Isoflurane and the Brain Protection Research<?xml:namespace prefix = o ns = "urn:schemas-microsoft-com:office:office" />

朱斌　主治医师 博士

叶铁虎　教授 博士生导师

中国医学科学院中国协和医科大学北京协和医院麻醉科，北京 100730

Bin Zhu, Tie-hu Ye

Department of Anesthesiology, Peking Union Medical College Hospital, CAMS & PUMC, Beijing 100730，China

ABSTRACT

Compared with other inhaled anesthetics, isoflurane has been paid the most attention in brain protection research of ischemia injury. Isoflurane can be used in brain protection research respectively as an anesthetic or a preconditioning drug. The influences of isoflurane on brain ischemic injury and related mechanisms have been discussed in this article. Relationship between the brain protection offered by isoflurane anesthesia and by isoflurane preconditioning also has been discussed.

Key words：Isoflurane; Brain Protection; Preconditioning

Corresponding author：Bin zhu; E-mail: pumchzhubin@yahoo.com.cn

与巴比妥类药物类似，吸入麻醉剂在EEG形成等电位前呈剂量依赖性抑制脑电活动，此时的麻醉药浓度多在1.5～2MAC之间。随着脑电活动的抑制，脑代谢率进行性降低，当EEG等电位时，代谢率降低近50%。同巴比妥类药物相比，它们对心血管抑制较轻而且更容易从机体清除。因此，吸入性麻醉药有可能作为脑保护剂在临床上得以应用。但是氟烷和安氟烷是两个例外。氟烷吸入浓度需要达到4MAC时才能形成EEG等电位抑制，这在临床显然不可行。此外，如果在诱导前不进行过度通气，氟烷还会因扩张脑血管而增高颅内压。安氟烷因其可产生惊厥样EEG(在过度通气时更易发生)，因而难以作为脑保护剂使用。目前还很少见到有关地氟烷对缺血性神经损伤影响的研究，Hoffman等^[1]观察到EEG爆发抑制剂量的地氟烷(0.9%)可以增加脑血流，降低氧耗从而改善氧合并减轻组织酸中毒。作为临床广泛应用的吸入麻醉剂，异氟烷脑保护研究得到了最多的关注。

一、异氟烷麻醉的脑保护研究<?xml:namespace prefix = o ns = "urn:schemas-microsoft-com:office:office" />

1. 阳性结果的保护研究

早在80年代初期，就有研究观察到，临床应用浓度的异氟烷可以明显降低脑新陈代谢率，因而推测其可能具有神经保护效应。异氟烷能够使遭受低氧损伤的小鼠存活时间延长，而接受异氟烷麻醉的实验犬在经历失血性休克后，其大脑ATP浓度要明显高于对照组犬。对经历大脑不全缺血的大鼠，异氟烷麻醉明显比笑气麻醉改善神经学结局。而对于接受颈动脉内膜剥脱术病人，异氟烷可以降低其出现缺血性EEG的频率。

2. 阴性结果的保护研究

然而许多实验并没能观察到异氟烷对缺血/缺氧神经损伤的保护作用。一项在狒狒上比较异氟烷、硫贲妥钠以及芬太尼-笑气三种麻醉方式(药物)对大脑中动脉短暂阻断影响的研究中，异氟烷组的神经学结局明显要不如硫贲妥钠组，即使同芬太尼-笑气组比较，其神经学结局也相对较差(P=0.07)。在另一灵长目动物猴子接受大脑中动脉阻断并实施控制性低血压的模型中，异氟烷组与硫贲妥钠组的神经学结局也没有统计学意义。这些阴性结果的可能解释是，降低大脑代谢率不足以或不能对缺血神经组织产生保护作用；也有认为早期那些获得阳性保护效应的实验设计本身就存在许多问题，因此其结果的可信度自然也就大大降低。另一个可能的原因就是，在比较两种麻醉药的脑保护效应时，两组动物都必须接受麻醉，只有在对照药物只能产生麻醉效应而同时又不具备脑保护效能时，才有可能比较出所研究药物(如异氟烷)的保护效果。如果两组麻醉剂在特定实验模型上都具有保护效应，即使阴性的实验结果也不能否定所研究药物的脑保护作用。目前在特定的研究脑缺血/缺氧损伤模型上，还没有公认的只产生麻醉效应又没有脑保护效应的麻醉剂。

通过大鼠单丝大脑中动脉阻断技术(即通过颈总动脉利用尼龙单丝结扎Willis环)改进了脑缺血模型。这种相对无创实验模型是在麻醉状态下结扎大鼠大脑中动脉，实验完成后，大鼠将很快清醒并完全从脑缺血损伤中复苏。在该模型下，异氟烷麻醉组大鼠脑梗死面积较芬太尼-笑气组及清醒动物组降低近50%^[2]。在该研究中，已经尽可能地排出了影响到脑生理功能的非麻醉药混杂因素，因此异氟烷的保护效应似乎又得到了验证。

3. 异氟烷麻醉脑保护机制

如果说异氟烷具有保护效应，其形成机制是怎样的呢？在神经缺血/缺氧期，细胞外兴奋性氨基酸堆积，而异氟烷可能就是通过抑制其产生的兴奋毒性来形成神经保护效应的。Faberowski等^[3]研究观察到，异氟烷可以减少缺血时神经元释放兴奋性氨基酸，延迟凋亡发生，这可以为进一步治疗缺血/缺氧性神经损伤提供“时间窗”。离体的研究^[4]还证实，异氟烷具有拮抗谷氨酸受体的作用，这可以有效减弱Ca²⁺内流。异氟烷还可能通过激动g-氨基丁酸受体、上调g-氨基丁酸能神经活性从而拮抗谷氨酸的兴奋性毒性^[5]。此外，降低脑代谢率也可能是形成异氟烷保护效应的一个原因。

4. 异氟烷麻醉脑保护的短期和长期效应

Du等^[6]利用大鼠大脑中动脉阻断模型，研究30min阻断和90min阻断对第1d和第14d时梗死面积的影响。30min阻断在第1d并没有造成脑梗死，而90min阻断却导致了较大面积梗死。两周后，30min阻断组动物也出现脑梗死并与90min阻断组相当。该研究表明缺血后短时间内神经学指标改善并不表示其有着良好的长期效应。这是因为形成凋亡损伤往往需要较长时间过程。

目前所进行的一些异氟烷脑保护研究多是观察缺血/缺氧后较短时间，很少见到评价缺血1周后神经学指标的研究。Kawaguchi等^[7]利用上述模型分别观察异氟烷麻醉2d和14d后大鼠的脑梗死情况。其结果发现，在2d时异氟烷有明显的保护效应，而两周后异氟烷麻醉组与清醒动物组脑梗死面积相当。这似乎表明异氟烷只在短时间内具有保护效应，事实上在接受这个结论前，还应该有更多的实验室来验证这个结果。由于两组动物要在缺血后2周才进行神经学指标评价，这使得系统的变异系数增大，检验效能降低，有可能检测不到本来存在的较弱的保护效应^[8]。

二、异氟烷预处理的脑保护研究

近年来，药物预处理逐渐引起了人们的重视，作为临床最为常用的吸入麻醉药物，异氟烷显示广泛的应用前景。在对心肌保护方面，异氟烷已经得到了较为深入的研究^[9]，但是其脑保护方面的实验还进行不多。

1. 异氟烷预处理脑保护的实验研究<?xml:namespace prefix = o ns = "urn:schemas-microsoft-com:office:office" />

Blanck等^[10]在实验犬的心跳骤停模型上证实，预先异氟烷(1.5%)30min吸入能够明显减轻复苏后海马细胞的缺血损伤程度。Kapinya等^[11]的研究显示，在结扎大鼠大脑中动脉0、12或24 h前，予以异氟烷处理(4%诱导，1.4%维持3h，其中O2:N2O为1:2)能够明显降低梗死面积; 而缺血前5d，每天以异氟烷处理1 h可以呈剂量依赖性减轻缺血性脑损伤；此外，在原代培养的皮质神经元上，研究者也观察到类似现象: 1.4%异氟烷培养3h可以减轻24h无氧-无糖培养模拟缺血再灌注所造成的乳酸脱氢酶(LDH)释放。Wise-Faberowski等^[12]在培养新生大鼠皮质细胞模型上也用无氧-无糖来模拟缺血损伤，发现30min、60 min和90 min的无氧-无糖可导致神经细胞在出现凋亡；而1.13%、2.3%和3.3%的异氟烷则浓度依赖性减弱了神经元凋亡。此外，在Xiong等的研究^[13]中，缺血前5d每天1h的异氟烷预处理能够呈浓度依赖性减少大鼠大脑中动脉阻断120 min所致的梗死面积。

2. 异氟烷预处理脑保护的机制

异氟烷预处理脑保护机制目前还了解不多。由于人们最初是从缺血预处理(IPC)保护才认识到异氟烷预处理保护，因此两者在机制上可能存在相似之处。①腺苷释放和/或ATP敏感性钾通道激活^[13-16]短暂脑缺血时，腺苷释放显著增加，与其相应受体结合最终可以开放ATP敏感性钾通道，从而启动了机体的内源性神经保护机制。这包括减缓能量消耗、减轻钙超载、抑制兴奋性氨基酸释放等。②保护性蛋白的表达^[17-18]典型的保护性蛋白质主要包括热休克蛋白(HSP)和一些抗氧化剂如超氧化物歧化酶(SOD)及金属硫蛋白(MTs)等。③调控凋亡相关基因的表达^[12,19]研究表明，IPC可以减弱致死性脑缺血所致的神经元DNA断裂及bax等促凋亡基因的表达，而增强表达凋亡抑制基因bcl-2。 ④NO合成酶-NO生成增加^[11]，NO则可能通过减少氧化剂、前炎症介质(如TNFa)、粘附分子(如P-selection)的产生，抑制中性白细胞粘附、浸润，调节微血管功能来参与IPC保护；此外NO还可进入神经细胞，激活胞浆内可溶性鸟苷酸环化酶，升高cGMP水平，激活cGMP敏感的磷酸二酯酶(PDE)，降解cAMP，抑制钙内流，减轻钙超载。⑤缺氧诱导因子-1(HIF-1)表达增加^[20-22]，HIF-1包括HIF-1α以及 HIF-1b两个亚基，是缺氧诱导基因重要的转录因子，对于促红细胞生成素、血管内皮生长因子、乳酸脱氢酶、葡萄糖分解酶、葡萄糖(运)载体等目标基因的表达起重要的调节作用，从而增强细胞对缺氧的耐受。上述几点基本涵盖了目前IPC产于神经细胞保护的可能机制，但是由于异氟烷本身在预处理脑保护方面所进行的研究还不多，因此人们对其机制的了解还只能通过IPC去推测异氟醚的神经保护机制。已经完成的实验显示，ATP敏感性钾通道^[13]和NO合成酶-NO^[11]可能介导了异氟烷对神经细胞的保护。

三、异氟烷麻醉脑保护与异氟烷预处理脑保护的关系

目前还没有研究来比较异氟烷麻醉脑保护与异氟烷预处理脑保护的区别。但是从这两种保护措施的实施过程来看，前者一般要在整个缺血/缺氧过程中持续应用，这也体现了其本身作为麻醉剂的特点；而后者往往是在缺血/缺氧前应用(预先使用)，这体现了其实作为一种药物的特点，与麻醉无关。两者在使用的浓度上区别不大。

就这两种保护措施的保护效能来说，异氟烷预处理脑保护得到了越来越多的实验支持，而异氟烷麻醉脑保护现象本身就争议不断。导致这种差别的原因可能有两个: 其一，异氟烷只有以预处理方式应用才具有脑保护作用；其二，异氟烷作为麻醉药时，其本身也可能有脑保护作用，但是其效能弱，而系统误差大，致使不能被检测到。

作为仅是在使用方法上有所区别的同一种药物，形成其保护效应的机制从逻辑上讲不会截然不同。事实上二者在拮抗谷氨酸兴奋性毒性方面具有相似的作用，但是异氟烷麻醉脑保护还可能与其降低脑代谢率有关，而开放ATP敏感性钾通道则可能是异氟烷预处理脑保护的主要机制。

至于两者合用的关系，是协同、相加或是其它，这有待进一步的实验室工作。

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