1、08CCME粼中国继续医学教育全麻原理研究新进展陈向东刘进四川大学华西医院麻醉科【摘要】全麻机制的研究进展体现在药物作用部位和药物作用机制两方面，以及麻醉与睡眠关系。新型脑成像技术提示全麻作用是多部位，对特定脑区的功能具有抑制作用。关于全麻作用机制的研究认为，除了过去的脂质学说外，新型的蛋白质学说和离子通道学说，以及构成通道的特异亚基组成都参与了全麻作用机制。新型的神经网络机制学说更强调全麻作用是多部位、多机制共同参与的结果。【关键词】全麻机制；脑功能成像；睡眠；离子通道AbstractThe progresses of the general anesthesia mechanisms ar
2、e focused on the sites of action and themechanisms of specific drugs，as well as the relationship between anesthesia and sleepingThe latest brainimaging techniques demonstrate the multisite of anestheticsactionsThe novel theories as ion channels andtheir specific subunits formation are the basic stud
3、ying resultsThe neuronal network theory emphasizes thatmulti-site and multi-mechanism are participated in the mechanisms of general anesthesiaKey words】Mechanism of general anesthesia；Brain imaging technique；Sleeping；Ion Channel手术作为治疗疾病的手段，其本身对机体而言也是一种非常大的创伤。为了减轻这种创伤给患者带来的痛苦和对机体造成的伤害，我们需要使用镇静和镇痛等麻醉药
4、物抑制意识和疼痛，甚至记忆，全身麻醉的概念就是在这种需要下诞生。据史料记载，早在公元前l世纪前后我国古代名医扁鹊就曾成功地实施过全身麻醉。此外，被誉为古老中国外科学鼻祖的华佗也于两百多年前就用“麻沸散”来达到过“既醉无所觉”的全身麻醉效果。现代全身麻醉自1846年在美国问世以来，全球已有逾50亿人次接受了麻醉，麻醉术也被评为在过去的2000年中人类最重要的发现之。现在很难想象没有麻醉学支持的现代医学特别是外科学是一个什么样的情形。现代全身麻醉的概念是麻醉药通过吸入、静脉进入体内从而达到镇静(Sedation)，催眠(hypnO SiS)，制动(immobility)和遗忘(amnesia)的作
5、用。然而，全身麻醉药的作用靶点何在?这些靶点药物又是通过什么机制几乎在瞬间使人意识消失、遗忘和制动的?这些至今都仍是未解之谜。以至于2005年科学杂志(SCIENCE)将麻醉机制列为125个亟待解决的重要科学问题之一。为了探寻这些谜团，科学工作者曾进行过无数的实验研究和提出过很多的假说、观点。近年来，随着细胞和分子生物学技术的发展，受体蛋白的分离、纯化、分子克隆以及膜片钳电生理技术等在全身麻醉作用部位及机制研究方面的应用，大大增加了对全身麻醉的了解。1全身麻醉作用部位的研究进展搞清全身麻醉作用部位，需要从宏观解剖结构、细胞和亚细胞显微结构，及分子结构等多个水平作出定位。对宏观结构而言，中枢神经
6、系统(包括脑和脊髓)无疑是全身麻醉的作用部位。然而，全身麻醉作用部位的主要脑区在哪里至今仍未完全清楚，目前比较一致的看法是麻醉药作用于大脑产生镇静催万方数据眠作用，主要作用于脊髓产生制动作用。动物实验已经证明麻醉药抑制疼痛刺激所致的运动反应不需要大脑的参与。在麻醉大鼠的颈部横切并没有改变吸入麻醉药对肢体刺激的MAC(最低吸入肺泡有效浓度)；同样地，选择性地给予吸入麻醉药异氟醚到山羊延髓以下区域几乎不改变抑制山羊后肢疼痛刺激所需的异氟醚浓度。对于推测镇静催眠等其他麻醉作用的作用部位，最近功能性影像学方面的研究，包括正电子放射体层摄影术(Positron Emission Tomography。P
7、ET)，单光子发射计算体层摄影术(SinglePhoton Computerized Tomography，SPECT)和功能性核磁共振(Functional Neuclear MagneticResonance，FNMR)等脑成像术(Brain Imagingor Neuroimaging)得到较大的发展和应用。功能性脑影像技术是在无创条件下利用放射性同位素等通过测定脑内局部血流、葡萄糖代谢或氧浓度的变化间接地探寻各种与麻醉作用相关区域。虽然目前这些技术还不是直接地测量神经活动，而且结果也受到麻醉药物对血管阻力影响等因素的干预，但对于全麻机理探寻作用部位的研究还是有很重要的参考价值。目前发现
8、除了氯胺酮外很多麻醉药都伴随着对大脑血流的减少，比如异丙酚、七氟醚和xenon等在产生意识丧失的同时对大脑皮层、丘脑、中脑等脑区和脊髓的活动有明显的影响，而且还发现异丙酚麻醉对于前臂震动刺激所诱发的大脑血流的影响首先反映在体感大脑皮层的活动减少，然后是丘脑的活动明显抑制。但该技术目前在麻醉药物剂量效应与脑血流影响关系研究方面还需要作进一步研究。随着该技术空间分辨率、尤其是时间分辨率的提高，将在全麻原理的研究中发挥更多的作用。除了大脑皮层、丘脑、海马、中脑等脑区外，其他大脑结构比如杏仁核也被报道参与麻醉药的遗忘作用。研究表明由苯二氮草类药物、异丙酚和吸入麻醉药七氟醚引起的遗忘症与基底外侧杏仁核(
9、BLA)有关，BLA的损伤改变或取消这些麻醉药的遗忘作用。在细胞和亚细胞水平，全身麻醉作用可能发生在神经轴膜或突触，包括对神经轴电传导的抑制及2009加，。麻醉学科年度进展报告-对兴奋性突触传递的抑制和抑制性突触传递的增强，从而影响各种神经信号的传导，进而影响不同的神经网络而达到麻醉作用。但即使如此，全身麻醉药在分子水平的确切作用部位到底是细胞膜的脂质还是膜蛋白仍是争论的焦点。最先fljMeyer和Overton发现的Meyer和Overton法则导致了全身麻醉的“脂质学说”的产生。Meyer和Overton研究发现吸入全麻药都具有较高的脂溶性，而在橄榄油中溶解度与麻醉强度相关密切。据此他们推
10、测吸入全麻药的作用机制是与神经组织脂质发生物理一化学结合，导致神经细胞各组分的关系发生改变而产生麻醉作用，即为全身麻醉机制的脂质学说。但是一些后来的研究发现许多化合物的麻醉特性并不完全遵循Meyer-Overton法则，而且一些麻醉药物表现出来的立体选择特性和截止(Cutoff)效应等脂质学说无法解释。最近的转基因动物通过改变很少的蛋白质结构即能改变一些麻醉药物的作用的现象更是脂质学说所不能解释。虽然目前脂质学说遇到很多挑战，但Meyer和Overton法则还是我们研究麻醉机理需要考虑的一个重要基础，而且目前也没有能提出比脂质学说更有说服力的理论。于20世纪八十年代由Franks和Lieb提出
11、的蛋白质作用学说已经渐渐被很多学者关注。全身麻醉药与蛋白质相互作用现象十分普遍，尤其与细胞膜上的受体通道蛋白的相互作用，可直接影响神经信号的传递，导致麻醉作用的产生。而且全身麻醉药同分异构体麻醉作用的质或量的差异、或采取分子生物学方法改变受体通道蛋白多肽链上的氨基酸组成，可使全身麻醉药的作用受到明显影响等，均提示全身麻醉药是直接与膜上的功能性蛋白作用的结果。除了细胞膜脂质和蛋白质外，细胞胞浆中的一些涉及信号传导的蛋白质、酶等也成为了麻醉药作用的研究目标。然而这方面目前还没有比较令人兴奋的研究结果。2金身麻醉作用机制研究进展实际上，目前很多研究工作者已经跳出了学说的框架，应用基因工程技术。电生理
12、技术和动物行为学检测技术在麻醉药作用机制的研究方面已经取得了一些重要进展。09万方数据10CCME粼中国继续医学教育21全身麻醉的细胞膜脂质机制在全身麻醉作用机制方面，Meyer和Overton法则首先引导一些研究者关注麻醉药对细胞膜脂质的直接作用。但脂质本身与细胞的兴奋性没有任何直接的联系，如果麻醉药真是通过直接影响脂质产生麻醉作用，那么最有可能的还是通过脂质来影响脂质上的蛋白质。比如，有人提出麻醉药可能改变脂质双分子层的流动性来改变蛋白质的构型；也有人提出麻醉药通过作用在细胞膜脂质影响蛋白质在细胞膜和胞浆之间的流动。22全身麻醉的蛋白质机制相比较细胞膜脂质，细胞膜上的蛋白质要复杂得多，麻醉
13、药对蛋白质作用的研究也是百花齐放。最先观察到大部分麻醉药对萤火虫身上提取的一种水溶性荧光素酶有直接的抑制作用，而且麻醉药对荧光素酶的作用也完全符合Meyer和Overton法则，虽然荧光素酶与麻醉作用没有直接关系，但这些研究模型证明了蛋白质学说与Meyer和Overton法则没有矛盾。另外研究者也在一些蛋白质上发现了一些麻醉药比如异丙酚的特殊作用部位。虽然蛋白质学说得到越来越多分子生物学研究结果的关注，但现有的全身麻醉药分子结构和化学活性都有很大差异，因而似乎很难想象这些全身麻醉药物可以通过直接作用于同一的特定离子通道和或受体蛋白质而产生麻醉作用，而且这个单一的靶点的作用既可以负责麻醉药物的镇
14、静催眠作用，又可以解释麻醉药物的遗忘和制动作用。经过最近几十年的研究，科学工作者发现麻醉药物可以影响大量的离子通道和或受体蛋白质，但是他们不可能都是麻醉药物的作用靶点。只有那些对于神经元电活动或神经信号的传递非常重要的蛋白质才有可能参与麻醉药物的作用。23全身麻醉的离子通道机制虽然麻醉药改变一些受体的功能，也改变胞浆内一些信号传导的蛋白质，但麻醉机理最被优先考虑的蛋白质还是各种离子通道。离子通道控制各种涉及细胞包括各种神经元兴奋性的离子电流，而麻醉药对离子通道的调节作用也完全可以解释麻醉药的生理和行为学上的作用。在最近(2006年1月)的一篇题目为“全麻药作用靶位”的综述中， “蛋白质学说”的
15、创始人Franks NP提出了一些麻醉药的可能分子作用靶点。按照他的“临床相关的浓度范围内作用”筛选原则，一些通道蛋白引起他的注意，例如：GABAA受体、双孔背景钾通道、超极化激活阳离子通道(HCN)、AMPA和NMDA受体。这些通道蛋白质的共同点是：对神经元的兴奋性起重要作用；在与麻醉药物作用相关的一些部位表达丰富；临床相关的浓度范围内的麻醉药物对其有明显的影响。最引起研究者注意的是GABA受体。最早发现苯二氮革类是通过激动GABA。受体产生镇静作用，而且其作用涉及GABA。受体Or1，Ot 3，0t 5和1亚型，最近研究结果提示除了xenon、笑气等少数麻醉剂对GABA。受体没有作用或影响
16、轻微外，其他大多数静脉和吸入麻醉药物对GABA。受体关联的氯离子电流都有比较明显的激动作用，而且这些作用有明显的亚型特异性。GABA。受体的激动不仅涉及神经元的兴奋，而且更是参与神经元突触的兴奋性的传递。更重要的是，对GABA。受体进行一些基因突变能改变麻醉药物的作用：比如嵌入GABA受体8 3N265M突变基因明显地减少小鼠对异丙酚、依托咪脂和苯巴比妥钠的失去翻转反射(LORR)作用，几乎取消对疼痛刺激的作用，然而对吸入麻醉药物氟烷和思氟醚影响轻微；嵌入GABA。受体13 2N265S突变基因的小鼠极大地改变对依托咪脂的失去翻转反射(LORR)作用，对疼痛刺激的影响轻微；双嵌入GABA受体O
17、t l$270H和L277A突变基因的小鼠明显的改变对吸入麻醉药物的失去翻转反射(LORR)作用；剔除GABAA受体Ot 5基因的小鼠明显地改变依托咪脂对记忆的影响。这些研究结果表明几个现象：并不是所有麻醉药物对GABA。受体都有明显作用；GABA受体的多个亚型分别解释麻醉药物镇静，催眠和制动作用和记忆的影响；不同麻醉药物的不同麻醉作用对应于GABA。受体的不同亚型。这些现象使麻醉药物对GABA受体的研究复杂化，然而这并没有妨碍研究者对GABA受体的兴趣，相反，由于到目前为止已经有至少十几种GABA受体万方数据(伐1-6，B 13，1 12和8等)被克隆，麻醉药物对于这些不同亚型所组成的GAB
18、A。受体的作用有待进一步了解。除了上面提到的GABA。受体的相关研究以外，目前利用转基因技术也证明了其他离子通道基因不同程度地涉及麻醉药物的不同作用。比如剔除双孔背景钾通道TASK基因的小鼠对吸入麻醉药物的镇静，催眠和制动作用明显不敏感。另外一种双孔背景钾通道TREK1基因剔除小鼠也被证明对吸入麻醉药的MAC(最低肺泡吸入有效浓度)明显增加(从106到163)。最近应用超极化激活阳离子通道(HCN)基因剔除小鼠也证明HCN离子通道基因参与麻醉药物氯胺酮的麻醉作用。除了以上一些离子通道外，还有一些配基门控和电压门控的离子通道被认为可能为麻醉药的作用靶位。比3lINMDA受体、甘氨酸受体甚至一些钠
19、通道的亚型。上述的研究结果提示一个共同问题：到目前为止，我们还没有能够定义一个共同的通道蛋白质基因负责所有麻醉药物的作用，也就是说，目前的研究结果不支持麻醉药物作用于一个共同的离子通道作用靶位。但是电生理方面的技术和知识正在快速发展，新的离子通道基因不但地被发现和克隆，目前关于离子通道的知识可能还远远不够，因此关于麻醉药对离子通道的作用可能需要进一步拓展。24麻醉与睡眠另外一个有意思的观察是研究者发现麻醉作用与睡眠有很多脑血流、脑电图变化和行为学特性上的共性。两者均产生对感觉的传入、运动的传出和疼痛的抑制；同时全身麻醉药对大脑血流的影响与睡眠过程中大脑血流的变化也有相似之处；另外麻醉过程伴随着
20、脑电图的频率减慢和幅度增加，这些改变也与慢波睡眠相似。这样，虽然麻醉和睡眠有着非常明显的行为学上的不同，这些结果还是使研究者关注麻醉与睡眠特别是睡眠的诱发之间的关系。25麻醉作用神经网络机制目前的研究表明分子水平的麻醉作用与麻醉药200920，。麻醉学科年度进展报告I整体水平的作用有很多不对应的地方，这也是一个比较困扰研究工作者的问题。很多被认为对神经细胞兴奋性非常重要的离子通道，在整体动物上使用其拮抗剂或者激动剂却作用有限或根本没有麻醉作用。另外麻醉药在分子水平上对上面所阐述的很多涉及细胞兴奋性的离子通道非常敏感，然而在整体动物上剔除这些通道蛋白质却对麻醉作用影响适度甚至没有影响。如何将麻醉
21、药物分子水平的作用和整体动物行为学联系起来等一直是研究工作者思考的问题。最近一些神经网络在麻醉机制中的作用开始引起重视。神经网络比如皮质丘脑环通过突轴和轴突产生一些正反馈和负反馈的联系调控神经信号的传递，麻醉药可能通过影响突轴和轴突在神经网络水平来产生麻醉作用。现在还发现神经信号在神经网络之间传导有时程和空间放大效应，麻醉药影响这些效应的效果比单纯影响单个离子通道强，需要的浓度低而且作用快，这些和麻醉药整体作用的一些特性不谋而合。但是在神经网络层面上，麻醉药是影响特定的神经元上特定的通道蛋白质，还是只是影响非特定的神经信号传导过程是目前研究的热点，但更重要的是麻醉药怎样调节由神经信号传递所产生
22、的意识现象是最大的研究焦点。3金身麻醉机制研究的其他思考目前我们对全麻机制的研究还没有取得重要突破，许多问题值得我们深思：以前的研究思路单纯集中在一些无以计数的蛋白质、离子通道或者神经递质，好像在大海捞针，但收获也不是很大，我们是不是需要从一些整体上来考虑麻醉作用机制。这个整体的概念包括整体的研究思路和整体的研究方法。在整体研究思路上一些研究者开始思考，麻醉作用所涉及的意识问题有可能和睡眠一样是一种状态，麻醉药的使用只是诱发了这种状态的改变，从清醒到失去意识，就像从清醒到睡眠一样。而且这种状态的不同阶段需要不同的因素去诱发，也就是说不同通道蛋白参与不同麻醉阶段的诱发。有人还提出了关于整体研究思
23、路四种模型：相同分子机制只能产生一种神经效应；相同分子机制产生多种神经效应；多种分子机制产生一种神经效应；万方数据12CCME燃中国继续医学教育多种分子机制产生多种神经效应。前两种模型产生一元论思想，后两种模型产生多元论思想。另外一些整体的研究方法也被应用于麻醉机制的研究中。比如上面提到的使用基因工程的方法以及筛选、培育对麻醉药不同敏感性的动物品系(如果蝇)，来阐述全身麻醉在分子水平与全身水平作用的联系。基因工程的方法包括动物基因敲入(Knockin)和基因敲除(Knockout)技术，主要使动物缺乏一种特异的蛋白质或者嵌入一种通过改变单个或多个氨基酸而对特定的麻醉药物不敏感的蛋白质，但这种蛋
24、白质在中枢神经系统的分布没有改变，从而研究特定的离子通道或受体蛋白质与麻醉药物作用的关系；其他的方法比如对麻醉药不同敏感性的果蝇品系之间相比，在动物的整体水平上它们具有对麻醉药不同的反应，通过研究它们在分子机制上的区别，可以了解分子水平的麻醉作用如何改变组织、器官，以及整个机体。这些都是麻醉机制研究中有趣的研究切入点。全身麻醉药作用部位和机制的揭秘不仅将提高全身麻醉的安全性和可控性，以及促进新型麻醉药和催眠镇静药的研发，还将有助于揭示学习、记忆和睡眠等奥秘。因此，是神经科学领域中一个急需解答的基本科学问题和难题，需要一系列的研究，更多的投入和社会的关注。同时，吸入麻醉药中枢作用是多部位的、多机
25、制的，恐非单一作用机制所能解释。不同麻醉药也不尽相同，再加上中枢神经系统机构和功能的复杂性和网络性，全麻原理的研究任重而道远，需要多学科协作攻关，需要长时间的艰苦努力!参考文献【1】Kennedy DNorman CWhat we dont knowJ?Science2008，309(5731：75102【2J Moor HTheorie tier AlkoholnarkolfJ】Arch Exp PathoJ Pharmakol一，189942：10918【3l Overton E，Narkose Subd Zugleich ein Beitrag zur allgemeinenPharma
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