S-氯胺酮在神经元过度兴奋期间维持氧化代谢并减轻代谢应激

《International Journal of Molecular Sciences》：S-Ketamine Preserves Oxidative Metabolism and Reduces Metabolic Stress During Neuronal Hyperexcitability

　　

S-氯胺酮（S-ketamine）越来越多地用于麻醉和神经重症监护，并与抗惊厥和潜在的神经保护作用相关联。这种神经保护作用尤其在严重过度兴奋状态下被观察到，包括癫痫持续状态（status epilepticus）和扩散性去极化（spreading depolarizations），在这些状态下神经元能量需求急剧上升，线粒体功能可能受损。然而，S-氯胺酮在不同活动状态下对神经元氧化代谢的直接效应仍不完全清楚。研究人员在来自6-12周龄雄性和雌性C57BL/6小鼠的急性海马切片中，利用深度分辨的组织氧分压测量技术，量化了基线条件下、电刺激期间、红藻氨酸（kainate）诱导的γ振荡（gamma oscillations）以及无镁离子（Mg2+-free）诱导的癫痫样活动期间的脑氧代谢率（CMRO2）。同时记录了细胞外钾离子动力学和黄素腺嘌呤二核苷酸（FAD）自发荧光，以评估神经元兴奋性和线粒体氧化还原状态。研究人员测试了浓度为100-1000 μM的S-氯胺酮，并将实验结果与计算模型相结合。在100 μM浓度下，S-氯胺酮未改变基础或刺激诱发的CMRO2及细胞外钾离子的处理能力。在γ振荡期间，S-氯胺酮适度降低了CMRO2并减慢了振荡频率。在无镁离子条件下，S-氯胺酮消除了癫痫样事件，并将CMRO2恢复至无镁离子前的水平。更高浓度的S-氯胺酮抑制了刺激诱发的代谢并减弱了线粒体氧化还原反应，这与神经元活性降低而非急性能量衰竭相一致。这些发现揭示了S-氯胺酮具有一种活性依赖性的神经代谢特征，其特征是在生理条件下维持氧化代谢，并在病理性过度兴奋期间减少代谢应激。

论文解读文章

一、研究背景与研究目的

大脑作为人体能量代谢最活跃的器官，其功能高度依赖于持续的氧气和葡萄糖供应。在病理性神经元过度兴奋（如癫痫持续状态）时，神经元放电活动急剧增加，导致三磷酸腺苷（ATP）需求飙升，主要依靠线粒体氧化磷酸化供能。当能量需求超过氧化产能时，会引发能量赤字，破坏离子稳态和中间神经元功能，形成恶性循环。全身麻醉药能深刻影响神经元活动和线粒体功能，从而直接影响脑能量代谢。许多麻醉药也具有内在的抗惊厥特性，例如通过增强γ-氨基丁酸A型（GABA_A）受体介导的抑制或拮抗兴奋性N-甲基-D-天冬氨酸（NMDA）受体。然而，不同麻醉药的代谢效应差异巨大，某些药物甚至可能造成能量供需不匹配，与术后神经系统并发症（如谵妄和认知障碍）有关。

S-氯胺酮（S-ketamine）作为一种非竞争性NMDA受体拮抗剂，在神经重症监护中的应用日益增多，临床观察显示其与蛛网膜下腔出血后扩散性去极化减少、难治性癫痫持续状态的有效控制以及较低的术后谵妄发生率相关，提示其具有潜在的神经保护作用。尽管实验研究表明氯胺酮可能调节多种与神经保护相关的细胞通路（如兴奋毒性信号、氧化应激和线粒体功能），但也有高浓度或长期暴露导致线粒体功能障碍和神经毒性的报道。这些看似矛盾的发现强调了其效应的剂量和情境依赖性。然而，关于S-氯胺酮对神经元氧化代谢本身的急性直接影响，特别是直接的实时耗氧量测量数据尚属空白。因此，本研究旨在利用离体和计算机模拟相结合的整合方法，系统性地定义S-氯胺酮在不同神经活动状态下的神经代谢特征，以区分其活性依赖性与潜在的直接代谢效应。

二、主要技术方法

研究人员采用了一套整合性的离体脑片与计算机模拟方法来探究S-氯胺酮的神经代谢效应：

1. 1.
   急性海马脑片制备：从6-12周龄的C57BL/6小鼠（雄性和雌性）获取急性海马脑片，在可控的氧气和底物供应条件下进行实验，排除了系统性变量的干扰。
2. 2.
   脑氧代谢率（CMRO₂）定量：使用Clark型氧微电极进行深度分辨的组织氧分压（ptiO₂）测量，并结合反应-扩散模型计算不同活动状态下的CMRO₂。
3. 3.
   电生理学与离子选择性微电极记录：记录场电位和细胞外钾离子（[K⁺]_o）动态，以评估神经元兴奋性和能量依赖的离子稳态。
4. 4.
   黄素腺嘌呤二核苷酸（FAD）自发荧光成像：在浸没式条件下测量FAD自发荧光，作为线粒体氧化还原状态的指标，反映线粒体酶复合物的活性。
5. 5.
   计算建模：基于实验测量的CMRO₂值，利用已建立的神经元能量代谢模型模拟ATP消耗速率和FAD氧化还原动态，特别针对高浓度下可能的线粒体复合体I抑制作用进行了机制性探讨。

三、研究结果

2.1 S-氯胺酮（100 μM）不影响初始脑片的脑氧代谢率或钾离子处理

通过在CA1区进行基础记录和电刺激（20 Hz, 2 s），研究发现，100 μM的S-氯胺酮既未改变基础CMRO₂和模拟的ATP消耗，也未改变刺激诱发的CMRO₂和[K⁺]_o瞬态变化。这表明在药理有效浓度下，S-氯胺酮不损害基础的氧化代谢和神经元兴奋性。

2.2 更高浓度的S-氯胺酮剂量依赖性地降低脑氧代谢率和兴奋性

通过测试200、500和1000 μM的S-氯胺酮，研究发现其诱导了浓度依赖性的CMRO₂下降。基础CMRO₂仅在1000 μM时显著降低；而刺激诱发的CMRO₂在500 μM和1000 μM时均显著降低。同时，刺激诱发的[K⁺]_o增幅也相应减小。这表明高浓度下的代谢抑制主要是由于神经元兴奋性降低所致。

2.3 S-氯胺酮（100 μM）在γ振荡期间适度降低脑氧代谢率并减慢振荡频率

在红藻氨酸（kainate）诱导的γ振荡模型中，100 μM的S-氯胺酮使CMRO₂较振荡期有所降低，但仍高于基础水平。同时，γ振荡的频率显著减慢，但功率未受影响。这表明S-氯胺酮改变了网络活动的时序组织，而非简单地抑制突触传递。

2.4 S-氯胺酮（100 μM）消除无镁离子诱导的癫痫样活动并使脑氧代谢率恢复正常

在无镁离子（Mg²⁺-free）诱导的癫痫样活动模型中，S-氯胺酮（100 μM）完全消除了癫痫样事件（SLEs），并大幅减少了发作间期样事件（ILEs）。更重要的是，它将因病理活动而升高的CMRO₂恢复到了无镁离子灌注前的对照水平。这提供了直接的代谢证据，支持S-氯胺酮在抑制病理性过度兴奋和恢复代谢平衡方面的临床效用。

2.5 高浓度S-氯胺酮减弱线粒体氧化还原反应

通过测量FAD自发荧光，研究发现1000 μM的S-氯胺酮加速了基线FAD荧光的衰减，并显著削弱了刺激诱发的FAD瞬态变化（氧化峰和还原谷）。结合计算模型，结果表明这种氧化还原状态的转变更符合由神经元活性抑制引起的代谢需求降低，而非单纯的线粒体复合体I抑制导致的能量衰竭。模型显示，即使复合体I活性被抑制高达90%，ATP利用仍保持稳定，表明脑片具有相当大的呼吸储备能力。

四、讨论与结论

讨论总结：本研究的综合发现揭示了S-氯胺酮具有强烈的活性、模型和浓度依赖性的神经代谢效应。在药理有效浓度（100 μM）下，它能够维持基础和刺激诱发的氧化代谢，在γ振荡期间适度降低CMRO₂，并在病理性过度兴奋状态下将CMRO₂恢复正常。相比之下，更高浓度（500-1000 μM）则主要通过降低神经元兴奋性来抑制代谢需求，并未观察到急性能量衰竭的证据。研究人员认为，S-氯胺酮的这种活性依赖模式有别于其他麻醉药（如丙泊酚可直接损伤线粒体，挥发性麻醉药可显著抑制氧化代谢），这可能解释了其在难治性癫痫和急性脑损伤中的临床效用及其与较低术后谵妄发生率相关的报告。研究强调，尽管离体条件限制了绝对值的直接转化，但实验设计保证了内部效度，并且所使用的浓度远高于临床血浆浓度，显示了较大的代谢安全性窗口。

研究结论翻译：在离体条件下，S-氯胺酮在药理有效浓度下能够维持神经元的氧化代谢，同时在病理性神经元过度兴奋或高浓度暴露时选择性地降低代谢需求。通过维持生理条件下的线粒体功能和能量稳态，并在过度活动期间恢复代谢平衡，S-氯胺酮展现出一种对于麻醉和神经重症监护可能有利的神经代谢特征。这些发现为其代谢安全性和潜在的神经保护作用提供了机制性支持，并强调了在评估麻醉药对脑代谢的作用时考虑活性依赖性的重要性。