七氟醚对发育期大脑认知功能的影响及其机制研究进展

强婷婷1,2 张丽1,2 胡宪文1,2

1安徽医科大学第二附属医院麻醉与围术期医学科，合肥 230601；2安徽医科大学麻醉与围术期医学安徽普通高校重点实验室，合肥 230601

国际麻醉学与复苏杂志,2022,43(6):664-668.

DOI：10.3760/cma.j.cn321761-20210531-00577

 基金项目 

 安徽省自然科学基金（1908085QH358）；安徽医科大学第二附属医院国家自然科学基金孵育计划（2020GQFY01）；安徽医科大学科研平台基地建设提升计划资助项目（2020xkjT060）

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【综述】

小儿阑尾炎、肠套叠、腹股沟疝、唇腭裂等儿科常见疾病尽早在全麻下进行手术会大大提升治疗效果。由于婴幼儿中枢神经系统对麻醉药的敏感性高，所以安全使用小儿麻醉药已经被医师和公众列为重点关注对象。与其他全麻药相比，七氟醚具有更高的血流动力学稳定性，麻醉诱导快、作用时间短、苏醒迅速，并减少了对呼吸道的刺激，所以七氟醚现已成为儿科手术中使用最广泛的吸入麻醉药之一[1]。但2016年美国食品药品监督管理局发出警告：对于3岁以下婴幼儿或妊娠末期孕妇，手术中多次或长时间使用包括七氟醚在内的全麻药或镇静药物可能会给小儿大脑发育带来不良影响。许多基础研究也表明，七氟醚对发育期大脑具有一定神经毒性，早期接触七氟醚可能会导致动物在发育后期出现长期行为改变和认知功能障碍[2]。本文介绍处于大脑发育期的动物经七氟醚暴露会对其认知功能造成的长期不良影响，讨论了由七氟醚暴露引起认知功能障碍的潜在机制，提出了缓解七氟醚暴露引起长期认知障碍的预防策略。

1 七氟醚暴露对发育期大脑认知功能的持久影响      

近年有诸多临床试验以既往接受过全麻手术的儿童为研究对象来探讨早期麻醉暴露对神经发育和认知功能的影响，并取得一定进展。全麻与蛛网膜下腔麻醉对比试验研究表明，婴儿期接受不到1 h的七氟醚全麻并不会增加5岁时神经发育不良的风险[3]；小儿麻醉神经发育评估表明，3岁前接受七氟醚麻醉的婴幼儿在8~15岁时智商与其同胞兄弟姐妹间差异并无统计学意义[4]；梅奥儿童麻醉安全性研究显示，儿童3岁前多次暴露于全麻并不会对儿童总体智力的发育产生不良影响，但会出现阅读障碍和行为异常[5]。尽管这三项研究表明，短期接受七氟醚麻醉在一定程度上是安全的，但应考虑到不同个体接受全麻时会受到诸多因素的影响，并且麻醉结束后不同个体的生活环境不同也会对实验结果造成干扰。因此，尚无确切证据证明七氟醚和认知功能障碍之间不存在相关性，还需开展更多的临床研究。

与临床研究相比，基础研究对七氟醚暴露可能损伤认知功能这一结论较为肯定。出生后7 d接受3%七氟醚麻醉6 h的小鼠在成年后表现出持续的认知功能障碍[2]。此外，有研究发现，幼年期反复接触七氟醚的恒河猴出现识别能力与记忆能力受损[6]。七氟醚对大脑发育的不良影响可能取决于持续时间和接触次数。短暂（30 min）暴露于七氟醚中只会引起突触的细微变化，不会对大脑发育产生重大的长期影响[7]，而长时间（6 h）或多次（>3次）暴露于七氟醚中比单次暴露更易产生长期认知功能障碍。这些证据进一步支持了以下观点，即长时间或多次全麻药和镇静药暴露可能会对未发育期大脑产生负面影响。

2 七氟醚暴露导致认知功能障碍的可能机制      

尽管许多研究已表明处于大脑发育期的动物在七氟醚暴露后其认知功能会受到损伤，但其机制尚未明确。下面从γ‑氨基丁酸A型（gamma‑aminobutyric acid A, GABAA）受体、NMDA受体、细胞凋亡、内质网应激（endoplasmic reticulum stress, ERS）、突触可塑性及表观遗传修饰等几个方面分析七氟醚导致认知功能障碍的可能机制。

2.1　GABAA受体和NMDA受体

七氟醚主要通过兴奋GABAA受体和阻断NMDA受体来提供遗忘、镇痛、制动的作用。由于发育期大鼠大脑皮质和海马神经元中Na+‑K+‑Cl−辅助转运蛋白1/K+‑Cl−辅助转运蛋白2比例升高，细胞内Cl−水平高于细胞外Cl−水平。因此，GABAA受体的活化是兴奋性的（除极），而不是抑制性的（超极化）。神经元的除极激活电压依赖性钙通道（voltage dependent calcium channel, VDCC）致使Ca2+流入细胞。而七氟醚暴露后大量的GABAA受体通过激活未成熟神经元中的VDCC引发神经毒性和认知功能障[8]。

功能性NMDA受体在细胞存活、突触传递、学习和记忆中起重要作用。研究发现，七氟醚的神经毒性与抑制突触NR2A、激活突触外NR2B有关[9]。动物在发育期经七氟醚暴露后会发生突触NR2A亚基缺失，突触后致密区95蛋白表达下降，导致海马区NMDA受体依赖性长时程增强（long‑term potentiation, LTP）减少，进而损伤认知功能，细胞外信号调节激酶（extracellular signal regulated kinases, ERK）1/2‑丝裂原活化蛋白激酶（mitogen‑activated protein kinase, MAPK）信号通路可能参与了这一过程[9]。

2.2　细胞凋亡

七氟醚暴露会引起神经细胞凋亡，其过程可能涉及以下几种信号通路。暴露于七氟醚6 h会显著增加caspase‑3和促凋亡蛋白Bax的表达，从而抑制抗凋亡蛋白Bcl‑2的表达，加速程序性细胞死亡。七氟醚通过氧化应激产物的积累降低了细胞存活的关键分子ERK的磷酸化水平，而七氟醚诱导的细胞凋亡通过恢复ERK的磷酸化得到改善[10]。此外，七氟醚还促进p38和NF‑κB的磷酸化以激活细胞凋亡信号转导途径[11]。研究发现，预防七氟醚引起神经细胞凋亡的药物能减轻长期认知功能障碍，表明新生儿经七氟醚暴露后神经细胞凋亡与长期认知功能障碍之间可能存在相关性[12]。

2.3　ERS

ERS与七氟醚引起的神经毒性有关，可能是七氟醚暴露引起长期认知功能障碍的又一机制。ERS会引发未折叠的蛋白质反应（unfolded protein response, UPR）。UPR是一种适应性反应，可以增强细胞对ERS的抵抗力。但是，七氟醚暴露后引起的ERS已经超出了机体的适应能力，此时的UPR不能很好地发挥抵抗ERS的作用，反而会加速细胞凋亡，导致海马齿状回区神经元死亡、神经发生减少[13]。ERS介导七氟醚神经毒性的另一种途径可能是细胞内Ca2+动力学的改变。七氟醚暴露后引发的ERS会导致CA1锥体神经元中胞质Ca2+浓度异常升高，钙稳态失衡，从而降低了CA1神经元兴奋性，引起海马依赖性学习和记忆功能损伤[14]。研究表明，ERS可能是通过激活蛋白激酶样内质网激酶‑真核细胞翻译起始因子2a‑转录激活因子4‑增强子结合蛋白同源蛋白信号通路介导了七氟醚暴露后的神经毒性[13]。

2.4　突触可塑性

突触可塑性是海马学习记忆功能的神经基础，大脑的高级功能与突触可塑性密切相关。研究表明，发育期大脑在3％的七氟醚中暴露6 h可能导致海马突触可塑性受损以及海马依赖性学习记忆功能障碍[15]。七氟醚暴露后的LTP减少可能是导致远期认知功能障碍的机制，因为LTP是长期突触可塑性的主要表现形式之一，被公认与记忆巩固、学习功能相关。脑源性神经营养因子（brain derived neurotrophic factor, BDNF）是大脑发育中影响突触可塑性的主要分子介质，七氟醚能通过降低BDNF水平及其受体酪氨酸激酶B的磷酸化来抑制BDNF‑酪氨酸激酶B信号转导、降低突触密度，突触超微结构发生改变，LTP减少，从而损害认知功能[16]。Shen等[17]研究发现，LTP的减少还可能与突触蛋白的异常表达有关，反复接触七氟醚的大鼠海马突触后致密区95和GluR1表达水平降低，导致突触结构被破坏，LTP减少。

2.5　表观遗传修饰

表观遗传学是指基因表达改变而DNA序列不受影响。常见的表观遗传修饰包括DNA甲基化和组蛋白乙酰化，它们分别由DNA甲基转移酶和组蛋白脱乙酰基酶催化。吸入麻醉药N2O与异氟醚结合使用会导致表观遗传学变化，这些变化与神经元发育和突触传递密切相关[18]。越来越多的研究表明，表观遗传学改变也可能在七氟醚暴露引起的长期认知功能障碍中起重要作用。新生大鼠反复七氟醚暴露会通过上调DNA甲基转移酶导致BDNF基因启动子过度甲基化，导致成年期大鼠伴有海马依赖认知功能障碍[19]。暴露于七氟醚的新生大鼠海马突触可塑性相关基因表达下调，与成年期后期组蛋白脱乙酰酶3、组蛋白脱乙酰酶8的水平升高及组蛋白H3、组蛋白H4的乙酰化有关[20]。组蛋白脱乙酰基酶抑制剂辛二酸异羟肟酸进行预处理可减轻七氟醚引起的长期学习记忆功能障碍。在幼年七氟醚暴露的成年小鼠模型和癌细胞（已分化）模型的研究中发现，七氟醚引起的组蛋白去乙酰化和DNA甲基化的改变，进一步支持了七氟醚暴露的表观遗传机制[21]。

3 缓解七氟醚引起的长期认知功能障碍的策略      

3.1　增加载气中的氧气浓度或补充氢气

Shi等[22]研究发现，氢气可通过抑制新生大鼠B细胞信号转导中的NF‑κB活化和随后的促炎性细胞因子释放来降低七氟醚的神经毒性。Goyagi[23]研究发现，产后7 d的小鼠在七氟醚麻醉时以30%氧气为载体气体能抑制小鼠七氟醚暴露引起的神经元凋亡，改善认知功能障碍。因此，七氟醚麻醉时，氢气和氧气作为载体气体所发挥的作用为手术和麻醉提供了新的保护策略。

3.2　环境富集

环境富集是一种复杂、多因素、无创的干预措施，指通过在实验动物居住的笼子中放置各种玩具、给予各种颜色刺激等方式来丰富动物的生活环境。环境富集可改善新生小鼠七氟醚暴露引起的海马突触可塑性和认知功能损伤[24]。Ji等[24]发现，在丰富环境中1个月足以逆转七氟醚暴露引起的认知功能障碍并预防LTP的破坏。因此，环境富集减轻了新生小鼠七氟醚暴露引起的行为异常，从而提供了一种潜在的行为策略来减轻七氟醚对发育期大脑的不利影响，可作为治疗七氟醚暴露引起认知功能障碍的方法之一。

3.3　改善七氟醚暴露引起认知功能障碍的相关药物

神经保护剂一直是减轻七氟醚暴露引起神经毒性的主流药物。锂或咖啡酸苯乙酯预处理通过阻止凋亡途径的激活来减轻七氟醚引起的新生动物海马神经元损伤[12]。促红细胞生成素在神经系统中既是生长因子又是神经保护剂。促红细胞生成素预处理可减轻七氟醚麻醉后引起的长期认知缺陷和神经元变性[25]。七氟醚暴露后，右美托咪定和乙酰基左旋肉碱也表现出神经保护作用[26]。布美他尼可逆转七氟醚暴露引起的啮齿动物下丘脑‑垂体‑肾上腺轴功能亢进并改善长期认知功能[8]。最新研究发现，白藜芦醇可减轻七氟醚的神经毒性[16]。七氟醚暴露引起沉默信息调节因子1表达缺陷，而白藜芦醇可逆转这种现象并激活海马中的沉默信息调节因子1，使BDNF表达增加，从而改善长期认知功能。此外，研究还发现某些中药成分可改善七氟醚暴露引起的认知功能障碍[27‑28]。

4 结语      

七氟醚作为吸入麻醉药，血流动力学更稳定性、恢复时间更短、对呼吸道刺激更小，为小儿外科手术麻醉提供了更好的选择。然而，七氟醚对大脑发育和长期认知功能的潜在副作用引起了人们的广泛关注。目前实验室研究已经提出七氟醚神经毒性的部分机制及其治疗方法。为促使七氟醚在儿科手术中应用更安全，需要持续研究七氟醚暴露引起认知功能障碍的具体机制，寻找更好的预防措施和治疗手段，以减轻其对发育期大脑造成的认知功能损害。

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