《CNS Neuroscience & Therapeutics》：Systems Toxicology Indicates AKT1/PTGS2-Centered Neuroinflammatory-Mitochondrial Crosstalk in Lidocaine Associated Neurotoxicity
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背景：含利多卡因的出牙凝胶常用于儿科口腔镇痛，但过量暴露可能诱发严重神经毒性事件，包括惊厥相关不良反应。利多卡因相关神经毒性的分子机制目前尚不明确。
方法：研究人员采用整合性系统毒理学方法，结合网络毒理学、转录组分析（GSE143272）、加权基因共表达网络分
背景：含利多卡因的出牙凝胶常用于儿科口腔镇痛，但过量暴露可能诱发严重神经毒性事件，包括惊厥相关不良反应。利多卡因相关神经毒性的分子机制目前尚不明确。
方法：研究人员采用整合性系统毒理学方法，结合网络毒理学、转录组分析（GSE143272）、加权基因共表达网络分析、分子对接、分子动力学模拟，并使用规定利多卡因等效浓度的Kamistad凝胶提取物进行实验验证，以表征利多卡因诱导神经毒性的分子基础。
结果：通过整合利多卡因相关靶点、癫痫相关基因及转录组特征，共鉴定出16个共享靶点。AKT1和PTGS2被确定为核心枢纽基因。功能分析一致提示神经炎症信号、线粒体功能障碍及突触调控异常是主要致病机制。分子对接及10 ns分子动力学模拟显示利多卡因与AKT1/PTGS2之间存在稳定相互作用。ROC分析表明这些基因在癫痫数据集中具有中等预测效能。在SH-SY5Y细胞中，Kamistad凝胶提取物显著上调AKT1和PTGS2表达，支持炎症相关神经毒性通路的激活。
结论：利多卡因相关神经毒性可能涉及以AKT1/PTGS2为核心的神经炎症-线粒体交互作用网络，并伴随突触功能障碍。该研究为利多卡因神经毒性提供了系统层面的机制见解，并确定了改善儿科含利多卡因制剂安全性的潜在靶点。
一、研究背景与意义
出牙是婴幼儿正常的发育过程，但常伴随牙龈刺激、烦躁、流涎、睡眠障碍及食欲减退等不适症状。为缓解这些症状，含利多卡因的出牙凝胶因其快速有效的局部麻醉特性而在儿科实践中被广泛使用。除市售产品外，医院自配制剂也常用于儿童。然而，儿童由于吞咽反射发育不成熟、剂量控制依从性有限以及药物代谢的发育差异，对利多卡因毒性尤为敏感。过量摄入含利多卡因凝胶可迅速升高全身药物浓度，导致严重神经系统不良事件，包括惊厥、呼吸抑制甚至死亡。已有超过200例儿科不良事件报告及FDA黑框警告凸显了这一安全性问题的临床重要性。尽管利多卡因暴露相关的惊厥性神经毒性报道日益增多，但由于癫痫的复杂性和异质性，其分子机制仍不清楚。既往研究多集中于临床表现和毒代动力学特征，系统层面的机制研究仍然缺乏。因此，本研究采用整合性系统毒理学框架，旨在阐明利多卡因相关神经毒性的分子基础。
二、研究内容与主要结论
研究人员以利多卡因为核心关注对象，整合网络毒理学、转录组分析、加权基因共表达网络分析（WGCNA）、分子相互作用建模及实验验证，鉴定出AKT1和PTGS2作为可能参与利多卡因诱导神经毒性反应的中心调控枢纽。功能分析进一步支持炎症信号、线粒体功能障碍和突触调控异常可能共同促成利多卡因暴露的神经毒性效应。这些发现为利多卡因相关神经毒性提供了系统层面的机制见解，并为改善儿科含利多卡因制剂的安全临床应用提供了理论基础。
三、关键技术方法
研究人员采用多种关键技术方法：利用ProTox-3.0和ADMETlab 3.0进行计算机毒性预测；从GEO数据库获取癫痫相关转录组数据集GSE143272，该数据集来源于癫痫患者外周血样本，经质量控制后纳入50例健康对照和34例未治疗癫痫样本；使用limma包进行差异表达基因鉴定；采用WGCNA R包构建加权基因共表达网络；从SwissTargetPrediction、SEA、STITCH、CTD、SuperPred和PharmMapper等数据库获取利多卡因相关靶点，从GeneCards、OMIM、OpenTargets和TTD数据库收集癫痫相关基因；利用STRING数据库构建蛋白质-蛋白质相互作用网络；通过DAVID平台进行GO和KEGG富集分析；使用clusterProfiler进行基因集富集分析；采用CytoHubba插件进行拓扑分析；使用AutoDock Vina进行分子对接；利用GROMACS进行10 ns分子动力学模拟；使用pROC包进行ROC曲线分析；并在人SH-SY5Y神经母细胞瘤细胞中进行CCK-8细胞活力测定、RT-qPCR、Western blot、ROS检测和ATP测定等实验验证。
四、研究结果
3.1 整合系统毒理学优先确定AKT1/PTGS2为中心的神经炎症网络是利多卡因相关神经毒性的基础
计算机毒性评估一致预测利多卡因具有高度神经毒性倾向，神经毒性概率超过0.90，预测LD50为220 mg/kg。主成分分析显示癫痫与对照样本之间存在明显分离。差异表达分析鉴定出3602个失调基因，其中1534个上调和2068个下调。WGCNA进一步鉴定出三个与疾病状态相关性最强的癫痫相关模块。将模块基因与差异表达基因整合后获得4475个癫痫相关候选基因。将229个预测利多卡因靶点与3168个癫痫相关基因取交集，获得16个重叠靶点。网络拓扑分析一致将AKT1和PTGS2列为最具影响力的枢纽节点。
3.2 功能分析表明AKT1/PTGS2相关的神经炎症-线粒体汇聚
GO富集分析显示激酶信号、氧化应激反应、炎症调控及对外源物刺激的细胞反应显著富集。KEGG通路分析突出经典炎症级联反应，特别是MAPK和TNF信号通路，以及胆碱能和多巴胺能突触等突触传递通路。GSEA独立证实了涉及CCR2/GNB/PI3K/NF-κB信号的炎症轴，并发现线粒体功能障碍相关特征，包括TDP43相关电子传递损伤和UCP1介导的产热失调。这些多层面富集结果表明炎症与线粒体通路之间存在功能性交互作用。
3.3 分子相互作用建模预测利多卡因与AKT1和PTGS2的稳定结合
分子对接分析显示利多卡因与所有优先枢纽蛋白均有良好结合亲和力，结合能均低于-5 kcal/mol，其中AKT1和PTGS2显示最优结合构象。10 ns分子动力学模拟的RMSD轨迹显示约2 ns内快速平衡，随后在整个模拟期间保持稳定构象行为。RMSF分析显示配体结合区域波动极小，表明利多卡因能与AKT1和PTGS2稳定相互作用。
3.4 AKT1和PTGS2在癫痫相关转录组数据集中显示中等判别效能
ROC曲线分析显示AKT1的AUC为0.685，PTGS2的AUC为0.651，而两者联合模型的AUC达0.771，表明多靶点分子特征可能比单基因指标更好地反映神经毒性的复杂性质。
3.5 Kamistad凝胶提取物增加AKT1和PTGS2表达并与神经元细胞氧化应激和ATP产生减少相关
CCK-8实验显示浓度依赖性细胞活力降低。在0.74 mM利多卡因等效浓度下，RT-qPCR和Western blot分析显示AKT1和PTGS2表达显著增加。流式细胞术检测显示细胞内ROS水平显著升高，而细胞内ATP水平显著降低。
3.6 利多卡因相关神经毒性由AKT1/PTGS2介导的神经炎症-线粒体交互作用机制
基于上述整合分析，研究人员提出机制模型：利多卡因靶向AKT1和PTGS2，导致神经炎症通路和线粒体功能障碍的协调激活，神经炎症-线粒体汇聚破坏突触稳态和神经元功能，从而促进神经毒性反应。
五、讨论与结论
讨论部分指出，神经炎症日益被认为是癫痫发生的核心驱动因素。PTGS2作为前列腺素合成中的关键诱导酶，在癫痫患者和惊厥模型中持续升高，其活性增加促进前列腺素E2产生，增强神经元兴奋性并降低惊厥阈值。AKT1作为PI3K/AKT/mTOR通路的核心调控因子，控制神经元存活、突触可塑性和兴奋-抑制平衡，其失调与神经元过度兴奋和癫痫发生密切相关。富集分析提示线粒体呼吸损伤可增加活性氧产生，激活NF-κB信号，进一步增强PTGS2介导的炎症反应，可能形成促进神经元过度兴奋和降低惊厥阈值的正反馈环路。研究局限性包括：转录组分析基于单一外周血GEO数据集且样本量较小；SH-SY5Y细胞模型和急性暴露条件不能完全再现体内神经免疫微环境或慢性癫痫发生过程；AKT1和PTGS2的功能活性及下游信号尚未完全探索；利多卡因-AKT1/PTGS2相互作用的直接生化验证和体内惊厥相关研究仍属必要。
结论：该研究提出了理解利多卡因相关神经毒性的系统层面机制框架。整合分析表明AKT1和PTGS2可能代表连接炎症信号与线粒体及突触调控异常的关键分子枢纽。使用规定利多卡因等效浓度的含利多卡因Kamistad凝胶提取物的实验验证显示SH-SY5Y细胞中AKT1和PTGS2表达增加，并伴随ROS升高和ATP水平降低，与所提出的炎症-线粒体机制一致。这些发现为利多卡因相关神经毒性提供了机制见解，并为改善儿科含利多卡因制剂的安全性评价提供了初步理论基础。
