人类大脑神经元在生长发育的过程中受基因和环境等多种因素影响,当基因修饰异常或受到外界不利环境因素影响时,可导致神经元发育异常和远期的神经认知功能障碍[1],全麻状态也可视为是大脑外界环境因素的改变。研究表明,美国每年有0.75%～2.0%的孕妇孕期需要实施非产科手术,其中超过80 000例非产科手术需要全麻下实施[2],中国及全球的病例总数尚不清楚;主要包括急性阑尾炎、胆囊炎、外伤等急症手术,及乳腺癌、宫颈癌、子宫内膜癌等各种恶性肿瘤的限期手术,此类手术均可导致胎儿发育中的大脑暴露于全麻药物[3]。由于受伦理学、病例数等多种因素的限制,此类全麻病例的随机对照研究很难开展,相关的研究结论主要局限于动物研究,全麻药物对人类胎儿大脑发育的影响尚不清楚,如何在此类手术中实施全麻缺乏一致性的意见。现针对孕期母体暴露于全麻药物对子代大脑发育影响的动物研究、临床研究及权威机构的意见或建议进行综述。
一、母体暴露于全麻药物对子代大脑发育影响的动物研究
1.相关研究的历史脉络:1999年一位德国的神经内科医生首次发现,给予孕晚期的大鼠注射N-甲基-D-天冬氨酸(N-methyl-D-aspartate,NMDA)受体阻断剂MK-801,可加速胎鼠和新生鼠大脑的神经元凋亡(细胞程序化死亡),引起子代远期的神经退行性病变,相关结果发表于《Science》杂志[4]。因常用全麻药物氯胺酮、N2O均属于NMDA受体阻断剂,故此项研究给麻醉医师带来了启示。2003年一名麻醉医师研究发现,孕晚期大鼠暴露于NMDA受体阻断剂(N2O)或γ-氨基丁酸A型受体(γ- Aminobutyric acid type A receptor,GABAA)激动剂(咪达唑仑、异氟醚)6 h,可加速新生大鼠大脑神经元凋亡,导致幼鼠的突触功能降低,学习、记忆能力下降,相关结果发表于《Journal of Neuroscience》杂志[5];此后,研究者们在多种动物模型中开展了孕期母体暴露于全麻药物对子代大脑发育影响的相关研究。
截止目前,在PubMed、EMBASE和Web of Science数据库中可搜索到关于孕期母体暴露于全麻药物对子代大脑发育影响的研究约70项,包括了孕早期、孕中期和孕晚期的研究。除个别研究未发现全麻药物对发育中大脑的神经毒性外[6-7],大部分研究得出一致、可重复的研究结果,即孕期母体长时间或反复暴露于全麻药物,药物可透过胎盘对胎儿发育中的大脑产生神经毒性,导致子代大脑的神经元发育异常和远期的认知功能障碍。部分研究还阐述了全麻药物对发育中大脑产生神经毒性的作用机制,并探讨了有效的预防和治疗方法。
2.全麻药物引起神经毒性的主要危险因素和可能机制:主要危险因素包括(1)全麻药物的种类。研究发现可能对发育中大脑产生神经毒性的全麻药物主要包括两类:GABAA受体激动剂丙泊酚、咪达唑仑、安氟醚、异氟醚、七氟醚、地氟醚,和NMDA受体拮抗剂氯胺酮、N2O等[8-11]。(2)全麻药物的剂量和浓度。全麻药物的剂量越大、浓度越高出现神经毒性的风险越大。(3)全麻药物的暴露时间和频率。全麻药物的暴露时间越长、频次越高发生神经毒性的可能性越大。例如,与单次暴露3 h相比,暴露同一浓度1 h、反复暴露3次出现神经毒性的可能性更大。
上述两类全麻药物对胎儿大脑产生神经毒性的可能机制包括:(1)加速胎儿发育中大脑的神经元凋亡。正常的神经元凋亡是一种生理现象,但是当神经元加速凋亡时,即可能影响远期神经元的数量、质量、发育及功能。GABAA受体激动剂和NMDA受体拮抗剂可阻断突触信号的传递,激活内源性神经元凋亡途径;同时,两类全麻药物增加大脑中的炎性反应,各种炎性介质与死亡受体结合激活外源性神经元凋亡途径;最终均导致正常的神经元加速凋亡[12]。(2)减少各种神经营养物质的生成,主要包括:神经生长因子(nerve growth factor,NGF),脑源性生长因子(brain-derived neurotrophic factor,BDNF),神经营养因子3(neurotrophic factor 3,NT-3)和NT-4等。这些神经营养物质的作用包括:在神经元的生长发育、存活、分化过程中具有关键作用;与神经保护及突触调节有关;是参与有关学习和记忆可塑性变化的关键分子;影响神经元的增殖、分化和突触的发生;影响神经突触的传递和功能;参与突触长时程增强(long-term potentiation,LTP)的形成和学习、记忆的形成过程。
3.减轻全麻药物神经毒性的方法:右美托咪定是一种选择性α2-肾上腺素受体激动剂,有镇痛、镇静、抗焦虑、抑制交感神经兴奋等作用。在胎鼠或新生鼠暴露于右美托咪定的动物模型中发现,右美托咪定不会加速发育中大脑的神经元凋亡,且可能减轻GABAA受体激动剂和NMDA受体拮抗剂类全麻药物对发育中大脑的神经毒性[13]。BDNF蛋白有多种亚型,最初以前脑源性神经营养因子前体(precursor pro form of BDNF,pre-proBDNF)形式生成,继而分裂为proBDNF蛋白,proBDNF蛋白于细胞内或细胞外分裂为成熟型BDNF(mature BDNF,mBDNF)蛋白。proBDNF和mBDNF可以混合存在,激活细胞内不同的信号通路,且二者的作用相反。mBDNF有利于神经元发育,mBDNF与其高亲和力受体原肌球蛋白受体激酶B(protomyosin receptor kinase B,TrkB)结合后,级联激活细胞内不同信号通路,促进神经细胞的生长、分化,有助于LTP的维持,增加突触前的释放概率,增加突触可塑性,正性调节认知功能[14]。proBDNF不利于神经元发育,pro-BDNF通过结合低亲和力的p75神经营养因子受体(p75 neurotrophin receptor,p75NTR)易化长时程抑制(long-term potentiation,LTD),导致细胞凋亡,负性调节认知功能[15]。右美托咪定减轻神经毒性的可能的作用机制为:右美托咪定通过下调proBDNF-p75NTR-Ras同源基因家族成员A(RhoA)通路,上调mBDNF-TrkB-环磷腺苷效应元件结合蛋白(cAMP-response element binding protein,CREB)通路,降低proBDNF/mBDNF的比值,缓解全麻药物导致的突触可塑性下降和神经毒性,减轻动物脑损伤模型中的神经元损伤[16]。
此外,动物研究发现孕期母体或出生后的子代置于丰富的生活环境(enriched environment,EE)中,可缓解全麻药物对发育中大脑的神经毒性。EE增加代谢物β-羟基丁酸的生成,抑制小鼠海马区组蛋白去乙酰化酶2(histone deacetylases,HDAC2)、HDAC3与BDNF基因启动子结合,激活BDNF基因启动子,增加mBDNF释放,有利于神经元的发育和认知的形成[17]。EE还可以通过增加mBDNF蛋白的表达缓解手术应激引起的小鼠神经损害和学习、记忆功能下降[18],缓解新生大鼠反复暴露于七氟醚后导致的远期神经行为异常[19]。母体孕期的运动可增加子代海马组蛋白乙酰化,激活下游mBDNF/TrkB/Akt信号通路,改善母体孕期暴露于全麻药物导致的子代神经认知功能障碍[20-21]。因此,母体的孕期运动或子代出生后生活于EE中,均是增加子代大脑mBDNF蛋白表达,减轻全麻药物对发育中大脑神经毒性的有效方法。
4.动物研究的相关结论不能直接应用于人类:(1)大脑发育的重要时期不同。人类大脑发育的最重要时期一般认为是孕期,而啮齿类动物大脑发育的重要时期一般认为是出生以后。(2)监测方法不同。人类全麻过程中的监测手段比较完备,可以排除因低血压、低血氧等对发育中大脑的影响,而动物研究中很难排除呼吸抑制、低血压、低血氧等干扰因素的影响。(3)疼痛刺激的影响。动物模型中疼痛刺激是一项重要的干扰因素,给予疼痛刺激可以模拟人类的全麻手术状态,但是当麻醉药物作用消失后,母体的疼痛可能会引起母体的烦躁、焦虑,进而影响子代的大脑发育。动物模型的麻醉过程若没有疼痛刺激则不能完全模拟人类的全麻手术状态。(4)动物和人类的麻醉暴露时间不能等同视之。根据寿命换算(表1)[22],动物模型中的全麻时间在人类很少或几乎不会发生;因此,动物研究的相关结论不能直接应用于人类,只能对人类提出警示。
表1 动物暴露于全麻药物3 h相当于人类暴露于全麻药物的时间
动物类别(平均暴露3 h)大鼠小鼠灵长类羊兔豚鼠相当于人类的暴露时间(h)3743562712
二、母体暴露于全麻药物对子代发育中大脑影响的临床研究
人类神经于妊娠2周开始发育,妊娠12至20周逐渐出现神经元的趋化、迁移;孕中期神经元的增殖和迁移达到高峰,并完成神经元的分化,同时神经元突触的数量快速增加且开始髓鞘化;孕晚期大脑迅速发育,大脑皮质容量增加约5倍[22]。因此,孕期任何时段长时间暴露于全麻药物均可能影响大脑的发育。
在妊娠期间实施非产科手术后,胎儿生长受限和早产风险显著增加,但麻醉的影响很难与疾病本身、手术操作的影响区分开来,目前没有临床证据支持孕期母体接受全麻药物影响子代的大脑发育[23]。在现有的临床回顾性研究中,大部分研究认为全麻剖宫产时胎儿暴露于全麻药物的时间较短,不会对胎儿及新生儿的大脑发育产生影响[24-25]。但也有个别回顾性研究发现,与顺产和椎管内麻醉剖宫产出生的儿童相比,全麻剖宫产出生的儿童其自闭症的发生率增加[26]。
三、实施非产科手术全麻的意见或建议
1.美国FDA的意见和建议:基于动物实验的研究结果,2016年美国FDA提出警示:孕晚期重复或长时间(>3 h)暴露于全麻药物可能影响儿童的大脑发育,尤其当手术复杂,麻醉时间可能较长的情况下,应权衡利弊后方可实施麻醉;同时指出,尽管全麻药物对人类发育中大脑的神经毒性尚未证实,但麻醉医生、手术医生仍应将全麻药物对胎儿的潜在风险告知孕产妇及家属,并告知手术可能持续的时间,反复接受全麻药物的次数,权衡利弊,共同讨论手术是否能安全的推迟[27]。美国FDA同时提出了预防措施:尽量缩短手术时间,减少全麻药物的暴露时间和频率,适当增加阿片类药物及右美托咪定等药物的应用,减少前述GABAA受体激动剂和NMDA受体拮抗剂类两大类全麻药物的用量。随着医学水平的提高,胎儿手术在全世界范围内广泛开展,因肌肉松弛药物很难透过胎盘,胎儿手术过程中常需要高浓度的吸入性麻醉药物维持子宫的松弛以利于手术操作。为了减轻或避免全麻药物可能的神经毒性作用,建议使用低浓度的吸入性全麻药物联合应用硝酸甘油等维持子宫的松弛,且围术期宜实施连续的胎儿心率监测,保证胎儿的安全。
避免全麻药物可能产生神经毒性作用的同时,保证麻醉效果以满足手术的顺利完成可能是临床实践中的重要挑战。然而,也有研究提出与关注全麻药物对发育中大脑的神经毒性反应相比,合理的麻醉选择和麻醉管理,避免术中的低血压、低血氧等更为重要[28-30]。
2.国内尚无关于孕期实施非产科手术全麻用药的相关意见或建议:因目前尚无全麻药物对孕期发育中大脑产生神经毒性的临床证据,中国的麻醉指南或专家共识中尚没有针对此类手术全麻的意见或建议。
四、展望
动物研究证据使人们有理由针对全麻药物对人类胎儿发育中大脑的影响进行广泛、深入的研究。由于缺乏相关的临床数据,全麻药物对人类胎儿发育中大脑的影响尚无定论; GABAA受体激动剂和NMDA受体拮抗剂类全麻药物对胎儿发育中大脑的影响,是麻醉领域需要明确的问题。随着磁共振成像(magnetic resonance imaging,MRI)技术和诊断水平的提高,MRI技术已用于观察胎儿的大脑发育,磁共振弥散张量成像(diffusion tensor imaging,DTI)技术可用于观察胎儿发育中大脑的白质纤维束,MRI和DTI技术能以彩色图像描绘胎儿发育中的大脑和巨大纤维束的数量,为观察胎儿大脑发育的复杂过程提供了新的途径[31]。同时,也期待其他先进诊断技术的出现,用于设计合理、前瞻性、有对照、多中心的临床观察,明确全麻药物是否影响胎儿的大脑发育。得出有效结论之前如何在手术中实施全麻,也是值得思考的问题。
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