食欲素與全身麻醉機制的關(guān)系

【摘要】 本文通過(guò)對食欲素及其受體的結構、分布和相關(guān)調控作用的介紹，列舉了食欲素的主要作用，包括調控攝食、飲水行為，參與睡眠覺(jué)醒周期、能量代謝，以及對自主神經(jīng)系統的調節等，并根據目前關(guān)于食欲素與全身麻醉機制的相關(guān)研究結果，進(jìn)行了深入討論。

【關(guān)鍵詞】 食欲素；食欲素受體；全身麻醉

［Abstract］ In this view，we introduce the structure and distribution of orexin and its receptors，and those factors involved in modulating the effects of orexin and its receptors.The main effects of influences that orexin on feeding behavior，sleep/wakefulness states，emotion，reward，and energy homeostasis and autonomic nervous system are discussed and the mechanisms by which orexin regulates general anaesthesia are also focused on.

［Key words］ orexins；orexins receptor；general anaesthesia

1999年，日本學(xué)者Yanigasawa領(lǐng)導的研究小組在尋找腦內與孤兒G（orphan G）蛋白受體相結合的配基時(shí)發(fā)現了兩種由下丘腦外側區（lateral hypothalamic area，LHA）合成和分泌的具有促進(jìn)攝食作用的小分子神經(jīng)多肽，命名為食欲素A（orexin A，OXA）和食欲素B（orexin B，OXB）。食欲素是與orphan G蛋白質(zhì)共軛受體的配體，中文譯名有食欲肽、增食欲素、胖素、阿立新素、增食因子等。近幾年的研究表明，食欲素不僅有能促進(jìn)攝食等控制攝食行為的作用，還參與調節睡眠覺(jué)醒周期、能量代謝、以及對心血管及自主神經(jīng)系統的調節等作用。2008年Kelz的研究小組發(fā)現食欲素參與全身麻醉的蘇醒機制，因此有關(guān)食欲素與全身麻醉的關(guān)系也受到了廣泛的關(guān)注。本文旨在綜述食欲素及其受體的功能與特點(diǎn)，以及它們與全身麻醉之間關(guān)系的研究進(jìn)展。

1 食欲素及其受體

1.1 前食欲素原和食欲素 人類(lèi)食欲素A和食欲素B由前食欲素原在蛋白酶的作用下水解而來(lái)。人類(lèi)前食欲素原為一具有131個(gè)氨基酸殘基的蛋白質(zhì)，基本分為3段：起始的33個(gè)氨基酸殘基為信號肽；隨后的以34位谷氨酸Gln為起始、67位甘氨酸Gly為結尾的是食欲素A片段；第3個(gè)片段是Orexin B，以69位精氨酸Arg開(kāi)頭、96位蛋氨酸Met結尾，隨后連接Gly-Arg-Arg作為前食欲素原的結尾。在信號肽與食欲素A片段之間，33位丙氨酸Ala33-34位谷氨酸Gln為最可能的信號肽分裂位點(diǎn)，通過(guò)轉氨基作用N-端環(huán)化成焦谷氨酸殘基，形成成熟的食欲素A片段。A片段與B片段之間由68位賴(lài)氨酸Lys-69位精氨酸Arg組成前激素轉化酶的識別位點(diǎn)，以此分割出成熟的食欲素B片段。人類(lèi)和大鼠的前食欲素原的完全一致程度為83%，而小鼠和大鼠的前食欲素原的完全一致程度為95%［1］。

1.2 前食欲素原基因 目前，對人類(lèi)和大鼠的前食欲素原的基因測序已經(jīng)全部完成。人類(lèi)的前食欲素原基因共有1432bp，包含2個(gè)由1個(gè)內含子所分隔的外顯子。其中第1個(gè)外顯子長(cháng)143bp，包括5’-端非翻譯區和編碼前食欲素原起始信號肽中前7個(gè)氨基酸殘基的信號序列；第2個(gè)外顯子長(cháng)473bp，包括前食欲素原起始信號肽中8-33個(gè)氨基酸殘基和前Orexin原剩余片段的編碼區和3’-端非翻譯區。

1.3 食欲素受體 人類(lèi)食欲素受體（OXR）分為OX1R和OX2R兩種，其基因有7個(gè)外顯子。人類(lèi)兩種食欲素受體的mRNA分別有1 564個(gè)堿基和1 843個(gè)堿基，分別翻譯425和444個(gè)氨基酸。大鼠的食欲素受體mRNA分別有2 469個(gè)堿基和3 114個(gè)堿基，分別翻譯416和460個(gè)氨基酸。食欲素受體基因是高度保守的。人類(lèi)兩種食欲素受體的氨基酸序列有64%是一致的。人類(lèi)和大鼠的OX1R、OX2R分別有94%和95%的一致性。人類(lèi)食欲素A和食欲素B都可以激活OX1R，但前者親和力更強，食欲素A與OX1R結合時(shí)親和力比食欲素B大100~1 000倍；而與OX2R結合時(shí)，兩者親和力相當。

2 食欲素及其受體的分布

食欲素最早是在下丘腦外側區（lateral hypothalamic area，LHA）被發(fā)現的。食欲素能神經(jīng)元的胞體呈對稱(chēng)性，不連續地分布在下丘腦背側、外側、后側及穹隆周區。在多種哺乳動(dòng)物（包括人、大鼠、小鼠、貓）的中樞神經(jīng)系統內，合成食欲素的神經(jīng)元胞體主要位于LHA。用放免法分析食欲素A和食欲素B時(shí)，發(fā)現食欲素大量分布在下丘腦、延髓、腦橋和中腦；大腦皮層也含食欲素［2］；腎臟和甲狀腺中有少量OX1 mRNA表達；肺中有少量OX2 mRNA表達，而脂肪組織無(wú)食欲素分布。Northern印跡分析顯示，在人的丘腦前食欲素原的mRNA含量豐富，但其他區域如下丘腦尚未檢測到。人類(lèi)前食欲素原mRNA在心臟、胎盤(pán)、肺、肝、腎、骨骼肌和胰腺等均未發(fā)現［3］，但前食欲素原mRNA在睪丸和腎上腺組織中有少量表達。OX1R和OX2R幾乎僅存在于腦組織中［3］，它們在腦中的分布有顯著(zhù)差異。在下丘腦腹內側核中，OX1R mRNA含量最高，而室旁核則以OX2R mRNA為主。OX1R mRNA在海馬結構、中縫背核和藍斑區含量都較高，OX2R mRNA則主要分布在大腦皮層、底丘腦、丘腦室旁核和視前核中。人類(lèi)OX1R與OX2R還分布于腎上腺，OX1R 分布于腎上腺皮質(zhì)（包括球狀帶、束狀帶、網(wǎng)狀帶），而OX2R則分布于髓質(zhì)（含腎上腺素能和去甲腎上腺素能細胞）［4］。

3 食欲素的調控機制

當食欲素作用于食欲素受體時(shí)，一方面直接激活G蛋白耦聯(lián)的鈣通道，引起鈣通道開(kāi)放，Ca2+內流；另一方面激活G蛋白耦聯(lián)的磷脂酶C，磷脂酶C水解4，5-二磷酸酯酰肌醇（P1P2）和1，4，5-三磷酸肌醇（IP3），IP3激活I(lǐng)P3受體，從而引起鈣庫釋放Ca2+使細胞內Ca2+升高，激活鈣調信號系統，從而引發(fā)一系列生理生化反應。

目前的研究表明，食欲素的調控與睡眠和營(yíng)養水平以及環(huán)境因素等有關(guān)。Yoshida等研究發(fā)現，4 h的急性光照并不影響大鼠下丘腦外側食欲素的表達量，但6 h的睡眠剝奪卻顯著(zhù)增加食欲素釋放量［5］。Mondal等觀(guān)察到禁食48 h后，與對照組比較，大鼠下丘腦外側食欲素A和食欲素B的含量上升，而腦內其他部位卻有明顯的下降［6］。在大鼠腹膜注射胰島素降低血糖濃度后，可觀(guān)察到食欲素的表達水平上升;提示血糖濃度可能是激活食欲素表達的直接信號［7］。也有學(xué)者使用Northern印跡后發(fā)現，禁水48 h后，下丘腦前食欲素原mRNA上調1.6倍，血漿滲透壓也顯著(zhù)升高。此外有報道顯示，隨著(zhù)低氧時(shí)間的延長(cháng)和海拔高度的升高，動(dòng)物每天總的攝食量逐漸降低;食欲素A mRNA和食欲素B mRNA的表達均減弱。

4 食欲素的作用

4.1 調控攝食、飲水行為 食欲素最早是在下丘腦外側區（lateral hypothalamic area，LHA）這個(gè)攝食中樞被發(fā)現的。大量動(dòng)物實(shí)驗表明，在該區域注射食欲素可引起劑量依賴(lài)性的攝食增加。注射食欲素A或食欲素B引起的攝食效應有所不同。給雄性大鼠側腦室快速注射3 nmol和30 nmol的食欲素A，可使進(jìn)食量分別上升6倍和10倍，持續4 h；而注射3 nmol和30 nmol的食欲素B可使進(jìn)食量分別上升5倍和12倍，但僅持續2 h［8］。有動(dòng)物實(shí)驗顯示，在小鼠腦內注射食欲素A（1～10 nmol）只能促進(jìn)消瘦小鼠進(jìn)食，但對肥胖小鼠沒(méi)有促進(jìn)食欲的作用［9］。最近有研究發(fā)現，在左側腦室注射食欲素A并不能引起老年大鼠攝食增加。這可能與老年大鼠視丘下部OX1R含量較年輕大鼠減少有關(guān)。同樣，在下丘腦外側區注射食欲素也可引起劑量依賴(lài)性的飲水增加。注射食欲素A比食欲素B的作用更強，提示其作用機制可能需通過(guò)OX1R。

4.2 調節睡眠覺(jué)醒周期 下丘腦外側區（LHA）的食欲素神經(jīng)元與下丘腦腹外側視前區的GABA能神經(jīng)元都是調控睡眠覺(jué)醒周期的重要神經(jīng)元，而食欲素及其受體在調節睡眠覺(jué)醒周期中具有獨特的作用。缺乏食欲素會(huì )導致人類(lèi)嗜睡癥。缺乏食欲素的小鼠也與人類(lèi)嗜睡癥患者表現相似，表現為嗜睡和突發(fā)暈厥。嗜睡癥患者會(huì )直接從清醒狀態(tài)進(jìn)入快速動(dòng)眼睡眠周期（REM sleep）［10］，而正常人群入睡時(shí)首先進(jìn)入的是非快速動(dòng)眼睡眠周期（non-REM sleep）；OX2R和前食欲素A原基因變異均可導致嗜睡狀態(tài)的發(fā)生。有動(dòng)物實(shí)驗表明，在藍斑區域局部注射食欲素A可以抑制快速動(dòng)眼睡眠周期，減少48%的非快速動(dòng)眼睡眠周期，增加70%的覺(jué)醒率，同時(shí)還增加c-fos在下丘腦外側區、前區、室旁核、弓狀核處和杏仁中央核等處的高度表達［11］。此外有研究者在用電壓鉗記錄突觸后電位時(shí)發(fā)現，當下丘腦外側區有大量含食欲素的囊泡聚集在突觸末梢時(shí)，可增加軸突γ-GABA的含量，從而間接參與睡眠覺(jué)醒周期的調控［12］。在對人類(lèi)原發(fā)性發(fā)作性睡病患者，特別是對人類(lèi)白細胞抗原HLA DQB1*0602缺乏基因遺傳病患者的大腦進(jìn)行解剖研究時(shí)發(fā)現，在下丘腦外側區等處本該是食欲素密集表達的區域，食欲素表達大量減少、甚至消失；或者是神經(jīng)膠質(zhì)再生，阻斷了食欲素纖維投射；同時(shí)發(fā)現在膽堿能神經(jīng)元系統和大腦其他部位食欲素神經(jīng)元胞體數量也低于正常水平的現象。

4.3 能量代謝及其他 食欲素除了可以調控攝食、飲水行為和調節睡眠覺(jué)醒周期外，還參與能量代謝，以及心血管功能、性行為和生殖功能的調控，控制體溫和參與運動(dòng)調節。有研究者在小鼠腦內注射OXA，結果只能促進(jìn)消瘦小鼠進(jìn)食，對肥胖小鼠沒(méi)有促進(jìn)食欲作用，但可顯著(zhù)增加其能量代謝率，并促進(jìn)脂肪利用［9］。這提示食欲素對機體的能量平衡具有調節作用。在大鼠腦室注入食欲素后，可引起血壓升高、心率增快、腎交感神經(jīng)緊張性升高等現象［13］，提示食欲素有心血管系統作用。還有動(dòng)物實(shí)驗發(fā)現，卵巢切除的大鼠用雌二醇苯甲酸和黃體酮預處理后，腦室內注射食欲素A或食欲素B均可以劑量依賴(lài)的方式快速刺激黃體生成素LH分泌。但兩種食欲素均抑制切除卵巢后非預處理大鼠LH的分泌。這項結果提示，食欲素在下丘腦水平通過(guò)促性腺激素釋放激素GRH神經(jīng)元而降低黃體生成素LH的脈沖分泌。此外還有研究表明，食欲素神經(jīng)元在覺(jué)醒系統的配合下可不依賴(lài)外周生熱作用來(lái)調節體溫。另外也有科學(xué)家在測量大鼠在不同行為（安靜覺(jué)醒、食物剝奪、睡眠剝奪、限食、運動(dòng)）條件下腦脊髓液中所含的食欲素A水平時(shí)發(fā)現，食欲素系統的激活可能與運動(dòng)應激有關(guān)。

5 食欲素與全身麻醉

位于下丘腦外側區（lateral hypothalamic area，LHA）的食欲素神經(jīng)元已被認為是參與調控睡眠覺(jué)醒周期的重要神經(jīng)通路。全身麻醉與睡眠相似，兩者都可以暫時(shí)抑制軀體運動(dòng)和對外界刺激的反應。睡眠剝奪可以導致睡眠時(shí)程的加深，睡眠剝奪也可以導致異氟醚介導的全身麻醉的麻醉程度加深［14］，同時(shí)睡眠剝奪對異氟醚麻醉的影響可以被腺苷受體拮抗劑部分逆轉［15］。全身麻醉與睡眠，尤其是非速動(dòng)眼睡眠周期通常被認為是通過(guò)許多共同的核團參與而產(chǎn)生的作用。麻醉狀態(tài)下的腦電圖與非速動(dòng)眼睡眠周期時(shí)的腦電圖相似［16］。前文提及過(guò)缺乏食欲素會(huì )導致人類(lèi)嗜睡癥，而嗜睡癥患者會(huì )直接從清醒狀態(tài)進(jìn)入快速動(dòng)眼睡眠周期；而現在的普遍觀(guān)點(diǎn)是推測食欲素神經(jīng)元系統是快速動(dòng)眼睡眠周期抑制神經(jīng)元（REM-OFF neuron），通過(guò)單胺能神經(jīng)元發(fā)揮調控作用。有實(shí)驗表明，使用食欲素競爭劑可以導致麻醉深度的降低［17］，而使用食欲素受體1的拮抗劑（SB-334867-A）可以加深麻醉深度［18］。

全身麻醉與睡眠之間的模式圖（圖1）。下丘腦腹外側視前區（VLPO）系統有誘導睡眠的作用，同時(shí)下丘腦外側區的食欲素神經(jīng)元系統則與促進(jìn)、維持清醒狀態(tài)有關(guān)。全身麻醉會(huì )激活下丘腦腹外側視前區系統，同時(shí)抑制維持覺(jué)醒的神經(jīng)通路［19］。

2001年Hirota等報道食欲素A和食欲素B可以引起大鼠腦部去甲腎上腺素的釋放。2003年他們通過(guò)對大鼠腦部組織切片的研究，報道了食欲素神經(jīng)元和阿片類(lèi)神經(jīng)元系統并不存在交互作用。同年，Hirota等展開(kāi)了關(guān)于食欲素和苯巴比妥麻醉的圖1 全身麻醉與睡眠之間關(guān)系模式圖

研究，食欲素A和食欲素B都可不同程度的顯著(zhù)減少戊巴比妥、苯巴比妥和戊硫代巴比妥麻醉的時(shí)間（15%~40%），而食欲素A的拮抗劑SB-334867-A可以通過(guò)抑制去甲腎上腺素的釋放，間接延長(cháng)40%左右的戊硫代巴比妥麻醉時(shí)間，同時(shí)逆轉食欲素A的作用；而對照組的GABA受體競爭劑荷包牡丹堿不能抑制去甲腎上腺素的釋放，從而提示食欲素神經(jīng)元是苯巴比妥類(lèi)藥物麻醉的重要核團，而GABA系統并沒(méi)有參與其中。雖然食欲素神經(jīng)元和alpha2-腎上腺素能神經(jīng)元都參與調控睡眠覺(jué)醒周期，但是2005年Hirota等又通過(guò)對大鼠腦部組織切片的研究發(fā)現，食欲素神經(jīng)元和alpha2-腎上腺素能神經(jīng)元之間也不存在交互作用。由于早先曾報道食欲素參與情感改變和行為調控，Hirota等在2007年研究并報道了苯二氮艸 卓類(lèi)藥物如咪達唑侖等對于食欲素系統的影響，大鼠中樞神經(jīng)系統的苯二氮艸 卓類(lèi)受體與食欲素神經(jīng)元亦沒(méi)有產(chǎn)生相互影響。同年，他們又報道發(fā)現食欲素通過(guò)膽堿能覺(jué)醒系統參與了異氟醚全身麻醉的蘇醒。膽堿能神經(jīng)元主要位于大腦腳被蓋核（PPTg）和背外側被蓋區（LDT），通過(guò)特定的競爭劑和膽堿酯酶抑制劑的作用可以引起大腦皮質(zhì)的活化并參與全身麻醉的蘇醒。在異氟醚麻醉中，腦室內注射微小劑量食欲素A也可通過(guò)食欲素受體1引起乙酰膽堿釋放和腦電圖的覺(jué)醒，同時(shí)電刺激大腦腳被蓋核也可引起相同的現象；而注射食欲素A的拮抗劑SB-334867-A卻是削弱蘇醒反應。以上結果提示，食欲素A可能通過(guò)膽堿能覺(jué)醒通道參與了全麻蘇醒過(guò)程。

為了探究食欲素與全身麻醉之間的關(guān)系，Kelz等用異氟醚和七氟醚誘導成年C57BL/6J大鼠和orexin/ataxin-3大鼠，使用食欲素受體1的拮抗劑（SB-334867-A），通過(guò)遺傳學(xué)和藥理學(xué)方法干擾食欲素神經(jīng)元系統的信號傳導，并使用免疫組化、腦電圖測試和行為學(xué)試驗（翻正反射）等方法，觀(guān)察食欲素與全身麻醉的誘導和蘇醒之間的聯(lián)系。令人驚奇的是，無(wú)論是通過(guò)遺傳學(xué)方法還是藥理學(xué)方法所造成的食欲素系統信號受干擾的大鼠，其異氟醚和七氟醚麻醉的誘導情況基本沒(méi)有出現變化，而這些大鼠的蘇醒時(shí)間卻出現了顯著(zhù)的延遲。在麻醉期間大鼠均沒(méi)有出現暈厥現象，從而排除了這一現象對蘇醒延遲的干擾［20］。異氟醚和七氟醚的麻醉作用影響了食欲素能神經(jīng)元c-fos的表達，但并沒(méi)有涉及相鄰的MCH神經(jīng)元的c-fos活化。在異氟醚和七氟醚麻醉下的大鼠和其他腦電圖檢測下處于非速動(dòng)眼睡眠周期的睡眠狀態(tài)大鼠，其食欲素神經(jīng)元系統c-fos活化程度相似［19］。在異氟醚和七氟醚的全身麻醉過(guò)程中，食欲素神經(jīng)元系統的抑制究竟是吸入性麻醉藥的直接抑制所致還是通過(guò)抑制傳入通路所致，目前還不清楚。吸入性麻醉藥的誘導可能是通過(guò)GABA系統的投射介導的。相比之下，蘇醒過(guò)程則更需要持續穩定的清醒狀態(tài)。從而可以推測，與麻醉誘導相比，蘇醒期需要對食欲素神經(jīng)元系統有更持久的刺激。異氟醚和七氟醚這類(lèi)吸入性麻醉藥對食欲素受體的G耦聯(lián)蛋白可能存在抑制作用，而隨后吸入性麻醉藥對食欲素神經(jīng)元系統的作用則更多地被報道是通過(guò)食欲素A受體的。如果在吸入性麻醉藥的誘導過(guò)程中，食欲素神經(jīng)元的抑制是必不可少的過(guò)程的話(huà)，那么那些通過(guò)遺傳學(xué)原理使食欲素系統信號受干擾的大鼠就應該會(huì )對異氟醚和七氟醚出現高敏反應。而事實(shí)情況是這些有嗜睡癥的大鼠無(wú)論是對異氟醚還是七氟醚都沒(méi)有高敏反應。這些結果提示，吸入性麻醉藥物異氟醚和七氟醚所介導的全身麻醉的誘導與蘇醒過(guò)程，并不是我們既往所想象的鏡像的逆反過(guò)程；食欲素神經(jīng)元系統通過(guò)抑制快速動(dòng)眼睡眠周期參與了其中的蘇醒過(guò)程，而其在全麻蘇醒過(guò)程中的調控方式與作用機制以及吸入性麻醉藥物全麻誘導過(guò)程在神經(jīng)元層面上的機制，仍有待我們進(jìn)一步探討。

6 小結

目前關(guān)于食欲素及其受體研究的主要方向仍然是食欲素調控攝食行為，以及參與調節睡眠覺(jué)醒周期等，關(guān)于食欲素與全身麻醉機制的相關(guān)研究則剛起步。本文集中討論了近階段有關(guān)食欲素與全身麻醉機制的各項研究結果，其中有些觀(guān)點(diǎn)可能尚不成熟，有些實(shí)驗結果還有待進(jìn)一步研究。但無(wú)論如何，現有的結果已提示，食欲素與全身麻醉的作用機制存在著(zhù)某些必然的聯(lián)系。