食欲素与全身麻醉机制的关系

【摘要】 本文通过对食欲素及其受体的结构、分布和相关调控作用的介绍，列举了食欲素的主要作用，包括调控摄食、饮水行为，参与睡眠觉醒周期、能量代谢，以及对自主神经系统的调节等，并根据目前关于食欲素与全身麻醉机制的相关研究结果，进行了深入讨论。

【关键词】 食欲素；食欲素受体；全身麻醉

［Abstract］ In this view，we introduce the structure and distribution of orexin and its receptors，and those factors involved in modulating the effects of orexin and its receptors.The main effects of influences that orexin on feeding behavior，sleep/wakefulness states，emotion，reward，and energy homeostasis and autonomic nervous system are discussed and the mechanisms by which orexin regulates general anaesthesia are also focused on.

［Key words］ orexins；orexins receptor；general anaesthesia

1999年，日本学者Yanigasawa领导的研究小组在寻找脑内与孤儿G（orphan G）蛋白受体相结合的配基时发现了两种由下丘脑外侧区（lateral hypothalamic area，LHA）合成和分泌的具有促进摄食作用的小分子神经多肽，命名为食欲素A（orexin A，OXA）和食欲素B（orexin B，OXB）。食欲素是与orphan G蛋白质共轭受体的配体，中文译名有食欲肽、增食欲素、胖素、阿立新素、增食因子等。近几年的研究表明，食欲素不仅有能促进摄食等控制摄食行为的作用，还参与调节睡眠觉醒周期、能量代谢、以及对心血管及自主神经系统的调节等作用。2008年Kelz的研究小组发现食欲素参与全身麻醉的苏醒机制，因此有关食欲素与全身麻醉的关系也受到了广泛的关注。本文旨在综述食欲素及其受体的功能与特点，以及它们与全身麻醉之间关系的研究进展。

1 食欲素及其受体

1.1 前食欲素原和食欲素 人类食欲素A和食欲素B由前食欲素原在蛋白酶的作用下水解而来。人类前食欲素原为一具有131个氨基酸残基的蛋白质，基本分为3段：起始的33个氨基酸残基为信号肽；随后的以34位谷氨酸Gln为起始、67位甘氨酸Gly为结尾的是食欲素A片段；第3个片段是Orexin B，以69位精氨酸Arg开头、96位蛋氨酸Met结尾，随后连接Gly-Arg-Arg作为前食欲素原的结尾。在信号肽与食欲素A片段之间，33位丙氨酸Ala33-34位谷氨酸Gln为最可能的信号肽分裂位点，通过转氨基作用N-端环化成焦谷氨酸残基，形成成熟的食欲素A片段。A片段与B片段之间由68位赖氨酸Lys-69位精氨酸Arg组成前激素转化酶的识别位点，以此分割出成熟的食欲素B片段。人类和大鼠的前食欲素原的完全一致程度为83%，而小鼠和大鼠的前食欲素原的完全一致程度为95%［1］。

1.2 前食欲素原基因 目前，对人类和大鼠的前食欲素原的基因测序已经全部完成。人类的前食欲素原基因共有1432bp，包含2个由1个内含子所分隔的外显子。其中第1个外显子长143bp，包括5’-端非翻译区和编码前食欲素原起始信号肽中前7个氨基酸残基的信号序列；第2个外显子长473bp，包括前食欲素原起始信号肽中8-33个氨基酸残基和前Orexin原剩余片段的编码区和3’-端非翻译区。

1.3 食欲素受体 人类食欲素受体（OXR）分为OX1R和OX2R两种，其基因有7个外显子。人类两种食欲素受体的mRNA分别有1 564个碱基和1 843个碱基，分别翻译425和444个氨基酸。大鼠的食欲素受体mRNA分别有2 469个碱基和3 114个碱基，分别翻译416和460个氨基酸。食欲素受体基因是高度保守的。人类两种食欲素受体的氨基酸序列有64%是一致的。人类和大鼠的OX1R、OX2R分别有94%和95%的一致性。人类食欲素A和食欲素B都可以激活OX1R，但前者亲和力更强，食欲素A与OX1R结合时亲和力比食欲素B大100~1 000倍；而与OX2R结合时，两者亲和力相当。

2 食欲素及其受体的分布

食欲素最早是在下丘脑外侧区（lateral hypothalamic area，LHA）被发现的。食欲素能神经元的胞体呈对称性，不连续地分布在下丘脑背侧、外侧、后侧及穹隆周区。在多种哺乳动物（包括人、大鼠、小鼠、猫）的中枢神经系统内，合成食欲素的神经元胞体主要位于LHA。用放免法分析食欲素A和食欲素B时，发现食欲素大量分布在下丘脑、延髓、脑桥和中脑；大脑皮层也含食欲素［2］；肾脏和甲状腺中有少量OX1 mRNA表达；肺中有少量OX2 mRNA表达，而脂肪组织无食欲素分布。Northern印迹分析显示，在人的丘脑前食欲素原的mRNA含量丰富，但其他区域如下丘脑尚未检测到。人类前食欲素原mRNA在心脏、胎盘、肺、肝、肾、骨骼肌和胰腺等均未发现［3］，但前食欲素原mRNA在睾丸和肾上腺组织中有少量表达。OX1R和OX2R几乎仅存在于脑组织中［3］，它们在脑中的分布有显著差异。在下丘脑腹内侧核中，OX1R mRNA含量最高，而室旁核则以OX2R mRNA为主。OX1R mRNA在海马结构、中缝背核和蓝斑区含量都较高，OX2R mRNA则主要分布在大脑皮层、底丘脑、丘脑室旁核和视前核中。人类OX1R与OX2R还分布于肾上腺，OX1R 分布于肾上腺皮质（包括球状带、束状带、网状带），而OX2R则分布于髓质（含肾上腺素能和去甲肾上腺素能细胞）［4］。

3 食欲素的调控机制

当食欲素作用于食欲素受体时，一方面直接激活G蛋白耦联的钙通道，引起钙通道开放，Ca2+内流；另一方面激活G蛋白耦联的磷脂酶C，磷脂酶C水解4，5-二磷酸酯酰肌醇（P1P2）和1，4，5-三磷酸肌醇（IP3），IP3激活IP3受体，从而引起钙库释放Ca2+使细胞内Ca2+升高，激活钙调信号系统，从而引发一系列生理生化反应。

目前的研究表明，食欲素的调控与睡眠和营养水平以及环境因素等有关。Yoshida等研究发现，4 h的急性光照并不影响大鼠下丘脑外侧食欲素的表达量，但6 h的睡眠剥夺却显著增加食欲素释放量［5］。Mondal等观察到禁食48 h后，与对照组比较，大鼠下丘脑外侧食欲素A和食欲素B的含量上升，而脑内其他部位却有明显的下降［6］。在大鼠腹膜注射胰岛素降低血糖浓度后，可观察到食欲素的表达水平上升;提示血糖浓度可能是激活食欲素表达的直接信号［7］。也有学者使用Northern印迹后发现，禁水48 h后，下丘脑前食欲素原mRNA上调1.6倍，血浆渗透压也显著升高。此外有报道显示，随着低氧时间的延长和海拔高度的升高，动物每天总的摄食量逐渐降低;食欲素A mRNA和食欲素B mRNA的表达均减弱。

4 食欲素的作用

4.1 调控摄食、饮水行为 食欲素最早是在下丘脑外侧区（lateral hypothalamic area，LHA）这个摄食中枢被发现的。大量动物实验表明，在该区域注射食欲素可引起剂量依赖性的摄食增加。注射食欲素A或食欲素B引起的摄食效应有所不同。给雄性大鼠侧脑室快速注射3 nmol和30 nmol的食欲素A，可使进食量分别上升6倍和10倍，持续4 h；而注射3 nmol和30 nmol的食欲素B可使进食量分别上升5倍和12倍，但仅持续2 h［8］。有动物实验显示，在小鼠脑内注射食欲素A（1～10 nmol）只能促进消瘦小鼠进食，但对肥胖小鼠没有促进食欲的作用［9］。最近有研究发现，在左侧脑室注射食欲素A并不能引起老年大鼠摄食增加。这可能与老年大鼠视丘下部OX1R含量较年轻大鼠减少有关。同样，在下丘脑外侧区注射食欲素也可引起剂量依赖性的饮水增加。注射食欲素A比食欲素B的作用更强，提示其作用机制可能需通过OX1R。

4.2 调节睡眠觉醒周期 下丘脑外侧区（LHA）的食欲素神经元与下丘脑腹外侧视前区的GABA能神经元都是调控睡眠觉醒周期的重要神经元，而食欲素及其受体在调节睡眠觉醒周期中具有独特的作用。缺乏食欲素会导致人类嗜睡症。缺乏食欲素的小鼠也与人类嗜睡症患者表现相似，表现为嗜睡和突发晕厥。嗜睡症患者会直接从清醒状态进入快速动眼睡眠周期（REM sleep）［10］，而正常人群入睡时首先进入的是非快速动眼睡眠周期（non-REM sleep）；OX2R和前食欲素A原基因变异均可导致嗜睡状态的发生。有动物实验表明，在蓝斑区域局部注射食欲素A可以抑制快速动眼睡眠周期，减少48%的非快速动眼睡眠周期，增加70%的觉醒率，同时还增加c-fos在下丘脑外侧区、前区、室旁核、弓状核处和杏仁中央核等处的高度表达［11］。此外有研究者在用电压钳记录突触后电位时发现，当下丘脑外侧区有大量含食欲素的囊泡聚集在突触末梢时，可增加轴突γ-GABA的含量，从而间接参与睡眠觉醒周期的调控［12］。在对人类原发性发作性睡病患者，特别是对人类白细胞抗原HLA DQB1*0602缺乏基因遗传病患者的大脑进行解剖研究时发现，在下丘脑外侧区等处本该是食欲素密集表达的区域，食欲素表达大量减少、甚至消失；或者是神经胶质再生，阻断了食欲素纤维投射；同时发现在胆碱能神经元系统和大脑其他部位食欲素神经元胞体数量也低于正常水平的现象。

4.3 能量代谢及其他 食欲素除了可以调控摄食、饮水行为和调节睡眠觉醒周期外，还参与能量代谢，以及心血管功能、性行为和生殖功能的调控，控制体温和参与运动调节。有研究者在小鼠脑内注射OXA，结果只能促进消瘦小鼠进食，对肥胖小鼠没有促进食欲作用，但可显著增加其能量代谢率，并促进脂肪利用［9］。这提示食欲素对机体的能量平衡具有调节作用。在大鼠脑室注入食欲素后，可引起血压升高、心率增快、肾交感神经紧张性升高等现象［13］，提示食欲素有心血管系统作用。还有动物实验发现，卵巢切除的大鼠用雌二醇苯甲酸和黄体酮预处理后，脑室内注射食欲素A或食欲素B均可以剂量依赖的方式快速刺激黄体生成素LH分泌。但两种食欲素均抑制切除卵巢后非预处理大鼠LH的分泌。这项结果提示，食欲素在下丘脑水平通过促性腺激素释放激素GRH神经元而降低黄体生成素LH的脉冲分泌。此外还有研究表明，食欲素神经元在觉醒系统的配合下可不依赖外周生热作用来调节体温。另外也有科学家在测量大鼠在不同行为（安静觉醒、食物剥夺、睡眠剥夺、限食、运动）条件下脑脊髓液中所含的食欲素A水平时发现，食欲素系统的激活可能与运动应激有关。

5 食欲素与全身麻醉

位于下丘脑外侧区（lateral hypothalamic area，LHA）的食欲素神经元已被认为是参与调控睡眠觉醒周期的重要神经通路。全身麻醉与睡眠相似，两者都可以暂时抑制躯体运动和对外界刺激的反应。睡眠剥夺可以导致睡眠时程的加深，睡眠剥夺也可以导致异氟醚介导的全身麻醉的麻醉程度加深［14］，同时睡眠剥夺对异氟醚麻醉的影响可以被腺苷受体拮抗剂部分逆转［15］。全身麻醉与睡眠，尤其是非速动眼睡眠周期通常被认为是通过许多共同的核团参与而产生的作用。麻醉状态下的脑电图与非速动眼睡眠周期时的脑电图相似［16］。前文提及过缺乏食欲素会导致人类嗜睡症，而嗜睡症患者会直接从清醒状态进入快速动眼睡眠周期；而现在的普遍观点是推测食欲素神经元系统是快速动眼睡眠周期抑制神经元（REM-OFF neuron），通过单胺能神经元发挥调控作用。有实验表明，使用食欲素竞争剂可以导致麻醉深度的降低［17］，而使用食欲素受体1的拮抗剂（SB-334867-A）可以加深麻醉深度［18］。

全身麻醉与睡眠之间的模式图（图1）。下丘脑腹外侧视前区（VLPO）系统有诱导睡眠的作用，同时下丘脑外侧区的食欲素神经元系统则与促进、维持清醒状态有关。全身麻醉会激活下丘脑腹外侧视前区系统，同时抑制维持觉醒的神经通路［19］。

2001年Hirota等报道食欲素A和食欲素B可以引起大鼠脑部去甲肾上腺素的释放。2003年他们通过对大鼠脑部组织切片的研究，报道了食欲素神经元和阿片类神经元系统并不存在交互作用。同年，Hirota等展开了关于食欲素和苯巴比妥麻醉的图1 全身麻醉与睡眠之间关系模式图

研究，食欲素A和食欲素B都可不同程度的显著减少戊巴比妥、苯巴比妥和戊硫代巴比妥麻醉的时间（15%~40%），而食欲素A的拮抗剂SB-334867-A可以通过抑制去甲肾上腺素的释放，间接延长40%左右的戊硫代巴比妥麻醉时间，同时逆转食欲素A的作用；而对照组的GABA受体竞争剂荷包牡丹碱不能抑制去甲肾上腺素的释放，从而提示食欲素神经元是苯巴比妥类药物麻醉的重要核团，而GABA系统并没有参与其中。虽然食欲素神经元和alpha2-肾上腺素能神经元都参与调控睡眠觉醒周期，但是2005年Hirota等又通过对大鼠脑部组织切片的研究发现，食欲素神经元和alpha2-肾上腺素能神经元之间也不存在交互作用。由于早先曾报道食欲素参与情感改变和行为调控，Hirota等在2007年研究并报道了苯二氮艹 卓类药物如咪达唑仑等对于食欲素系统的影响，大鼠中枢神经系统的苯二氮艹 卓类受体与食欲素神经元亦没有产生相互影响。同年，他们又报道发现食欲素通过胆碱能觉醒系统参与了异氟醚全身麻醉的苏醒。胆碱能神经元主要位于大脑脚被盖核（PPTg）和背外侧被盖区（LDT），通过特定的竞争剂和胆碱酯酶抑制剂的作用可以引起大脑皮质的活化并参与全身麻醉的苏醒。在异氟醚麻醉中，脑室内注射微小剂量食欲素A也可通过食欲素受体1引起乙酰胆碱释放和脑电图的觉醒，同时电刺激大脑脚被盖核也可引起相同的现象；而注射食欲素A的拮抗剂SB-334867-A却是削弱苏醒反应。以上结果提示，食欲素A可能通过胆碱能觉醒通道参与了全麻苏醒过程。

为了探究食欲素与全身麻醉之间的关系，Kelz等用异氟醚和七氟醚诱导成年C57BL/6J大鼠和orexin/ataxin-3大鼠，使用食欲素受体1的拮抗剂（SB-334867-A），通过遗传学和药理学方法干扰食欲素神经元系统的信号传导，并使用免疫组化、脑电图测试和行为学试验（翻正反射）等方法，观察食欲素与全身麻醉的诱导和苏醒之间的联系。令人惊奇的是，无论是通过遗传学方法还是药理学方法所造成的食欲素系统信号受干扰的大鼠，其异氟醚和七氟醚麻醉的诱导情况基本没有出现变化，而这些大鼠的苏醒时间却出现了显著的延迟。在麻醉期间大鼠均没有出现晕厥现象，从而排除了这一现象对苏醒延迟的干扰［20］。异氟醚和七氟醚的麻醉作用影响了食欲素能神经元c-fos的表达，但并没有涉及相邻的MCH神经元的c-fos活化。在异氟醚和七氟醚麻醉下的大鼠和其他脑电图检测下处于非速动眼睡眠周期的睡眠状态大鼠，其食欲素神经元系统c-fos活化程度相似［19］。在异氟醚和七氟醚的全身麻醉过程中，食欲素神经元系统的抑制究竟是吸入性麻醉药的直接抑制所致还是通过抑制传入通路所致，目前还不清楚。吸入性麻醉药的诱导可能是通过GABA系统的投射介导的。相比之下，苏醒过程则更需要持续稳定的清醒状态。从而可以推测，与麻醉诱导相比，苏醒期需要对食欲素神经元系统有更持久的刺激。异氟醚和七氟醚这类吸入性麻醉药对食欲素受体的G耦联蛋白可能存在抑制作用，而随后吸入性麻醉药对食欲素神经元系统的作用则更多地被报道是通过食欲素A受体的。如果在吸入性麻醉药的诱导过程中，食欲素神经元的抑制是必不可少的过程的话，那么那些通过遗传学原理使食欲素系统信号受干扰的大鼠就应该会对异氟醚和七氟醚出现高敏反应。而事实情况是这些有嗜睡症的大鼠无论是对异氟醚还是七氟醚都没有高敏反应。这些结果提示，吸入性麻醉药物异氟醚和七氟醚所介导的全身麻醉的诱导与苏醒过程，并不是我们既往所想象的镜像的逆反过程；食欲素神经元系统通过抑制快速动眼睡眠周期参与了其中的苏醒过程，而其在全麻苏醒过程中的调控方式与作用机制以及吸入性麻醉药物全麻诱导过程在神经元层面上的机制，仍有待我们进一步探讨。

6 小结

目前关于食欲素及其受体研究的主要方向仍然是食欲素调控摄食行为，以及参与调节睡眠觉醒周期等，关于食欲素与全身麻醉机制的相关研究则刚起步。本文集中讨论了近阶段有关食欲素与全身麻醉机制的各项研究结果，其中有些观点可能尚不成熟，有些实验结果还有待进一步研究。但无论如何，现有的结果已提示，食欲素与全身麻醉的作用机制存在着某些必然的联系。