谷氨酸及NMDA受体与全身麻醉药

麻醉手术后病人出现术后认知障碍（Post Operative Cognitive Dysfunction，POCD）是老年病人术后早期较为突出的问题[1]，严重困扰着临床麻醉医生。虽然影响因素很多，但全身麻醉药物对认知功能的影响不容否认。现已基本明确全身麻醉药物是主要通过抑制兴奋性突触传递和增强抑制性突触传递产生麻醉作用。颅内兴奋性递质谷氨酸及NMDA受体被认为与学习、记忆、中枢神经系统疼痛的传导和大脑创伤后神经元的死亡及POCD等有重要关系[2~6]，随着对全麻机制的深入探索和认知科学的认识，全麻药物对学习记忆功能的影响和机制也将更加清楚。现就谷氨酸及NMDA受体与全身麻醉药的关系最新研究进展作一综述。

1．谷氨酸

谷氨酸(glutamate，Glu) 是哺乳动物中枢神经系统内重要的兴奋性神经递质，也是脑内含量最高的氨基酸，以大脑皮层和海马含量最高，Glu是不能通过血脑屏障，不通过血液供给脑，因此只能有局部代谢产生。即葡萄糖经Krabs循环产生а-酮戊二酸和草酰乙酸，通过转氨酶作用产生Glu [7]。突触间隙中的Glu被位于神经元细胞和胶质细胞膜上Na+依赖性EAA转运体（EAA transporters， EAAT）摄回而被迅速清除使其作用终止。被摄回的Glu被谷氨酰胺（Gln）合成酶的作用下转变为Gln后重新进入突触前神经元末梢，被线粒体内磷酸化激活的谷氨酸酶转化成Glu进行再循环，这就是所谓的“谷氨酸-谷氨酰胺循环”[3]。正常情况下，Glu在谷氨酸能神经元内被摄入、聚集、贮存于囊泡内，当神经元

去极化时，囊泡内的Glu以Ca2+依赖方式释放于突触间隙中，与突触后不同亚型的Glu受体结合。完成兴奋性突触传递及其它生理作用。静息状态下， Glu在细胞外、细胞内、突触囊胞内的浓度分别为1 um、10 um及100 um。病理情况下，细胞外间隙中Glu浓度增高，过度剌激其受体对中枢神经系统有明显的毒性作用即兴奋性神经毒性[7~9]。

2. 谷氨酸受体(glutamate receptor，GluR)分为五种[7]，包括4种亲离子即N-甲基D-门冬氨酸（N-methy-D-aspatrate，NMDA）受体，α-氨基-3-羟基5-甲基-4-异恶唑丙酸（α-mino-3-hydroxy-5-methy-4-isoxazole propionic acid，AMPA）受体，海人藻酸（kanic acid，KA）受体和 L-2-氨基4-磷丁酸（L-AP4）受体及一种亲代谢型受体，后四种又称为非NMDA受体。Glu与突触后亲离子受体结合，导致阳离子通道打开，使膜去极度化，膜兴奋性增高，兴奋性突触后电位主要有AMPA和NMDA受体介导的成份组成。L-AP4受体可能位于兴奋性突触前膜，对Glu释放起负反馈作用。亲代谢受体与G-蛋白相耦联可能参与磷酸肌醇的代谢、花生四烯酸的生成和环-磷酸肌苷的调节，其功能尚不完全清楚。

NMDA受体 是目前研究较为深入的EAAs受体之一。哺乳动物中枢神经系统内NMDA受体从大脑皮层到脊髓都有广泛分布，其中以大脑皮层和海马密度最高[4，6]。利用分子生物学技术现已发现NMDA受体至少存在7种亚型，即NR1、NR2B、NR2B、NR2C、NR2D、NR3A和NR3B）。NR1是功能亚基，与NR2、NR3亚基组成异聚体后，能形成有高度功能活性的NMDA受体通道[6]。NMDA受体除具有Glu连结位点外，还有甘氨酸连结位点，必须两个位点都结合后，才能激活受体[10]。NMDA受体通道具有一种独特的门控方式，既受配基门控，又受电压门控，其电压依赖性是离子通道内部的Mg阻滞作用决定的[6]。与非NMPA受体不同，NMDA受体激动时，其偶联的阳离子通道开放，除Na+、K+通过外，还允许Ca2+通过。高钙电导是NMDA受体的特点之一，也是NMDA受体与Glu兴奋性神经毒性、触发突触长时程增强 (long-term potentiation，LTP)效应、学习记忆形成机制密切相关的原因。

3. Glu及NMDA受体的生理作用： (1) 兴奋性递质作用：多数兴奋突触后电位由AMPA受体和NMDA受体的离子成分组成。(2) 在学习记忆、发育中突触可塑性、神经元营养、树突的生长形成以及与认知功能等方面具有重要作用[2~6]。NMDA受体可触发突触LTP效应，LTP是突触部位传递效能增强的一种现象，也是突触可塑性的表现形式，被认为是脑内信息贮存和记忆形成的生理机制，与学习记忆密切相关[2，6]。在脑细胞信息传递过程中，NMDA受体通路是决定学习、记忆的关键[6]。该通路受阻会引起学习记忆障碍。动物试验证明[2，6]，NMDA受体拮抗剂能阻断LTP形成，并损害小鼠空间辨别记忆。

4．谷氨酸及NMDA受体与全身麻醉药

4.1 谷氨酸及NMDA受体与吸入全麻药

NMDA受体是中枢神经系统中主要的兴奋性氨基酸受体，研究证明吸入麻醉药的抗伤害作用与NMDA受体有密切的关系。伤害性刺激诱发神经兴奋产生动作电位时，Glu以胞吐方式从突触前膜释放到突触间隙，与突触后膜的NMDA受体产生兴奋性效应[10，11]。

Haseneder等[10]用全细胞膜片钳技术研究大鼠脊髓背角神经元发现，异氟醚抑制伤害性信息初级传入位点脊髓背角浅层Glu释放，从而实现其突触前抑制兴奋性突触传递的功能。Nishikawa等[11]在大鼠海马脑片上用电生理的方法研究发现，临床浓度的氟烷和异氟醚不仅能抑制突触前膜谷氨酸的释放，而且能够显著抑制由NMDA受体所介导的兴奋性突触后电位（EPSPs）。Cheng等[12]研究也发现，安氟醚能够直接抑制小鼠脊髓运动神经元NMDA受体所介导的EPSPs。研究还表明[13] 异氟醚对Glu受体抑制作用具有选择性，1.4%异氟醚抑制NMDA受体介导的EPSPs达55%，而对非NMDA受体则没有如此明显效应。

Sumikura等[14]研究发现大鼠鞘内注射NMDA受体的拮抗剂AP5 10mg能使七氟醚的肺泡气最低有效浓度（minimum alveolar concentration，MAC）下降25.8%左右（P<0.01）。Stabernack等[15]研究发现鞘内注射NMDA受体的拮抗剂MK801能使异氟醚的MAC下降约65%（P<0.001），并且发现MAC下降的程度与脊髓中MK801的浓度成正相关。以上这些研究均提示NMDA受体参与了吸入麻醉药抗伤害作用的调制过程。

Masaki等[16]在大鼠侧脑室注射NMDA受体拮抗剂D-AP5也能明显减少七氟醚的MAC（P<0.05）。提示高位中枢的NMDA受体至少参与或部分介导了吸入麻醉药全麻作用。

Larsen等[17]认为异氟醚主要通过增加突触前膜对Glu的摄取，抑制突触前膜释放，使突触间隙Glu浓度快速下降，抑制兴奋性神经传递作用。清除突触前膜释放的Glu可终止其突触传递过程，突触前膜本身可能从突触间隙再摄取一部分Glu，然而，大部分的Glu被星形胶质细胞清除。Hirofumi等[18]从鼠胚胎的海马回中提取星形细胞，在含有[3H] Glu的溶液中培养（这种溶液事先在37℃经0～4%氟烷均衡过），测量星形细胞内的放射量以评估其中的蛋白质含量，结果表明，氟烷可显著增加星形细胞中Glu的摄取量。提示抑制突触前膜Glu释放和增加星形细胞内Glu摄取增加可能是吸入性麻醉药的一个共同特性。

有证据表明，吸入性麻醉药异氟醚和氟烷是NMDA受体拮抗剂，能抑制NMDA受体和Glu引起的神经元去极化，降低NMDA通道开放频率和时间，减少Ca++的内流[19]，防止神经元凋亡[20]。

以上研究表明，Glu和NMDA受体参与了吸入性麻醉药的麻醉和异氟醚的脑缺血保护。

4.2 谷氨酸及NMDA受体与静脉全麻药

异丙酚是一种较为理想的静脉麻醉药，目前认为，异丙酚作用于中枢神经系统的确切机制仍不清楚，但与抑制Glu及NMDA受体有关。

离体实验表明[21]，异丙酚主要是抑制脑内突触前膜Glu的释放。应用大鼠大脑皮层突触体（主要成分为突触膜）研究发现，异丙酚以浓度依赖方式抑制突触体Glu的释放，半数抑制浓度（IC50）为39µmol/L，而对于KCl诱导的Glu释放没有影响。异丙酚主要是抑制Na内流从而抑制突触前膜去极度化引发的Glu的释放。不同脑区的Glu对异丙酚作用的敏感性不同，如海马、纹状体内突触体Glu释放的受抑制程度较皮层明显[13]。

另外，临床浓度的异丙酚可通过抑制NMDA受体通道活性，减弱EPSPs[22]，或抑制氧化应激反应，降低细胞外Glu浓度，抑制NMDA受体，减少因NMDA受体介导兴奋性毒性所致的神经细胞死亡而达到脑保护作用[23]，推测异丙酚通过抑制Glu触发的细胞内Ca2+增加而发挥脑保护机制。

研究表明[24]还发现，异丙酚可使大鼠脑区的NO、CGMP含量降低，说明异丙酚能明显抑制NOS活性，异丙酚通过对NOS抑制作用，抑制NO生成及Glu释放，抑制NMDA受体，减弱它们对神经细胞的损伤而发挥脑保护作用。

氯胺酮是临床上常用的一种静脉麻醉药，以显著的镇痛和遗忘，但不必意识丧失为特征。它是惟一通过美国FDA认证的NMDA受体拮抗剂。国内外学者通过离体脑损伤实验模型，研究证实氯胺酮可保护因细胞能量代谢障碍和兴奋性氨基酸毒性所致的脑损伤[25，26 ]。

然而，1989年Olney等[27 ]首次报道氯胺酮可以引起引起成年大鼠扣带和胼胝体后压部皮质神经元损害，此后有许多类似报道给予证实[28]。临床观察也发现使用氯胺酮的病人有类似精神分裂的症状，存在认知损害和行为异常。

目前认为氯胺酮产生有效麻醉和镇痛作用与NMDA受体的苯环己哌啶（PCP）位点被阻滞有关[29]。 Orser等[29]研究认为氯胺酮是通过两个不同机制来抑制NMDA受体：氯胺酮与开放的通道结合，从而缩短通道的开放平均时间；氯胺酮通过一个生化变构机制来减少通道开放的频率。对NMDA受体的阻滞是引起镇痛、遗忘、幻觉和神经保护效果的主因[30]。

5．结语

颅内兴奋性递质Glu及NMDA受体被认为与学习、记忆、中枢神经系统疼痛的传导和大脑创伤后神经元的死亡及POCD等有重要关系。一些全身麻醉药可能是通过谷氨酸能作用而发挥包括记忆缺失、意识消失和镇痛作用的全麻效应，降低Glu从突触前膜释放，抑制它与NMDA受体的结合以及增强它在突触间的摄取，都能极大地调节谷氨酸能神经元的兴奋性。

Glu及NMDA受体在全身麻醉过程中的重要性，各种全麻成分在学习、记忆中的介导作用，特别是否与POCD有关，将是今后科学家们共同研究的目标。