杨黎黎综述 李树清审校

乌拉坦麻醉动物的病理生理学作用*

杨黎黎综述 李树清审校

乌拉坦(U rethane)又名氨基甲酸乙脂,分子式NH2COOCH2CH3,为无色结晶体或白色粉末。是一种具有悠久历史的动物麻醉剂。乌拉坦最初被发现于西方酒类酿造发酵过程中,作为一种食品生产过程中的产物,经提取后,广泛使用于化工制造业,人们可以在杀虫剂、纺织品、化妆品中广泛接触到乌拉坦。上世纪50～60年代,发现长期饮用酿造酒人群,罹患肺腺瘤和肺腺癌的比例较不饮酒者高出许多倍,此后对乌拉坦的化学性质及其作用的研究才开始受到重视。近年,乌拉坦的致癌作用受到广泛的关注。

1 乌拉坦的麻醉机理和溶血作用

1.1 乌拉坦的麻醉机理

在乌拉坦的众多用途中,最为常用的是麻醉。作为一种具有悠久历史的动物麻醉药,过去普遍认为其麻醉速度快、过程平稳,对动物的呼吸循环无明显影响而被广泛应用于急性动物实验,尤其适用于家兔、大鼠等小动物。

研究表明,麻醉药物的作用机制主要为非特异性作用,主要影响细胞膜功能,如一些高脂溶性全身麻醉药品在体内可引起膜膨胀,并使膜脂质分子排列紊乱,流动度增加,干扰膜传导冲动而产生全身麻醉[1];其次是通过改变多种受体和通道功能,抑制兴奋性突触传递或加强抑制性突触传递[γ-氨基丁酸(GABA)受体是主要位点[2],盐碱乙酰胆碱受体和N-甲基-D-天冬氨酸(NM DA)谷氨酸受体[3]对钠通道也有调控作用[4]],从而降低细胞膜兴奋性,达到麻醉目的。

近年来对乌拉坦的麻醉机制研究有了新进展[5]。2002年,Hara等[6]研究乌拉坦对爪蟾卵母细胞的配体门控通道作用,提出乌拉坦可能的麻醉机制不是惰性的,而是剂量依赖性加强抑制性受体电流,包括GABA受体和甘氨酸受体,不仅加强乙酰胆碱(Ach)受体功能,并抑制兴奋性受体NMDA和a-氨基羟甲基恶唑丙酸(AMPA),而乌拉坦(300 mmo l/L)自身对以上受体均不产生电流。与那些只对一种系统有选择性的麻醉剂(如氯胺酮与NMDA受体,异丙酚与GABAA受体)相比,乌拉坦引起的变化幅度较小,离子通道作用谱较广,因而认为乌拉坦是一种对多通道产生作用的麻醉剂。2008年雷霆等[7]在对海马CA1区神经元电压门控通道研究后发现,乌拉坦在10mmo l/L浓度下,能提高神经元的阈电位,降低兴奋性,延长钠通道失活后恢复时间,并降低动作电位幅度。这些结果说明乌拉坦对钠电流和动作电位均有明显抑制,也证明乌拉坦不但对配体门控通道有作用,也对电压门控通道有明显作用。

1.2 乌拉坦的溶血作用

有研究者反复观察到乌拉坦麻醉动物的血清呈红色,怀疑乌拉坦引发溶血现象,于是采用不同品种的大鼠和家兔,并通过不同给药途径来验证。他们分别经大鼠尾静脉、兔耳缘静脉和腹腔给予乌拉坦,并用戊巴比妥钠作对照,瑞氏染色观察红细胞形态,或离心观察血清颜色。结果显示乌拉坦直接注射的以上动物都发生了溶血,而腹腔注射兔无此现象,说明乌拉坦溶血与动物种类无关,而与给药途径有关,且少量静脉注射即产生溶血[8]。分析这种结果可能与乌拉坦中含有的某种毒性成分对红细胞膜具有损伤作用,经腹腔注射动物,这种毒性物质可能被过滤而未能吸收入血,所以未见溶血现象。但其机制尚不确切[9]。

2 乌拉坦的致癌作用

2.1 癌瘤类型和表现

国外报道野生大鼠肺腺癌和肺腺瘤的发病率为3%左右,而给予乌拉坦投喂或注射处理过的大鼠,发病率可达到50%以上。目前利用乌拉坦制备鼠肺癌模型的方法已经比较成熟,一般采用在食物中添加或注射乌拉坦 2～3周,18～27周可成模观察。但剂量与癌症发病率的关系尚不明确[10～12]。

研究表明,ras基因与乌拉坦的致癌作用有一定的关联。原癌基因ras家族是一组编码的异三聚体G-蛋白,ras基因的激活可导致P21蛋白过度表达,促使细胞异常增殖[13、14],导致人类和其他动物罹患肿瘤[15～16]。2005年Ozaki[17]等人运用转基因大鼠进行试验,再次证明ras基因在乌拉坦致癌效应中重要作用。其使用CB6F1大鼠(携带人 C-Has-ras gene原型的大鼠)给予500ppm乌拉坦加入水中喂养3周,26周后观察大鼠肺腺癌的发病率为53%,肺腺瘤的发病率为100%,肝紫癜的发病率为6.7%,肝血管瘤的发病率为6.7%,新生幼鼠肺腺瘤的发病率也高达67%。由于CB6F1大鼠来源于BALB/C大鼠,于是使用同一种方法处理后,BALB/C大鼠肺腺瘤的发病率也高达93%。有学者对乌拉坦诱导的肺肿瘤模型动物进行免疫组化检查后发现,镜下肿瘤组织中血管数量增多,中性粒细胞和巨噬细胞增多。

2.2 致癌的可能机制

上世纪70年代,国外有关于乌拉坦可以通过N-羟基化作用导致人或动物罹患癌症的报道。起初一些学者认为乌拉坦进入人体后,95%以上的摄入量是通过酯酶水解通路活化代谢的。1978年Dahl等人[18～19]又提出乌拉坦致癌的生物代谢的一种新途径,认为乌拉坦在人体内被细胞色素P450氧化,成为氨基甲酸酯,后者与人体DNA相互作用生成亚乙烯基DNA(Etheno-Type DNA)复合物,导致肿瘤的发生。并且认为这条途径才是真正的主要代谢途径。

近来,人们普遍认为肿瘤的发生与原癌基因被激活和抑癌基因的被抑制有很大的关系,而在乌拉坦致癌的机制的研究中,除以上提到的对原癌基因ras家族的研究外,抑癌基因P53也发挥一定的作用。人P53为一个由393个氨基酸组成的核蛋白,结构上可分为NH+端的反式激活域,中间的DNA结合域及COO-端的四聚体聚合域及调节域[20]。正常条件下,P53活性很低,当机体遇到各种引起DNA损伤后P53被激活,活化的P53为具有活性的转录因子,其通过结合到下游靶基因基因调控区一特异的DNA序列上调控该基因的表达。这些靶基因包括调控细胞周期、凋亡、分化、DNA修复、血管再生、氧化应激、化学趋化、免疫监控等方面的基因[21]。当细胞受到毒性损伤时,P53则聚积阻止细胞增殖,启动并参与DNA修复,若修复失败则通过细胞内外两条途径启动细胞凋亡机制使细胞凋亡,阻止该损伤下传给子代细胞而保持基因组的稳定性[22]。因此,其被誉为基因组的守护神或分子警察I。目前认为:P53活性的调控主要在转录后水平[17]。现已发现3种转录后修饰,即磷酸化、乙酰化和泛素化。磷酸化被认为通过破坏P53与其负性调节蛋白M DM 2之间的相互作用而使P53稳定。乙酰化和泛素化在P53调控中的作用仍在研究中。这些调控环节中任何一个环节出现问题都无法激活P53,也无法完成应答,从而导致肿瘤的发生[20]。有研究者使用一种杂合体大鼠,在敲除ras基因的同时植入P53基因,进行乌拉坦致癌作用的研究,结果发现该种大鼠肺肿瘤的发生比例比单独敲除ras基因的大鼠和单独植入 P53基因大鼠的发病率均有明显降低[23]。目前大多数专家的认为乌拉坦为一种基因致癌物质[24]。近来,有人将研究方向聚焦于乙醇对乌拉坦水解代谢所具有的抑制效应,以寻求新的肿瘤防治方法。

3 乌拉坦导致的高血糖及可能的机制

3.1 乌拉坦导致的高血糖反应

研究表明[25～26],将乌拉坦腹腔注射(750mg/Kg)和皮下注射(750mg/Kg)两种途径注入大鼠体内,于给药前、给药后20、50、80、140和 200m in采血测定血糖水平。结果对照组大鼠在整个实验过程中,血糖值无显著变化,给予乌拉坦后50min血糖水平显著升高,140min达峰值,与对照组相比升高了211%,200m in时仍升高了186%。说明乌拉坦可显著升高实验动物的血糖水平。

3.2 乌拉坦导致动物高血糖的可能机制

有报道,乌拉坦导致家兔和大鼠高血糖反应可能与儿茶酚胺释放增加有关[27～28],因为有实验表明[26],这种诱发高血糖作用可被育亨宾、利血平、肾上腺摘除术所阻断。其机制可能为:肾上腺素增强磷酸化酶活性,加速糖原分解,使血糖水平升高;外源性肾上腺素尚可激动胰岛β细胞的α受体,抑制胰岛素分泌[27]。在四氧嘧啶诱发高血糖大鼠,皮下注射胰岛素(4.5IU/kg)后,血糖显著降低,但是,联合使用乌拉坦时,降血糖作用丧失。即乌拉坦有显著对抗外源性胰岛素的降血糖作用[25]。其可能的机制是乌拉坦破坏胰岛β细胞,使胰岛素合成及分泌功能丧失,,因而血糖水平显著升高。最近有报道[26],麻醉剂量下,不同的给药途径即腹腔注射和静脉注射后,腹腔注射乌拉坦所致的血糖水平升高明显强于同等剂量静脉注射乌拉坦的升高血糖作用,提示乌拉坦腹腔给药时亦可能通过局部刺激作用加剧动物的高血糖反应。

4 乌拉坦对心血管系统的作用

4.1 对血液流变性的影响

血液流变学是研究有关血液的变形性与流动性的科学,包括宏观血液流变学和微观血液流变学。前者包括血液粘度、血浆粘度、血沉、血液及管壁应力分布;后者包括红细胞聚集性、红细胞变形性、血小板聚集性、血小板粘附性等血液粘度受温度、红细胞比容(HCT)以及红细胞聚集性、变形性等,其中HCT是影响血液粘度最重要的因素,各种切变率下,血液粘度都随HCT增大而增大。研究证实[8],静脉注入乌拉坦后红细胞破坏,HCT减小,全血粘度下降,即乌拉坦的溶血作用可明显影响全血粘度的改变。

4.2 对心血管的影响

有研究者利用对比研究方法,比较α-2氯醛糖、乌拉坦和戊巴比妥钠对大鼠血压的抑制作用。采用事先插好动、静脉导管的自由活动大鼠,在静脉注射这3种麻醉药前后分别通过静脉注入去氧肾上腺素测定压力反射敏感性。结果显示大鼠血压急剧降低,但很快恢复至基础值,降压时间为25±10s;表明乌拉坦对血压只有一过性降低作用,而对心率无显著影响[7]。对血压和心率的影响与剂量、给药途径和种属均有关,如腹腔注射乌拉坦(114g/Kg)对大鼠的血压和心率均无影响,而肌肉注射乌拉坦(116g/Kg)可降低血压。能阻断自主神经系统的药物如阿托品、六烃季铵、普萘洛尔及酚妥拉明均能显著影响乌拉坦麻醉动物的血压、心率、心肌收缩力。表明在乌拉坦麻醉状态下,交感神经系统和副交感神经系统对于维持心血管活动仍起张力性作用。因此多数学者认为乌拉坦较其它麻醉药对各种心血管反射有更好的保护作用[15]。但是,此作用可能掩盖心血管药物对心肌的基础药理反应,而不利于科学判断研究结果。

5 结语

目前,乌拉坦由于价廉易得,在动物实验麻醉方面的作用仍然十分广泛。乌拉坦在动物麻醉后还可引起一些其它的作用,如在内毒素休克模型中可使实验大鼠血压升高,改善骨骼肌微循环,减低大鼠死亡率。还有在常规剂量下即可使脑温维持在28～30℃,可以保护大脑的神经元[30]等。这些研究结果表明,对乌拉坦麻醉后动物各项生理指标影响的观察,有利于在动物实验前科学的选择麻醉剂,有利于规避不利影响因素对实验的干扰,增加实验数据的准确性、科学性。随着对乌拉坦的病理生理学作用机制研究的逐渐深入,科学选用麻醉剂的效果或意义将在未来提高教学科研成果水平的实践中得到充分的展现。

本文第一作者简介:

杨黎黎(1981～ ),女,汉族,硕士研究生

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