Splošna anestezija je pomemben del sodobne medicine, vendar ni presnovno nevtralna. Med operativnim posegom v splošni anesteziji se poveča nastajanje reaktivnih kisikovih zvrsti (RKZ), kar lahko vodi v oksidativni stres (OS). Učinek pa ni enoten, saj posamezni anestetiki sprožajo različno močne oksidativne odzive. Nekateri anestetiki spodbujajo nastanek RKZ, medtem ko drugi delujejo zaščitno in izkazujejo antioksidativne lastnosti ^{1 2}. OS predstavlja neravnovesje med oksidanti in antioksidativnimi obrambnimi mehanizmi ter povzroča motnje redoks signalizacije in poškodbe biomolekul ³. Takšne spremembe se odražajo v strukturi lipidov, beljakovin in DNA ter prispevajo k razvoju ali napredovanju različnih patoloških stanj. OS je prisoten pri večini akutnih in kroničnih obolenj, vključno z nevrodegenerativnimi stanji ⁴. Oksidativna disregulacija je še posebej pomembna pri boleznih, ki prizadenejo živčni sistem, saj je nevralno tkivo zaradi intenzivnega metabolizma, obilice nenasičenih lipidov in relativno šibkejše antioksidativne zaščite posebno dovzetno za oksidativne poškodbe ⁵. Zato je razumevanje vpliva anestetikov na nastanek RKZ in OS ključno tako pri ocenjevanju tveganj kot pri optimizaciji anestezijskih pristopov.

Reaktivne kisikove zvrsti

RKZ so kisikovi prosti radikali (superoksidni anion, hidroksilni radikal in peroksilni radikal) ter reaktivne kisikove spojine (singletni kisik, vodikov peroksid in hipoklorna kislina). Nastajajo med metabolnimi procesi v mitohondrijih in peroksisomih, med vnetnim celičnim odgovorom in pri katalitičnem delovanju encimov skupine citokromov P450 ⁶. Med zunanje dejavnike, ki sprožijo nastajanje RKZ, prištevamo sevanja (ultravijolični, rentgenski in gama žarki), cigaretni dim, ultravijolično svetlobo, zdravila, kemijske reagente, industrijska topila in druge onesnaževalce okolja ^{6 7}. V fizioloških pogojih se RKZ vključujejo v pomembne biološke procese, kot so celična signalizacija, adaptacija organizma na stres in celična obramba. V patoloških pogojih pa prekomerno nastajanje RKZ vodi v poškodbe biološko pomembnih molekul, kot so lipidi, DNA in beljakovine (Slika 1) ^{6 7}.

Oksidativne poškodbe lipidov vplivajo na strukturo in delovanje celične membrane. V začetni fazi kaskade lipidne peroksidacije RKZ reagirajo z večkrat nenasičenimi maščobnimi kislinami, pri čemer nastane lipidni peroksilni radikal, ki reagira s sosednjo lipidno molekulo, pri čemer nastane nov lipidni peroksilni radikal. Kaskadna reakcija se nadaljuje do zaključne faze, ko antioksidanti (kot je na primer vitamin E) stabilizirajo nastale proste radikale in s tem prekinejo verižno reakcijo. Zaradi lipidne peroksidacije pride do sprememb v strukturi in pretočnosti celične membrane, kar vpliva na ionski transport, receptorski sistem, celično signaliziranje in osmotski gradient ⁸. Poleg tega pri lipidni peroksidaciji nastanejo zelo reaktivni produkti, kot na primer aldehidi (malondialdehid (MDA), 4-hidroksinonenal (4-HNE)) in alkeni (propen), ki nadalje poškodujejo DNA in proteine ^{8 9 10}. RKZ, zlasti hidroksilni radikal, lahko neposredno reagirajo z dušikovimi bazami (purini in pirimidini), kar povzroči njihovo oksidacijo, nastanek abaznih mest, tvorbo aduktov (kovalentna vezava RKZ na DNA vijačnico), prekinitev DNA verige ter nastanek navzkrižnih povezav med DNA in beljakovinami. RKZ lahko povzročijo strukturne spremembe beljakovin z oksidativno modifikacijo specifičnih aminokislin (npr. nastanek proteinskih karbonilov), pospešijo njihovo razgradnjo ali pa sprožijo tvorbo navzkrižnih vezi med beljakovinami in produkti lipidne ^{8 9 10}.

Slika 1: Shematski prikaz nastanka oksidativnih poškodb biološko pomembnih molekul (Vir: PH-HY / Adobe Stock)

Antioksidativni sistemi

Antioksidant je katerakoli snov, ki zakasni, prepreči ali odstrani oksidativno poškodbo določene molekule. Antioksidativni obrambni mehanizmi delujejo na treh ravneh ^{11 12}:

a) Preventivni mehanizmi: preprečujejo prekomerno nastajanje RKZ in jih odstranjujejo že ob nastanku.
b) Popravljalni mehanizmi: odstranjujejo posledice delovanja prostih radikalov z odpravljanjem poškodb na biomolekulah.
c) Adaptacijski mehanizmi: krepijo antioksidativno obrambo na mestih večjega nastajanja prostih radikalov.

Preventivni mehanizem je na primer vezava prehodnih kovinskih ionov (npr. železa in bakra) v nereaktivne oblike s pomočjo kelacije. Primeri kelatorjev so beljakovine ceruloplazmin in transferin v plazmi ter feritin v celicah ¹³. Endogeni antioksidativni sistem vključuje encime (npr. superoksidno dismutazo (SOD), glutation peroksidazo (GPX), katalazo), ki pretvarjajo RKZ v manj škodljive spojine. Za njihovo delovanje so ključni kovinski ioni, kot so selen, baker, mangan in cink ¹³. Poleg encimov vlogo lovilcev prostih radikalov opravljajo tudi neencimski antioksidanti, kot so glutation, melatonin, koencim Q10, lipoična in sečna kislina ^{6 12 13} ter plazemski albumin, ki deluje tudi kot kelator ¹⁴. Med eksogene antioksidante, ki jih vnašamo s prehrano, sodijo vitamin E, vitamin C in karotenoidi ¹³.

Oksidativni stres

Oksidativni stres (OS) je opredeljen kot »neravnovesje med oksidanti in antioksidanti v korist oksidantov, kar povzroča motnje redoks signalizacije in uravnavanja ter/ali molekularne poškodbe« ³. Vpleten je v številna bolezenska stanja, med drugim je povezan s poškodbo srčne mišice pri človeku ter s patofiziologijo nevrodegenerativnih bolezni, kot so Parkinsonova bolezen, multipla skleroza, amiotrofična lateralna skleroza, cerebrovaskularne motnje in Alzheimerjeva bolezen ⁴.

Oksidativni stres in nevrodegenerativne bolezni

Ranljivost centralnega živčnega sistema (CŽS) za OS izhaja iz visoke metabolne aktivnosti nevronov. Večina ATP se sintetizira v mitohondrijih, kar je razlog za visoko produkcijo RKZ v primerjavi s preostalimi tkivi. Zaradi počasne mitohondrijske obnove in visokega deleža nenasičenih lipidov v nevronih in mielinu so celice CŽS izjemno dovzetne za oksidativne poškodbe ⁴.

Pri Parkinsonovi bolezni pride do izgube dopaminergičnih nevronov v možganskem deblu, pri čemer je močno vpleten OS. Zaradi disfunkcije mitohondrijev in motenega metabolizma (oksidacije) dopamina pride do povečanega nastajanja vodikovega peroksida. Ta vstopi v dopaminergične nevrone, kjer se vključi v Fentonovo reakcijo v kombinaciji s povišanimi ravnmi prostega železa (Fe²⁺). Pri tem nastane izjemno toksičen hidroksilni radikal. Toksični produkti izčrpajo antioksidativni sistem v celicah (predvsem glutation) ter sprožijo agregacijo proteina alfa-sinuklein v nevrotoksična Lewyjeva telesca ⁴.

OS je vključen v patogenezo multiple skleroze preko povečanega vnetnega odziva zaradi disfunkcije mitohondrijev v imunskih celicah in oligodendrocitih (celicah, ki tvorijo mielin). Poškodba mitohondrijev vodi do energetskih primanjkljajev in močnega generiranja RKZ. OS intenzivno pospešuje poškodbo mielina in prispeva k nevrodegeneraciji. Proces je povezan tudi s spremembami v metabolizmu glukoze in lipidov, ki vplivajo na stabilnost in reparacijo mielina ¹⁵.

Amiotrofična lateralna skleroza prizadene motorične nevrone v možganski skorji in v možganskem deblu ter hrbtenjači. Vpletenost OS pri patogenezi potrjujejo visoke ravni markerjev oksidativnega stresa, kot so proteinski karbonili (poškodbe beljakovin) in 8-hidroksi-2′-deoksigvanozin (8-OHdG; poškodbe DNA), ter zmanjšane ravni antioksidantov v prizadetem tkivu. OS nastane zaradi mitohondrijske disfunkcije in mutacije antioksidativnega encima superoksidna dismutaza 1 (SOD1), kar vodi v intenzivno generiranje RKZ ⁴.

Patognomonični znaki Alzheimerjeve bolezni so zunajcelično nalaganje amiloid-beta proteina v obliki plakov in znotrajcelično kopičenje hiperfosforiliranega proteina tau v nevrofibrilarne pentlje. Zaradi teh pride do nevronalne disfunkcije, izgube sinaps in celične smrti, kar se klinično kaže kot progresivno kognitivno upadanje. OS je vključen v začaran krog nevrodegeneracije, ki nastane zaradi disfunkcije mitohondrijev in nalaganja amiloida beta. Povišane koncentracije RKZ namreč povzročijo lipidno peroksidacijo in nastanek toksičnega produkta 4-HNE, ki pospešuje agregacijo amiloida beta in oksidacijo proteina tau ⁴.

Anestezija in oksidativni stres

Znano je, da splošna anestezija in operativni posegi v splošni anesteziji povzročijo povečan nastanek RKZ in OS, vendar imajo pri tem različni anestetiki različen učinek. Med intravenskimi anestetiki ima propofol najbolj izstopajoče antioksidativne lastnosti. Zaradi svoje kemijske strukture, podobne vitaminu E, lahko učinkovito nevtralizira proste radikale ^{2 16}. Študija, ki je bila izvedena na psih na Kliniki za male živali Veterinarske fakultete, je pokazala, da propofol izboljšuje splošni antioksidativni status in zmanjšuje poškodbe, povezane z OS pri psih z zgodnjo fazo miksomatozne degeneracije mitralne zaklopke ¹⁷. To je najpogostejše obolenje srca pri psih, pri katerem pride do degenerativnih sprememb srčnih zaklopk. Zaradi nepopolnega zapiranja zaklopk se kri delno vrača nazaj (regurgitacija), kar povzroča volumensko preobremenitev srčnih prekatov in postopno preoblikovanje srčne mišice. Pri psih v zgodnji fazi te bolezni so že prisotne oksidativne poškodbe molekul (npr. lipidov) v krvi, vendar antioksidativna obramba še ni izčrpana ¹⁸. V tej fazi odziv na povečano koncentracijo prostih radikalov v krvi poteka pretežno z aktivacijo v maščobah topnih antioksidantov ¹⁹. Kljub antioksidativnemu delovanju pa odmerki propofola med anestezijo niso dovolj, da bi zagotovili klinično pomembno zaščito. Rezultati študij na eksperimentalnih živalih in ljudeh so pokazali, da lahko imata tudi intravenska anestetika ketamin in tiopental antioksidativne učinke ¹⁶.

Nevroprotektivni učinki propofola se kažejo v zmanjšanju OS preko spodbujanja povečane aktivnosti antioksidativnih encimov (SOD in GPX) in hkratnem zmanjševanju ravni MDA in proteinskih karbonilov ter stabilizacije celičnih ter mitohondrijskih membran. Na eksperimentalnih modelih ishemične in reperfuzijske poškodbe je bilo dokazano, da lahko propofol, s pomočjo teh mehanizmov, zmanjša peroksidacijo lipidov v živčnem tkivu. Prav tako zmanjšuje aktivacijo mikroglije in posredno modulira N-metil-D-aspartatne (NMDA) receptorje, kar zmanjšuje ekscitotoksičnost (škodljive posledice prekomerne vezave nevrotransmiterjev) ²⁰.

Inhalacijski anestetiki, kot so izofluran, sevofluran in desfluran, povečajo OS zaradi svoje presnove in vplivajo na mitohondrije. Izpostavljenost hlapnim anestetikom poveča raven prostih radikalov in zmanjša koncentracijo antioksidantov v telesu. Po drugi strani pa hlapni anestetiki lahko sprožijo fenomen ishemične predpriprave (angl. ischemic preconditioning). To je endogeni zaščitni mehanizem, pri katerem subletalna ishemija aktivira celične poti, ki zmanjšajo poškodbo ob kasnejši, hujši ishemiji. Mehanizem delovanja vključuje aktivacijo mitohondrijskih ATP-odvisnih kalijevih kanalčkov, proteinske kinaze C, dušikovega oksida in uravnavanje znotrajceličnega kalcija. Prosti kisikovi radikali, ki nastanejo ob delovanju anestetikov, sprožijo zaščitno signalno kaskado, ki ob ishemiji zmanjša OS v mitohondrijih. To prispeva k ohranitvi mitohondrijske funkcije ter zmanjšanju reperfuzijske poškodbe. Poleg tega hlapni anestetiki zmanjšajo kontraktilnost miokarda in porabo kisika, kar dodatno prispeva k zaščiti srčne mišice. Fenomen ishemične predpriprave se upošteva tudi v srčni kirurgiji in pri intervencijskih postopkih za zmanjšanje poškodb, ki nastanejo zaradi ishemije in reperfuzije miokarda ²¹.

Anestetiki tudi posredno vplivajo na OS z delovanjem na centralni živčni sistem in srčno-žilni sistem. Splošni anestetiki povzročijo depresijo srčno-žilnega in dihalnega sistema, kar lahko vodi v hipoperfuzijo in hipoksijo. Postopki pri splošni anesteziji vključujejo različna sredstva za sedacijo, postopen uvod v anestezijo in analgetike. Učinki so odvisni od stanja pacienta, odmerka in časa izpostavljenosti. Presnova učinkovin in stresni odziv na postopke dodatno prispevata k nastanku OS ¹⁶.

Postoperativna kognitivna disfunkcija (POCD) se pojavi po posegih v splošni anesteziji, zanjo pa je značilen dolgotrajen upad kognitivnih funkcij, kot so spomin, pozornost in izvršilne funkcije. POCD bistveno podaljša čas okrevanja, zviša stopnjo umrljivosti in najpogosteje prizadene starejše bolnike, pri katerih lahko traja tedne, mesece ali celo leta ^{22 23 24}. Ključno vlogo v patogenezi POCD igra nevroinflamacija (vnetje centralnega živčnega sistema). Ta nastane zaradi vnetnih faktorjev, ki se sproščajo iz perifernih tkiv kot odziv na kirurško travmo in se prebijejo skozi krvno-možgansko pregrado. Med etiološke dejavnike, ki prispevajo k tveganju za POCD, spada tudi vrsta anestezije, vendar raziskave na tem področju še niso dale oprijemljivih rezultatov ²⁴. Poleg vnetja je ključen dejavnik tudi oksidativni stres, kar je bilo potrjeno na eksperimentalnih modelih POCD. Aktivacija imunskega odgovora v centralnem živčnem sistemu in povečano nastajanje RKZ poslabšata delovanje mitohondrijev v hipokampusu ter sprožita apoptotične signalne poti, kar vodi v poškodbo nevronov in poslabšanje kognitivnih sposobnosti ²³.

V zadnjem času postaja spremljanje biomarkerjev oksidativnega stresa pomembno diagnostično orodje pri ocenjevanju odziva organizma na anestezijo. Najpogosteje se uporabljata biomarkerja lipidne peroksidacije, kot je MDA, ter oksidativnih poškodb DNA, kot je 8-OHdG ^{25 26}. Pri pacientih, pri katerih obstaja tveganje za večji oksidativni odziv (srčne bolezni, nevrodegenerativne motnje, večje operativne obremenitve), meritve teh kazalcev omogočajo zgodnje prepoznavanje presežka prostih radikalov in prilagajanje anestetičnih protokolov.

Zaključek

Izbira anestetika je pomemben dejavnik pri zmanjševanju nastajanja RKZ in s tem povezanega OS med splošno anestezijo. Uporaba anestetikov z antioksidativnimi lastnostmi, kot je propofol, ter premišljeno oblikovani anestezijski protokoli lahko prispevajo k boljšemu kliničnemu izidu, zlasti pri pacientih z že prisotnimi sistemskimi ali nevrodegenerativnimi stanji, kjer je oksidativna obremenitev pogosto povečana. V prihodnje se na področju veterinarske in humane anestezije odpirajo možnosti za personaliziran pristop, ki bo temeljil na spremljanju biomarkerjev oksidativnega stresa, kot sta MDA ali 8-OHdG, ter morebitni uporabi ciljnih antioksidativnih intervencij pred anestezijo ²⁷.

Hkrati anestetiki predstavljajo pomembno orodje za nevroznanost, saj lahko služijo kot farmakološki model akutnega oksidativnega stresa v centralnem živčnem sistemu. To odpira priložnosti za raziskave novih nevrozaščitnih pristopov, ki bi lahko zmanjšali poškodbe živčnega tkiva, izboljšali funkcionalno okrevanje ter razjasnili povezave med oksidativnimi procesi, kognitivnimi izidi in dolgoročnimi spremembami v nevralnih mrežah. Razumevanje teh mehanizmov bo ključno za razvoj optimalnih rešitev, ki bodo varnejše in učinkovitejše tako za ljudi in živali.