5.全身麻醉对小儿发育期大脑的影响及其相关机制研究进展

全身麻醉已有160余年的历史，亦是婴幼儿及儿童临床医疗中最常使用的麻醉方法，其安全问题一直是患方和医者所关注的重要问题。目前，大量临床与基础研究指出，婴幼儿时期接受手术等医疗操作期间多次或长时程使用全身麻醉药，可能会影响小儿大脑发育，从而导致其成年后的学习记忆功能障碍（learning disability，LD），且儿童年龄越小，麻醉时间越长，学习记忆损伤程度越严重。从2016年12月14日开始，美国食品药品管理局（Food and Drug Administration，FDA）要求在全身麻醉药的药品标签上增加如下警告：妊娠未满3个月的孕妇以及3岁以下儿童在手术中重复或长时间使用全身麻醉药，可能会影响胎儿及儿童的大脑发育。可见，深入研究全身麻醉药对发育期大脑认知及神经损伤的主要机制，探求有效的预防和治疗方法是麻醉学乃至神经科学亟待解决的重要问题之一。由此，本文针对全身麻醉药对小儿发育期大脑的影响及其相关机制做一综述，以期为全身麻醉诱导发育期大脑相关损伤机制的研究及临床问题的解决提供新的思路。

一、全身麻醉药对大脑发育的影响

（一）动物研究进展

早在20世纪80年代，全身麻醉药对神经结构及神经认知功能的影响就开始引起人们的关注。此后，人们通过各种各样的在体及离体实验探索全身麻醉药对神经系统及大脑发育的影响。大量证据指出，全身麻醉药是否对发育期大脑产生损伤，在于以下几个因素：第一，神经细胞在大脑生长突增期（brain growth spurt period）往往比较脆弱，更容易受到全身麻醉药的损伤。这一时期的突触形成的高峰因不同物种而异，大鼠和小鼠为出生后第7～17天，而恒河猴则为出生后第5～16天。第二，暴露于全身麻醉药的时间越长，频率越大，则更有可能引起日后的神经认知功能缺陷。有研究指出，即使是每次短时间暴露于全身麻醉药，但随着暴露次数的增加，其成年后的认知功能改变也越大。第三，给予全身麻醉药的剂量越高，则凋亡神经元的数目越多，对神经元的损伤越大。最后，有研究指出，性激素可能参与到全身麻醉药的神经毒性当中，雄性较雌性相比，更容易受到全身麻醉药的影响，从而导致远期认知功能障碍。

（二）临床研究进展

尽管无数动物及细胞实验指出全身麻醉药可能会对发育期动物脑组织产生明显的毒性作用。但是，由于伦理学等原因，全身麻醉药对于婴幼儿神经发育及认知的具体影响还不甚清楚。早在1953年，Eckenhoff等就在其回顾研究中指出，成年后的人格改变可能与全身麻醉药的应用存在着关联性。而在2008年，Flick等经回顾性研究发现，4岁前接受2次以上麻醉手术的患儿学习障碍的发生率是未经麻醉或者只经历过一次麻醉患儿的2倍。随后，DiMaggio等也在其回顾研究中指出：对于2岁之前接受多次麻醉手术的患儿，大于三次的麻醉手术会降低其日后的语言表述能力和学习记忆能力。然而，由于方法学上的局限性和众多混杂因素的存在，回顾性研究并不能证明全身麻醉与发育期大脑神经毒性的因果关系，尚需在前瞻研究中寻找答案。小儿麻醉神经发育评估研究（PANDA）在其报告中指出：暴露于麻醉手术的儿童与其未经受麻醉手术的兄弟姐妹相比，其日后的智商以及神经认知功能评分并未有显著统计学差异。全身麻醉与椎管内麻醉比较研究（GAS）结果指出：在以男性为群体的研究人群中，与清醒经椎管区域阻滞麻醉相比，婴儿早期暴露于1h以下的全身麻醉并不会改变其2岁和5岁时的神经发育结果。梅奥儿童麻醉安全研究（MASK）在其结果中指出：是否暴露于全身麻醉手术对于小儿日后的智商状态并无统计学差异，而对于多次暴露于全身麻醉手术中的儿童来说，其日后的精细运动以及反应速度等指标与对照组相比有所降低。Zaccariello等在MASK实验的后续研究中提出：与对照组相比，多次暴露于全身麻醉手术的儿童，其在反应速度、运动协调性和视动整合方面得分均较低，而接受单次全身麻醉手术的儿童得分则无差异。由此可见，PANDA、GAS和MASK研究均表明婴幼儿时期接受1h以下的全身麻醉并不会造成日后显著的认知或行为缺陷，而MASK研究则表明在婴幼儿时期接受多次全身麻醉手术可能会造成其日后的行为缺陷。

二、全身麻醉对小儿发育期大脑的损伤机制

虽然从临床实验和基础实验都可以证明多次暴露于全身麻醉可能对小儿大脑发育产生损伤，但是，由于发育期的特殊性，全身麻醉药药理作用的不够明确性，以及研究方法的局限性，目前对于全身麻醉药的发育期神经毒性的机制仍众说纷纭，不甚清晰。通过文献查询，现将近年来较新的观点总结如下。

（一）树突棘重塑

树突棘是树突表面突触后膜的棘状突起，是神经系统中神经元连接和信号转导的关键结构基础，接受进入大脑的绝大部分兴奋性输入。突触可塑性变化常与树突棘的形成、脱落、扩张和萎缩等形态变化相伴发生，是学习和记忆的关键。人类的神经系统在妊娠末3个月至出生后2年左右迅速发展，此阶段是突触发育高峰，大脑质量快速增加，轴突迅速延伸，树突迅速出芽和突触大量形成。而在啮齿类动物，树突棘及突触发育开始于出生前1～2d，终止于出生后2周，高峰为出生后6～7d。研究表明，在啮齿类动物突触发育高峰期给予全身麻醉，可对其发育期大脑的树突棘形成及突触可塑性变化具有明显的影响。Lu等研究指出，给予出生6d的小鼠每天6h，连续3d的3%七氟烷麻醉，可使其22d后的海马中PSD-95蛋白表达明显减少。而Li等研究发现，给予出生7d小鼠连续6h的3%七氟烷处理，可使其出生2个月后大脑海马区树突棘密度明显降低及成熟树突棘数目明显减少。由此可见，长时程或多次的全身麻醉处理确实会对小鼠发育期大脑树突棘形成及可塑性产生影响，深入研究其相关调控机制具有重要科学意义。

（二）非微管结合Tau蛋白

Tau蛋白是一种低分子量的微管相关蛋白，主要分布在中枢神经系统。正常情况下，Tau蛋白通过其C-末端的重复区域（R1-R4）——微管结合区域与微管结合，以促进微管蛋白的组装，维持其正常功能。但在某些异常情况下，例如阿尔茨海默病患者的大脑，Tau蛋白大量脱离微管，自我聚集，超磷酸化，形成多种中间体——可溶性寡聚体（oligomer）及前纤维丝，并最终形成神经原纤维缠结（NFT），对患者大脑造成严重神经退行性损伤。Yu等研究指出，出生6d的小鼠大脑皮质，较成年小鼠（出生60d）具有3～4倍的Tau蛋白表达。其中，与成年小鼠相比，幼年小鼠大脑皮质的非围管结合Tau蛋白及寡聚体表达明显增加，且给予出生6d的小鼠连续3d，每天2h的七氟烷麻醉后，可见其大脑皮质42个Tau蛋白磷酸化位点增加。而造成幼年小鼠大量非微管结合Tau蛋白产生的主要原因，可能与其大脑皮质中的Nuak1蛋白大量表达相关。据研究，Nuak1可选择性磷酸化Tau蛋白重复序列上的Ser356位点，从而造成Tau蛋白与微管脱离，继而造成幼年小鼠大脑中大量非微管Tau蛋白及寡聚体的表达。

（三）载脂蛋白E毒性片段

载脂蛋白E（apolipoprotein E，ApoE）是一种多态性蛋白，参与脂蛋白的转化与代谢过程，其基因可以调节许多生物学功能，对ApoE及其基因多态性的研究是目前医学研究的热点之一。ApoE具有三个等位基因ApoE2、ApoE3和ApoE4，其中ApoE3在人群中分布最广（70%～80%），ApoE4最不稳定，是阿尔茨海默病（Alzheimer’s disease，AD）的最强危险因素，而ApoE2最稳定，对AD具有保护作用。一些研究报告称，特定的ApoE片段与Aβ斑块的形成、Tau蛋白高磷酸化、NFT的形成及神经变性的发生直接相关。Yang等分别应用不同浓度七氟烷处理小鼠及原代神经元证明正常脑组织中可能存在一个全长ApoE和片段ApoE间的平衡，其中全长ApoE扮演着重要的保护角色，而片段型ApoE具有神经毒性。当大脑面对有害刺激时，神经元会被激活产生全长ApoE进行自身修复。然而，一旦有害的刺激持续存在，神经元中的ApoE则会水解成大量的毒性片段并破坏大脑内的ApoE平衡，这可能导致大脑内的Tau蛋白过度磷酸化和神经认知损伤，这可能是全身麻醉导致神经认知功能障碍的潜在机制之一。

（四）相关启动因子DNA甲基化

DNA甲基化是一种表观遗传学修饰，在中枢神经系统，DNA动态甲基化通过基因调控等机制参与了神经突触可塑性及认知记忆的形成过程。DNA甲基化是由DNA甲基化酶（DNAmethyltransferase，DNMTs）催化的，包括DNMT1、DNMT3a和DNMT3b。DNMT1主要负责维持现有的甲基化模式，而DNMT3a和DNMT3b主要负责创建新的甲基化模式。这些酶将甲基从S-腺苷甲硫氨酸（S-adenosylmethionine，SAM）转移到胞嘧啶或者鸟嘌呤残基上，称为DNA启动子区域CpG位点。Zhang等研究指出：多次七氟烷麻醉可通过调控ERMN启动子的DNA甲基化，从而导致叶酸代谢紊乱，造成髓鞘损伤，以影响幼年小鼠远期学习记忆能力。而Fan等研究指出，给予出生7d的大鼠，连续3d 3%七氟烷麻醉，可造成其大脑广泛的DNA甲基化增加，而给予DNMTs阻滞剂5-AZA可以缓解全身麻醉所造成的远期认知损伤。

三、展望

3岁以下的婴幼儿多次或长时程暴露于全身麻醉可能造成其发育期大脑的神经损伤，并影响其日后的学习认知能力。探求麻醉药对发育期大脑的可能损伤机制，关注小儿麻醉神经毒理的基础与临床研究，寻找可能的脑保护措施具有重要的科学意义和临床价值。目前，笔者团队通过实验提出，应用维生素K₂、辅酶Q10、丰富环境及氢气吸入等措施，对全身麻醉所造成的发育期大脑损伤具有一定的保护作用，但其相关机制仍需进一步探索。通过对全身麻醉药神经毒性的深入研究与探索，为预防和治疗麻醉药致发育期大脑的相关认知损伤提供新的思路，为临床上问题的解决提供新的靶点，具有重要的社会价值。

（于洋　于泳浩）

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