静脈麻酔薬の作用機序：受容体と細胞内シグナル伝達機構プロポフォール Neuronal Action of Propofol in Relation to Receptors, Ion Channels and Intracellular Signaling Pathways 和歌山県立医科大学麻酔科学教室准教授木下浩之 Hiroyuki Kinoshita γ-アミノ酪酸（γ-aminobutyric acid：GABA）受容体のうちGABAA受容体は，多くの麻酔薬の脳や神経に対する作用に関わることが明らかにされてきた．プロポフォールは GABAA受容体β3 サブユニットに作用を及ぼすと考えられている．高濃度のプロポフォールは，シナプス内の GABAA受容体の開口時間を延長することで一過性抑制性電流を増強し，臨床使用濃度内のプロポフォールは，シナプス外GABAA受容体の感受性を増強することで持続性抑制性電流の発生を促進する．近年，臨床使用濃度内のプロポフォールの各種細胞内伝達機構に及ぼす作用が徐々に明らかにされてきた．麻酔薬の中枢性作用の分子標的として，GABA受容体大きい急速抑制性リガンド型イオンチャネルである 1）．は1980年代より注目されるようになった．本稿では，プ GABAB受容体はメタボトロピック受容体であり，Ｇタンロポフォールの，特に神経系へ及ぼす作用機序について，パクなどを介しカリウムチャネル開口やカルシウムチャ受容体，イオンチャネル，細胞内伝達機構に着目して概ネル抑制作用によりシナプス伝達を制御する 1）．一方説する．で，GABAC 受容体は脳への分布が非常に少なくその意義の詳細は明らかでない1）．これらのGABA受容体のうちGABAA受容体は，多くの麻酔薬の薬理作用，とりわ麻酔薬作用とGABA受容体総論け，その脳や神経に対する作用の感受性に大きく関わることが明らかにされてきた1∼3）． GABA受容体には，大きく分けてGABAA，GABAB おこれまでのクローニングにより，哺乳類の GABAA受よびGABACの 3 種が存在することが知られている．い容体は，19 種類の遺伝子でエンコードされたα1 ∼ 6（ 6 種わゆるイオノトロピック受容体であるGABAA受容体は，，δ（ 1 種類），ε（ 1 類），β1 ∼ 3（ 3 種類），γ1 ∼ 3（ 3 種類）中枢神経系に広く分布し，哺乳類では最も分布密度が種類），φ（ 1 種類），π（ 1 種類）あるいはρ1 ∼ 3（ 3 種類） 4 （2462） Feature Articles Neuronal Action of Propofol in Relation to Receptors, Ion Channels and Intracellular Signaling Pathways のいずれかのサブユニットが結合したヘテロ 5 量体であ 3, 4）ることが明らかになっている．このうちの85％以上は，性Cl−電流は，GABAに対し高親和性で緩徐に脱感作されるタイプのシナプス外 GABA A受容体により発生し， α1β2γ2（最も多い），α2β3γ2 あるいはα3β1∼3γ2 のい一過性後シナプス抑制性電流同様にGABA受容体阻害薬ずれかの組み合わせであるとされている3. 4）．で抑制される（図 1 ）4）．その受容体親和性は周囲のシナ脳の神経伝達システムには，興奮性，抑制性および制プスなどから漏れ出たような低いレベルのGABAに反応御性の 3 種類のシナプスの存在が知られており，GABA するほど高く，シナプス外 GABAA受容体活性化に伴うはグリシンとともに抑制性シナプスを介在する神経伝達持続性抑制性電流は，海馬（特にCA1領域）が関与する物質として知られている1）．GABAは急速型の一過性後記憶や視床〔特に腹側基底核（ventrobasal complex シナプス抑制性電流を発生させることが知られている nuclei：VB）ニューロン〕に関連した意識の抑制に大（図 1 ）1, 4）．この電流発生には，飽和濃度に近い濃度のきく関わる可能性が示唆されている4）．多くの麻酔薬は， GABAが，後シナプス終板のGABAA受容体に結合し，そ低い GABA濃度で活性化を受けるこれらのシナプス外の受容体を活性化してCl − コンダクタンスを発生させる GABAA受容体の感受性を増強することで，持続性抑制必要がある（図 1 ）．この仕組みによるGABAA受容体活電流の発生を促進することが明らかにされており，シナ 4）性化は，麻酔薬をはじめとする多くの GABA作動性薬剤プス外 GABAA受容体が麻酔薬の作用部位であるとの見の作用機序としてこれまで信じられてきた2）．その後の研方が近年の主流になっている5）．究により，急速型の一過性後シナプス抑制性電流とは異麻酔薬が GABAA受容体のどの部位に作用するかにつなる持続性抑制性電流の存在が脳の様々な部位（小脳，いては，麻酔薬間，特に，吸入麻酔薬と静脈麻酔薬の間海馬，新皮質など）で明らかにされた．この持続性抑制で違いがあることが明らかになっている．すなわち，イソ αおよびβサブユニットのフルランなど吸入麻酔薬は，膜貫通ドメイン（Transmembrane domain：TM）2 および 3 に作用するのに対し，プロポフォールを含む静脈麻酔薬はβサブユニットの TM2 および TM3に作用するものの，αサブユニットには影響しないとされている（詳細は後述）6）．プロポフォールとGABAA受容体 GABA シナプス内一過性抑制性後シナプス電流 GABAA受容体阻害薬シナプス外 1. プロポフォールの臨床使用濃度プロポフォールとGABAA受容体について言及する前に，プロポフォールの臨床使用濃度について触れておく．麻酔薬持続性抑制性電流プロポフォール麻酔導入量をヒトに静脈内投与した際の最高血漿中濃度はおよそ 30μM，ヒトで脳波上バーストサプレッションを得られる血漿中濃度はおよそ 60μMと報告されている7∼9）．一方で，プロポフォールのタンパク図 1 シナプス内およびシナプス外GABAA受容体の活性化（文献 4 より引用・改変）活動電位に伴い遊離された GABAは，シナプス間隙に至り後シナプス膜状でシナプス内 GABAA受容体を活性化し，一過性抑制性後シナプス電流が発生する．一方で，シナプス外 GABA A受容体は，低濃度の GABAで活性化を受けて持続性抑制性電流を発生する．この持続性電流は， GABAA受容体阻害薬で抑制される．結合率は97∼98％と報告されていることから9），パッチクランプ法をはじめとする多くの in vitro 実験の結果を解釈する時に用いられるplasma-free concentrationを考慮したプロポフォールの臨床使用濃度は，およそ 1μM と考えてよい10）．これを参考にして以下を読み進めていただきたい． Anesthesia 21 Century Vol.13 No.1-39 2011 （2463） 5 2. シナプス内GABAA受容体に及ぼす作用床使用濃度を超える高濃度のプロポフォールは，シナプス内の GABAA受容体の開口時間を延長することで一過 8.4μM以上のプロポフォールは，ウシのクロム親和性 − 細胞で GABA適用により発生した一過性抑制性Cl 電流性抑制性電流を増強するものと考えられる．を濃度依存性に増強した（図 2 ）11）．この論文は，おそら 3. シナプス外GABAA受容体に及ぼす作用くプロポフォールの作用機序研究初期の最もエポックメイキングな論文の 1 つである．しかしながら，先に述べラット海馬スライス標本でのCA1 領域の錐体細胞に対たようにその研究で用いられたプロポフォール濃度が大するパッチクランプ法を用いた電気生理実験で，臨床使きく臨床濃度を上回っており，研究結果の臨床的意義に用濃度内のプロポフォールは，GABAA受容体阻害薬でついては疑問がある．抑制される持続性抑制性Cl − 電流を濃度依存性に発生させることが明らかにされた（図 3 ）5）．持続性抑制性電流マウスの海馬ニューロンで，GABA（ 1 mM）は抑制性後シナプス電流を発生させ，プロポフォール（10μM）は低い GABA濃度で活性化を受けるシナプス外 GABAA 同時適用は，GABAへの曝露中止後の抑制性電流の持続受容体活性化に伴うことが知られており，プロポフォーを促進した（図 2 ）12）．一過性抑制性電流は，後シナプルは，シナプス外 GABAA受容体の感受性を増強するこス終板のGABAA受容体活性化により発生するので，臨とで，持続性抑制性電流の発生を促進するものと考えら（B） GABA 対照エタノールに溶解したプロポフォール 20ms イントラリピッドに溶解したプロポフォールプロポフォール 1nA （A） 500ms 1,500 300 時間（ms）対照に対する抑制性電流（％） 2,000 1,000 500 ＊ 200 100 0 0 1 10 100 対照プロポフォールプロポフォール濃度（μM）洗浄後対照図 2 一過性抑制性電流（シナプス内GABAA受容体活性化）に及ぼすプロポフォールの作用（A）ウシのクロム親和性細胞で，高濃度のプロポフォールはGABA（100μM）適用により発生した一過性抑制性電流を濃度依存性に増大させた（グラフは濃度反応曲線，縦軸は抑制性電流，横軸はプロポフォール濃度を示す）．（文献 11より引用・改変）（B）マウスの海馬ニューロンで，GABA（1mM）適用は500msec 持続する抑制性後シナプス電流を発生させ，プロポフォール（10μM）同時適用は，GABAへの曝露中止後の抑制性電流の持続を促進した（下のグラフは抑制性電流持続の遷延時間を示す）．＊：P＜0.01 対照に比し有意（文献 12より引用・改変） 6 （2464） Feature Articles Neuronal Action of Propofol in Relation to Receptors, Ion Channels and Intracellular Signaling Pathways れる（図 1 ）4）．実際に，大まかな比較では，持続性抑制た（図 4 ）14）．動物種によっては，ヒトに対する投与量性電流は一過性抑制性後シナプス電流に比べ，抑制性電よりもかなり大量でないとプロポフォール投与に伴うい 5）流として 7 倍も強力であるとされている．わゆる麻酔作用が発現しないが，これらの研究結果は， GABAA受容体β3サブユニットTM2（N265M）の変異が， 4. GABAA受容体におけるプロポフォール作用部位プロポフォールの麻酔薬としての作用に影響を及ぼすこすでに述べたが，吸入麻酔薬と静脈麻酔薬の間で麻酔とを明らかにした点できわめて重要な知見であると考え薬が GABAA受容体のどの部位に作用するかには違いがられる．さらに，最近の報告で，GABAA受容体β2 サブ 6）ある．これまでの研究により，プロポフォールを含むユニット内の荷電残基E153Kおよび K196Eの塩基架橋の静脈麻酔薬はβサブユニットの TM2 および TM3 に作用形成が，プロポフォールによるGABAA受容体活性化にするものの，αサブユニットには影響しない6）．これに必要であることが示唆されている 15）．これについては，ついては，詳細に検討が進み，ラットGABAA受容体β3 遺伝子改変動物を用いた今後の in vivo 研究が待たれるサブユニットの TM2（N265M）および TM3（M286W）ところである．遺伝子の変異は，同様にプロポフォール（ 1μM）によるGABA誘発性 Cl − 電流の増強を完全に抑制することがプロポフォールとGABA以外の受容体，チャネル明らかになった（図 4 ）13）．これらの研究結果は，プロポフォールが GABAA受容体β3サブユニットに及ぼす作用には，TM特異性がないことを示唆している．さらに，こ培養ラット海馬ニューロンで，プロポフォール（1∼ れらの遺伝子変異のうち，GABAA受容体β3 サブユニッ 10μM）は，N-メチル-D-アスパラギン酸（N-methyl-D- トTM2（N265M）のみの変異している遺伝子改変マウ aspartic acid：NMDA）受容体を介するextracellular スでは，侵害刺激からの逃避反射の 1 つである屈筋反 signal-regulated プロテインキナーゼ（ERKs）リン酸化射，および，反応の鈍さを示す立ち直り反射が，プロポを有意に抑制した 16）．ERKsリン酸化はNMDA受容体をフォール静注により強く抑制されることが明らかになっ介するシナプス可塑性や記憶に重要な役割を果たしていプロポフォール 1μM 500pA 抑制性電流（pA） -200 5μM 2min 0 500pA BIC 10μM PROP 5μM -100 0.01 0.1 1 10 プロポフォール濃度（μM） 2min 図 3 持続性抑制性電流（シナプス外GABAA受容体活性化）に及ぼすプロポフォールの作用（文献 5 より引用・改変）臨床使用濃度内のプロポフォール（prop）は，シナプス外GABAA受容体活性化によると考えられる持続性抑制性電流を濃度依存性に発生させた（右のグラフは濃度反応曲線，縦軸は抑制性電流，横軸はプロポフォール濃度を示す）．また，これらの電流は，GABAA受容体阻害薬ビククリン（bicuculline：BIC）で抑制された． Anesthesia 21 Century Vol.13 No.1-39 2011 （2465） 7 ると考えられるので，これらの研究結果は，臨床使用濃度およびラット脳ナトリウムチャネルを抑制することが明のプロポフォールが記憶に及ぼす作用の細胞内機序を示らかにされている18, 19）．カプサイシンや熱は，感覚神経唆している可能性がある16）．一方，高濃度プロポフォーの transient receptor potential vanilloid（TRPV）サブル（10μM以上）は，GABAA受容体に対する作用と同様タイプ-1 受容体を刺激するが，カプサイシンを曝露し続に，グリシンによるグリシン受容体活性化を促進するこけるとTRPV-1 受容体の脱感作を引き起こすことが知ら 11）とが知られている．しかし，グリシン受容体はプロポれている．高濃度プロポフォール（10μM）は，マウスフォールの麻酔作用には関与していないと思われる17）．脊髄後根神経節感覚ニューロンで，カプサイシンによるまた，高濃度プロポフォール（10μM以上）は，ラッ脱感作からTRPV-1受容体活性を回復，保護することがト視索上核ニューロンの電位依存性カルシウムチャネル α2β3γ2 α2β3（N265M）γ2 3μM GABA 3μM 1μM PROP GABA 30μM 30μM GABA 1μM PROP 30μM 3μM GABA GABA 1000pA 1000pA GABA α2β3（M286W）γ2 5sec 5sec 5sec 正常マウス正常マウス β（N265M）遺伝子改変マウス 3 β（N265M）遺伝子改変マウス 3 20 10 屈筋反射 15 10 ＊＊ 5 ＊＊＊反射消失時間（min）立ち直り反射反射消失時間（min） 3μM GABA 3μM 1μM PROP GABA 1000pA 3μM GABA 判明した20）． 8 6 4 2 ＊＊ 0 0 10 20 30 40 プロポフォール（mg/Kg） 10 20 30 40 プロポフォール（mg/Kg）図 4 GABAA受容体β3サブユニット変異がプロポフォールの作用に及ぼす影響（上）ラットGABAA受容体β3サブユニットの膜貫通ドメイン 2（TM2：N265M）および 3（TM3：M286W）遺伝子の変異は，同様にプロポフォール（1μM）によるGABA 誘発性 Cl− 電流の増強を完全に抑制した．（文献13より引用・改変）（下）GABAA受容体β3サブユニットTM2（N265M）のみ変異している遺伝子改変マウスでは，侵害刺激からの逃避反射の一つである屈筋反射，および，反応の鈍さを示す立ち直り反射が，プロポフォール静脈内投与により有意に抑制された．＊＊：P＜0.01，＊＊＊：P＜0.001（文献 14より引用・改変） 8 （2466） Feature Articles Neuronal Action of Propofol in Relation to Receptors, Ion Channels and Intracellular Signaling Pathways 高濃度のプロポフォールがこれらの受容体や各種チャゼ活性化を増幅した20, 25）．この研究ではさらに，プロポネルに及ぼす作用は，臨床使用濃度内では発生しない可フォールがプロテインキナーゼCεのC1Bと呼ばれるサ能性が高いが，以上の研究結果は，濃度を選択すればプブドメインに結合し，本キナーゼを活性化させることもロポフォールを薬理学的ツールの 1 つとして使用できる明らかにしている25）．可能性を示唆するものである．すでに述べたが，プロポフォール（1∼10μM）は，海馬ニューロンで，NMDA受容体を介するERKsリン酸化を有意に抑制することも明らかになっている16）．プロポフォールと（神経）細胞内伝達機構以上のプロポフォールに関する研究結果のうち，Arc 発現に及ぼす作用は in vivoでの効果ではあるが，プロポ近年，プロポフォールが各種細胞内カスケードに作用を及ぼすことが指摘されるようになった．フォール血中濃度がヒトでの臨床に即しているかは明らかでなく，グルタミン酸トランスポータに対する作用は両側の扁桃体基底外側複合体にGABA受容体阻害薬ビ臨床使用濃度をはるかに超えている．これに対して，プククリンを投与したラットでは，プロポフォール（25mg/ ロテインキナーゼ CのεサブタイプやNMDA受容体を介 kg）腹腔内投与による健忘作用を消失させると同時に，するERKsに対する作用は，臨床使用濃度内で発生して Arc（activity-regulated cytoskeletal protein）の海馬でおり，特に，プロポフォールがGABAA受容体β3サブユ 21）．扁桃体基底外側複合体のニットに及ぼす作用やシナプス外GABAA受容体に及ぼ GABA受容体活性は，記憶の抑制に関与することがすです作用における細胞内機序として，その関与の有無につに明らかにされており22），また，Arcはシナプス可塑性いての研究が待たれるところである．の発現を有意に抑制したを制御し長期記憶の構築に役割を果たしていることが示唆されている23）．したがって，これらの研究結果は，プロポフォールが，扁桃体のGABAA受容体活性化を介しまとめてArc発現を増大させ，結果として健忘作用を発揮する可能性を示唆するものである．ここまで，麻酔薬の作用機序におけるGABAA受容体高濃度のプロポフォール（30μM以上）は，ラットのグの役割，特に，静脈麻酔薬プロポフォールの作用機序にルタミン酸トランスポータEAAT-3（excitatory amino ついて述べてきた．今までの研究成果の多くは，in vitro acid transporter-3；グリアやニューロンの細胞膜に存在研究によるものである．遺伝子改変動物など遺伝子操作し，生理的環境下ではグルタミン酸を細胞外から細胞内を用いたin vivo 研究により，臨床使用濃度内のプロポへ運搬する働きがある）の作用を増強することが示されフォールの麻酔作用と受容体の特異的な部位の関わりをている24）．プロテインキナーゼ Cεのみを発現させたs f 9 さらに明らかにしていくことが今後期待される．それら細胞で，プロポフォール（0.1μMオーダーから）適用は，の研究が積み重なることで，プロポフォールの麻酔作用それ自体が本キナーゼ活性を増大させるとともに，プロテの細胞内機序の理解が深まり，臨床麻酔の質の向上に寄インキナーゼ C 活性薬であるホルボールエステル（ジア与するものと考えられる．シルグリセロールと同様の作用を持つ）による本キナー ■ 参考文献 1）Connors BW：Synaptic transmission in the nervous system, “Medical physiology-updated adition”, Boron WF and Boulpaep EL, Philadelphia, Elsevier Saunders：295 - 324, 2005 2）Hemmings HC Jr, Akabas MH, Goldstein PA, et al.：Emerging molecular mechanisms of general anesthetic action. 3）Franks NP：Molecular targets underlying general anaesthesia. 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