全麻原理研究新进展

1、0 8 c c m e 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 a b s t r a c t t h ep r o g r e s s e so ft h

2、 eg e n e r a la n e s t h e s i am e c h a n i s m sa r ef o c u s e do nt h es i t e so fa c t i o na n dt h e m e c h a n i s m so fs p e c i f i cd r u g s ，a sw e l la st h er e l a t i o n s h i pb e t w e e na n e s t h e s i aa n ds l e e p i n g t h el a t e s tb r a i n i m a g i n gt e c

3、h n i q u e sd e m o n s t r a t et h em u l t i s i t eo fa n e s t h e t i c s a c t i o n s t h en o v e lt h e o r i e sa si o nc h a n n e l sa n d t h e i rs p e c i f i cs u b u n i t sf o r m a t i o na r et h eb a s i cs t u d y i n gr e s u l t s t h en e u r o n a ln e t w o r k t h e o r

4、 ye m p h a s i z e st h a t m u l t i - s i t ea n dm u l t i - m e c h a n i s ma r ep a r t i c i p a t e di nt h em e c h a n i s m so fg e n e r a la n e s t h e s i a k e yw o r d s 】m e c h a n i s mo fg e n e r a la n e s t h e s i a ；b r a i ni m a g i n gt e c h n i q u e ；s l e e p i n g

5、；i o nc h a n n e l 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1 8 4 6 年在美国问世以来，全球已有逾5 0 亿人次 接受了麻醉，麻醉术也被评为在过去的2 0 0 0 年中人 类最重要的发现之。现在很

6、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( s e d a t i o n ) ，催 眠( h y p n os i s ) ，制动( i m m o b i l i t y ) 和遗忘 ( a m n e s i a ) 的作用。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2 0 0 5 年科学杂志( s c i e n c e ) 将麻 醉机制列为1 2 5 个亟待解决的重要科学问题之一。 为了探寻这些谜团，科

7、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

8、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m a c ( 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( p o s i t r o ne m i s s i o nt o m o g r a p h y 。 p e t ) ，单光子发射计算体层摄影术( s i n g l e p h o t o nc o m p u t e r i

9、z e dt o m o g r a p h y ，s p e c t ) 和 功能性核磁共振( f u n c t i o n a ln e u c l e a rm a g n e t i c r e s o n a n c e ，f n m r ) 等脑成像术( b r a i ni m a g i n g o rn e u r o i m a g i n g ) 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

10、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x e n o n 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

11、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 ( b l a ) 有关，b l a 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 2 0 0 9 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f l j m e y e r 和o v

12、e r t o n 发现的m e y e r 和o v e r t o n 法 则导致了全身麻醉的“脂质学说”的产生。m e y e r 和 o v e r t o n 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 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m e y e r - o v e r t o n 法则，而且一些麻醉药物表现出来的 立体选择特性和截止( c u t o f f ) 效应等脂

13、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m e y e r 和o v e r t o n 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2 0 世纪八十年代由f r a n k s 和l i e b 提出的 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

14、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。 0 9 万方数据 1 0 c c m e 粼 中国继续医学教育 2 1 全身麻醉的细胞膜脂质机制 在全身麻醉作用机制方

15、面，m e y e r 和o v e r t o n 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。 2 2 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，

16、而且麻醉药对 荧光素酶的作用也完全符合m e y e r 和o v e r t o n 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m e y e r 和o v e r t o n 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静催眠作用，又 可以解释麻醉药物的遗忘和

17、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。 2 3 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( 2 0 0 6 年1 月) 的一篇题目 为“全麻药作用靶位”的综述中， “蛋白质学

18、说”的 创始人f r a n k sn p 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：g a b a a 受体、双孔背景钾通道、超极化激活阳离子通道 ( h c n ) 、a m p a 和n m d a 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g a b a 受体。最早发现 苯二氮革类是通过激动g a b a 。受体产生镇静作用， 而且其作用涉及g a b a 。受体o r 1 ，o

19、 t3 ，0 t5 和1 亚 型，最近研究结果提示除了x e n o n 、笑气等少数麻 醉剂对g a b a 。受体没有作用或影响轻微外，其他大 多数静脉和吸入麻醉药物对g a b a 。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。g a b a 。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g a b a 。受体进行一些基因突 变能改变麻醉药物的作用：比如嵌入g a b a 受体 83 n 2 6 5 m 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( l o r r ) 作用， 几乎取

20、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g a b a 。受体1 32 n 2 6 5 s 突变基因的小鼠极大地改变对依托咪脂的失去翻转 反射( l o r r ) 作用，对疼痛刺激的影响轻微；双嵌 入g a b a 受体o tl $ 2 7 0 h 和l 2 7 7 a 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( l o r r ) 作用；剔除g a b a a 受体o t5 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g a b a 。受体都有明显作 用；g a b a 受体的多个亚型分别解释麻醉药物镇

21、 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g a b a 。受体的不同亚型。这 些现象使麻醉药物对g a b a 受体的研究复杂化，然 而这并没有妨碍研究者对g a b a 受体的兴趣，相 反，由于到目前为止已经有至少十几种g a b a 受体 万方数据 ( 伐1 - 6 ，b1 3 ，11 2 和8 等) 被克隆，麻醉药物 对于这些不同亚型所组成的g a b a 。受体的作用有待 进一步了解。 除了上面提到的g a b a 。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t a s k 基

22、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t r e k 1 基因剔除小鼠也被证明对吸入麻 醉药的m a c ( 最低肺泡吸入有效浓度) 明显增加 ( 从1 0 6 到1 6 3 ) 。最近应用超极化激活阳离子 通道( h c n ) 基因剔除小鼠也证明h c n 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3 l i n m d a 受体、甘氨酸受体甚至一些钠通 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

23、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。 2 4 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，

24、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。 2 5 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 2 0 0 9 2 0 ，。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。如何将麻醉药物分子水平的作用

25、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

26、 递所产生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

27、阶段的诱发。有人还 提出了关于整体研究思路四种模型：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 1 2 c c m e 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 ( k n o c k i n ) 和基因敲除( k n o c k o u t

28、 ) 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

29、 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 】k e n n e d yd n o r m a nc w h a tw ed o n tk n o w j ? s c i e n c e 2 0 0 8 ， 3 0 9 ( 5 7 3 1 ：7 5 1 0 2 【2 jm o o rh t h e

30、 o r i et i e ra l k o h o l n a r k o l f j 】a r c he x pp a t h o jp h a r m a k o l 一， 1 8 9 9 4 2 ：1 0 9 1 8 【3 lo v e r t o ne ，n a r k o s es u b dz u g l e i c he i nb e i t r a gz u ra l l g e m e i n e n p h a r m a k o l o g i e 【m 】j e n a g e r m a n y , g u s t a vf i s c h e r , 1 9 0

31、1 ：1 - 1 9 5 【4 jf r s n i sn p l i e bw rd og e n e r a la n a e s t h e t i c sa c tb yc o m p e t i t i v eb i n d i n g t os p e c i f i cr e c e p t o r s 【j 】? n a t u r e 1 9 8 4 ，3 1 0 ( 5 9 7 8 ) ：5 9 9 - 6 0 1 嘲f r a n k sn p m o l e c u l a rt a r g e 协u n d e d y i n gg e n e m la n a e

32、s t h e s i a 【j 】b rj p h a r m a c 0 1 2 0 0 6 1 4 7 ( s u p p l1 ) ：$ 7 2 - 8 1 1 6 】c a m p a g n aj a m i l l e rk w , f o r m a ns a m e c h a n i s m so fa c t i o n so fi n h a l e d a n e s t h e t i c s j ne n g ljm e d 2 0 0 3 3 4 8 ( 2 1 ) ：2 1 1 0 - 2 4 7 1g r a s s h o f fc ，r u d o l p hu ，a n t k o w i a kb m o l e c u l a ra n ds y s t e m i c m e c h a n i s m so fg e n e r a la n a e s t h e s i a ：t h e m u l t i - s i t ea n dm u l t i p l e m e c h a n i s m s 。c o n c o p tf j l c