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毒性：在大鼠海馬CA3區呼吸鏈復合體II抑制的證據

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

《毒理學檔案》，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，但也影響其他神經元受體和電壓門控離子通道。除了對神經傳遞的直接作用，丙泊酚可能通過損害神經元線粒體功能導致神經毒性和術后腦功能障礙。研究結合氧測量、電生理學和黃素腺嘌呤二核苷酸（FAD）成像與計算模型，發現高濃度丙泊酚（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合體II（cxII）來解釋。這表明丙泊酚可能通過影響神經元能量代謝導致神經毒性。

 

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神經毒性，以及這種作用在不同神經元活動狀態（如基礎活動和伽馬振蕩）下的表現。

 

研究思路：

研究思路是使用大鼠海馬CA3區切片作為模型，結合多種實驗方法：包括氧分壓測量（使用丹麥Unisense電極）、電生理記錄（場電位和細胞外鉀濃度）、FAD自發熒光成像，以及計算模型模擬。研究在不同活動狀態下（如基礎活動、刺激誘導瞬變和伽馬振蕩）測試丙泊酚的作用，并通過藥理學阻斷（如GABA能和谷氨酸能傳輸）區分直接代謝效應與突觸效應。計算模型用于識別丙泊酚在線粒體氧化磷酸化中的具體分子靶點。

 

測量的數據及研究意義：

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

 

2. 數據：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釋放概率，這間接減少能量需求。來源：圖1。

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

 

 

4. 數據：細胞外鉀濃度（[K+]o）瞬變和恢復半衰期。研究意義：丙泊酚延長鉀恢復時間，表明ATP依賴過程受損，支持能量代謝障礙。來源：圖2。

 

5. 數據：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知相關網絡活動。來源：圖5。

 

 

結論：

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

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

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

4. 計算模型與實驗數據結合，證實FAD氧化偏移是復合體II抑制的敏感標志，可用于評估麻醉劑毒性。

 

使用丹麥Unisense電極測量數據的研究意義：

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-擴散模型計算腦氧代謝率（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。結合深度剖面，可以區分氧供應和消耗的影響，驗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缺氧。這種電極的高空間分辨率（10μm尖端）允許精確監測切片不同深度的氧動態，為理解麻醉劑在微環境中的效應提供了關鍵數據，有助于揭示丙泊酚神經毒性的機制，特別是在能量需求高的網絡活動中。