Are Volatile Anesthetics Partial Agonists or Partial Inverse Agonists of Ligand-gated ion Channels?<?xml:namespace prefix = o ns = "urn:schemas-microsoft-com:office:office" />

何绍明
解放军第454医院麻醉科，南京 210002 
Shao-ming He MD, PhD
Department of Anesthesiology, The Military Hospital of 454, Nanjing, 210002

ABSTRACT

The basic mechanism of anesthetic action by volatile anesthetics is not completely understood. The early hypothesis that the anesthetic state was dependent on nonspecific interactions of anesthetics with the membrane bilayer has largely given way to the current idea that membrane-associated proteins, particularly ion channels, are specifically modulated by volatile anesthetics. Depression of glutamate-mediated excitatory transmission and potentiation of gamma-aminobutyric acid (GABA)-mediated inhibitiry transmission appear to be primary mechanisms by which general anesthetics produce anesthesia. More recent studies, however, have revealed that volatile anesthetics both enhance and inhibit ligand-gated ion channels by means of actions at distinct sites. The author proposes that volatile general anesthetics may act as partial agonists or partial inverse agonists of ligand-gated ion channels of central neurons, therefore the overall effect of an anaesthetic agent depends on summation of events occurring at the many individual ion channels of different neurones that make up the network with specific interactions between anesthetics and the receptor or binding sites of some subunits.
　Key words: Volatile anesthetic; Ligand-gated ion channel; Agonist; Inverse agonist
　Corresponding author: Shao-ming He, MD, PhD; E-mail: smh1232003@yahoo.com

　　全麻原理是麻醉学最重要的基本理论之一，但全麻药作用的确切机制至今不明。一般认为吸入全麻药的作用机制较为复杂，其中可能包涵静脉全麻药^[1]、局部麻醉药^[2]、甚至乙醇的作用机制。根据近年的大量研究资料，笔者认为挥发性全麻药可能属于中枢神经元配体门离子通道部分激动或部分反激动剂。

　　一、 目前主流观点
　　关于吸入全麻药的作用部位比较公认的观点是：麻醉药分子与膜脂质或/和蛋白质结合扰乱膜功能。虽目前还不清楚其中哪个成分更重要，也就是说不能肯定麻醉药分子是直接作用于膜蛋白、还是作用于膜脂质间接影响膜蛋白的功能？但越来越多的证据支持下列主流观点：
　　1．蛋白质学说认为全麻药对膜功能的影响是麻醉药分子直接与膜蛋白质发生作用的结果。
主要依据：
　　（1）分子生物学已证明细胞膜的功能是由镶嵌在脂质双层中的蛋白质决定的，药物作用的普遍规律是与功能蛋白质结合发挥效应，吸入麻醉药应该也不例外。
　　（2）大量吸入麻醉药对膜脂质影响的研究都不能解释麻醉现象。
　　（3）麻醉强度与脂溶性相关（梅-欧规则）是有局限性的，现已发现许多梅-欧规则不能解释的现象^[3,4]，特别是非麻醉性脂溶性化合物^[5,6]的发现，说明脂质学说只能提示麻醉药的分子靶位与疏水区密切相关。
　　（4）麻醉药分子直接与蛋白质结合的分子实验^[7,8]已发现许多结合位点和构效相关的证据。
　　2．突触学说和离子通道学说认为吸入麻醉药的效应主要在于干扰了神经细胞膜特别是突触前、后膜上离子通道^[9,10]的功能，全麻药对突触传导的抑制比轴突传导容易^[11]，挥发性全麻药对中枢神经元配体门控型^[10,12]和电压门控型离子通道都有明显的影响^[13-15]。
　　目前存在的问题是: 麻醉药对膜蛋白及离子通道功能的干扰是怎样引起麻醉状态的？因为神经元膜上的结构和功能各异、吸入麻醉药种类繁多、各种分子实验的结果也不尽相同，但整体麻醉状态基本一致，是否有统一的机制或相同的靶位？有无膜内其它共同机制（如第二信使等）的参与？

　　二、笔者认同和假设的观点
　　1．挥发性全麻药的麻醉效应是对细胞膜的直接作用所致
　　主要依据：
　　（1）吸入麻醉药达到一定浓度时能产生意识突然消失，排出到一定程度就能立刻清醒，表明药物引起的与意识相关的物理或生化变化必须在数秒钟内完成，膜离子通道改变所致的膜电位变化和动作电位的产生与传导才具有这种快速反应和“全或无”的性质。
　　（2）实验证明挥发性麻醉药对单离子通道具有快速直接的效应^[16]。
　　（3）麻醉意识消失之后数分钟才出现神经递质的变化，其它变化更可能是继发反应。
　　2．挥发性全麻药存在构效关系和作用靶位
　　吸入麻醉药包括气体和挥发性麻醉药，从具有麻醉作用的化合物来看，其结构的多样性和梅-欧规则提示麻醉作用可能与分子数目相关而与分子结构无关。但仔细分析就会发现挥发性麻醉药存在明显的构效关系，如乙醚（烃基醚）和正戊烷（烷烃）分子大小和结构相近，正戊烷的脂溶性（油气分配系数59、乙醚为65）也高，而其麻醉效能与乙醚不能相提并论，可见“醚基”的重要性。1959年至1965年Terrell等在氟烷（卤代烃）和甲氧氟烷（卤代烃基醚）的基础上合成了700多种相关化合物，其中只有安氟醚、异氟醚和地氟醚具有更突出的优点而相继开发应用于临床。它们的结构极为相似，都是卤代烃基醚，基架同甲氧氟烷（-C-C-O-C-）、直链延长或缩短都不理想; 烃基卤代情况决定各自的理化性质和麻醉强度，全卤化则麻醉效能减弱或消失、故醚基两侧的烃基各保留一个氢原子；卤代原子的大小决定药物的挥发性，全用氟取代则挥发性过强（如地氟醚）、加入2个氯原子则挥发性太弱（如甲氧氟烷）、加入1个氯原子的氟代烃基醚正好符合“理想”挥发性麻醉药的要求（如安氟醚和异氟醚）；氯和氢原子的位置也影响药物的性能和效能，如安氟醚的同分异构体异氟醚就是乙基侧氯和氢原子的位置移到了靠近醚基的碳原子上、结果性能更稳定效能也更强；异氟醚的光学异构体效能也不一样^[17]，都是构效相关的有力证据。
　　梅-欧规则及吸入麻醉药合用时都表现为作用相加^[18,19]或轻度拮抗，符合单一受体的效应性质，提示可能作用于中枢神经系统细胞膜内结构相同或相似的结合位点。加之新近发现许多梅-欧规则不能解释的现象和麻醉药分子直接作用于蛋白质的证据，说明体内确有作用靶位^[20]。但吸入麻醉药似乎不具备受体作用的特点如：灵敏度高、选择性强、反应的专一性大等。
　　3．挥发性全麻药可能充当配体门离子通道部分激动剂或部分反激动剂
　　根据挥发性全麻药快速量效反应的特点可认为整体效应与干扰配体或电压门控型离子通道功能直接相关，从突触传导对其的敏感性高于轴突传导^[11]、突触后膜的敏感性高于突触前膜^[21]的实验结果来考虑，其对突触后膜配体门控型离子通道的影响应起主导作用。目前认为中枢神经配体门控型家族有5大成员，他们的结构共同点为：
　　（1）都是由5聚体（亚基）形成的功能性通道；
　　（2）每个亚基含有4个跨膜的疏水片断（M1-M4），组成各族亚单位氨基酸有30%-40%的同源性，在同族亚单位不同成员中高达60%-80%的同源性。功能虽各异，但都是由受体控制、调体（正负）调节的，这可能是实验发现挥发性麻醉药存在相同或不同的结合位点、具有增强或减弱通道功能的双重效应的结构基础。如上所述，挥发性麻醉药的“理想”结构是含有1个甲基和1个乙基的卤代烃基醚、两个烃基都必须有1个氢原子，表明其直链长度、醚基和氢原子在与受点结合时起重要作用。再分析一下配体门控型家族递质的结构，这与乙酰胆碱、谷氨酸、γ-氨基丁酸和甘氨酸的基架结构很相似,分子实验恰好证明临床麻醉浓度的挥发性麻醉药对乙酰胆碱、谷氨酸、γ-氨基丁酸和甘氨酸受体通道功能有明显的影响。因此,有理由假定挥发性全麻药是与其结构相似的中枢神经递质的受体或通道蛋白结合产生部分激动或部分反激动效应的。
　　其可能通过下列机制影响配体门离子通道的功能：
　　①直接与受体结合充当部分激动剂或部分反激动剂，加强或抑制离子的通过产生相应的突触后电位^[21];
　　②与受体的正或负调体结合加强或减弱受体对配体的亲和力而出现双重效应^[22,23];
　　③与通道亚基结合干扰通道的复活即通过延长失活拮抗递质的效应^[24];
　　（4）直接进入开放的通道起堵塞作用^[25]。分子实验已发现不同结构的药物在不同通道、不同亚基的不同跨膜区有多个不同的结合位点，通过突变体的研究发现该族通道M2区的几个氨基酸残基在功能上至关重要，是挥发性全麻药主要的结合位点之一。<?xml:namespace prefix = o ns = "urn:schemas-microsoft-com:office:office" />

　　三、 小结
　　吸入麻醉药的理化性质和药理特点决定其不可能有专一的受体或单一的位点，但有足够的证据证明其在细胞膜上的受体或通道蛋白内确有特异的结合位点，故其作用的性质可能是部分激动或部分反激动配体门控型离子通道的功能。整体麻醉状态则是多通道、多位点、多重作用的结果，可能遵循“四最”原则，即在复杂的神经网络中，麻醉药分子最先到达的部位、最直接的功能、最易受干扰的环节、最早产生效应的原则，最终表现为抑制兴奋性突触传递、增强抑制性突触传递。因此, 整体上不同的药物在不同的个体、不同的时期有不同的征象，离体实验在不同的部位、不同的受体及亚型有不同的效应。正因为吸入麻醉药对其挥发性等理化性质有严格要求，至今没有将来似乎也不可能按特定结构合成特异性受体激动或拮抗剂，所以在体内不可能找到单一的作用受体或结合位点。今后的研究重点应该探索药物的不同效应与多部位不同分子位点之间的对应关系，并从分子机制上阐明不同药物之间的差别，以便安全合理地应用吸入麻醉。<?xml:namespace prefix = o ns = "urn:schemas-microsoft-com:office:office" />

参 考 文 献
1.  Flood P, et al. Anesthesiology, 2000,92:1418-25.
2.  Ragsdale D, et al. Science, 1994,265:1724-8.
3.  Taheri S, et al. Anesth Analg, 1993;77:7-11.
4.  Liu J, et al. Anesth Analg, 1994;79:238-44.
5.  Eilers H, et al. Anesth Analg, 1999,88:1168-74.
6.  Robin DD, et al. Anesth Analg, 1994,79:1043-8
7.  Franks NP, et al. Nature, 1994,367:607-14.
8.  Eckenhoff RG. et al. J Biol Chem, 1996,271:15521-8.
9.  Lingamaneni R, et al. Anesthesiology, 2001,95:1460-6.
10.  Franks NP, et al. Nature, 1997,389:334-5.
11.  Pocock G, et al. Br J Anaesth, 1993,71:134-47.
12.  Nishikawa K, et al. Anesthesiology, 2000,92:228-36.
13.  Rehberg B, et al. Anesthesiology, 1996,84:607-13.
14.  Shin WJ, et al. Anesth Analg, 2003,96:1340-4.
15.  Hirota K, et al. British Journal of Anaesthesia, 1996;76:334-6.
16.  Li XS, et al. Anesthesiology, 2000,92:1366-75.
17.  Eger EI II, et al. Anesth Analg, 1997,85:188-92.
18.  Difazio CA, et al. Anesthesiology, 1972;36:57-63.
19.  Eger EI II, et al. Anesth Analg, 2003,96:1350-3.
20.  Evers AS, et al. Anesthesiology, 1997,86:760-8.
21.  Westphalen RI, et al. Anesthesiology, 2003,98:364-72.
22.  Raines DE, et al. Anesthesiology, 1999,90:135-46.
23.  Neumahr S, et al. Anesth Analg, 2000,90:1184-90.
24.  Banks MI, et al. Anesthesiology, 1999,90:120-34.
25.  Franks NP, et al. Nature, 1998,398:324.