Possible neurotoxicity of the anesthetic propofol: evidence for the inhibition of complex II of the respiratory chain in area CA3 of rat hippocampal slices

麻醉劑丙泊酚可能的神經(jīng)毒性：在大鼠海馬CA3區(qū)呼吸鏈復(fù)合體II抑制的證據(jù)

來源：Archives of Toxicology, Volume 92, 2018, pages 3191-3205

《毒理學(xué)檔案》，第92卷，2018年，頁碼3191-3205

 

摘要：

這篇論文摘要闡述了丙泊酚作為最常用的靜脈麻醉劑，主要通過GABA_A受體起作用，但也影響其他神經(jīng)元受體和電壓門控離子通道。除了對神經(jīng)傳遞的直接作用，丙泊酚可能通過損害神經(jīng)元線粒體功能導(dǎo)致神經(jīng)毒性和術(shù)后腦功能障礙。研究結(jié)合氧測量、電生理學(xué)和黃素腺嘌呤二核苷酸（FAD）成像與計(jì)算模型，發(fā)現(xiàn)高濃度丙泊酚（100μM）顯著降低海馬切片的群體峰電位、配對脈沖比、腦氧代謝率（CMRO2）、伽馬振蕩頻率和功率，并增加FAD氧化。模型模擬表明，這些變化可通過丙泊酚直接抑制呼吸鏈復(fù)合體II（cxII）來解釋。這表明丙泊酚可能通過影響神經(jīng)元能量代謝導(dǎo)致神經(jīng)毒性。

 

研究目的：

研究目的是評估丙泊酚對線粒體的直接影響，并表征其對神經(jīng)元功能的潛在后果，特別是探討丙泊酚是否通過抑制線粒體能量代謝引發(fā)神經(jīng)毒性，以及這種作用在不同神經(jīng)元活動(dòng)狀態(tài)（如基礎(chǔ)活動(dòng)和伽馬振蕩）下的表現(xiàn)。

 

研究思路：

研究思路是使用大鼠海馬CA3區(qū)切片作為模型，結(jié)合多種實(shí)驗(yàn)方法：包括氧分壓測量（使用丹麥Unisense電極）、電生理記錄（場電位和細(xì)胞外鉀濃度）、FAD自發(fā)熒光成像，以及計(jì)算模型模擬。研究在不同活動(dòng)狀態(tài)下（如基礎(chǔ)活動(dòng)、刺激誘導(dǎo)瞬變和伽馬振蕩）測試丙泊酚的作用，并通過藥理學(xué)阻斷（如GABA能和谷氨酸能傳輸）區(qū)分直接代謝效應(yīng)與突觸效應(yīng)。計(jì)算模型用于識(shí)別丙泊酚在線粒體氧化磷酸化中的具體分子靶點(diǎn)。

 

測量的數(shù)據(jù)及研究意義：

1. 數(shù)據(jù)：腦氧代謝率（CMRO2）從氧分壓深度剖面計(jì)算得出。研究意義：顯示丙泊酚（100μM）顯著降低CMRO2，表明其抑制神經(jīng)元氧化能量代謝，這可能是神經(jīng)毒性的基礎(chǔ)。來源：圖1。

 

2. 數(shù)據(jù)：群體峰電位（PS）和配對脈沖比（PPR）在電刺激下測量。研究意義：丙泊酚（100μM）降低正交峰電位和PPR，表明其抑制突觸傳遞和遞質(zhì)釋放概率，這間接減少能量需求。來源：圖1。

3. 數(shù)據(jù)：FAD自發(fā)熒光基線變化和刺激誘導(dǎo)瞬變。研究意義：丙泊酚（100μM）引起FAD氧化偏移，計(jì)算模型模擬表明這符合復(fù)合體II抑制，而非其他呼吸鏈復(fù)合體，從而直接證實(shí)丙泊酚對線粒體能量代謝的靶向作用。來源：圖2。

 

 

4. 數(shù)據(jù)：細(xì)胞外鉀濃度（[K+]o）瞬變和恢復(fù)半衰期。研究意義：丙泊酚延長鉀恢復(fù)時(shí)間，表明ATP依賴過程受損，支持能量代謝障礙。來源：圖2。

 

5. 數(shù)據(jù)：伽馬振蕩的功率和頻率。研究意義：低濃度丙泊酚（10μM）增加功率和降低頻率，而高濃度（100μM）抑制振蕩，表明丙泊酚在麻醉深度下可能損害認(rèn)知相關(guān)網(wǎng)絡(luò)活動(dòng)。來源：圖5。

 

 

結(jié)論：

1. 丙泊酚在高濃度（100μM）下通過抑制呼吸鏈復(fù)合體II直接損害神經(jīng)元能量代謝，導(dǎo)致線粒體功能障磔。

2. 丙泊酚還通過抑制突觸傳遞和遞質(zhì)釋放概率間接降低能量需求，但直接代謝效應(yīng)是神經(jīng)毒性的關(guān)鍵因素。

3. 在伽馬振蕩等高能量需求狀態(tài)下，丙泊酚的代謝抑制可能限制神經(jīng)元功能，與術(shù)后腦功能障礙（如譫妄）相關(guān)。

4. 計(jì)算模型與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)合，證實(shí)FAD氧化偏移是復(fù)合體II抑制的敏感標(biāo)志，可用于評估麻醉劑毒性。

 

使用丹麥Unisense電極測量數(shù)據(jù)的研究意義：

丹麥Unisense電極用于測量海馬切片中的氧分壓（pO2）深度剖面，通過反應(yīng)-擴(kuò)散模型計(jì)算腦氧代謝率（CMRO2）。這種測量方法的意義在于直接量化組織氧梯度，反映神經(jīng)元氧化代謝活性。在研究中，pO2測量顯示丙泊酚處理后CMRO2降低，表明能量消耗受抑制。結(jié)合深度剖面，可以區(qū)分氧供應(yīng)和消耗的影響，驗(yàn)證丙泊酚對線粒體呼吸的直接作用。例如，圖1顯示pO2剖面變化，丙泊酚處理下氧消耗減少，但氧基線升高，表明代謝抑制而非單純?nèi)毖酢＿@種電極的高空間分辨率（10μm尖端）允許精確監(jiān)測切片不同深度的氧動(dòng)態(tài)，為理解麻醉劑在微環(huán)境中的效應(yīng)提供了關(guān)鍵數(shù)據(jù)，有助于揭示丙泊酚神經(jīng)毒性的機(jī)制，特別是在能量需求高的網(wǎng)絡(luò)活動(dòng)中。