膈肌形态与功能研究进展

吴学东，严文静

（大理学院附属医院，云南大理 671000）

膈肌形态与功能研究进展

吴学东，严文静

（大理学院附属医院，云南大理 671000）

目的：总结近25年间膈肌形态与功能的研究进展。方法：检索、收集和分析PubMed、CNKI中国学术期刊全文数据库等关于膈肌形态与功能研究的文献。结果：膈肌是重要的呼吸肌，但膈肌形态与功能的深入研究多通过动物实验阐述。结论：膈肌作为呼吸系统一些病理因素的靶器官，在病理因素存在时将发生形态和功能的改变。

膈肌；形态；功能；文献综述

膈肌（diaphragm）又被译为横膈，是机体重要的呼吸肌，占所有呼吸肌功能的60%～80%，同时还参与咳嗽、呕吐、吞咽、排便、分娩等功能。由于膈肌位于胸腹联合部，不仅参与胸腹部的功能，也受到胸腹部疾病的影响。已发现膈肌在某些疾病的发生发展过程中，其形态和功能也发生了相应的变化，为了阐明膈肌与相应疾病发生的机制，膈肌被认为是这些疾病的靶器官，在相应疾病发生发展中的作用已受到重视，为此，本文就膈肌形态与功能的研究进展作一综述。

1 膈肌的发生

人体原始横膈的发生：由于胚体两侧和头尾两端向腹侧卷曲的结果，心包与腹膜腔互相接近，两腔之间的一层间充质组织成为原始横膈。原始横膈从腹侧体壁向背侧延伸，但此膈尚不完整，在其背侧有左右胸膜腔管穿行。在胚胎第四周初，肝脏侵入原始横膈的尾侧，并在该处增生发育。当肝逐渐发育分化增大时，便与原始横膈分离，突向腹膜腔，但在两者之间仍有一薄膜相互连接，即为以后的肝冠状韧带。卵黄静脉、脐静脉和总主静脉的根段都穿行原始横膈入心。

胸膜腔与腹膜腔的分隔：胚胎第四周时，当胸膜腔与心包腔分隔后，胸膜腔尾端仍与腹膜腔相通。到第四周末，在原始横膈的背侧缘左右各发生一片膜性组织，称之胸腹腔膜。胸腹腔膜起初不甚明显，后因肺不断扩张，胸膜腔不断增大，胸腹腔膜也随之加宽。到第七周，胸膜腔与腹膜腔的通口因胸腹腔膜的扩展而大为缩小，不久则完全封闭，胸膜腔与腹膜腔即彼此分开。

人体横膈的形成：成人的横膈不完全是从胚胎期的原始横膈发育而来，横膈来源分为4部分：①腹侧中央部分，由原始横膈发育形成，将来形成中心腱。②背侧中央部分，由食管系膜形成。③左右背外侧部分，由胸腹腔膜形成。④左右外侧部分，为胸壁皱褶形成。最初的横膈主要是间充质组织，到胚胎第三个月，颈部第3、4对生肌节伸入其内，逐渐分化成为膈的肌肉部分。因此横膈的神经分布是从膈神经到C3、C4和C5分支〔1〕。

2 膈肌的形态

膈肌位于胸腹腔之间，封闭胸廓下口，是中央部较平坦、两侧向上隆凸的穹窿形薄肌，膈穹窿左低右高。

膈肌中央部称中心腱（central tendon），为腱膜，呈三叶状，周围部为肌纤维。中心腱占膈肌表面积的15.2%，其余为肌性部分。根据肌纤维起始部位不同分为胸骨部、肋部和腰部。膈肌各部起点不同，胸骨部起自剑突后面，肋骨部起自下6肋，腰部的内侧肌束以左脚和右脚起自上2-3个腰椎体，外侧肌束起自内侧弓状韧带和外侧弓状韧带。最低处为腰部中间份纤维，起自第2腰椎体侧面（约左肾下极、右肾中下极水平），各肌束止于中心键〔2〕。各部起点间缺乏肌纤维，形成肌间裂隙。裂隙上、下面仅覆以筋膜和胸膜或腹膜，成为膈肌的薄弱区。有人根据膈肌的肌间筋膜裂隙及肌纤维走行，在人体标本上分别测出膈肌胸骨部、肋部和腰部的表面积占整个膈的1.8%、57.4%、25.6%〔3〕。

膈肌是一块薄的放射状肌肉，它的力学机制类似于腱膜。膈肌的张力是通过肌肉厚度和平行于肌束的压力产生的。Troyer等〔4〕在1981年研究狗膈构筑时，提出膈肌不是单一的功能实体，可分为功能不同的肋膈肌（Costal Diaphragm，Dlcos）和脚膈肌（Crural Diaphragm，Dlcru），它们在发育、解剖和功能上均有很大差别，应认为是两块不同的肌肉。肋膈肌和脚膈肌在呼吸运动中的作用不同，肋膈肌收缩时胸廓下部扩张，起吸气作用，而脚膈肌相反，收缩时胸廓下部缩小，起呼气作用。肋部膈肌和膈脚及其他吸气肌的作用完全相反，互为拮抗〔5〕。王东林等〔6〕用大鼠膈肌纤维分类，采用肌球蛋白ATP酶（MATP酶）组化方法将肌纤维分为I型慢氧化纤维、IIA型快氧化纤维和IIB型快酵解纤维三种类型，并对肋膈肌和脚膈肌进行观察。肋膈肌的IIA型纤维比例高于脚膈肌，而脚膈肌的IIB纤维高于肋膈肌，肋膈肌含较高比例氧化型纤维，而脚膈肌酵解型纤维比例较高。说明肋膈肌的氧化能力高于脚膈肌，有更高的氧化酶活性，两者功能不同决定了其结构和代谢的能力不同。通过实验发现人体膈肌具有长、短两种纤维束，其中以活动幅度最大的肋中部的肌束最长，并推测肋膈肌是发挥膈呼吸肌吸气功能的主要部分〔3〕。这结构似乎与上述所说肋膈肌的高氧化酶活性功能相适应。

3 前胸壁畸形时膈肌大体形态的变化

前胸壁畸形中约有80%表现为不同程度的漏斗胸。基于膈肌的附着部位及其在呼吸运动中强大的舒缩功能，早在1953年Brodkin就提出与膈肌有关的漏斗胸病因学假说：部分前方膈肌肌肉纤维化，并向后牵拉胸骨和下位肋软骨是造成漏斗胸的原因。在以后对膈肌形态学的研究证实，前方膈肌即为膈肌的胸骨部与大部分肋骨部，起自于胸骨体剑突结合处和第六肋软骨的后方，向中央汇入膈肌中心腱。如果此处肌纤维较少而膈肌腰部纤维正常，吸气时侧方和后方的膈肌腰部肌纤维收缩，而前方肌肉收缩力量不足，不能对抗膈肌腰部的收缩，则膈肌腰部肌肉向后牵拉胸骨和第6肋软骨，长时间就会造成漏斗胸畸形。

前方膈肌纤维化的部位和程度决定畸形的部位和程度。有少数患儿随年龄增长畸形逐渐减轻，其原因可能是部分不完全纤维化的肌纤维修复的结果。手术中可证实前方膈肌有纤维化改变。随后，Chin〔7〕对漏斗胸患儿的膈肌组织进行了组织学病理切片观察，结果表明漏斗胸患儿前方膈肌肌纤维有纤维化表现，严重者前方膈肌几乎全部被纤维组织所取代。这支持了Broblson氏提出关于胸骨前部膈肌发育不良，膈肌肌力平衡失调，活动力薄弱，使胸骨内陷的推测。但目前治疗漏斗胸的临床手术，较为成熟的是畸形肋软骨切除术、胸骨翻转手术、胸骨楔形截骨手术、Nuss手术等，且复发率低，并没有报道通过单独松解前方膈肌纤维的方法来治疗漏斗胸而获得成功的。这一事实可能与患者年龄、膈肌及肋骨发育阶段、胸廓塑型过程等有关〔8〕。因此部分前方膈肌肌肉纤维化可能只是形成漏斗胸的部分原因，不能解释所有漏斗胸的形成〔9〕。吴学东等〔10〕提出的漏斗胸可作为某些综合征临床表现的一部分，如Marfan综合征、Prune-belly综合征、Pierre-Robin综合征等的观点，提供了一些病因学的佐证。漏斗胸可能是一种全身性的结缔组织疾病，其发生与纤维结缔组织发育异常有关。然而，毕竟胸内负压和膈肌的牵拉作用客观存在，由此假设，可能通过呼吸道梗阻及胸内负压和膈肌的牵拉作用这个生理因素，用幼年动物建立了漏斗胸动物模型〔11-12〕。

4 COPD时膈肌的组织形态和细微结构的变化

近十多年来，慢性缺氧、慢性阻塞性肺部疾病（chronic obstructive pulmonary disease，COPD）与膈肌病理生理改变关系的研究日渐广泛，包括对膈肌光镜、电镜超微结构及分子生物学亚微结构变化的动物实验研究及临床研究等。

膈肌超微结构的观察：王东林等〔13〕慢性缺氧实验结果显示，膈肌在慢性缺氧状态下，毛细血管密度有不同程度增加，肌纤维横截面积（cross sectional area，CSA）缩小。膈肌CSA缩小使毛细血管相对密度增加，有利于氧运输和弥散，膈肌氧化能力增强。线粒体是供应细胞能量的细胞器，它的结构完整是正常供应能量的保证，膈肌线粒体在慢性缺氧时，一部分发生渐进性损害，肿胀、空泡样变、嵴断裂、萎缩，这使细胞能量供应障碍。通过测定慢性缺氧大鼠线粒体密度，发现线粒体大小和数量发生适应性变化，膈肌有氧氧化能力增加〔14〕。

呼吸肌能量供应是影响呼吸肌收缩力的重要因素，COPD病程中，由于气道阻力增加和肺过度充气，呼吸肌做功明显增加，能量物质消耗，肌肉蛋白分解供能，致使膈肌萎缩，膈肌肌力下降〔15〕。

膈肌氧化特性：膈肌氧化特性研究较普遍的是，与膈肌纤维有氧代谢关系密切的琥铂酸脱氢酶（SDH）和与膈肌纤维无氧代谢关系密切的乳酸脱氢酶（LDH）活性测定。研究发现，正常大鼠的SDH活性很强，能量供应以有氧氧化为主，而慢性缺氧时SDH的活性较正常大鼠明显减弱，但LDH的活性无明显变化，这说明大鼠慢性缺氧后以SDH的活性减弱为主，而LDH的代偿甚微〔16-17〕。

膈肌亚微结构的观察：在白冲等〔18〕慢性阻塞性肺病患者膈肌肌凝蛋白重链（myosin heavy chain，MHC）表型的变化实验结果表明，随着COPD患者肺功能恶化的加剧，这种MHC的转变也有增加的趋势，COPD患者慢肌凝蛋白比例增加，而快肌凝蛋白比例减少。说明肌凝蛋白由快向慢的转变程度随肺充气和气道阻塞程度的增加而增加，较高的气道阻塞和肺过度充气，导致了慢肌凝蛋白比例升高。在此之前Ribera等〔19〕也发现COPD患者在呼吸阻力和工作负荷增加时，吸气肌群的氧化酶增加、结构蛋白发生改变。近年来，通过Wistar大鼠建立COPD模型，提出重组的人胰岛素样生长因子1（rhIGF-1）可能通过干预Fas/FasL途径减少膈肌凋亡，在一定程度上改善COPD大鼠的分钟呼气量和深吸气量，对COPD大鼠膈肌凋亡有一定的保护作用，这从另一方面证实动物COPD模型中膈肌凋亡与rhIGF-1可能的相互关系〔20〕。

5 膈肌疲劳时膈肌的组织形态和细微结构的变化

膈肌是功能最强大的呼吸肌，自20世纪70年代证实慢性阻塞性肺疾病患者存在膈肌疲劳（di aphragm fatigue）以来，对膈肌疲劳的研究日益受到关注〔21〕。隔肌疲劳的定义是膈肌通过疲劳而限制肌肉的功能，从而保护肌肉免受过度刺激的伤害〔22〕。膈肌疲劳是COPD发生高碳酸血症性呼吸衰竭的重要环节〔23〕，由于呼吸道阻力增加，膈肌需要增加收缩力以保证肺泡通气，就很容易出现膈肌疲劳。近年来，国内外针对膈肌的收缩与疲劳特性进行了较为深入地研究。

膈肌的常规循环如膈肌的收缩周期加快，将会令膈肌的疲劳速度加快，能量的供需平衡决定膈肌的耐受力，能量供需的不平衡将会导致膈肌疲劳的发生和发展〔24〕。从离子交换方面的研究，膈肌疲劳发生的机制还包括Na+-K+交换的紊乱，由此降低了肌肉的功能，抑制了Ca2+从肌浆网的释放，并且增加了与细胞能量有关的氧自由基〔25〕。

Andrade等〔26〕对膈肌谷胱甘肽氧化还原系统的研究证实，膈肌疲劳的发生与激活氧的产量有关，防御活化氧的方法包括谷胱甘肽氧化还原系统，谷胱甘肽过氧化酶是此系统的重要成员。膈肌谷胱甘肽过氧化酶保护膈肌免受负荷阻力，膈肌的质量下降可引起膈肌力-频率曲线明显右移，膈肌的易疲劳性的提高，但其对松弛时间没有影响〔27〕。

肌肉毛细血管密度（CD）的改变反映膈肌功能的改变，评价毛细血管密度有两个指标，即每根肌纤维周围毛细血管数目（C/F）和单位肌纤维横截面积毛细血管数目（C/A）。慢性缺氧时，用mATP酶组化染色测得大鼠（C/F，C/A）膈肌单位面积内毛细血管的数目增加，每根毛细血管供应的肌纤维横截面积缩小〔28〕。膈肌疲劳时，膈肌单位面积内毛细血管的数目、每根毛细血管供应的肌纤维横截面积也有一定程度的变化，说明膈肌的疲劳耐力，至少一部分是与毛细血管的密度和氧含量有关的〔29〕。同时，膈肌的功能还被认为是依赖于膈肌血流与代谢需要的平衡。如果血流不足，肌肉疲劳将继之发生。实验证明，膈肌动脉血压的每次增高都将引起各膈动脉血流的增加和膈肌张力的增大，使得力-频率曲线上移〔30〕。在大鼠慢性缺氧和肺气肿模型研究中发现，肺气肿大鼠膈肌疲劳继发收缩特性下降，极限强度下降，膈肌肌肉僵硬度常数下降，初始弹性系数升高，单个膈肌细胞的粘弹系数下降，膈肌titin和nebulin两种细胞骨架蛋白表达下降〔31〕。

综上所述，膈肌各部的发生、影响因子、各部功能及作用的研究，多以动物实验的角度为主并辅助以尸体解剖等方法，而有关人类膈肌与相关疾病病因学的发展相对滞后，尚没有较系统的阐释膈肌形态功能变化与相关疾病发生的因果关系，此问题尚需进一步研究并加以完善。

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Advances on the feature and function of diaphragm

WU Xuedong，YAN Wenjing
（Affiliated Hospital of Dali University,Dali，Yunnan 671000，China）

Objective：To review the advances of diaphragm on the study of its feature and function in last 25 years.Methods：The files dealing with the feature and function of diaphragm has been searched and collected from PubMed and CNKI database and then analized.Results：The diaphragm is the most important breathing muscle，but the study about the feature and function of diaphragm is common in animal experiment mostly.Conclusions：As the target organ，the change of diaphragmatic structure and function will take place under the influence of some pathological factors in breath system.

diaphragm；feature；Function；literature review

R655.6［文献标志码］A［文章编号］1672-2345（2010）02-0091-04

云南省自然科学基金资助项目（2006C0090M）

2009-12-30

吴学东，教授，主要从事小儿外科研究.

（责任编辑 张 焕）