16 γ-氨基丁酸A受体亚型表达的区域分布和药理特异性在全身麻醉中的作用
全身麻醉药已在临床使用170多年,但研究人员尚未充分阐明这些不同结构药物的作用机制。近年的研究已经开始揭示其效应的分子机制,认为全身麻醉药通过调控中枢神经系统中的离子通道,尤其是GABAARs(GABAA受体)进而产生作用。本文主要对GABAARs不同亚型的表达、分布及其药理特异性在全身麻醉中的作用进行综述。
一、麻醉药对中枢神经系统GABAARs的调节作用
皮层下的促觉醒神经网络是维持意识的关键。从生理学的角度看,全身麻醉药能作用于以GABAARs为主的离子通道,进而抑制促觉醒神经细胞之间的电化学联系,最后产生意识消失。促觉醒核团发出兴奋性投射相互连接形成促觉醒神经网络,并投射到大脑其他部分。同时,这些核团接受来自下丘脑、丘脑和皮层的抑制性投射。目前,主流的观点认为全身麻醉药致意识消失的机制是,其对GABAARs等离子通道的作用破坏了促觉醒核团的兴奋/抑制平衡,使兴奋性神经递质的分泌减少。最后,皮层和丘脑神经元的兴奋性降低使皮层活动、能量和信息整合能力降低,最终处于相对静止的状态,即意识消失状态。
虽然全身麻醉药主要通过对中枢神经系统中离子通道的作用产生意识消失和其他麻醉效应,但许多其他蛋白质也是这些药物的分子靶点。例如在神经元中,线粒体通透性转换、钙稳态和肌动蛋白聚合均会受到全身麻醉药的影响。
二、GABAARs多样性和分布
GABAARs是由5个亚单位组成的五边形多肽寡聚体。其中亚单位类型共有19种,按蛋白质序列同源性分为α1-6、β1-3、γ1-3、δ、ε、θ 和 ρ1-2。大多数天然存在的受体含有 2个α、2个β以及1个γ或δ亚单位,但只有9种亚型已明确在哺乳动物脑中表达丰富。其中,α1β2γ2是哺乳动物中枢神经系统中最丰富的亚型,且有研究报道了α1β2γ2与药物结合的高分辨率冷冻电镜结构。α4βxδ、α5β3γ2 和 α6βxδ亚型分别主要分布在丘脑、海马和小脑。含有α4和α6的受体通常对苯二氮䓬类药物不敏感,而含有γ2的受体敏感性较高,含有α4-6的受体则对吸入麻醉药敏感性较高。总的来说,每种亚单位组合的药理学特性、不同脑区之间的分布、细胞特异性表达和亚细胞定位都是独特的。
GABAARs主要的内源性配体是γ-氨基丁酸(γ-aminobutyric acid,GABA),GABA首先结合在β亚基和α亚基的相互作用面上,进而激活GABAARs打开氯离子选择性通道,引起神经元超极化从而抑制神经信号传递,因此对控制神经系统的兴奋性至关重要。大多数吸入麻醉药和静脉麻醉药在临床剂量下作为正向变构剂,通过结合远离配体结合位点的蛋白质腔引起结构构象变化进而增加和延长对GABA的反应。有研究发现,α1β2γ2受体对GABA的亲和力比α4β2γ2更低,因此认为α亚基决定了受体的GABA敏感性。大脑中的突触内受体通常含有α1-3,而突触外受体通常含有α4-6。尽管除ρ外的所有亚单位都受到麻醉药的变构调节,但对麻醉药的敏感性并不相同,其中突触外受体对麻醉药的调节相对敏感。
三、不同GABAARs亚型分布在麻醉中的作用
海马已经被研究了数十年,是传统的与记忆形成有关的脑区。在海马CA1-3亚区锥体神经元内,phasic电流主要由α1β2/3γ2突触内受体介导,而tonic电流主要由α5β3γ2 突触外受体介导。齿状回(DG)是控制海马CA区传入的重要脑区,其主要的颗粒细胞神经元phasic电流由α1β2/3γ2突触内受体介导,而tonic电流主要由α4βxδ突触外受体介导,并可能还有部分来自α5β3γ2s。Mody等认为δ亚单位介导的α4βxδ受体对酒精的敏感性导致了酒精的遗忘效应。
这些区域中tonic电流受体表达的差异可能与CA3/CA1锥体细胞和DG颗粒细胞之间的内在差异有关。DG位于内嗅皮层投射到海马的入口处,并且其中主要是相较海马具有更多活性表型的兴奋性神经元。DG可能在门控或筛选对背侧CA区域的兴奋性输入中起到重要作用。电生理研究表明,DG颗粒细胞是低兴奋性并且不易激发的表型。即使在高强度电流输入的情况下,也不产生动作电位。部分原因是由α4βxδ突触外受体介导的强烈的tonic抑制和与CA神经元相比更为超极化的静息膜电位。这种强烈的tonic抑制对于空间信息处理和记忆信息是非常重要的,因为高激发阈值将能确保高选择性地激活,并限制不适当的信号传入到海马中。在空间导航系统中,DG颗粒细胞放电缺乏,具有比CA3神经元更强的空间位置特异性。基于这些性质,才使得齿状回能够对相似的事件和环境进行分离并输出,即模式分离理论。此外,海马网络容易发生周期性连接并导致癫痫发作,限制其兴奋对于“门控”海马网络具有重要的保护作用。在突触外GABAARs介导的tonic抑制被破坏时,产生了一系列致癫痫表型。这进一步证明了tonic抑制对于产生低兴奋性细胞表型的重要性。
在海马中间神经元内,调节tonic抑制的作用具有细胞类型特异性。例如,DG中几乎所有的小清蛋白阳性的快尖峰放电中间神经元都表达α4β3δ GABAAR介导的tonic电流,但只有少数生长抑素阳性的中间神经元能够表达,甚至calbindin阳性和calretinin阳性的中间神经元完全不能表达。这说明了一个总体原则,即特定的中间神经元具有其特定的放电模式,这是基于它们特殊的钙结合蛋白表达和GABAARs亚单位表达所致。不出所料,鉴于这种中间神经亚群在节律产生中的重要性,β3突触外受体亚单位的缺失使海马θ和γ振荡产生异常。例如,月经周期相关的α4β3δ表达变化导致tonic电流介导的γ振荡变化,可能是围经期认知障碍的原因。
躯体感觉信息在经皮层处理之前会先被整合到特定的丘脑核团中。因此,丘脑在意识的控制和转化中具有独特的重要性。麻醉诱导的丘脑核团神经元活动抑制以及随后的丘脑-皮层通路的抑制被认为是意识消失和感觉消失的基础。
在清醒状态,皮质下唤醒区域使丘脑神经元去极化,丘脑神经元介导信息在重要皮层区域如海马和前额叶皮层中整合。在昏睡、麻醉或慢波睡眠等意识障碍状态,超极化的丘脑中间神经元诱发皮层神经元的超极化并产生慢波振荡。在非快动眼睡眠期间,δ波和α波是最具代表性的波形。在麻醉期间的典型脑电图表现为强烈的慢波活动或“暴发性抑制”模式,即非常缓慢或平坦的脑电活动与高频脑电活动交替出。这种暴发性抑制模式是大脑昏迷的特征,在自然睡眠模式中从未被发现,并被认为是非常深的麻醉效应。主流观点认为,麻醉药物作用于腹侧基底丘脑神经元中的突触外受体,并介导产生紧张性电流,最后产生这种典型的慢波活动或“暴发性抑制”模式。丘脑的这一区域富含α4β2δ突触外受体。离体实验中,这种亚型对异氟烷非常敏感。在体实验中,异氟烷能明显抑制丘脑皮层中间神经元的活性。
目前证据表明,丘脑皮层的振荡是由相位性抑制产生的,却很大程度上取决于紧张性抑制。丘脑去除γ2亚单位后,导致局部突触内受体的细胞表面损耗,并没有消除缓慢的丘脑皮层振荡或睡眠纺锤波,但确实改变了单神经元暴发性放电。鉴于丘脑皮层网络活动对意识至关重要,因此GABAARs表达的改变会影响对麻醉药物的敏感性。
皮层是麻醉药发挥催眠效应的最重要部位。其突触外受体主要是α5β3γ2亚型,但在L2/3中的突触外受体是α4β2δ亚型。皮层分层可以在不同过程中具有特定的功能作用。例如,L2/3从其他皮层区域接收信息,但只有在皮层L2/3、L5与丘脑输入同步时才能在EEG上检测到像δ波这样的慢波振荡,否则β波占主导地位。当处于清醒闭眼状态时,大脑后部(即枕叶)发出的α波和β波最强。在诱导过程中,α波在全脑范围减少并在空间上向前位移,导致其在前额叶皮层表现最强。这种效应被认为是α4β2δ亚型麻醉敏感性的表现。因为富含α4β2δ亚型的丘脑腹侧基底核神经元投射到前额叶皮层使其活性增加,而向后投射的丘脑神经元不表达这种受体亚型。对大脑静息状态网络分析表明,前额叶皮层内部网络之间的断开是丙泊酚致意识消失机制的一部分。
相位性和紧张性电流介导单细胞神经元活动的时间调制,并且对形成神经元群体活动模式的微观电导作出了重要贡献。例如,GABAARs介导皮层局部抑制。皮层的表层大部分由L5锥体兴奋性神经元的顶端树突组成,并且树突局部场电位在前脑皮层EEG信号中占主导地位。突触内α1βxγ2受体介导来自局部中间神经元的突触抑制,而突触外α5β3γ2受体介导来自皮层神经元活动的紧张性抑制。
麻醉药物的镇静效应也被认为作用于皮层产生。虽然在性质上类似于轻度催眠,但有证据表明镇静效应更具特异性。例如,β2(N265S)转基因小鼠中依托咪酯介导的镇静效应消失而催眠效应仍然存在,并且苯二氮䓬类药物在α1亚单位突变(His101)小鼠产生镇静效应,但不产生催眠效应。
TMN核团位于下丘脑,将组胺释放到皮层中以产生觉醒,而丙泊酚能通过增强GABA的作用进而抑制TMN的组胺释放。转基因β3N265M小鼠表现出对丙泊酚的敏感性下降,这与GABAARs参与抑制TMN核团有关。但与GABAARs抑制LC核团无关。但该研究组随后的研究称,移除小鼠组胺能神经元的GABAARs后对自然睡眠觉醒周期以及丙泊酚产生的翻正反射消失时间(LORR)无影响。该发现表明,组胺能TMN神经元不大可能在丙泊酚麻醉中起主要作用。
四、麻醉药物与GABAARs表达
近年的研究表明,麻醉本身可能会使包括GABAARs的离子通道表达改变。这些变化可能是由麻醉药物对细胞内信号转导途径的影响介导的。已证实丙泊酚作用于海马锥体神经元会增加其β3亚单位的表达。其基本机制是PKC介导的β3亚单位在AP-2结合域的磷酸化增加。海马裂解物的β3亚单位免疫沉淀显示与AP-2亚单位β衔接蛋白的结合降低,这表明整个AP-2复合物的产生减少。而AMPA受体亚单位GluR1的表达并未受到显著影响,表明丙泊酚不会损害细胞内吞机制。丙泊酚使激活的PKCε增加,海马裂解物和重组PKC测定β3受体的PKCε激酶活性也显示β3磷酸化增加。而PKCε抑制剂能够阻断β3表达的增加和AP-2亚单位结合的降低。在功能上,PKCε抑制剂能部分逆转丙泊酚引起诱发和微型IPSC幅度的增加。PKC造成通道动力学修饰的改变和丙泊酚引起通道功能的变构增强可能有助于这种效应。但抑制剂的作用表明,丙泊酚最终是通过PKCε依赖性机制产生对GABA能传递的暂时敏化作用。类似地,依托咪酯使α5表达暂时增加,并在2周内恢复正常。这种表达的增加似乎是造成麻醉后记忆障碍的部分原因。
一些控制或影响GABAARs的亚细胞活动的第二信使和信号蛋白调节通路也对麻醉剂敏感。这些通路与常用麻醉药物的相互作用正逐渐被认识,并且仍然是一个前景广阔的领域。
钙离子是最重要的细胞内第二信使之一,并且异氟烷本身将通过直接激活肌醇3-磷酸受体(IP3R)通道来提高细胞内钙离子浓度,导致储存的钙离子释放到胞质溶胶中。几种调节GABAARs表达的蛋白质是钙依赖性的,例如通过控制磷酸化位点进而影响亚单位运输的PKC。
丙泊酚本身可以激活并变构性地增强PKCε。离体实验显示丙泊酚与PKC调节域之间直接的相互作用促进Ser729处的自体磷酸化,这是启动和维持酶活性的最后一步。除了前文讨论的丙泊酚提高β3亚单位表达外,丙泊酚对PKCε的激活也导致转录因子靶CREB的下游激活。另外,有研究已证实了PKC/CREB通路能控制α1亚单位的表达。
Bjornstrom等发现丙泊酚能通过影响PKCε进而影响Rho/ROCK通路来干扰神经元发育。在这个基础上,Rho/ROCK通路被发现能通过控制α5根蛋白结合调节α5β3γ2突触外定位,从而影响突触α5β3γ2水平,所以丙泊酚能通过影响Rho/ROCK通路进而对表达产生重要的影响。
吸入麻醉药与内源性神经免疫系统的相互作用,被认为是谵妄等术后认知障碍发展的一个因素。其中一个重要原因是炎症与突触外GABAARs表达增加和相关记忆障碍之间有着密切的关系。炎性细胞因子IL-1β作用于海马神经元增加α5β2γ2表达,并增强麻醉药物产生的Tonic电流及其麻醉作用。用脂多糖注射治疗脓毒症小鼠,会增强异氟烷和依托咪酯产生的共济失调和催眠效应。炎症引起的记忆障碍是由GABAARs调节的,可以通过药理抑制α5GABAARs功能来逆转。令人惊讶的是,脓毒症患者表现出麻醉过敏的症状。由此可以推测,无论是由吸入麻醉药本身还是由全身性炎症诱导的炎症信号,当阻断大脑中的炎症信号转导时,都可能通过阻止GABAARs表达的变化来在一定程度上预防术后认知功能障碍。
五、结语与展望
近年的研究着眼全身麻醉药如何作用于靶点进而产生麻醉效应这一方向,取得了重要的进展。深入研究全身麻醉药对GABAARs各亚型的影响,进一步阐述不同受体亚型表达的区域分布和药理特异性在全身麻醉中的不同作用,将能更合理地解释全麻机制,最终将为新药物的研发打下基础,使人们有希望能够使用有特异性的全身麻醉药,从而产生特定的麻醉效应。这一发展将有效地避免目前全身麻醉药的并发症和过于广泛的神经抑制。
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