麻醉药肝外代谢研究进展

麻醉药肝外代谢研究进展陶国才顾健腾陈毅飞鲁开智第三军医大学附属西南医院麻醉科肝脏是机体中最大的实质器官，参与体内物质代谢和能量代谢。围术期绝大多数药物都要在肝脏进行生物转化。肝移植无肝期，由于机体处于没有肝脏的状态，许多麻醉药物的代谢必然受到不同程度的影响。传统观念认为在此阶段须减少麻醉药物的用量，防止麻醉药蓄积。近年来研究发现，肝移植无肝期部分麻醉药物，如丙泊酚、罗库溴铵等的药代动力学并未发生明显变化。由此推测可能存在麻醉药的肝外代谢途径或肝外代谢途径功能增强。一、药物在体内的代谢及影响因素药物进入机体后主要以两种方式消除：一种是药物直接以原型随粪便、尿液或呼吸道排出体外；另一种是药物在体内经代谢后，以代谢物的形式随粪便和尿液排出体外。药物的代谢，也称生物转化，是药物从体内消除的主要方式之一。麻醉药通常有数条代谢途径，其目的是将脂溶性的、有活性而无法排出的药物转变成水溶性、灭活的物质，从而能通过肾脏或胆道排出体外。药物在体内的代谢主要有两个步骤，分别为I、II相反应。I相反应包括氧化、还原、羟化和水解，主要通过细胞色素P450进行氧化或羟基化反应。其代谢产物可能活性已较小，也可能反应性较好甚至是有毒物质。通常I相反应代谢产物进入II相反应，即与谷胱甘肽、葡萄糖醛酸或硫酸根等结合或经甲基化、乙酰化后排出体外。咪达唑仑需进行I、II相反应代谢。另一些麻醉物则主要通过II相反应代谢，如吗啡。肝脏含有许多Ⅰ相代谢和Ⅱ相代谢所需的酶，是药物代谢的主要部位。随着生物化学和分子生物学如蛋白质分离纯化技术、免疫抗体标记及cDNA技术的发展和应用，越来越多的药物代谢酶在肝外组织和器官中被发现。如I相反应的主要酶系CYP450及黄素单加氧酶（FMO）、过氧化酶系、环氧化物水合酶等；Ⅱ相反应的葡萄糖醛酸转移酶、硫酸转移酶、乙酰转移酶、甲基转移酶、氨基酸结合酶等。同时由于对药物代谢研究的不断深入，人们发现药物的代谢不仅仅发生于肝内，有些药物如吗啡、普奈洛尔、洛西泮等可在肝外组织中代谢；有些药物如氨基比林、红霉素、环磷酰胺和阿糖胞苷等在肝内及肝外均有代谢；而有些药物的部分代谢过程仅在肝外的特定组织进行，如维生素D3的1位羟化仅于肾脏中进行。瑞芬太尼则主要被肝外的非特异性酯酶代谢。参与药物代谢的肝外组织包括血浆、皮肤、脑、肺、肾脏、肾上腺、胃肠道等，且肝外组织又因其各自的组织解剖及生理功能的不同而具有不同的代谢特点。肝外药酶分布广泛、含量少、可被诱导或抑制，并在多种生理及病理过程中起着重要的作用。肝外药酶种类很多,但其中主要为CYP450酶、转移酶和脱氢酶三大类。目前，在药物肝外代谢研究中，主要研究的Ⅰ相代谢酶是CYP450酶，包括CYP1A1、CYP1B1、CYP2和CYP3A等。同一种酶在不同动物之间和同种动物不同品系之间活性是有差异的。有作者发现，大鼠体内的酶活性较其他动物物种低25%，其中CYP450活性和NADPH细胞色素C还原酶活性最低。人肺中的CYP450含量和活性比大鼠体内的更低。这种不同种属造成的差异，在肝外代谢中十分普遍，因此当分析比较动物实验数据时，特别是将动物结果推论到人时必须十分慎重。此外，有些肝外药酶的活性还有显著的个体差异。年龄对肝外代谢的影响也很普遍，其规律与大部分生理功能相一致，即婴幼儿时期酶活性低下，随发育逐步增强，至成年达到高峰，老年时再度下降。例如肺微粒体酶活性以及人和多种动物肾中UGTs活性都是如此。另有研究结果发现，性别对肝外代谢是有影响的。如雌性大鼠肾中组胺N甲基转移酶的活性仅为雄性大鼠的一半，但在小鼠中则相反。疾病对药物的肝外代谢也有影响，例如肾功能不足时，肾中药物的甘氨酸结合反应变慢，因此，当尿毒症病人使用对氨基水杨酸时，药物的半衰期延长。目前，在一些自身免疫性疾病中已发现CYP1A2，CYP2C9，CYP2D6，CYP2E1，CYP3A，CYP11A1，CYP17，CYP21和UGT是自身免疫性抗体的靶蛋白，由于这些靶蛋白受到自身抗体的攻击，其活性受到影响，势必会影响到对药物在肝外组织中的代谢。药物、毒物和食物等多种外源性及内源性物质对肝外代谢均会产生一定的影响，主要表现为对肝外药酶的诱导和抑制作用。如雌性大鼠饥饿72小时后，小肠中苯并芘羟化酶的活性下降为正常饮食的对照动物的75%；给雄性大鼠以无脂肪的饲料，则酶活性下降30%，而给予纯化的精饲料，一天之后此酶活性几乎消失。又如在饲料中加入10%鱼肝油可诱导大鼠肠道环氧化物水化酶。多环烃类可诱导大鼠肾中UDPGT的活性和皮肤中的P450酶系。而苯巴比妥类、利福平、酮康唑、西咪替丁和致癌剂、3-甲基胆蒽类以及糖皮质激素、性激素、抗生素及维生素D3等也被发现是某些肝外药酶的诱导剂和抑制剂。一些诱导剂和抑制剂还具有组织特异性，如中药汉黄芩素能引起鼠肾内的芳烃羟化酶活性降低，却能使肺内该酶的活性增加；而在显著增加肺内的CYP1A的活性的同时，该化合物又抑制了肝、肾内UGT活性。二、肝外代谢相关酶（一）细胞色素P450酶细胞色素P450酶是广泛分布于动物、植物和微生物等不同生物体内的一类代谢酶。其主要组成的P450蛋白与CO的结合体在450nm处有特征光吸收峰而得名。P450蛋白具有种类的多样性和底物的重叠性，这使得P450酶系可催化多种类型的反应，对许多外源性物质和内源性物质的代谢，起十分重要的作用。目前人们已克隆出上百种P450亚型，由于其基因的多样性，称作P450基因超家族。1998年Guitton等从人体肝脏中分离出肝微粒体酶，通过实验证实有多种P450亚型参与了丙泊酚的代谢，包括CYP2C9、CYP2A6、CYP2C8、CYP2C18、CYP2C19和CYP1A2，并指出CYP2C9至少参与了丙泊酚50%的氧化代谢，尤其是在较低的底物浓度时。CYP2C9在人体中主要分布于肝脏、肾脏和小肠，在兔和鼠中与其相应的蛋白质命名为CYP2C11，其与CYP2C9具有85%的同源性。CYP2C9基因含有9个外显子和8个内含子，全长约为55kb。人CYP2C9基因比兔和鼠相应的同源基因要大得多，其内含子、外显子连接处的结构与其他CYP2C9基因相似。CYP2C9的底物均为极性酸性物质，因此在生理性的pH环境中，这些底物主要以阴离子状态存在。CYP2C9的探针药物包括：甲苯磺丁脲、华发林、苯妥英和非甾体类抗炎药。通过这些探药对CYP2C9的特异性抑制作用，可以分析丙泊酚的代谢是否是否受到影响，从而判断和评估CYP2C9对丙泊酚的作用。Court等通过CYP的cDNA文库，使用特异性抗体证明了CYP2B6也参与了丙泊酚的羟基化过程，虽然其作用与CYP2C9相比较弱，但是对于丙泊酚氧化的个体多样性起了关键性作用。由于在肝脏、肾脏、小肠、肺脏和脑都有CYP2B6的基因表达，其分布范围比CYP2C9要广，据此Court.在异丙酚的肝外代谢中CYP2B6发挥了作用。（二）二磷酸尿苷葡萄糖醛酸转移酶（UGT）二磷酸尿苷葡萄糖醛酸转移酶（UGT）是化合物进行Ⅱ相生物转化时最重要的一种酶，它催化体内合成的尿苷二磷酸葡糖醛酸（uridediphoshateglucuronicacid,UDPGA）脱去葡糖醛酸基从而与底物的功能基团结合，形成葡糖醛酸结合物，使低物极性增大，水溶性增强，易于从体内排除。UGT主要存在内质网膜上，尤其是在滑面内质网膜中活性最强，这种定位便于UGT与混合功能氧化酶反应产物的作用，便于Ⅰ相代谢与Ⅱ相代谢反应的偶联。传统的观点认为UGT催化的结合反应发生在Ⅰ相反应之后，需依靠Ⅰ相反应提供的一些功能基团来完成反应过程。而实际上，许多外源性物质已经具备功能基团，如那些含有-OH、-SH、-COOH、-NH2等基团的物质，可同时直接进行葡萄糖醛酸化，丙泊酚正属于这类物质。UGT表达水平是通过即时的、组织特异性的和环境因素影响的调节方式进行的。饮食、性别、年龄、妊娠分娩、激素水平都可对UGT的活性产生影响。到现在为止一共分离纯化了至少19种人类UGT同工酶，根据克隆的cDNA序列的相似性，Burchell将UGT超基因家族分为两大家族，即：参加酚和胆红素代谢的UGT1家族以及参与类固醇代谢的UGT2家族。人类UGT1基因位于染色体2q37处，由至少13种不同的外显子1和4个共同的外显子2-5组成。UGT亚族具有基因多态性，在使用该亚族催化的药物进行治疗时可能就会形成明显的个体差异。1988年Harding等通过实验指出，UGT1A6对于一些诸如1-萘酚、4-硝基苯酚等简单酚类的共轭作用具有底物特异性。1993年Ebner和Burchell在研究对UGT1家族的底物特异性时的研究发现，UGT1A8或UGT1A9在体外能够葡醛酸化丙泊酚，并对比研究了UGT1A6和UGT1A9，UGT1A9与UGT1A6相比较，指出由于两者对酚类都有较高的代谢率，因此皆归属于酚类UGT，UGT1A9比UGT1A6有更广的酚类底物。Shelby等的研究表明在人体中，UGT1A6和UGT1A9主要分布在肝脏和胃肠道，UGT1A9在肾脏中也有表达；在大鼠体内没有UGT1A9的表达，而UGT1A6存在于肝脏、肾脏、消化道、脑等几乎所有组织器官中。多环芳烃（PAHS）可诱导UGT1A6和UGT1A9的表达，从而为研究UGT1A6和UGT1A9提供了一种有效手段。（三）磺基转移酶（转磺酶，ST）磺基转移酶（转磺酶，ST）催化各种内源物和外源物与3’-磷腺苷-5’-磷酸硫酸盐（PAPS）相结合，形成硫酸化结合反应产物，导致其生物活性的下降以及其肾排除能力的提高。硫酸化作用对于酚类来说是一条重要的结合途径。ST是一个逐渐凸现出来的超基因家族，目前至少已识别出细胞液中的4种ST，即酚转磺酶（PST）、雌激素转磺酶（EST）、羟基类固醇转磺酶（HSTT）和脱水表雄甾酮转磺酶（DHEA-ST）。这些酶又可进一步分成亚族，在氨基酸顺序上有60%相同。ST中存在氨基酸基序，他们在物种发展史上是保守的。这些签名序列可能涉及与PAPS的结合。所有这些酶的cDNA和基因已被克隆，并且在染色体上的定位已经报道。催化异丙酚的ST属于PST，但是PST的专属性不强，可催化范围较广的药物和外源物，这说明PST催化异丙酚的硫酸化反应并不具有特异性。大多数的药物和内源性化合物，能被葡醛酸化的也能被硫酸化，这就导致了底物在两种代谢途径中竞争。根据两个反应的动力学特征，由于细胞中PAPS量少于UDPGA，所以硫酸化在低底物浓度下占主导作用，而葡醛酸结合在高底物浓度时占主导。三、丙泊酚的肝外代谢丙泊酚作为一种高亲脂性的麻醉药物，其代谢相当活跃。目前多数研究证实丙泊酚主要通过肝脏代谢，90%以上的药物与肝内葡萄糖醛酸或硫酸结合，形成1′或4′-葡萄糖醛酸或硫酸根丙泊酚，主要从尿液中排出，游离态的母核药物在尿液中的含量不到总量的0.3%。朱益贫等研究小儿肝移植无肝期丙泊酚的药代动力学特点表现，在肝移植的“无肝”状态下，丙泊酚的药代动力学未受到明显的影响，同一患者诱导期和无肝期分别静注丙泊酚2mgkg，所得T12、CL及V等药代动力学参数及平均血药浓度-时间曲线之间并无明显差异，提示该药存在明显的肝外代谢。另外其清除率大于小儿肝血流量(1~1.3Lmin)。另外，在肝硬化病人中其机体总清除率以及在稳态时的表观分布容积与正常肝功能者相比并无太大区别。据此也可推断丙泊酚存在肝外代谢。目前人们对丙泊酚肝外代谢的研究主要集中在肾脏、肺脏、小肠和脑。传统的观点认为UGT催化的结合反应发生在Ⅰ相反应之后，需要依赖Ⅰ相反应提供的功能基团来完成反应过程。而实际上，含有-OH、-SH、-COOH、-NH2等基团的物质可以直接进行葡萄糖醛酸化，丙泊酚正属于这类物质。尿苷二磷酸葡萄糖醛酸转移酶1A6(UGT1A6)能使丙泊酚葡醛酸化后经肾脏直接排出体外，是丙泊酚代谢的关键酶之一，肝脏中含量最多，机体的其他许多组织器官也有表达。UGTs的表达水平是通过即时的、组织特异性的和环境因素影响的调节方式进行的。人种、性别、年龄甚至饮食都可对UGTs的活性产生影响