布比卡因致心肌毒性的机制
2017-06-09 段然，赵森明 实用疼痛学杂志
布比卡因过量或误入血管会引起难以逆转的心脏功能衰竭，肾上腺素等常用抗心力衰竭药物不但不能解除，反而会加重布比卡因引起的心脏功能衰竭。其原因在于过量的布比卡因会引起交感神经系统异常兴奋，而后者加重了布比卡因所致的心脏毒性反应。本文对布比卡因诱发的交感神经系统过度兴奋及其加重心脏毒性的现象与机制综述如下。1.布比卡因对心肌细胞的直接毒性作用布比卡因能够直接作用于心肌细胞，抑制心肌细胞的自律、传导和
布比卡因过量或误入血管会引起难以逆转的心脏功能衰竭，肾上腺素等常用抗心力衰竭药物不但不能解除，反而会加重布比卡因引起的心脏功能衰竭。其原因在于过量的布比卡因会引起交感神经系统异常兴奋，而后者加重了布比卡因所致的心脏毒性反应。本文对布比卡因诱发的交感神经系统过度兴奋及其加重心脏毒性的现象与机制综述如下。
1.布比卡因对心肌细胞的直接毒性作用
布比卡因能够直接作用于心肌细胞，抑制心肌细胞的自律、传导和收缩功能，引起心律失常、心输出量降低，甚至心跳骤停。
由于布比卡因通过阻断钠离子通道而产生麻醉效果，人们曾经将其心脏毒性归结于其对心肌细胞钠离子通道的影响。2014年，Wagner等报道，大鼠经硫喷妥钠（thiopental sodium）100 mg/kg腹腔注射麻醉后采用酶融法分离心肌细胞，使用膜片钳技术观察发现，布比卡因10μM可将大鼠心肌细胞快速钠离子电流（sodium ion current，INa）降低54%，电流密度（current density）由（-42.3±4.3）pApF-1降低为（-19.3±1.9）pApF-1。但是，除钠离子通道外，布比卡因对钾离子通道、氯离子通道，以及钙离子通道也具有强烈的抑制作用。2015年，Liu等以成年雄性SD大鼠为研究对象，在5%水合氯醛（chloral hydrate）7 ml/kg腹腔注射麻醉后采用酶融法分离提取心肌细胞，通过膜片钳技术观察发现，布比卡因100 umol/L可使SD大鼠心肌细胞的钠离子通道电流密度降低为（-2.2±0.6）pApF-1，而对照组为（-8.3±0.9）pApF-1；钾离子通道为（15±3）pApF-1，对照组为（23±5）pApF-1；钙离子通道为（-2.0±0.6）pApF-1，而对照组（-7.8±0.7）pApF-1。上述实验说明，布比卡因能够抑制心肌细胞钠、钾、钙离子通道，从而降低心肌传导功能。
心肌细胞动作电位的产生与传导实质上就是钠、钾、钙、氯等离子通过其离子通道，在细胞膜两侧流动，引起细胞膜两侧电位差改变的过程。心肌细胞动作电位的升支是INa通道开放，细胞外钠离子内流；而其降支则是钾离子通道开放，钾离子向细胞外流动的结果。除此之外，心肌细胞还存在着多种不同性状的钾、钙、氯离子通道，这些离子通道在调节心肌细胞兴奋性与传导机能方面发挥着重要作用，如果这些离子通道的功能出现异常便会导致多种心律失常的发生。
ATP敏感性钾通道（ATP-sensitive potassium channel，KATP）是细胞内的代谢信号感受器，在机体缺血缺氧、代谢毒物、葡萄糖耗竭及运动等应激状态时被活化。心肌KATP通道开放能够缩短动作电位时程，减少钙超载（ca overloading），抑制线粒体膨胀，抑制渗透性转换孔的开放，抑制心肌细胞凋亡与坏死，从而调节机体对外界刺激的适应性。2004年，Kawano等通过质粒转染非洲绿猴肾成纤维细胞，以膜片钳技术观察布比卡因、左布比卡因和罗哌卡因对KATP通道功能的抑制作用。其结果显示，加入1 mM布比卡因、左布比卡因和罗哌卡因后KATP通道开放率分别为正常的（16±8）%，（29±8）%，和（31±7）%。此结果与临床所见布比卡因、左布比卡因、罗哌卡因对心肌细胞的毒性作用依次降低的特性相符合，从而指出布比卡因的心脏毒性与其对KATP通道的阻滞作用有关。
钙离子通道是心肌细胞兴奋一收缩耦联过程中极其重要的离子通道。心肌细胞膜上存在着两种不同钙通道：L型敏感型钙通道（L-type calcium channel，LTCC）和T型敏感型钙通道（T-type calcium channel，TTCC）。L型钙离子通道的开放与关闭依赖于细胞膜电位的改变，被称为电压依赖性通道；心肌细胞去极化时，细胞膜电位降低，诱导L型钙离子通道开放，钙离子进入心肌细胞并诱导肌浆网兰尼碱受体（ryanodine receptor，RYR2）释放更多的钙离子，形成所谓钙诱导的钙释放（Ca induced Ca release）。这些由肌浆网释放的钙离子结合到肌钙蛋白，诱发心肌细胞收缩。此后，钙离子被肌浆网/内质网上的钙离子ATPasc泵（SERCA pump）重新摄取，形成肌肉舒张；至此，完成一次肌肉收缩一舒张。这个过程中的任何一步受到干扰都会影响肌肉收缩的功能。布比卡因对LTCC、RYR2以及肌浆网功能均有显着的抑制作用。
2005年吴辉等以急性酶解法获得豚鼠的单个心室肌细胞，用标准的全细胞膜片钳技术记录LTCC的电流峰值。布比卡因100μmol/L可以将豚鼠心室肌细胞LTCC的电流峰值由（4.3±2.2）pApF-1降低为（2.9±1.4）pApF-1，抑制率达到（42±5）%。Mio等测量布比卡因10μM和100μM作用下心室肌小梁的张力和细胞内钙离子浓度的变化。结果显示，对照组最大张力为（25.24±3.61）kN/m2，10μM布比卡因组为（20.56±3.37）kN/m2，100μM布比卡因组为（15.09±2.89）kN/m2；对照组PCa50（达到最大张力50%时，PCa50=-log[Ca2+]）为5.49±0.02，10μM布比卡因组为（5.42±0.01），100μM布比卡因组为（5.36±0.02）。说明布比卡因作用下心肌细胞收缩力减弱，但细胞内钙离子浓度升高，出现钙离子超载，两者相关性为0.81，提示布比卡因能够降低肌纤维和钙离子结合的敏感性。
Chedid等选用酶解分离的大鼠心室肌细胞，测量其细胞内钙离子浓度，结果显示，左布比卡因10μM使心肌细胞钙离子峰值增加为（155±54）%；钙离子含量增加为（194±94）%。另外，左布比卡因5 mM联合普鲁卡因（procaine）40 mM较单独应用左布比卡因时心肌细胞内钙离子含量下降。因为普鲁卡因是一种RyR2抑制剂，能够抑制钙离子从肌浆网释放，所以该结果提示布比卡因能够通过激动RYR2，从而促进肌浆网的钙离子释放，引起细胞内钙超载。
心肌细胞的收缩是一个耗能过程，布比卡因能够抑制心肌细胞代谢。心脏70%的能量来源于脂肪代谢。脂肪酸（fatty acid）氧化供能是一个复杂的过程，需在心肌细胞质内被脂酰辅酶A合成酶（fatty acylcoA synthetase）催化生成脂酰coA（acyl-coenzyme A），脂酰CoA在线粒体基质内被脂肪酸B氧化酶系催化，进行脱氢、加水，再脱氢，硫解等4步连续反应，脂酰基断裂生成一分子乙酰coA（acetylcoA）和一个比原来少了两个碳原子的脂酰CoA。此4步反应不断重复进行，最终长链脂酰CoA完全裂解成乙酰CoA。乙酰coA进入三羧酸循环最终释放出能量合成ATPI。
由于脂酰CoA进入线粒体必须借助L-肉毒碱转移酶（carnitine acyl tranferase），L-肉毒碱转移酶含量降低将影响心肌细胞的能量代谢。2000年，Weinberg等曾推测布比卡因能够抑制心肌线粒体膜的肉毒碱脂肪酰转移酶，从而阻断脂酰CoA进入线粒体而抑制脂酸氧化供能。此外，布比卡因能够干扰心肌细胞线粒体能量传递。2010年Cela等报道布比卡因1 mM呈可逆性地降低人肝细胞（human hepatoma，HepG2）线粒体呼吸链复合体1（respiratory chain complexes 1）和复合体Ⅲ（respiratory chain complexes III）的活动性，抑制呼吸链电子传递。该作者报道，布比卡因1 mM即能够显着降低线粒体膜电位（mitochondrialtrans membrane potential），而当布比卡因浓度增加为3 mM时线粒体膜电位几乎完全消失。2013年Hiller等报道，豚鼠心肌细胞分别在布比卡因3μg/ml和7.5μg/ml作用下，心肌细胞线粒体呈剂量依赖性肿胀。
2015年Yang等研究称，布比卡因1 mM作用于大鼠心肌细胞（H9C2）后，在非标记性的氧化敏感的荧光探针2’，7’-二氯荧光黄双乙酸盐（DCFH—DA）检测下发现，心肌细胞内ROS含量升高为（127.54±3.68）%，同样提示布比卡因可抑制线粒体功能。
由此可见，布比卡因不但能够通过抑制心肌细胞的离子通道而干扰心肌细胞的兴奋性、自律性与传导功能，而且能够干扰钙离子运动和线粒体代谢而抑制心肌细胞的收缩功能。
2.布比卡因中毒致内源性交感神经系统过度兴奋，从而引起间接心脏毒性
局部麻醉药能够通过中枢神经系统影响心脏功能是临床共识。近年的研究提示，过量布比卡因引起的交感神经系统异常兴奋是其加重心肌毒性的重要病理学机制之一。1981年de Jong等报道，小鼠肌内注射咪达唑仑（midazolam）1 mg/kg或地西泮（diazepam）1 mg/kg15 min后腹腔注射布比卡因，对照组给予相同容量盐水。结果显示，在布比卡因剂量为58.7mg/kg时对照组小鼠的致死率为50%；而咪达唑仑组的致死率是4.5%，地西泮为1.2%。说明咪达唑仑和地西泮可显着提高布比卡因对小鼠的半数致死量。1989年，Bernards等的研究报道，给予清醒且自主呼吸状态下的猪预先静脉注射咪达唑仑.0.06 mg/kg或地西泮0.15 mg/kg，对照组给予相同剂量的盐水，以2 mg·kg-1·min-1的速度静脉注射布比卡因直至出现心脏衰竭。结果显示，咪达唑仑和地西泮能够明显延长布比卡因致心律失常的时间。该作者认为苯二氮卓类（benzodiazepines）药物能够通过自主神经系统的兴奋而增强实验动物耐受布比卡因致心肌毒性的能力。
1991年，该作者又报道，在水合氯醛麻醉下的家兔脑室内注射布比卡因（500±79）μg，虽然血药浓度极其微小，但可发生长达（73±13）min的心律失常；继而脑室内注射咪达唑仑1μg，心律失常在（4.4±0.6）min内迅速消失；部分心律失常未能完全解除者静脉注射六烃季铵（hexamethonium）10 mg/kg后心律失常在（14±1）s内消失。该作者认为，布比卡因通过诱发自主神经过度兴奋而导致布比卡因的心脏毒性。该研究组1993年的报道显示，对照组在家兔脑室内注射人工脑脊液，实验组注射γ一氨基丁酸（γ一aminobutyric acid，GABA）受体兴奋剂蝇蕈醇（muscimol）10μg；或静脉给予六烃季铵200μg/ml直至出现平均动脉压下降5～10 mmHg后，静脉给予布比卡因1.5 mg·kg-1·min-1。出现心律失常时蝇蕈醇组血浆中布比卡因的浓度为（19.0±1.1）μg/ml，六烃季铵组布比卡因浓度为（18.0±1.9）μg/ml，显着高于对照组（12.8±1.25）μg/ml。
GABA受体激动剂蝇蕈醇、六烃季铵可升高布比卡因致心脏毒性时血浆药物浓度，说明静脉注射布比卡因，可以通过影响中枢神经系统兴奋性而产生心脏毒性。Hasselstrgm等报道，给健康成年志愿者8名静脉注射布比卡因2 mg/kg出现了心率加快、血压升高等典型的交感神经系统兴奋表现；同时，其血浆肾上腺素（epinephrine）浓度由0.03 ng/ml升高到0.08 ng/ml。2009年Hanci等报道称，通过中枢神经系统降低交感神经兴奋性能够减轻布比卡因的心脏毒性。其实验以雄性大鼠为研究对象，经氯胺酮（ketamine）麻醉后静脉给予右美托咪定（dexmedetomidine）10μg/kg，而对照组则给予相同剂量的生理盐水。以3 mg·kg-1·min-1的速率静脉注射布比卡因。其结果显示，实验组出现QRS间期增宽的时间为（103±30）s，对照组为（33±12）s；出现心律失常的时间为（212±43）s，对照组为（139±44）s；实验组平均动脉压降低的时间为（314±95）s，对照组为（161±66）s；实验组心率降低的时间为（289±98）s，对照组为（152±62）s；实验组心搏停止的时间为（726±170）s，对照组为（482±72）s，上述差异均有统计学意义。此结果表明，右美托咪定，作为一种α2受体激动剂，能够延缓布比卡因心脏中毒的时间，间接说明中枢交感神经可加剧布比卡因中毒。
相反，刺激交感神经系统兴奋可加重布比卡因的心脏损伤。2009年，Hiller等”71在给予大鼠静脉注射布比卡因20 mg/kg引起心脏骤停3 min后给予30%脂肪乳，然后分别给予肾上腺素1、2.5、10、25 mcg/kg。实验结果显示，在肾上腺素1 mcg/kg组和2.5 mcg/kg组大鼠均能恢复自主循环（收缩压×心率≥基础值的30%），但是肾上腺素10 mcg/kg组在15 min时只有3/5只大鼠恢复自主循环，而肾上腺素25 mcg/kg组也只有1/5只大鼠恢复。该作者认为，低剂量肾上腺素尚能促进自主循环系统的恢复，但剂量超过10 mcg/kg时则会抑制心脏功能，同样证实了肾上腺素受体的过度兴奋能加重布比卡因引起的心脏中毒。
3.肾上腺素加重布比卡因心脏毒性可能的分子生物学机制
肾上腺素加重布比卡因引起的心肌细胞兴奋一收缩失藕联，LTCC是G肾上腺素能受体信号系统的重要底物蛋白。心肌细胞8肾上腺素能受体被激活后主要通过腺苷环化酶cAMP一蛋白激酶A（adenylate cyclase-cAMP-protein kinase A，PKA）信号通路产生正性变力效应。PKA将一系列与兴奋收缩耦联（excitation-contraction coupling，ECC）相关的蛋白质磷酸化，其中包括SERCA调节蛋白、受磷蛋白（phospholamban）、LTCC和肌浆网兰尼碱受体（ryanodine receptor type 2，RyR2），从而升高LTCC钙离子电流，增加肌浆网钙离子负荷（Ca2+load），并促进细胞收缩期肌浆网钙离子释放协调同步，调节心脏功能以适应机体的应激状态。
在肾上腺素系统兴奋性增加时，为了保持心肌细胞钙离子平衡，LTCC和RYR2的活性升高必须与受磷蛋白的磷酸化和肌浆网活性升高相匹配，若RYR2异常则引发心脏功能不全。2012年Chen等通过共聚焦显微镜观察RYR2功能不全的患者在应用肾上腺素1 uM和咖啡因（caffeine）0.6 mM后，心肌细胞内钙离子变异性显着增加，异常动作电位增多。2015年，Domingo等在儿茶酚胺敏感性多形性室性心动过速（catecholaminergic polymorphia ventricular tachycardiac，CPVT）家族中入选亲属25名，给予运动测试。结果显示，志愿者8名出现CPVT，基因测序发现均存在RyR2突变，在共聚焦显微镜下观察，RyR2突变细胞内存在钙离子超载并呈现不规则收缩。提示RYR2基因突变可以诱发CPVT，致肌浆网钙异常释放，引起细胞内钙浓度升高，加重心脏功能障碍。
布比卡因不但能够通过抑制心肌细胞钙离子与肌钙蛋白C结合而降低肌原纤维活性，而且还能够通过阻断LTCC，抑制RYR2的钙离子释放及肌浆网钙离子摄取。所以，布比卡因中毒时，可能会像RYR2功能低下的患者一样，使用肾上腺素将加重心脏功能衰竭。B肾上腺素系统兴奋将增加细胞代谢和线粒体耗氧量，进一步加重缺氧，产生更多的ROS。2009年，Soliman等通过膜片钳技术监测钠一钙交换泵（sodium—calcium exchanger isoform 1，NCX 1）电流发现，过氧化氢（H2O2）100μM可使NCXl钙离子内向电流增加（48±11.3）%，外向电流降低（11.4±2.1）%。2012年Bovo等报道，异丙肾上腺素0.1μM作用于家兔心室肌细胞后，共聚焦显微镜下显示细胞内ROs含量升高，肌浆网释放钙离子增加（78±13）%，而应用R0s抑制剂5一二磺酸钠（tiron）后，细胞内钙离子增加（20±11）%，且不影响异丙肾上腺素引起的心肌收缩增强。上述实验说明β肾上腺素系统兴奋所产生的ROS可作用于钠一钙交换泵及肌浆网引起钙离子超载，进一步诱发心脏功能不全。
布比卡因可加重布比卡因引起的KATP通道功能异常，破坏心脏电生理稳定。如前所述，KATP通道是调节兴奋一代谢平衡的内向型整流钾离子通道，在应激状态下和心肌能量耗竭时，KATP通道开放，从而保持心脏电生理稳定。2004年，Liu等的实验报道，试验组为KATP正常小鼠6只，对照组为KATP亚单位Kir6.2变异小鼠6只，在经三溴乙醇（2，2，2一tribromoethanol）腹腔注射麻醉后，给予异丙肾上腺素1μmol/L，结果显示，试验组小鼠用药后动作电位90%复极化（action potential duration at 90%repolarization，APD90）的时间为（80±3）ms，用药前为（79±3）ms；对照组小鼠APD50为（74±2）ms，用药前为（82±2）ms。并且试验组小鼠在接受异丙肾上腺素5 min内心电图出现室性早搏（premature ventricular complexes，PVC）明显增多。说明KATP通道基因毁损的小鼠接受儿茶酚胺后更趋向于出现室性心律失常。由于布比卡因对KATP通道具有显着的抑制作用，
布比卡因中毒时，使用肾上腺素可能会加重心肌细胞钙离子过载而加重心肌毒性。总之，布比卡因可以通过中枢神经系统引起问接心脏毒性；肾上腺素加重布比卡因心脏毒性已经被多项研究所证实；肾上腺素加重心脏功能衰竭可能与儿茶酚胺一布比卡因心脏毒性具有相同的机制。
原始出处：
实用疼痛学杂志2016年12月第12卷第6期
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