呼吸机相关性膈肌功能障碍病理生理机制及其治疗研究进展

廖明喻，韩铭欣，武免免，潘萌萌，宋维，焦光宇

(中国医科大学附属盛京医院，沈阳110004)

机械通气(MV)常见的适应证有呼吸衰竭、心衰、昏迷和麻醉药物过量，是抢救时重要的治疗措施。重症监护室里，33%～40%的患者需要6～7 d的MV[1]。然而，MV是一把双刃剑，其本身可以诱发膈肌功能障碍，称为呼吸机相关性膈肌功能障碍(VIDD)。膈肌是主要的呼吸泵肌肉，提供主要的呼吸动力，尽管MV可能同时累及其他呼吸肌，但膈肌功能障碍是撤机失败的主要原因。撤机失败不仅严重影响患者预后及生活质量，还增加个人和国家的医疗保健负担，因此VIDD逐渐成为研究的热点问题。本文综述了在动物实验及人体中VIDD存在的证据、其主要病理生理变化及引起这些变化的病理生理机制的新进展，为进一步预防该疾病提供理论依据。同时，本文还总结了预防和治疗VIDD的潜在靶点，为开发有效药物提供理论基础。

1 VIDD存在的证据

VIDD最初被定义为使用MV后出现的原发疾病、药物或代谢紊乱无法解释的膈肌力量形成能力的降低。近年，VIDD逐渐在动物及人体研究中被证实。在动物模型中，研究发现，控制性MV后膈肌收缩力明显下降，且发生萎缩，而其他呼吸肌肉大部分都不受影响[2]。MV对膈肌功能的影响在最初时间段(大鼠在6～12 h)内开始发生，恢复自主呼吸后膈肌功能很快恢复[3]，表明MV诱导的膈肌改变与MV使用时间相关。同时，膈肌的这种损伤是发生在肌肉纤维本身，而不是神经系统的改变引起的。研究表明，传入膈肌的神经冲动实际上是增加的，但收缩力仍然减低，这和临床上大多数撤机困难的患者膈肌神经输入增加但力量形成能力仍下降的现象相符[4]。

在人体中，也有研究证实了VIDD。Levine等[5]对接受MV的脑死亡患者进行膈肌活检，发现肌纤维横截面积缩小，谷胱甘肽表达减少，半胱天冬酶-3和一些涉及肌肉萎缩的泛素蛋白连接酶如人肌萎缩蛋白(Fbox-1)和肌肉环状指蛋白(MuRF-1)均被激活。另一个研究也对该类患者进行膈肌活检，发现MV诱导的膈肌超微结构损伤和肌纤维萎缩与动物的VIDD模型是一致的，且这些改变与MV的维持时间有密切关系[6]。另外，有影像学证据证实MV过程中，膈肌厚度呈进行性减少，平均每天减少6%[7]。人体VIDD模型与动物模型一致的其他特征还包括氧化应激、蛋白水解通路激活和线粒体功能障碍[8,9]。

2 VIDD的病理生理变化及机制

既往研究认为，VIDD导致膈肌功能障碍的病理生理变化是膈肌萎缩，实际上即使肌纤维横截面积恢复后，膈肌收缩力的丧失仍持续存在。一些研究也表明，在MV时肌纤维的萎缩和收缩力损伤不是成对出现。例如，使用别嘌呤二醇(黄嘌呤氧化酶抑制剂)可以改善膈肌收缩力但不改善萎缩[10]。在MV期间间断地尝试自主呼吸可以预防膈肌萎缩，但仍会出现膈肌收缩力下降[11]。因此认为，膈肌功能障碍的病理生理变化主要表现在两个方面，一方面单位面积膈肌收缩力下降，另一方面是膈肌萎缩。

2.1 单位面积膈肌收缩力下降 单位面积膈肌收缩力下降的主要病理生理机制包括线粒体功能障碍和钙离子利用障碍。

2.1.1 线粒体功能障碍 使用MV时膈肌收缩运动减少，膈肌废用使线粒体数量减少和酶活性减弱，肌肉收缩时无法提供足量ATP，直接导致膈肌收缩力下降。因无法形成ATP，线粒体膜上逐渐升高的电势产生过量活性氧(ROS)，过量的ROS导致线粒体DNA破坏，加剧线粒体减少。最近研究表明，接受6 h MV后，小鼠膈肌中促裂变动力相关蛋白-1被激活，线粒体迅速发生裂变，且与收缩相关的肌纤维内的线粒体优先发生裂变，表明线粒体分裂/融合的平衡破坏也可能是线粒体功能障碍的一个潜在因素[12]。同时，线粒体功能障碍使代谢底物如脂肪酸过量剩余是加重线粒体功能障碍的原因之一。Picard等[9]在动物模型中发现，MV可以诱导高脂血症而加重氧化应激，在人体中也证实MV导致肌细胞内脂肪聚集和线粒体DNA损伤。

2.1.2 钙离子利用障碍 钙离子作为细胞内第二信使之一，参与很多机体生理活动，如肌肉收缩、神经肌肉兴奋性的维持、心脏跳动等。细胞内钙离子利用障碍不仅直接影响骨骼肌的收缩力，还影响钙蛋白酶的激活，可以导致膈肌收缩功能下降。我们研究团队既往研究发现，MV的大鼠半舒张时间较对照组增加，表明肌质网摄取钙离子能力被损伤[13]，可能是膈肌收缩力降低的因素之一。兰尼碱受体(RYR)是一种存在于哺乳动物肌肉细胞上重要的钙离子释放通道，骨骼肌中主要为RYR1亚型、介导内质网释放钙离子。最新研究表明，人和动物的MV模型中，膈肌的RYR1均有不同程度的重塑。在动物模型中，肌浆网在静息状态时异常泄露钙离子;同时，进一步使用RYR1受体的稳定剂S107可以有效地预防VIDD[14]，表明RYR1的重塑可能是细胞内钙利用障碍的机制。尽管，Talbert等[15]发现，RYR1阻滞剂Azumolene并不能预防MV诱导的膈肌功能障碍，但简单地阻滞RYR1受体而不稳定其功能，并不能改善MV时膈肌细胞内的钙利用障碍，相反有可能会加重膈肌损伤。因此，钙离子利用障碍可能是MV早期引起膈肌单位面积收缩力明显下降的启动机制，是VIDD病理生理机制研究的新方向。

2.2 膈肌萎缩 如前所述，在动物及人体实验中使用MV最早6 h膈肌即发生萎缩，这种萎缩在宏观上包括肌纤维数量和体积的下降，在微观上包括肌纤维和肌纤维内结构的萎缩。其主要机制包括蛋白水解增加和合成减少。

2.2.1 收缩相关蛋白水解增加 MV时，缺氧、代谢底物大量堆积、线粒体功能障碍产生大量ROS。膈肌细胞中过量的ROS可以激活钙蛋白酶和半胱天冬酶[16]，导致膈肌骨架蛋白大量降解、肌原纤维分解断裂、肌纤维内结构萎缩。半胱天冬酶和钙蛋白酶系统相互交叉，二者可以相互加强。延长的MV还可以激活特异的连接酶如Fbox-1和MuRF-1[5]，随后通过腺苷三磷酸使泛素和被钙蛋白酶或半胱天冬酶初步水解的肌丝蛋白形成共轭蛋白，进而被20 s蛋白酶体识别、结合并分解[17]。

2.2.2 收缩相关蛋白合成减少 尽管尚无MV对人体膈肌蛋白影响的研究，但已有动物实验发现，MV 6 h可以使膈肌蛋白合成下降30%，其中肌球蛋白重链合成下降65%[18]。蛋白激酶B(Akt)是调控蛋白翻译的重要信号通路。Levine等[8]对11例接受MV的患者进行膈肌活检，发现膈肌中磷酸化的Akt表达下降，表明与蛋白翻译相关的Akt信号通路异常可能是VIDD引起膈肌蛋白合成减少的重要机制，但目前相关研究较少，尚有待进一步探索。

3 VIDD的预防和治疗

目前仍缺乏VIDD预防和治疗措施，基于对其病理生理机制研究，可能的治疗途径分为以下三种：减少氧化应激损伤，抑制蛋白水解通路的激活，增加膈肌活性。

3.1 减少氧化应激损伤 氧化应激是引起VIDD的一个重要病理生理过程，抗氧化剂是一个潜在治疗措施。在动物模型中抗氧化剂乙酰半胱氨酸降低了MV引起的氧化应激，预防膈肌收缩功能障碍[19]。线粒体抗氧化剂SS-31不仅预防了膈肌收缩功能障碍，还抑制了萎缩[20]。在人体中，Nathens等[21]对外科重症患者的研究表明，抗氧化剂似乎有益。尽管这些发现鼓励和支持使用抗氧化剂，但其不良作用和特异性仍需进一步研究明确。

溶酶体介导的线粒体蛋白水解作用，称为线粒体自噬，是清除损伤或破裂线粒体的主要途径。使用药物刺激自噬与预防VIDD早期出现膈肌无力有关[22]，猜测可能是通过增加损伤线粒体的清除，避免产生过量的ROS减少膈肌损伤。VIDD的后期主要以膈肌萎缩为特征，自噬的激活对VIDD后期损伤的保护作用有待进一步研究。

3.2 抑制蛋白水解系统 VIDD时各种原因激活的蛋白水解系统也是一个重要的治疗靶点。Maes等[23]在MV开始时单次肌肉注射亮抑肽酶(抑制钙蛋白酶/组织蛋白酶)，不仅阻止了大鼠膈肌萎缩，也预防了内在收缩力的损伤。有研究表明，蛋白酶体抑制剂硼替佐米可能完全或部分预防了VIDD[24]。然而，结果不能被环氧甲酮四肽蛋白酶体抑制剂重复[25]。这个现象可能是与作用的蛋白水解系统不同有关。

3.3 增加膈肌活性 MV时，膈肌收缩运动减弱引起的一系列病理生理变化是膈肌功能障碍发生的主要因素，膈神经刺激可以保留膈肌活性，成为VIDD预防和治疗的研究热点。已有研究发现，膈神经刺激保留了18 h MV后大鼠膈肌的收缩功能[26]。同时，另外一个研究也发现，睡眠时膈神经刺激减少了MV导致的膈肌萎缩和纤维损伤[27]。Martin等[28]对要进行心胸手术而使用MV的患者进行研究，发现膈神经刺激增加线粒体的呼吸速率。因此，采用膈神经刺激的药物或装置通过刺激膈神经，保留膈肌收缩活性可能是治疗和预防VIDD的新方法，但仍需进一步的研究证明膈神经刺激的安全性和可行性。

综上所述，VIDD主要的病理生理变化是单位面积收缩力的降低和膈肌纤维萎缩，线粒体功能障碍和钙离子利用障碍在降低膈肌收缩力方面起主要作用，蛋白降解增加和合成减少是膈肌萎缩的主要原因。但其病理生理机制错综复杂，各因素相互交错，互相影响，仍需大量研究探索它们之间的调节作用。VIDD临床尚无特异性治疗方法，目前研究表明，抗氧化剂、抑制蛋白水解和膈神经刺激可能是潜在治疗方法，但仍需深入的探索。