。给予小鼠肾上腺素能受体激动剂多巴酚丁胺,动脉搏动增强,导致进入脑实质的脑脊液增多;相反,结扎单侧(右)颈内动脉,使动脉搏动减少50%,0.5 h后注射示踪剂,发现脑脊液与ISF的交换率降低 。值得注意的是,类淋巴系统中发挥主要作用的脑实质穿通动脉的搏动性强于大脑表面动脉 。Bedussi等 进一步研究发现,动脉PVS脑脊液的流动具有与心律一致的搏动性,虽然这种搏动性本身不会增加脑脊液进入动脉PVS的流入量,但会促进脑脊液进入脑实质,增强与ISF的交换。Harrison等 采用扩散张量磁共振研究发现,PVS的伪扩散系数在心脏收缩期较静止期增加300%,这说明动脉搏动使PVS脑脊液扩散运动增强。在解剖结构上,动脉PVS大于静脉PVS ,这为脑脊液流入脑实质创造了一条低阻力通道,很好地解释了为什么脑脊液是沿着动脉PVS进入脑实质,而不是静脉PVS。

动脉搏动受血压、心率的影响,血压和心率的变化亦会影响类淋巴系统功能。心率对类淋巴系统的影响还存在争议,研究发现类淋巴系统中脑脊液的流入与心率呈反比 。然而,Kyrtsos和Baras 通过数学建模对类淋巴系统进行研究发现,心率每降低10次,脑实质会额外积累近20%的β淀粉样蛋白,而心率每增加30次,脑实质中的β淀粉样蛋白水平降低近30%。高血压通过抑制血管泵运动,影响脑脊液的正常流体动力学,抑制类淋巴系统的物质清除功能 ,这从另一种角度解释了为什么高血压会引起脑内β淀粉样蛋白累积。

1.3 呼吸运动

相比于动脉搏动对脑脊液进入脑实质产生的正压驱动作用,呼吸运动主要是影响静脉收缩而对ISF产生“抽吸”作用。呼吸运动可引起静脉膨胀和塌陷,导致静脉PVS周期性地缩小与扩大,促进ISF流出脑实质。Kiviniemi等 利用磁共振脑电图证实,呼吸运动通过影响静脉PVS构成了类淋巴系统脑脊液流动的驱动因素。呼吸运动不仅影响脑脊液流动方向,还影响脑脊液流动速率。吸气相脑脊液流动速度增加,屏气会显著抑制脑脊液流动。因此,相比于正常患者,阻塞性睡眠呼吸暂停综合征患者脑脊液中β淀粉样蛋白和神经源性蛋白水平升高,可能是因为呼吸暂停引起类淋巴系统功能异常,致使β淀粉样蛋白和神经源性蛋白在脑内沉积。

1.4 体 位

Lee等 以SD大鼠为研究对象,发现右侧卧位能更快速地清除大脑中的β淀粉样蛋白。与该研究结果相呼应,一项多中心的初步调查发现,仰卧位睡眠姿势与神经退行性疾病的发生独立相关,调查者认为侧卧位睡眠在一定程度上会促进神经毒性蛋白清除,防止神经退行性疾病的发生 。体位变化影响类淋巴系统功能的具体机制尚不清楚,但体位改变能够引发心血管系统、呼吸系统、颅内压等一系列生理改变,这些都可能会影响类淋巴系统。然而,目前尚缺乏直接的人体研究证据支持侧卧位有助于提高类淋巴系统功能,但这一干扰因素不应该被忽视,提示我们在使用各种影像学技术对类淋巴系统功能进行评估时,要注意体位因素的干扰,以实现结果的标准化。

1.5 睡 眠

所有物种对睡眠的需求反映了大脑必须进入一种能够消除神经代谢废物的状态。在睡眠状态下,小鼠类淋巴系统中动脉PVS脑脊液流入量高于觉醒状态,并且对β淀粉样蛋白的清除率较觉醒时高出1倍以上 。人体研究结果也显示类淋巴系统主要在睡眠状态下运行 。睡眠增强类淋巴系统的机制主要为以下三方面:① 睡眠状态下,机体肾上腺素能活性降低,脑细胞外间隙增大,降低了脑脊液在脑实质的流动阻力,类淋巴系统清除率得以提高 ;② 睡眠状态下脑脊液体积增加,驱动力增强 ;③ 睡眠状态下星形胶质细胞血管旁终足上AQP4极化增强,促进脑脊液由动脉PVS进入脑实质参与代谢废物清除 。以上研究显示,睡眠对类淋巴系统的清除功能及其维持代谢稳态有重要作用,并有可能影响脑部疾病发生发展的病理生理过程。一项大样本长期随访研究发现,睡眠时间短于6 h与中老年受试者罹患阿尔茨海默病的风险增加30%有关 ,在此之前,Winer等 发现,低睡眠效率(总睡眠量占总卧床时间的百分比)的人体大脑内β淀粉样蛋白积累速度更快。鉴于类淋巴系统对大脑内β淀粉样蛋白具有清除作用,在此基础上深入探索睡眠对类淋巴系统清除功能的影响将为揭示睡眠的作用机制及与之相关的脑部疾病诊治开辟新领域。

1.6 昼夜节律

类淋巴系统在睡眠状态时功能增强,在觉醒状态下受到抑制,表现出明显的昼夜节律行为 ,且这种节律性变化由生物钟控制 。海马ISF中tau蛋白和乳酸水平与睡眠觉醒周期相关,神经元活动产生的tau蛋白和乳酸水平在小鼠活跃的暗期最高,而在小鼠休息或睡觉的亮期最低 ,这与类淋巴系统的活动节律一致。此外,类淋巴系统的节律性还表现在:① 星形胶质细胞终足上AQP4的极化存在由生物钟控制的昼夜节律 ;② 生成脑脊液的脉络丛具有很强的昼夜节律;③ 脑脊液在不同脑区的分布速度存在昼夜节律差异 。

1.7 性 别

Giannetto等 发现在不同药物麻醉下,类淋巴系统在脑脊液流入量方面不存在性别差异,但雌性小鼠显示出更强的昼夜节律性。

1.8 高 龄

随着年龄的增长,类淋巴系统功能显著下降 。衰老引起类淋巴系统功能的降低与AQP4除极相关 。此外,衰老过程中脉络丛生成脑脊液的功能受损、蛛网膜绒毛逐渐减少和退化、动脉壁硬化引起动脉搏动减弱、脑膜淋巴管完整性受损等 ,这些均是高龄导致类淋巴系统功能下降的原因。因此,类淋巴系统功能障碍是脑老化的一项重要特征。值得注意的是,高龄是围手术期神经认知障碍(perioperative neurocognitive disorders, PND)发生的独立危险因素 ,而类淋巴系统增龄性功能受损是否参了与PND的发生发展?这一科学问题的解决可从大脑代谢废物或毒物清除角度综合解释PND的诸多病理生理改变,有望为PND的综合防治提供集束化干预靶点。

1.9 血浆渗透压和颅内压

通过腹腔注射高渗盐水升高小鼠血浆渗透压,血脑屏障通透性没有显著增加,而大脑对经枕大池注射荧光示踪剂的摄取率增加了125%,流入速度加快70% 。即便在清醒的小鼠中,血浆高渗透压也会增加示踪剂流入PVS,增强类淋巴系统功能 ,这可能与高渗液体引起ISF外流增加,颅内压降低有关。另外,PVS、蛛网膜下腔、脑池并不是相互割裂的,脑脊液在上述腔隙中相通,因此蛛网膜下腔和脑池中压力的变化会影响PVS的物质交换。

1.10 脑膜淋巴管

2015年,Louveau等 在大脑背侧的上矢状窦、窦汇及横窦部发现了脑膜淋巴管(meningeal lymphatic vessels, mLVs),这一发现是近几十年脑科学研究的突破,颠覆了既往脑内不存在“淋巴管”的观念。2019年,Ahn等 发现了位于颅底的基底mLVs。相比于背侧mLVs,基底mLVs沿岩磷窦和乙状窦走行,管腔直径更大且存在瓣膜结构和丰富的毛细分支,更有利于脑脊液的收集与排出。mLVs的发现为类淋巴系统中静脉PVS脑脊液/ISF的清除提供了客观条件。Da Mesquita等 的研究表明,mLVs的破坏在不增加颅内压的情况下引起类淋巴系统功能障碍,并导致小鼠认知功能障碍。然而,值得注意的是,随着年龄的增长,mLVs的完整性和脑脊液引流功能发生了退变 ,这可能是高龄引起类淋巴系统功能下降的因素之一。

1.11 自主运动水平

规律运动可预防慢性疾病并增强认知功能。自主运动水平能明显增强类淋巴系统功能,提高小鼠认知水平。进一步研究发现,类淋巴系统功能活动的增加归因于长时间运动(5周)的生理适应,而不是运动的暂时效应 。运动可以抑制老年小鼠(14~16月龄)脑中星形胶质细胞反应性增生,逆转AQP4除极,而对于年轻小鼠(9周龄),运动则不影响星形胶质细胞功能状态和AQP4极化 。这说明自主运动增强类淋巴系统功能的机制依年龄阶段不同而异。

2 不同麻醉药物对类淋巴系统的影响及其机制      

双光子成像、动态增强对比磁共振、近红外荧光成像等各种神经影像学技术的应用可以满足在活体水平对类淋巴系统功能进行观察,极大提高了类淋巴系统功能的研究水平。然而,与人类不同,动物在检查过程中会本能抵抗,影响成像质量,导致结果偏倚。因此,活体成像过程中需要对动物进行长时间麻醉以抑制其活动。目前类淋巴系统活体动物研究中主要有两个过程需要进行麻醉:一是经枕大池或外周静脉注射显影剂,二是神经医学影像成像过程。麻醉药物对动物生理状态和类淋巴系统功能均有很大影响,有必要了解各种麻醉药物本身影响类淋巴系统的作用机制,以结合实验设计来优化麻醉方案。

麻醉药物最严重的不良反应是对呼吸系统、循环系统和体温调节系统的抑制,理论上能够引起上述生理因素改变的麻醉药物都可以对类淋巴系统功能产生影响,但近年来关于不同麻醉药物对类淋巴系统的影响还存在争议。

2.1 氯胺酮和甲苯噻嗪

氯胺酮和甲苯噻嗪是最早应用于类淋巴系统研究的麻醉药物 。氯胺酮可产生分离麻醉,即意识保持清醒而痛觉消失,不会抑制中枢神经系统功能,不抑制呼吸和心排血量,但恢复时会出现高反应性和共济失调。然而,单独使用氯胺酮并不能达到手术麻醉效果,往往合用α2肾上腺素受体激动剂甲苯噻嗪。

氯胺酮和甲苯噻嗪对类淋巴系统的影响目前存在争议。Groothuis等 在2007年就发现戊巴比妥麻醉的大鼠脑实质内溶质流出速度比氯胺酮和甲苯噻嗪麻醉的大鼠慢100倍。后续多项独立研究进一步证明:相比于清醒状态,氯胺酮和甲苯噻嗪麻醉会使类淋巴系统功能增强 。Hablitz等 认为氯胺酮和甲苯噻嗪通过增强脑电波慢波振荡和降低心率来增强类淋巴系统功能。然而,von Holstein‑Rathlou等 发现与清醒小鼠相比,氯胺酮和甲苯噻嗪麻醉并没有额外增强运动小鼠的类淋巴系统功能,另一项研究甚至发现氯胺酮和甲苯噻嗪麻醉使类淋巴系统功能受损 。

2.2 右美托咪定

右美托咪定是一种选择性α2肾上腺素受体激动剂,可以使蓝斑神经元过度极化,减少去甲肾上腺素释放,发挥催眠作用 。Xie等 通过向脑脊液注射α和β受体阻滞剂发现,ISF体积增加,类淋巴系统转运清除功能增强,并且与皮质慢波活动密切相关。Benveniste等 研究结果显示,与单纯异氟醚麻醉相比,右美托咪定联合低剂量异氟醚麻醉使大鼠脑脊液体积增加了2%,类淋巴系统的运输效率增加32%,这可能与右美托咪定抑制蓝斑去甲肾上腺素系统功能有关。研究证实抑制蓝斑去甲肾上腺素系统活动能够改善类淋巴系统功能 。基于此,我们推测具有抑制去甲肾上腺素能功能的麻醉药物能够增强类淋巴系统功能。既往大量研究证实,右美托咪定可以预防术后认知功能障碍的发生,类淋巴系统为其发挥脑保护作用提供了新机制:通过改善脑部代谢产物的清除而改善术后认知功能。令人欣慰的是,已有研究证实右美托咪定通过加速类淋巴系统循环促进经鞘内注射药物在脑内的分布 ,这提示麻醉药物可以通过增强类淋巴系统功能而促进药物靶向大脑的传递,极大丰富了麻醉治疗学的内涵。

2.3 异氟醚

异氟醚是目前动物实验中最常用的吸入麻醉药物,主要经肺代谢,麻醉诱导与恢复迅速,不抑制心功能,可降低外周循环阻力。异氟醚全身麻醉会抑制类淋巴系统功能,并表现出剂量依赖效应,使脑脊液通过类淋巴系统排出减少,增加沿脑神经和筛板通道排出 。Hablitz等 对氯胺酮+甲苯噻嗪、异氟醚+右美托咪定、戊巴比妥、三溴乙醇、氯醛糖、异氟醚等6种麻醉方案与类淋巴系统功能的关系进行研究,发现上述6种麻醉方案对脑脊液示踪剂流入大脑的抑制程度由大到小为异氟醚>氯醛糖>三溴乙醇>戊巴比妥>异氟醚+右美托咪定>氯胺酮+甲苯噻嗪,并且异氟醚对脑脊液示踪剂的抑制程度在大脑腹侧更为明显。上述6种麻醉方式下大脑δ波的发生频次由大到小为氯胺酮+甲苯噻嗪>异氟醚+右美托咪定>异氟醚=氯醛糖=三溴乙醇=戊巴比妥,由此推测具有促进δ波发生的麻醉药物有助于脑脊液流入脑实质并促进代谢废物清除 。分别对小鼠使用异氟醚麻醉130 min和异氟醚麻醉15 min,结果发现两者脑脊液示踪剂进入大脑的量相等,说明长时间异氟醚麻醉不会进一步加重对类淋巴系统的损害 。然而,有研究发现,异氟醚麻醉对类淋巴系统有促进作用,与未接受麻醉的大鼠相比,吸入浓度4%异氟醚麻醉(1~6 min)增加了类淋巴系统的清除效率 。

2.4 其 他

一个完善的麻醉方案应该包括意识丧失、肌肉松弛、镇痛三方面,这既是实验动物福利的原则,也是麻醉的基本要求。因此,大多数类淋巴系统研究中有创操作步骤都采用复合用药方案,如在常规镇静催眠药的基础上配伍利多卡因、布比卡因、丁丙诺啡、卡洛芬等镇痛药,然而,针对这些药物对类淋巴系统的研究未见报道。尽管水合氯醛、乌拉坦等麻醉药物也见于类淋巴系统研究的报道 ,但尚未见有研究探讨其对类淋巴系统功能的影响。同时,目前临床常用麻醉药物(如丙泊酚、依托咪酯等)对类淋巴系统功能影响的研究亦未见报道,下一步应针对这些临床常用药物对类淋巴系统功能的影响进行研究,为临床优化用药策略提供参考。

3 麻醉状态与类淋巴系统

除了麻醉药物能通过影响各项机体生理参数、蓝斑去甲肾上腺素系统活性和脑电波等因素干预类淋巴系统功能外,部分研究认为麻醉状态本身也会影响类淋巴系统功能。大脑中脑脊液的流出通路总体上分为两大部分,即进入类淋巴系统和直接流出大脑。Ma等 发现麻醉状态下(氯胺酮+美托咪定)脑脊液主要流向动脉PVS,向外周(颈深部淋巴结、下颌淋巴结)的流出速率减慢;而在清醒状态下,脑脊液主要流向外周。但在其他麻醉药物作用下,这一结论能否成立还有待进一步探讨。初步研究发现麻醉深度亦可影响类淋巴系统功能 ,但这也有待设计严谨的实验以进一步验证。

4 结语与展望      

正确选择麻醉药物及其剂量是保证类淋巴系统研究能够顺利开展并获得客观实验数据的前提。考虑到麻醉和类淋巴系统之间的相互作用,在麻醉动物体内进行类淋巴系统研究的结果应该谨慎解读。尽管有研究认为自然睡眠和全身麻醉对类淋巴系统的影响是等效的 ,但实际上麻醉状态与自然睡眠并非是同一种生命活动 。因此,研究还应涉及清醒动物。例如,为了消除麻醉药物对类淋巴系统的影响,Cai等 对大鼠进行了为期5 d的磁共振检查以适应训练,最终可以使大鼠在清醒状态下配合磁共振检查。同时,类淋巴系统也为理解麻醉药物和全身麻醉状态对大脑的具体作用机制提供了新的研究视角。因此,未来应加强转化医学研究,从增强类淋巴系统功能的角度完善围手术期脑保护措施,并丰富相关神经退行性疾病的防治措施,增加患者获益。

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关键词:
淋巴系统,功能,脑脊液,研究,麻醉

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