anestetici e neurotossicità nell`età evolutiva: mito o realtà

Master biennale di alto perfezionamento in
ANALGESIA, ANESTESIA E TERAPIA
INTENSIVA IN OSTETRICIA
anno accademico 2015 -16
Direttore Prof. Giorgio Capogna
“ANESTETICI E NEUROTOSSICITÀ
NELL’ETÀ EVOLUTIVA: MITO O REALTÀ”
Tesi finale di:
Roma, 21 ottobre 2016
Dott. Danilo Carloni
1
“ Le cose in realtà sono molto più semplici di quanto si
possa pensare ma molto più complicate di quanto si
possa comprendere” JW Goethe
ANESTETICI E NEUROTOSSICITÀ NELL’ETÀ
EVOLUTIVA: MITO O REALTÀ
“E’ sicuro per il nascituro che la madre riceva una analgesia epidurale per
il parto?”
Di fronte a emozioni quali la paura dell’imprevisto (“come starà mio
figlio?”, “quali sono le ripercussioni dell’analgesia epidurale sul feto?”) la
risposta non può essere solo rassicurante, ma deve spaziare su tutto lo
scibile medico, per esempio ci deve porre la seguente problematica: se
ovviamente è difficilissimo valutare gli effetti di dosaggi minimi di
anestetici locali ed oppiacei sul nascituro, cosa dice la ben più cospicua
letteratura medico-scientifica su dosaggi anestetici, magari di anestesia
generale, sulla cospicua popolazione di pazienti neonatali e pediatrici?
Quindi la domanda dall’analgesia epidurale in corso di travaglio di parto si
sposta a:
“E’ sicuro per mio figlio ricevere un’anestesia?”
2
La lezione di sir Bradford Hill 1:
Alla riunione della Royal Society of Medicine del 1965 sir Bradford Hill
propose all’uditorio la seguente domanda: “Come possiamo stabilire quali
sono i pericoli occupazionali, siano essi fisici, chimici e psicologici, qualora
siano rari e non facilmente riconoscibili?”
Evidentemente egli faceva riferimento alla medicina del lavoro ed al
rapporto di causa-effetto nella ricerca epidemiologica e difatti fece
l’esempio classico degli spazzacamini e cancro scrotale (RR 200 volte >),
distinguendo tra semplice associazione e causalità (è la distocia che fa
richiedere più frequentemente l’analgesia epidurale, non l’analgesia che
causa la distocia) ma il suo quesito può essere tranquillamente esteso al
campo della medicina perioperatoria, da quando nel 1999 su Science
apparve l’articolo di Ikonomidou 2 sul blocco dei recettori NMDA e
neurodegenerazione apoptotica nel cervello in via di sviluppo.
Ovviamente la diffusione ubiquitaria di informazioni medico-scientifiche
tramite Internet ha fatto poi sì che sempre più genitori si presentino allo
specialista in anestesia ponendo il quesito sovra riportato e menzionando
specificatamente l’”apoptosi”3, dal momento che effettivamente un
aumentato tasso di apoptosi negli animali di laboratorio è stato associato
con molti degli anestetici, quali protossido di azoto, ketamina, propofol,
etomidate, barbiturici, benzodiazepine, il cloralio idrato, l’etanolo ed altri
4-7
Tratteremo quindi di:
1 sviluppo generale normale
2 attività neuronale ed anestetici generali
3 morte neuronale, in generale (eccitotossicità ed apoptosi)
3
4 apoptosi nell’età evolutiva
5 danno cognitivo a lungo termine negli animali
6 deficit cognitivo e comportamentale negli umani dopo chirurgia
pediatrica
7 ci porremo una serie di domande (popolazione esposta e non esposta,
definizione di esposizione ad anestetici, qual è l’outcome ecc.)
8 conclusioni
BIBLIOGRAFIA
1 SVILUPPO CEREBRALE NORMALE
Tutti i fattori chiave dello sviluppo neuronale dipendono da un fine
bilanciamento tra vari neurotrasmettitori, ed in particolare sono due dei
maggiori neurotrasmettitori, glutammato e acido gamma- aminobutirrico
(GABA) a controllare la maggior parte della migrazione neuronale, così
come la loro differenziazione, maturazione e sinaptogenesi, cioè le
componenti chiave dello sviluppo cerebrale nei mammiferi 8.
La sinaptogenesi comporta un processo di ramificazione dendritica
massiva e la formazione di miliardi di contatti sinaptici tra neuroni per
formare circuiti neuronali e mappe neuronali ordinate. I processi
attraverso i quali le proiezioni assonali e dendritiche trovano il bersaglio
“giusto” sono molto complessi, ma è possibile affermare che sono basati
4
su di un “rimodellamento dipendente dall’attività” 8, il che implica che
per una sinaptogenesi tempestiva e appropriata siano cruciali l’attività
neuronale e le comunicazioni tra neuroni. Inoltre tutti gli aspetti della
sinaptogenesi sono sotto il controllo stretto delle cellule gliali, che
partecipano attivamente tramite segnali neuroni – glia e forniscono
l’ambiente ideale per le interazioni neurone – neurone.
L’attività elettrica e sinaptica è talmente importante per la sinaptogenesi,
che il neurotrasmettitore inibitorio maggiore (GABA) agisce da eccitatore
durante le prime fasi della sinaptogenesi 8.
Anche se le sinapsi sono sottoposte ad un costante rimodellamento e per
tutta la vita ne vengono formate di nuove mentre altre vengono “potate”,
la stragrande maggioranza dei network neuronali e dei contatti sinaptici
avviene durante la sinaptogenesi iniziale, che negli umani corrisponde
all’ultimo trimestre di vita intrauterina ed i primi anni postnatali, ed in
particolare i primi mesi postnatali.
Durante l’ultimo trimestre ed i primi due anni e più di vita postnatale, vi è
una grande crescita del cervello umano al punto tale che raddoppia
durante i primi sei mesi dopo la nascita e triplica dopo dodici mesi 8.
2 ATTIVITÀ NEURONALE ED ANESTETICI GENERALI
Il fatto che l’attività neuronale e la comunicazione interneuronale siano
cruciali per la formazione di contatti sinaptici appropriati e per lo stabilirsi
di recettori stabili, che a loro volta portano allo sviluppo cognitivo e
comportamentale, non può che portare all’attenzione un’intera classe di
farmaci, gli anestetici generali, il cui obiettivo principale è di
“interrompere” o “smorzare” la comunicazione interneuronale per
ottenere l’analgesia, l’amnesia e l’”ipnosi”.
A dispetto del loro uso estensivo e della loro potenza ed efficacia, i
meccanismi della loro azione anestetica non sono pienamente conosciuti.
5
Sulla base degli studi degli ultimi dieci anni, sembra che vi siano recettori
specifici a livello cellulare 8.
In generale, vengono riportate l’aumento della trasmissione inibitoria o
l’inibizione di quella eccitatoria. In particolare la neurotrasmissione
inibitoria GABA- mediata viene aumentata da molti anestetici
endovenosi, quali barbiturici, benzodiazepine, propofol e etomidate,
come gli anestetici inalatori isofluorano, sevofluorano, desfluorano ed
alotano, e di solito vengono collettivamente chiamati GABAergici.
D’altra parte un piccolo numero di anestetici endovenosi (fenciclidina ed
il suo derivato ketamina) ed inalatori (protossido d’azoto e xenon)
inibiscono la neurotrasmissione eccitatoria bloccando i recettori N-methyl
D-aspartato (NMDA), un sottogruppo di recettori del glutammato.
Vedremo oltre le implicazioni cliniche specie sull’umano.
3 MORTE NEURONALE: ECCITOTOSSICITA’ ED APOPTOSI
La morte neuronale in genere, al di là dell’embriogenesi e dell’età
evolutiva, può essere provocata 9 :
- dall’attivazione di recettori per gli aminoacidi eccitatori e si fa
riferimento al termine “eccitotossicità” o
- dall’attivazione della morte cellulare programmata od “apoptosi” (sia
essa in condizioni fisiologiche sia patologiche).
Per quel che riguarda l'eccitotossicità, dimostrazioni inconfutabili di un
ruolo patogenetico, in particolare nel danno neuronale ischemico,
derivano da esperimenti condotti su modelli animali.
I modelli sperimentali di ictus hanno mostrato incrementi nella
concentrazione extracellulare di glutammato (aminoacido eccitatorio) e il
danno neuronale viene attenuato dalla denervazione dei neuroni
6
contenenti glutammato o dalla somministrazione di antagonisti del
recettore del glutammato 9.
La distribuzione di cellule sensibili all’ischemia corrisponde strettamente a
quella dei recettori del N-metil-D-aspartato (NMDA) (tranne che per le
cellule cerebellari del Purkinje, che sono vulnerabili all’ipossia-ischemia
ma mancano di recettori NMDA).
Gli antagonisti competitivi e non competitivi dei recettori NMDA sono
efficaci nel prevenire l’ischemia focale. Nell’ischemia celebrale globale
sono attivati recettori non MNDA e gli antagonisti di questi recettori
hanno un’azione protettiva. Anche il danno cerebrale sperimentale
indotto dall’ipoglicemia è attenuato dagli antagonisti NMDA 9 .
L’eccitotossicità non è un evento singolo, ma piuttosto una cascata di
danni cellulari. L’eccitotossicità induce un afflusso di calcio nelle cellule e
la maggior parte del calcio è sequestrata nei mitocondri piuttosto che nel
citoplasma. L’aumento del calcio citoplasmatico causa una disfunzione
metabolica e la generazione di radicali liberi attiva le proteinchinasi, le
fosfolipasi, l’ossido nitrico sintetasi, le endonucleasi ed inibisce la sintesi
proteica. L’attivazione dell’ossido nitrico sintetasi genera ossido nitrico
che può reagire con il superossido per generare il perossinitrito, che può
dare un danno diretto neuronale.
Un’altra via critica è l’attivazione di una poli - ADP- ribosio polimerasi in
risposta al danno del DNA mediato dai radicali liberi. A livello
sperimentale, i topi con mutazioni knockout dell’ossido nitrico sintetasi
neuronale o della poli – ADP – ribosio polimerasi, così come quelli che
sovraesprimono la superossidodismutasi, sono resistenti all’ischemia
focale 9 .
Un’altra caratteristica interessante dell’eccitotossicità emerge dal fatto
che la stimolazione dei recettori NMDA extrasinaptici si è dimostrata
7
essere in grado di mediare la morte cellulare, mentre l’attivazione dei
recettori sinaptici risulta protettiva.
Nonostante l’eccitotossicità sia chiaramente implicata nella patogenesi
della morte cellulare nell’ictus, il trattamento con gli antagonisti NMDA
non si è però dimostrato utile dal punto di vista clinico 10.
L’apoptosi o morte cellulare programmata, svolge un ruolo importante in
condizioni sia fisiologiche sia patologiche. L’apoptosi è caratterizzata da
un restringimento neuronale, dalla condensazione della cromatina e dalla
frammentazione del DNA, mentre la morte cellulare necrotica è associata
a rigonfiamento citoplasmatico e mitocondriale seguito dalla morte
cellulare. Le riserve energetiche cellulari sembrano avere un ruolo
importante in queste due forme di morte cellulare, poiché l’apoptosi può
essere favorita in condizioni in cui sono conservati i livelli di ATP.
Durante l’embriogenesi varie vie dell’apoptosi portano alla distruzione dei
neuroni che non riescono a differenziarsi in modo appropriato o a
raggiungere i bersagli previsti. Fino a poco tempo fa si pensava che
durante il periodo di sviluppo circa il 50% di neuroni andasse incontro a
morte programmata per incapacità di produrre connessioni sinaptiche
e/o mancanza di supporto neurotrofico. In tali esperimenti veniva però
intenzionalmente danneggiato il processo di sinaptogenesi.
Studi più recenti hanno dimostrato che la gran parte delle morti cellulari
programmate avviene in cellule proliferanti non ancora differenziate in
neuroni, sempre che sia preservata la sinaptogenesi.
Vi sono sempre più prove di un aumentato tasso di morte cellulare
apoptotica in una gran varietà di malattie neurologiche acute e croniche,
tra cui la malattia di Alzheimer, la malattia di Huntington, la SLA, ed in
particolare la malattia neurologica genetica più specificatamente legata
all’apoptosi sembra essere l’atrofia muscolare spinale infantile (malattia
8
di Wernig-Hoffmann), causata da due geni coinvolti nel meccanismo
dell’apoptosi.
Nel controllare le vie specifiche dell’apoptosi sono essenziali i mitocondri.
Essi durante l’apoptosi ridistribuiscono il citocromo c e portano
all’attivazione di una cascata di proteasi intracellulari conosciute come
caspasi.
4 APOPTOSI NELL’ETÀ EVOLUTIVA
Affinché avvenga una formazione appropriata e tempestiva delle sinapsi e
dei circuiti neuronali è fondamentale il fine equilibrio tra la
neurotrasmissione mediata da acido γ-aminobutirrico (GABA) e quella
mediata dal glutammato. Uno squilibrio in questo sistema può segnalare
ai neuroni in via di sviluppo di autodistruggersi 11.
A questo punto il problema diviene se farmaci come gli anestetici
generali, a dosi che certamente disregolano l’equilibrio GABA –
glutammato, possano promuovere un’attivazione eccessiva della
neuroapoptosi e la morte di numerosi neuroni in via di differenziazione.
In generale, gli anestetici generali causano una degenerazione apoptotica
significativa e diffusa dei neuroni in differenziazione in varie specie di
mammiferi, inclusi i topi, i ratti, i porcellini d’India e primati non umani. Il
picco di vulnerabilità alla neuroapoptosi indotta dall’anestesia coincide in
ogni specie con il picco di sinaptogenesi, con una vulnerabilità molto
minore durante stadi più tardivi.
Vari meccanismi cellulari sono stati studiati 11:
 CASCATA APOPTOTICA DIPENDENTE DAI MITOCONDRI
La via di attivazione apoptotica dipendente dai mitocondri, detta anche
via intrinseca 12, coinvolge la sottoregolazione di proteine
antiapoptotiche della famiglia Bcl -2 (ad es. Bcl – xL), un’aumentata
permeabilità della membrana mitocondriale ed un aumentato rilascio di
9
citocromo c nel citoplasma, il che attiva le caspasi 3 e 9, le quali inducono
l’apoptosi. Un’anestesia generale somministrata al picco della
sinaptogenesi attiva il meccanismo intrinseco entro due ore. 12
La melatonina, un ormone del sonno noto per sovraregolare la proteina
Bcl – xL, offre qualche protezione inibendo parzialmente l’induzione da
parte degli anestetici di perdita nel citoplasma di citocromo c e
l’attivazione della caspasi 9 13.
 CASCATA APOPTOTICA DIPENDENTE DAI RECETTORI DI MORTE
PROGRAMMATA
L’apoptosi può iniziare con la via estrinseca, innescata dall’attivazione dei
recettori di morte programmata. Ciò avviene per la formazione di un
complesso – segnale inducente la necrosi (DISC), che attiva le caspasi 8 e
3, che porta alla necrosi. L’anestesia generale può indurre l’attivazione
della via estrinseca, ma di solito prima essa attiva la via intrinseca 12.
 CASCATA APOPTOTICA DIPENDENTE DA FATTORI NEUROTROFICI
Nella sinaptogenesi del cervello del mammifero sono importanti le
neurotrofine, una famiglia di fattori di crescita neuronali, che sono
sintetizzate e rilasciate dai neuroni, in relazione alla loro attività.
Una marcata diminuzione dell’attività neuronale (come avviene
nell’anestesia generale) può ridurre la produzione di segnali neurotrofici e
portare all’apoptosi, in tempi rapidi e con distribuzione regionale
specifica.
Il β estradiolo offre una parziale protezione dall’apoptosi indotta dagli
anestetici inibendo parzialmente l’attivazione della caspasi 3 14.
 DEPLEZIONE NEURONALE E NEUROAPOPTOSI INDOTTA DAGLI
ANESTETICI
10
Un’importante problematica della neuroapoptosi indotta dagli anestetici
è rappresentata dall’avere essa un effetto duraturo.
Un’attenta quantificazione delle densità neuronali nelle regioni corticali e
sottocorticali più vulnerabili mostra che animali trattati con anestetici
generali hanno fino al 50% di diminuzione della densità neuronale
rispetto ai controlli. 15 L’esposizione di ratti ad anestetici generali al picco
della sinaptogenesi comporta anormalità severe e durature sia strutturali
sia funzionali delle sinapsi del complesso ippocampale, una struttura
cerebrale cruciale per un appropriato apprendimento e sviluppo delle
capacità mnesiche 8.
Anche nei topi l’esposizione ad anestetici durante la sinaptogenesi risulta
in una significativa riduzione nelle spine dendritiche e nella formazione di
sinapsi sia in vitro sia in vivo.
In più gli anestetici generali causano in fasi più tardive della sinaptogenesi
anomali contatti sinaptici 8
Anche se una “potatura” fisiologica dei neuroni ridondanti viene
osservata comunemente nei cervelli dei mammiferi, solo l’1-2% dei
neuroni non sopravvive la normale sinaptogenesi; forse dosaggi
clinicamente rilevanti di anestetici mettono a rischio la sopravvivenza di
tal eccesso di neuroni in via di sviluppo 15.
 NEUROAPOPTOSI: DA ANESTETICI O DA CAMBIAMENTI
NELL’OMEOSTASI CARDIOVASCOLARE E RESPIRATORIA
Ovviamente è di primaria importanza nell’anestesia clinica il
mantenimento di un’adeguata ossigenazione, ventilazione e perfusione
tissutale, in altre parole una stabilità di tutti i segni vitali.
A causa delle difficoltà tecniche imposte dalla ridottissima taglia dei ratti
appena nati, questi dati non possono essere monitorati in continuo, il che
ha portato i ricercatori ad investigare sui porcellini d’india 15 ed i primati
11
16 17 18, specie che permettono un monitoraggio più stretto. Questi
studi confermano i risultati che erano stati ottenuti sugli animali di taglia
più piccola, ovvero i cambiamenti istopatologici osservati erano causati
dall’anestesia di per sé e non dall’ipossia, l’ipercapnia o disturbi
metabolici.
In più né l’ipoglicemia 19 né l’ipercapnia 20 peggiorano la neuroapoptosi
indotta dall’anestesia, che quindi è già di per sé sufficientemente
dannosa.
 MECCANISMI MITOCONDRIALI PER LA NEUROTOSSICITA’ INDOTTA
DALL’ANESTESIA
Oltre a danneggiare la membrana mitocondriale interna ed attivare la
cascata apoptotica intrinseca, gli anestetici generali provocano un
disturbo nella morfogenesi mitocondriale marcato e di lunga durata.
Un’esposizione precoce all’anestesia generale causa un ingrandimento
mitocondriale ed una distruzione della membrana mitocondriale interna e
delle creste. Nei neuroni la rigenerazione dei mitocondri dipende
dall’equilibrio tra fusione e fissione; una fusione danneggiata porta a
frammentazione mitondriale, mentre se ad essere danneggiata è la
fissione ciò porta ad un ingrandimento. Gli anestetici generali possono
disturbare questo delicato equilibrio in favore della fusione, che può
causare la neurodegenerazione conseguente 21; d’altronde uno squilibrio
nel senso della fusione mitocondriale può contribuire a diverse malattie
neurodegenerative dell’adulto 22 23.
L’ingrandimento mitocondriale indotto dagli anestetici può rallentare la
loro migrazione, specie verso branche dendritiche finemente ramificate
nel momento in cui la loro presenza si rende necessaria per la normale
sinaptogenesi 24 25.
In più tale squilibrio è accompagnato da iperproduzione di specie reattive
dell’ossigeno (ROS) e perossidazione di lipidi e proteine. I ROS sono
12
implicati nello sviluppo e progressione di diverse condizioni associate a
declino cognitivo, quali il morbo di Parkinson, il morbo di Alzheimer, la
corea di Huntington. I neuroni producono normalmente ROS come
conseguenza dell’alto tasso metabolico e sono relativamente deficienti
nei meccanismi di difesa ossidativa. Questa vulnerabilità, sommata al
gran contenuto di acidi grassi insaturi, li rende particolarmente suscettibili
all’eccessiva perossidazione lipidica ed al danno cellulare. Può quindi
esistere un legame tra la disfunzione mitocondriale indotta da anestetici,
l’iperproduzione di ROS ed un declino cognitivo 26.
Se al giorno postnatale 7 (picco della sinaptogenesi) vengono
somministrati spazzini dei radicali liberi o bloccanti della transizione
permeabilità mitocondriale prima di un’anestesia, vengono prevenuti
disturbi dell’apprendimento e della memoria in età ulteriore. 26
In più la melatonina 13, un ormone naturale coinvolto nel sonno, e la
carnitina 27, un supplemento nutrizionale che protegge l’integrità
mitocondriale, forniscono una protezione significativa dall’apoptosi
neuronale.
Quindi la chiave per un uso sicuro degli anestetici durante le fasi più
precoci di sviluppo cerebrale potrebbe essere prevenire un’eccessiva
perossidazione lipidica e proteggere i mitocondri.
 MECCANISMI CORRELATI AL RETICOLO ENDOPLASMATICO PER UNA
NEUROTOSSICITÀ EVOLUTIVA CORRELATA ALL’ANESTESIA
Una delle cause delle disfunzioni mitocondriali e apoptotiche discusse
prima potrebbe essere il rilascio eccessivo di calcio dal reticolo
endoplasmatico nel citoplasma ed un sovraccarico mitocondriale di calcio.
Questo può portare a perdita di citocromo c, che compromette
ulteriormente la funzione mitocondriale.
13
Si sa 28 che l’isofluorano attiva direttamente i recettori dell’inositolo
1,4,5 trifosfato, producendo un rilascio prolungato ed esagerato di calcio,
aumentando il calcio del citoplasma. Questo aumenta l’attività dei pori di
membrana di transizione di permeabilità e modula la proteina
mitocondriale Bcl-xL, eventi che promuovono la morte neuronale nel
cervello immaturo del ratto. Simili conseguenze avvengono con il
desfluorano ed il sevofluorano ma in misura minore con il propofol.
La disregolazione del calcio non è un fenomeno tutto o nulla. Un rilascio
moderato di calcio dal reticolo endoplasmatico può fornire
neuroprotezione, mentre è un aumento eccessivo che porta alla
neurotossicità.
In qualità di secondo messaggero, il calcio intracellulare regola molti
aspetti dello sviluppo neuronale, quali la formazione e funzione sinaptica,
l’eccitabilità neuronale, la sintesi proteica, l’apoptosi neuronale e
l’autofagia. Disturbi nell’omeostasi del calcio sono alla base di molte
forme di deficit nell’apprendimento e nella memoria 29 30.
 COINVOLGIMENTO DEI LISOSOMI E DELL’AUTOFAGIA NELLA
NEUROTOSSICITÀ EVOLUTIVA INDOTTA DALL’ANESTESIA
L’anestesia può produrre un eccesso di prodotti di degradazione, spesso
chiamati “scarto” biologico, che deve essere degradato per garantire la
sopravvivenza neuronale tramite il processo dell’autofagia. L’autofagia
inizia con la formazione di autofagosomi, strutture cellulari a doppia
membrana che entrano nei lisosomi, che contengono vari enzimi litici.
Tale processo avviene lentamente, per cui nei lisosomi si accumula un
materiale non digerito, polimerico, auto fluorescente chiamato
lipofuscina.
Gli anestetici generali aumentano la formazione di autofagosomi 20,
aumentando la possibilità che gli anestetici inducano la morte dei neuroni
in via di sviluppo in parte provocando uno stress autofagico, una forma di
14
auto-cannibalismo. Non è dato sapere se l’autofagia è importante per
l’inizio dell’apoptosi o se i due processi di autofagia ed apoptosi siano
indipendenti, ma sicuramente la neurotossicità evolutiva indotta
dall’anestesia può coinvolgere la distruzione di organuli citoplasmatici 31.
5 DANNO COGNITIVO A LUNGO TERMINE NEGLI ANIMALI DOPO
ESPOSIZIONE PRECOCE AGLI ANESTETICI
Il problema ora è decifrare le conseguenze funzionali delle anomalie
morfologiche sovra descritte, e cioè se queste osservazioni si traducono
in effetti duraturi sul comportamento.
Almeno negli animali la risposta è positiva, in altre parole lo sviluppo delle
abilità cognitive negli animali esposti ad anestetici generali al picco della
sinaptogenesi è rallentato rispetto ai controlli, e tale divario si amplifica
col durare del tempo 32.
Persino anestetici generali endovenosi come propofol o tiopentale in
combinazione con la ketamina somministrati al giorno postnatale 10 nel
topo alterano il comportamento ulteriore nel giovane adulto 31.
Conseguenze simili di deficit comportamentali in età adulta sono state
osservate quando i topi erano esposti al giorno postnatale 10 ad una
miscela di ketamina e diazepam 31.
Sebbene ad essere maggiormente dannosi siano i cocktail di diversi
farmaci, anche la ketamina somministrata da sola durante fasi precoci di
sviluppo neuronale nei ratti causa deficit tardivi nell’adattamento,
apprendimento e memoria 33.
Quando sono combinati farmaci con proprietà GABAergiche e antagoniste
dei recettori N-metil-D-aspartato, e questo è molto frequente in clinica
(N2O ed anestetici volatili oppure propofol e ketamina), i deficit cognitivi
sono più profondi 31 32 33.
15
L’anestesia generale viene raramente somministrata in assenza della
chirurgia e dei conseguenti dolore e danno tissutale. Quindi il potenziale
neurotossico verso il cervello in età evolutiva da parte degli anestetici
generali deve essere confermato nel contesto dello stimolo chirurgico. I
risultati sono contraddittori, con autori che hanno riscontrato che la
nocicezione peggiora la neuroapoptosi ed i deficit cognitivi a lungo
termine 34, mentre altri autori affermano che la nocicezione attenua
l’effetto apoptotico dell’anestesia con ketamina 35.
Proprio perché i risultati nei ratti si correlano male con gli umani, sono
stati condotti studi su primati non umani. Nei primati non umani (età 5 o
6 giorni), l’infusione continua di ketamina (24 ore) sufficiente a
mantenere un leggero piano di anestesia chirurgica è in grado di condurre
a disturbi a lungo termine in tutti gli aspetti più importanti dello sviluppo
cognitivo, quali apprendimento, abilità psicomotoria, formazione di
concetti e motivazione. Questi effetti si verificavano in assenza di disturbi
dei parametri fisiologici o metabolici 36.
Anche se è certamente raro un’esposizione ad anestetici per 24 ore, essa
ad esempio può avvenire in pazienti critici in terapia intensiva in tutte le
classi di età.
6 DEFICIT COGNITIVO E COMPORTAMENTALE NEGLI UMANI DOPO
CHIRURGIA PEDIATRICA
Sono decenni che sono conosciuti gli effetti di eventi perioperatori sullo
sviluppo psicologico ed emozionale dei bambini.
Già nel 1945 lo studio retrospettivo di Levy 37 fu il primo a fare
un’associazione tra procedure chirurgiche relativamente brevi, quali
l’adenoidectomia, la tonsillectomia o l’appendicectomia, in bambini
altrimenti sani e lo sviluppo di nuovi problemi comportamentali quali
terrore, dipendenza, disobbedienza entro i primi 6 mesi dall’intervento.
16
Di essi la maggior parte erano particolarmente piccoli, poiché dal 33 al
58% avevano meno di due anni.
Nel 1953 Eckenhoff 38 pubblicò uno studio retrospettivo di 612 pazienti <
12 anni che avevano subito una tonsillectomia o un’appendicectomia
essendo anestetizzati con una varietà di farmaci (ciclopropano, N2O,
morfina e pentobarbitale), in cui cambiamenti comportamentali regressivi
(ad esempio enuresi notturna) avvenivano in media 2 mesi dopo la
chirurgia, con un picco del 57% se < 3 anni ed un’incidenza minore (8%) se
>8 anni.
Dal momento che i cambiamenti comportamentali erano indipendenti del
farmaco o tecnica anestesiologica, si pensò che la causa dei cambiamenti
regressivi nel comportamento dovesse essere trovata nello shock
emozionale dell’ospedalizzazione, la separazione dalla famiglia ed il
trauma fisico dell’intervento chirurgico, comprendendo in esso il dolore,
lo squilibrio dei fluidi, problemi nutrizionali e la perdita ematica.
Comunque, anche per procedure relativamente minori il problema era
relativamente presente: già nel 1986 i primi ad associare una relazione
chiara e diretta tra anestesia e ritardo cognitivo a lungo termine furono
Backman e Kopf 39 che analizzarono per la rimozione di nevi nevocitici
congeniti (una procedura minore) l’effetto di ketamina ed alotano. Anche
in una procedura dall’impatto ridotto sull’organismo gli autori riportarono
un aumento d’incidenza di problemi comportamentali, descritti come
comportamenti regressivi, che perduravano fino a 18 mesi dopo la
procedura, e di nuovo i più a rischio erano < 3 anni.
Nel 2008 Sun et alt. 40 in una popolazione più grande studiarono i
problemi di apprendimento in 228.961 soggetti, ed i bambini che
necessitavano di anestesie sotto i 3 anni di età richiedevano più servizi
Medicaid per problemi di apprendimento dei controlli.
17
Nel 2009 Kalkman et alt 41 trovarono, pur con una numerosità di casi
minore, gli stessi risultati di Sun et alt. di problemi di apprendimento in
bambini esposti ad anestesie.
Sempre nel 2009 Wilder et alt. 42 in uno studio retrospettivo di 5357
bambini trovarono che i bambini che ricevevano 2 o più anestesie prima
dei 4 anni di età erano ad aumentato rischio di problemi di
apprendimento da adolescenti, che tale rischio aumentava con durate di
esposizione cumulativa più lunga (> 2 h) e, fatto più importante, la coorte
esposta ad anestesia prima dei 4 anni di età aveva punteggi cognitivi 2
deviazioni standard sotto quelli previsti, quindi prevenendo il
raggiungimento di un potenziale cognitivo pieno.
Nel 2009 Di Maggio et alt. 43 effettuarono uno studio retrospettivo di
associazione tra anestesia per ernioplastica inguinale nei primi due anni e
problemi successivi neurocomportamentali, trovando un rischio relativo
di 2,3 (intervallo di confidenza 95% 1,3 – 4,1).
Nel 2011 sempre Di Maggio et alt 44 confrontando fratelli/sorelle esposti
in età infantile ad anestesia trovarono che l’essere sottoposti a chirurgia a
meno di 3 anni ed essere iscritto nel programma Medicaid comportava un
rischio maggiore del 60% di essere in seguito diagnosticati con problemi
di sviluppo comportamentale.
Nel 2011 Flick et alt 45 trovarono che l’esposizione ad anestesie multiple,
ma non singole, aumentava in maniera significativa il rischio di sviluppare
problemi di apprendimento (rischio relativo 2,12, intervallo di confidenza
95% 1,26 – 3,54).
Sempre nel 2011 lo stesso gruppo di Flick 46 esaminarono l’uso
dell’analgesia centrassiale per il travaglio di parto e trovarono che non era
indipendentemente associata a problemi di apprendimento diagnosticati
prima dei 19 anni (rischio relativo 1,05, intervallo di confidenza 95% 0,85
– 1,31).
18
Nel 2011 Hansen et alt. 47, studiando la popolazione danese, omogenea
sia dal punto di vista etnico sia socioeconomico, non ha trovato evidenza
che una singola, relativamente breve esposizione ad anestetici per
ernioplastica durante l’infanzia potesse ridurre la performance scolastica
all’età di 15 o 16 anni.
Un altro studio clinico retrospettivo recente di Sprung et alt. 48 (2012) ha
esaminato l’associazione tra procedure richiedenti anestesia generale al
di sotto dei 2 anni di età e la insorgenza di disturbi da deficit di
attenzione: solo la coorte con 2 o più esposizioni prima dei 2 anni di età
era associata a disturbi da deficit di attenzione.
Sempre nel 2012 Block et alt. 49 mostrarono che in 158 bambini senza
altri fattori di rischio per problemi cerebrali che venivano sottoposti ad
ernioplastica inguinale ed orchidopessi, piloromiotomia o circoncisione
sotto anestesia generale, vi era una associazione tra durata
dell’esposizione all’anestesia e test scolastici, con un numero maggiore
dell’atteso con performance molto basse (< 5 percentile).
Per quel che riguarda l’eventualità più frequente (singola esposizione ad
anestesia generale al disotto di 3 anni di età) lo studio più recente (8
giugno 2016) è stato pubblicato su JAMA 50: “Sulla base di questi risultati,
possiamo rassicurare i milioni di genitori i cui bambini hanno necessità di
essere sottoposti a procedure sotto anestesia generale in tutto il mondo
ogni anno”.
Lo studio PANDA (Pediatric Anesthesia NeuroDevelopment Assessment) è
stato tra gli studi più rigorosi nel design progettati per rispondere a tali
problematiche. Esso ha esaminato se una esposizione ad una singola
anestesia di breve durata (mediana, 80 minuti) in bambini di età inferiore
a 3 anni avesse un effetto sulle funzioni cognitive globali (QI) più tardi
nella vita; ha incluso 105 bambini in buona salute che erano sottoposti a
correzione chirurgica di ernia inguinale. Quando poi i bambini avevano tra
8 e 15 anni, lasciando in tal modo abbastanza tempo dopo l’anestesia per
far emergere ogni danno, venivano determinati i punteggi QI ed esiti
19
secondari neurocomportamentali quali memoria, linguaggio, velocità di
processazione delle informazioni, funzioni visuospaziali, capacità di
attenzione, funzioni esecutive prassiche ed il comportamento. I risultati
per ogni bambino venivano confrontati con bambini fratelli o sorelle di
età simile non sottoposti ad anestesia.
Non vi era differenza statististicamente significativa tra i due gruppi nei
punteggi di QI, né vi era differenza nella maggior parte degli esiti
secondari, sebbene relativamente più bambini esposti ad anestesia
mostravano un comportamento regressivo (rispetto all’età) che
richiedeva un’ulteriore approfondimento.
Un punto debole di tale studio consisteva nel fatto che la maggior parte
dei soggetti studiati erano maschi, per cui si richiamava la necessità di
valutazioni ulteriori nelle bambine, così come si richiamava la necessità di
ulteriori studi per bambini sottoposti ad anestesie ripetute o soggetti con
comorbilità.
7 ci porremo ora una serie di domande (popolazione esposta e non
esposta, definizione di esposizione ad anestetici, qual è l’outcome ecc.) 51
a Qual è la popolazione che subisce un’anestesia?
La popolazione di bambini esposti ad una anestesia può essere scelta tra
quella appartenente ad un singolo ospedale, quella coperta da una ben
definita protezione sanitaria (Medicare), o quella di un’area geografica
ben definita. Inoltre possono essere scelte procedure chirurgiche ben
definite. La scelta di riferirsi ad un singolo ospedale può permettere una
maggior precisione nelle condizioni di esposizione, ma ci può essere un
bias di riferimento poiché di solito sono ospedali di riferimento che di
solito trattano pazienti più complicati. Quelli con una area geografica
definita o una copertura sanitaria definita possono non essere
rappresentativi dell’intera popolazione.
b Chi è davvero incluso nell’analisi?
20
In qualunque modo sia definita la popolazione dello studio, non vengono
analizzati tutti i bambini preventivati. I bambini ed i genitori possono
rifiutarsi di partecipare, possono essere persi al successivo follow-up per
tanti motivi, possono non ricevere poi la valutazione neuro
comportamentale successiva. Questo può essere importante, come nello
studio di Block 49 dove solo una minoranza dei soggetti contattati ha
accettato di partecipare. Ad esempio, coloro che possiedono un livello
socioculturale minore sono meno disponibili a partecipare alle ricerche
cliniche. Invece, nell’ipotesi che i risultati scolastici fanno parte
dell’outcome, bambini con deficit tali che non possono completare i vari
test non vengono inclusi; se l’anestesia ha causato parte del danno,
questo è un ovvio errore sistematico. Per studi basati su una particolare
regione geografica, i bambini possono spostarsi in un’altra regione.
c Qual è la definizione di esposizione all’anestesia?
Sebbene si sappia che esiste una chiara finestra di vulnerabilità negli
animali all’esposizione all’anestesia, non è chiaro come paragonarla negli
stadi di sviluppo dei bambini. I vari autori passano dal periodo neonatale
a 4 anni di età.
Vi è un’ampia variabilità riguardo cosa si sa sull’esposizione. Si va da studi
come quello di Block 49 in cui si hanno informazioni dettagliate sugli
anestetici e le procedure, ad altri studi che utilizzano solo codici di
procedura per indicare l’esposizione, il che indica solo che un qualche tipo
di anestetico era stato somministrato ( ad es. può non essere possibile
sapere se per un’erniorrafia inguinale era usata un’anestesia generale o
regionale).
d Qual è il gruppo di controllo (i non esposti all’anestesia)?
Per stabilire quali sono i bambini non esposti all’anestesia vi sono varie
opzioni. Una (quella usata da Block) consiste nell’usare il resto della
popolazione scelta che non raggiunge i criteri di inclusione nello studio
21
(come tutti gli altri bambini ottengono i test neuro comportamentali, o
quelli con una copertura sanitaria, nella stessa regione geografica ecc.);
questo ha il vantaggio di includere grandi numeri, ma può anche
“contaminare”il gruppo con bambini che non raggiungono i criteri
d’inclusione ma che comunque sono a rischio.
e Qual è l’outcome?
Vengono di solito usati tre tipi di misurazioni di outcome: test di
performance somministrati ad un gruppo; test individuali; test diagnostici
potenzialmente indicativi di anomalie neuro comportamentali. In
generale, i test di gruppo servono come test di screening, mentre i test
individuali sono utili per diagnosi cliniche (ad es. anomalie
dell’apprendimento), perché ovviamente possono essere più
approfonditi. I test individuali di solito sono disponibili per popolazioni di
studio più piccole, meno rappresentative. I test diagnostici permettono di
accedere ad una grande mole di dati, ma vi è una limitazione ovvia nel
collegarli ad anomalie neurocomportamentali.
Qualunque sia l’outcome scelto, non è sempre chiaro come analizzarlo.
Per esempio, per i test a punteggio, sono più importanti i test medi o la
popolazione di bambini che cade al di sotto di una certa ottimale?
In più analisi multiple con molti differenti approcci possono essere utili,
ma viene aumentato il rischio di trovare associazioni spuri. Anche negli
studi animali è difficile trovare uno specifico fenotipo di danno indotto
dagli anestetici, per cui negli studi sugli umani vengono usate varie misure
di outcome, per permettere valutazioni ulteriori.
f Come sono stati analizzati i dati?
Due sono le maggiori considerazioni da fare: potenza statistica e fattori di
confondimento. Studi che studiano in maniera approfondita un piccolo
numero di bambini ( come tipicamente accade per quelli esposti
22
all’anestesia in un singolo ospedale) hanno una potenza statistica minore,
che può rendere difficile l’interpretazione di risultati “negativi”.
Quanto ai fattori di confondimento, l’anestesia è ovviamente solo uno dei
potenziali fattori causali di alterato sviluppo neuro comportamentale. In
più, la condizione che rende necessaria l’anestesia o altri fattori che
accompagnano l’esposizione agli anestetici (come lo stress chirurgico)
ovviamente sono coinvolti ed è quasi impossibile distinguerli negli studi
osservazionali.
g Qual è il significato clinico delle associazioni osservate?
Anche per gli studi che trovano risultati “positivi”, l’associazione trovata è
clinicamente importante?
A questo punto torniamo al rapporto di causa effetto, la forza di tale
associazione e Sir Bradford Hill 1. Nel discorso citato all’inizio, egli
enfatizzava l’importanza dell’associazione tra i fattori come determinante
per stabilire quando una associazione osservata potesse essere
considerata causale. Egli si riferiva al classico caso dell’associazione tra
l’occupazione degli spazzacamini ed il cancro scrotale – il loro rischio
relativo era 200 volte maggiore. Più recente è l’associazione tra salicilati e
sindrome di Reye, rischio relativo 26 – mentre il rischio relativo descritto
in qualsiasi degli studi osservazionali sulla neurotossicità da anestesia è
meno di 3. Per casi così rari, è facile avere fattori confondenti.
È anche vero che anche ridotti rischi relativi in una situazione molto
comune come l’esposizione agli anestetici ed outcome relativamente
comuni come disturbi dell’apprendimento potrebbero essere
numericamente importanti. Ad es., Flick 45 ha trovato un rischio relativo
di 2,12 tra esposizione ad anestetici ripetuti ed una diagnosi ulteriore di
disturbi dell’apprendimento. Se da 1 a 5 bambini non esposti all’anestesia
dimostrano disturbi cognitivi, ciò vuol dire che ogni 6 bambini esposti
ad anestesie ripetute, un bambino in più svilupperà deficit cognitivi.
23
Quindi Sir Bradford Hill indicò altri fattori da considerare prima di stabilire
una relazione di causalità: la consistenza ( i risultati da studio a studio
sono simili in direzione ed ordine di grandezza), specificità ( risultati
positivi simili da studio a studio, definendo così un fenotipo), tempistica (
l’esposizione in maniera certa precede l’esito), gradualità biologica ( una
relazione dose-risposta), plausibilità ( risultati simili tra gli studi sugli
animali e gli umani), coerenza (in differenti popolazioni un effetto è lo
stesso a parità di configurazione di studio), analogia (effetti simili con
esposizioni analoghe).
8 Conclusioni
Quindi, a dispetto delle limitazioni proprie degli studi clinici presentati,
come problemi di randomizzazione, controlli non perfettamente adeguati,
o numerose variabili non controllate, si pone la problematica se
l’esposizione precoce all’anestesia può essere associata a problemi
comportamentali.
Ma l’associazione non implica la causalità (è la distocia che fa richiedere
più frequentemente l’analgesia epidurale, non l’analgesia che causa la
distocia).
E’ ovviamente difficile progettare ed eseguire uno studio clinico
randomizzato, prospettico ed a doppio cieco in pazienti così piccoli.
Problematiche aperte rimangono:
- considerazioni etiche (è appropriato che una procedura chirurgica in
bambini < di due – tre anni debba durare un tempo lungo perché vi
è personale in formazione?)
- mancano marker biologici di apoptosi che possano essere utilizzati
nell’organismo vivente
- il significato e la complessità dei vari outcome clinici, ad esempio
quelli neurocomportamentali
- la mancanza di gruppi di controllo appropriati
24
- anche se è vero che l’esposizione in corso di analgesia epidurale per
travaglio di parto è minima, cosa dire dell’inalazione di protossido
d’azoto e del suo effetto inibitorio sulla metionina sintetasi 52? Se
questo enzima gioca un ruolo importante nella sintesi di DNA, RNA,
mielina e catecolamine, e relativamente brevi periodi di anestesia
con N2O inibiscono completamente tale attività, ed in più tale
inibizione può dipendere dalla dieta (vitamina B2 e acido folico) e
dal possibile polimorfismo nel gene che codifica un enzima del ciclo
dei folati (MTHFR), cosa implica per un feto/neonato con un sistema
nervoso centrale (ed ematologico) in rapido sviluppo?
Per quel che ne sappiamo, nessuno studio ha affrontato questo
problema.
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