2.全身麻醉药引起神经发育毒性作用机制的新方向：聚焦精细运动损伤

据报道，美国每年约有300万婴幼儿在全身麻醉下接受外科手术。基于中国第六次全国人口普查数据，预计我国婴幼儿在全身麻醉下接受外科手术的人数会远高于美国。由于全身麻醉药直接作用于脑，这一药理学特点让人们对其是否会影响脑发育和脑功能展开了相关的研究。2016年12月14日，美国食品药品管理局（Food and Drug Administration，FDA）发布警告：妊娠末3个月的孕妇或3岁以下儿童在手术中重复或长时间（＞3h）使用全身麻醉药和镇静药，可能会影响胎儿及儿童的大脑发育。全身麻醉药和围手术期应激对脑功能发育的影响及其远期效应更是被列入麻醉学亟待解决的十大科学问题之中，是研究的重中之重。因此，研究全身麻醉药对脑发育的影响机制具有重要的临床意义。

临床研究发现多次全身麻醉下手术和婴幼儿患者远期特定行为学的改变如精细运动损伤和语言社交能力降低等有相关性。梅奥医学中心（Mayo Clinic）的MASK（Mayo Anesthesia Safety in Kids）研究是关于多次麻醉影响发育脑的临床研究，其结果发表在了Anesthesiology和British Journal of Anaesthesia上。他们认为多次全身麻醉会引起部分患儿神经行为学的改变，这种改变可能不是智力损伤，而是某些特定神经行为学模式的损伤，如处理速度、精细运动、运动协调和视觉运动整合方面。但是，研究全身麻醉药诱导的神经发育毒性机制的非人灵长类和啮齿类动物模型之间尚存在一定的差异，比如临床上观察到多次全身麻醉和手术引起婴幼儿患者远期语言和社交能力的降低和非人灵长类动物模型麻醉后多种社交行为能力的损害，但是多次麻醉的幼鼠却很难观察到社交能力的损害。杏仁核是控制情绪反应和管理疼痛应激等生理功能的核心脑功能区域。为了更好地理解灵长类和啮齿类模型的不同，上海交通大学医学院附属第九人民医院麻醉科姜虹教授和张磊教授使用高通量单细胞核RNA的测序方法，首次描绘了幼年猕猴大脑中的杏仁核的神经细胞类群图谱，同时对比了幼年猕猴和幼年小鼠之间的差异，发现灵长类动物和啮齿类动物确实在多种神经细胞上存在着明显的物种差异。该研究结果有助于理解非人灵长类动物和啮齿类动物作为模型在全身麻醉药引起的神经发育毒性机制研究中的不同，更进一步确定非人灵长类动物模型更适合发育期大脑的全麻神经毒性机制研究。

在全身麻醉药引起认知损伤的非人灵长类模型和啮齿类动物模型中，肯定有同向变化的基因，也肯定有不同变化的基因，姜虹教授团队认为应该在临床上找寻出引起全身麻醉药神经发育毒性的关键科学问题，然后使用非人灵长类动物猕猴去探索全身麻醉药引起神经发育毒性的机制线索，之后找到猕猴和小鼠具有相同变化的靶基因，再使用小鼠模型来进行验证（图2-1）。

基于这个理念，姜虹教授和张磊教授使用非人灵长类动物和啮齿类动物来研究全身麻醉药与术后远期精细运动损伤的机制。2018年7月，Anesthesiology刊登了梅奥医学中心的儿童麻醉安全性（Mayo Aesthesia Safety in Kids，MASK）研究第一次分析的结果，该研究发现无论与接受过一次全身麻醉还是未接受过全身麻醉的对照小儿相比，多次接受全身麻醉者的主要观察指标-智力没有受到影响，但在次要指标中，婴幼儿患者成长到青春期后问题处理速度和精细运动能力下降。2019年5月，MASK研究的人员再次对该数据使用了因子分析和聚类分析进行了更加细致和深入的第二次统计学分析，该研究提高了统计效能，并将结果发表在了British Journal of Anaesthesia上，这次分析再次认为多次全身麻醉会引起一部分患儿损伤，这种损伤可能不是智力损伤，而是某种特定神经行为学模式的损伤，如处理速度、精细运动、运动协调和视觉运动整合方面。哥伦比亚大学麻醉系主任Brambrink教授对MASK的二次研究给予了高度评价并发表了述评，与其一起在British Journal of Anaesthesia上发表。2020年10月，Anesthesiology再次刊登了基于同一个地区大样本的出生队列研究，该研究入选了所有登记的欧洲Avon地区预产期介于1991年4月1日和1992年12月31日的孕妇，定义麻醉和手术暴露为四岁之前，评估7～16岁儿童的神经发育结果。该研究采用了数十种不同的神经行为学测试量表，对学习、认知、运动、社会行为和语言多个维度进行评估，最终共有13433名儿童完成队列。该研究发现较低的精细运动能力与多次的麻醉和手术暴露相关。一项来自日本的出生队列研究提示婴儿时期接受全身麻醉的患儿在1岁时神经发育迟滞风险更大，包括了沟通能力、精细运动能力、问题解决能力和社交能力。

一、m6A甲基化在全身麻醉药引起精细运动损伤中的作用

姜虹教授和张磊教授首次以精细运动能力损伤为切入点，探索了全身麻醉药对神经系统影响的机制并发表在毒理学知名期刊Cell Biology and Toxicology。该研究探索了全身麻醉药对婴幼儿精细运动能力损伤的机制，并首次关注了m6A甲基化在七氟烷麻醉影响精细运动损伤中的作用和机制。

m6A修饰是在RNA甲基化修饰中最丰富的一种，YTHDF1是m6A甲基化的识别蛋白之一。最近的研究发现其可以参与神经认知的形成和发展。在该研究中，七氟烷麻醉后的幼年灵长类和啮齿类动物的大脑中m6A结合蛋白YTHDF1表达显著下调。单细胞测序发现Sp8阳性的神经元中YTHDF1的表达下降在中间神经元中最为明显，而这部分神经元，后续会发育成血管活性肠肽（vasoactive intestinal polypeptide，VIP）中间神经元。YTHDF1的功能主要是识别RNA上的甲基化位点。通过RNA结合蛋白免疫沉淀（RIP实验）和m6A-seq实验发现m6A被高度富集在突触生长蛋白（synaptophysin）的mRNA上，同时突触生长蛋白的mRNA上有YTHDF1的结合位点。早先的研究发现突触素和全身麻醉药的神经发育毒性紧密相关。过表达的YTHDF1可以回救七氟烷引起的幼年小鼠精细运动能力和认知功能障碍以及突触生长蛋白的变化。以上结果推论YTHDF1是以m6A甲基化依赖性方式调控其下游靶基因突触生长蛋白的表达，继而损伤小鼠的精细运动能力和认知功能。该研究探索了全身麻醉药对婴幼儿精细运动能力损伤的机制，并首次关注了m6A甲基化在七氟烷麻醉影响精细运动损伤中的作用，有望为预防或治疗全身麻醉药的神经发育毒性提供新的思路。

二、髓鞘发育毒性在全身麻醉药引起精细运动损伤中的可能机制

髓鞘的发育和精细运动息息相关。早在2019年5月，姜虹教授和张磊教授就对全身麻醉药引起的精细运动损伤做过初步的探索，首次揭示全身麻醉药引起的髓鞘发育损伤可能是其机制之一。该团队发现3岁以内的婴幼儿患者行七氟烷吸入全身麻醉后，其术后叶酸水平较术前均出现了下降。在七氟烷多次麻醉猕猴的动物模型中，其脑内叶酸代谢通路受到影响。叶酸作为一碳单位供体以提供甲基基团的角色参与体内多种甲基化过程。对猕猴前额叶皮质进行了全基因组甲基化测序，随后对转录组测序数据和全基因组甲基化测序进行了生物信息联合分析，发现七氟烷反复麻醉后的猕猴，其前额叶皮质中髓鞘发育关键基因ERMN的启动子区甲基化增高，其mRNA的表达下降。七氟烷也同样下调小鼠脑中叶酸代谢通路和ERMN的表达。重要的是，小鼠在出生后第7天（postnatal day 7，P7 d）七氟烷处理后，于P14 d和P30 d均发现了髓鞘产生减少，这意味着七氟烷对髓鞘发育的损伤是一个持续的过程。小鼠腹腔注射叶酸可以回救七氟烷引起的髓鞘产生减少以及学习和记忆能力损伤。该结果提示吸入全身麻醉药七氟烷影响了叶酸代谢通路，导致了发育期大脑甲基化紊乱，髓鞘相关重要基因ERMN的启动子区甲基化增高，表达量下降，髓鞘发育受损，引起了远期神经行为学异常。叶酸代谢通路可能是幼儿患者接受较长手术全身麻醉时及时检测或预防麻醉对大脑发育的重要靶点，叶酸可能是治疗全身麻醉药神经发育毒性的潜在药物。该研究2019年5月份发表在了国际综合性期刊《柳叶刀》子刊Ebiomedicine上。3个月后，也就是2019年8月，Anesthesiology发表了来自约翰霍普金斯麻醉科的文章，该文章也是发现了长时间使用异氟烷引起了髓鞘发育损伤，再次验证了全身麻醉药的髓鞘发育毒性。同样也是2019年8月，Ann Clin Transl Neurol发表了熊利泽教授文章，发现了老年鼠术后血清叶酸水平的降低以及叶酸可能是治疗老年术后认知功能障碍的潜在药物，两篇文章先后揭示了叶酸在全身麻醉药引起认知功能障碍中的治疗作用。

值得注意的是，姜虹教授和张磊教授关于全身麻醉药的髓鞘发育毒性的原创性文章和MASK研究的二次分析提出多次麻醉会引起一部分患儿的精细运动和运动协调能力的损伤文章均是2019年5月份发表。两篇文章提示了全身麻醉药的髓鞘发育毒性可能在其引起的精细运动损伤的机制上存在可能。2019年6月，就全身麻醉药对于儿童髓鞘发育的影响的临床研究再次发表在了顶级杂志JAMA Oncology上。该研究发现全身麻醉药暴露剂量越大，麻醉累计时间越长，胼胝体白质完整性越差，这与观察到的神经认知功能损害相关。表明全身麻醉药等可能影响大脑半球间的白质连接，破坏神经元之间的有效沟通，导致处理速度和注意力受损。之后的基础研究也发现了全身麻醉药对孕鼠子代也存在髓鞘发育毒性。2021年，British Journal of Anaesthesia发表了幼年猕猴多次在全身麻醉药镇静下进行磁共振扫描后，其后续神经发育过程中出现了脑白质微细结构的改变。这几项研究相互呼应，提示了全身麻醉药髓鞘发育毒性基础研究和临床现象的相关性，揭示全身麻醉药可能会影响少突胶质细胞-髓鞘-脑白质的神经发育过程以及全身麻醉药的髓鞘发育毒性机制可能是全身麻醉药引起精细运动损伤的基础研究热点。

（张磊　姜虹）

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