呼吸机相关性膈肌功能障碍的研究进展

应唯楠，伍慧珊，周银超，董绉绉

机械通气在临床上常用于维持患者的气体交换功能，能挽救呼吸衰竭患者的生命，但机械通气也会诱发膈肌萎缩和收缩功能障碍，导致患者脱离呼吸机困难，引起一系列并发症并最终可能导致患者死亡。该现象称为呼吸机相关性膈肌功能障碍（ventilatorinduceddiaphragmdysfunction，VIDD）。VIDD 最早在动物实验中被发现，对其病理机制的探索经历了较长时间，目前认为钙蛋白酶、Caspase-3、自噬和泛素-蛋白酶体系统是参与机械通气诱导的膈肌蛋白水解的关键，而机械通气诱导的信号传导途径及抑制膈肌收缩力的部分目前仍持续研究中。本文就近年VIDD 病理机制及相关治疗的研究进展进行综述。

1 VIDD 的研究历程

机械通气在医学上的应用已经有半个世纪，是现代重症监护的基石。但1994 年Le Bourdelles 等[1]发现48 h 的完全性呼吸机呼吸支持后，小鼠膈肌明显萎缩和膈肌收缩功能显著降低，这一结果也得到灵长类动物相关研究的验证[2]。近十年来已经明确18～24 h的短时间机械通气就能在实验动物和人类中观察到膈肌形态生理的早期改变，提示膈肌功能损伤，因此预防、早期诊断和治疗VIDD 的有效方法逐渐成为重点。并且膈肌肌电图、膈肌超声和气道压力监控等检查技术的进步[3]为临床研究提供了帮助。

2 VIDD 目前已发现的机制

VIDD表现为膈肌萎缩和膈肌收缩能力下降，其中以膈肌萎缩为主，膈肌收缩能力下降除继发于膈肌萎缩，另一方面与机械通气的物理因素密切相关。有观点提出完全性机械通气所导致的“膈肌暂时性完全静止”可能是VIDD 整个过程起动的关键启动因子，也是VIDD 早期（12 ～24 h 内）出现的原因之一[4]。

2.1 膈肌萎缩 膈肌和四肢肌肉均属于骨骼肌，其厚度和强度受到蛋白质分解速率和蛋白合成速率的调节。目前认为在机械通气的前12 ～24 h 内起主导作用的是蛋白分解增加[5]，钙蛋白酶、Caspase-3、自噬和泛素-蛋白酶体系统则是参与机械通气诱导的膈肌蛋白水解的关键系统，其他的机制还包括氧化磷酸化细胞受损、糖酵解上调改变能量供应、线粒体功能障碍和氧化应激等。

2.1.1 钙蛋白酶、Caspase-3 与钙离子 钙蛋白酶是一类依赖钙离子的蛋白酶，其家族包含14 个不同的成员，通过切割释放肌丝蛋白，再进一步被泛素-蛋白酶体系统以及其他的蛋白酶降解。Caspase-3 与钙蛋白酶同属于半胱氨酸蛋白酶大家族，参与肌肉蛋白质降解并在细胞凋亡中发挥重要作用。在小鼠的研究中发现对钙蛋白酶或Caspase-3 活性的抑制能提供对膈肌功能的显著保护，证明激活钙蛋白酶是VIDD 的必要过程[6]。除了钙蛋白酶外，钙离子本身也在骨骼肌纤维的多种信号传导路径中发挥重要作用，细胞胞质溶胶中高水平的游离钙离子可以促进线粒体氧化应激，诱发蛋白酶活化和肌细胞凋亡。钙离子稳态的破坏还导致线粒体产生活性氧类增加，促进兰尼碱受体/钙释放通道的氧化，进一步使肌质网释放钙离子，加速蛋白水解和VIDD。一项小鼠模型研究也证明了这种异常的钙释放能导致膈肌收缩功能降低和肌纤维萎缩持续时间增长[7]。

2.1.2 自噬系统 自噬是细胞自身利用溶酶体蛋白酶降解胞质蛋白和细胞器的保护性分解代谢过程，而病理性高水平的自噬反而导致正常细胞的细胞器和蛋白质分解。有实验通过抑制自噬成功预防大鼠在12 h 后出现肌肉萎缩和收缩功能不良[8]，自噬还会清除细胞内的过氧化氢酶和过氧化物酶体，损害细胞的抗老化能力，进而导致肌肉损伤。但自噬在VIDD中的整体作用还有争议，另一项研究提示机械通气相关的自噬增加可能有助于清除功能失调的线粒体细胞，反而改善膈肌功能[9]。

2.1.3 泛素-蛋白酶体系统 泛素-蛋白酶体系统是细胞内蛋白质降解的主要途径之一，能增加蛋白质氧化和泛素化，并参与细胞内80%以上的蛋白质降解。一项对小鼠和人类膈肌的研究表明，机械通气会导致肌肉特异性泛素连接酶表达增加，进而诱导泛素-蛋白酶体系统的活跃，增加膈肌蛋白的水解，导致膈肌萎缩[10]。

2.1.4 起点和中心的线粒体氧化应激 线粒体氧化应激（mitochondrial oxidative stress，MOS）是VIDD绝大部分通路的起始部分，线粒体功能不良则是中心组成部分，因此机械通气期间早期出现的线粒体形态学异常可能是整个VIDD 的开始。MOS 首先通过介导泛素-蛋白酶体途径增强，导致蛋白质降解增加，其次机械通气能快速激活Smad3 和STAT3 等信号分子，上调线粒体氧化应激，而激活的STAT3 进一步诱导蛋白质降解和氧化应激，Dridi 等[11]提供进一步的证据表明线粒体氧化应激导致钙离子漏出增加，激活钙蛋白酶。氧化应激本身和自噬之间也存在相互作用，线粒体氧化应激能产生可以影响肌肉蛋白质翻译后修饰的自由基，改变其结构和功能，降低肌丝的钙敏感性；还可以通过诱导新陈代谢开关，减少线粒体氧化磷酸化和增加糖酵解，导致肌肉能量供应整体减少，进而导致自噬增加。

2.1.5 蛋白合成抑制及蛋白质膜合成减少 膈肌蛋白合成的调节过程与骨骼肌一致，收缩活动的增加促进蛋白质合成的增加，反之不活动则导致蛋白质合成速率降低，这与机械通气尤其是完全支持性机械通气导致的膈肌活动减少相符合。蛋白合成速率最初的下降可能与蛋白质翻译减少有关，哺乳动物雷帕霉素靶蛋白（mammalian target of rapamycin，mTOR）已被证明在肌肉蛋白翻译的调节中起关键作用，导致膈肌中的神经递质下调，进而减少蛋白质的合成，且与机械通气相关的肺损伤同样有着密切的联系[12]。

2.1.6 其他潜在机制 有实验发现抑制内质网应激可以减轻机械通气期间隔膜的氧化应激[13]，抗氧化剂不能影响内质网应激，即内质网应激也可能在没有氧化应激的情况下加剧VIDD。机械通气的过程中还出现线粒体自噬水平显著增加，其可能引发细胞坏死或功能下降，这提示线粒体自噬可能是机械通气诱导膈肌功能障碍的机制之一。

2.2 收缩功能障碍 目前认为膈神经传导和神经-肌肉传递并不受机械通气的影响，与其他骨骼肌一样，膈肌纤维的收缩力是胞质游离钙、横桥附着/横桥循环速率和肌节长度之间三者综合产生的。障碍的机制包括氧化应激诱导的肌肉功能减退、膈肌的超微结构损伤等，其中肌肉功能减退与上文的膈肌萎缩密切相关，不再赘述。膈肌超微结构损伤的重要因素是常使用的呼气末正压通气（positive end expiratory pressure，PEEP），其目的是为了减少肺泡塌陷，增加机械通气的效率，然而PEEP 引起的呼气末肺容量的增加可能会使隔膜穹隆的形状变平，进而引起隔膜纤维的结构改变。对小鼠的实验提示使用PEEP 的机械通气不仅会引起横截面纤维萎缩，也会引起纵向纤维萎缩（即纤维长度减少）[14]，另一项对家兔的实验结果则提示PEEP可能引起膈肌胶原沉积和纤维化[15]。另一方面PEEP 可以增加膈肌的外周阻力，减少局部膈肌血液灌注，膈肌灌注减少和总外周阻力的增加可能最终引发VIDD。Titin 是一种机械传感器的蛋白质，以肌节应变依赖的方式调节肌肉蛋白质的表达，是感知横膈膜突然性机械停滞的候选肌肉蛋白质，其可能参与PEEP 引起膈肌长度适应的过程[16]。

3 加重VIDD 的其他因素

脓毒血症是膈肌损伤的一大诱发因素[17]，感染患者常存在的电解质紊乱会严重损伤肌肉功能；其次，部分细菌感染的内毒素可以导致膈肌损伤加重，但炎症本身与VIDD 的关系仍有待研究。

麻醉药物能够阻断神经，影响肌肉收缩功能，有研究指出右美托咪定相较其他镇静药物更容易引发膈肌功能的下降[18]，在重症监护内广泛使用的另一种镇静药物咪达唑仑也被提示其对膈肌的损伤[19]。糖皮质激素在骨骼肌中可以降低肌蛋白合成并增加肌蛋白水解的速率，小剂量使用在膈肌中主要表现为蛋白水解系统的活化，但大剂量的皮质类固醇可以缓解感染引起的膈肌功能不良，同时抑制钙蛋白酶活化，整体上反而缓解了VIDD 的症状[20]。

此外，严重低氧血症患者有时需高浓度给氧甚至吸入纯氧，有研究指出高氧会加剧短期机械通气引起的膈肌氧化应激和收缩功能障碍[21]。

4 基于病理机制的治疗

目前VIDD的治疗进展一方面是进行中的实验性药物研究，另一方面是通过目前已知的机制来预防VIDD 的发生和减缓其进展。目前调整呼吸机使用方式及通过膈神经进行膈肌起搏的方式都已经被初步验证有一定的预防和缓解效果。

4.1 药物

4.1.1 动物实验中的进展 针对上文中的病理机制，半胱天冬酶3 抑制剂、蛋白酶抑制剂、泛素-蛋白酶体抑制剂及线粒体靶向的抗氧化剂等[22]对机械通气模型大鼠的膈肌损伤均被证明有一定的效果。使用稳定ryanodine 受体的药物对小鼠进行机械通气拔管后治疗，更进一步逆转了与机械通气相关的膈肌力丧失[23]。有观点认为激活膈肌纤维中的肾素-血管紧张素系统轴可能促进氧化应激和VIDD，有研究证实动物实验中使用血管紧张素1-7 可以保护膈肌的快速、慢速肌纤维，具有预防VIDD 的治疗潜力[24]。同样有研究提示奥美沙坦在动物实验中对机械通气引起的膈肌萎缩和收缩功能障碍均有保护作用[25]。硫化氢具有细胞保护功能，其通过阻止机械通气诱导蛋白酶、钙蛋白酶和半胱天冬酶-3 在膈肌中激活来保护膈肌[26]。

4.1.2 临床上的药物尝试 膈肌属于特殊的平滑肌，部分研究者考虑正性肌力药物对呼吸功能的改善有一定作用，其中对左西孟旦进行研究，但其功效并未得到肯定[27]。辅酶氧化剂和黄嘌呤氧化酶是活性氧类的潜在来源，经过长时间机械通气，它们的活性显著提高。茶碱通过抑制黄嘌呤氧化酶的活动，可能可以保护膈肌免受机械通气引起的氧化应激和收缩的功能不良。其他一些研究也表明，茶碱可以增加膈肌收缩力，减轻膈肌疲劳[28]。

4.2 呼吸机的通气模式调整和监护 另一项可行的方案是改善机械通气的条件，例如提供正压即时成比例的通气来驱动患者的呼吸，如压力支持通气（pressure-support ventilation，PSV）与呼吸道肌肉和神经调节辅助通气（neurally adjusted venilatory assist，NAVA）。这些通气方法通过主动支持患者的瞬间用力呼吸，减少患者-呼吸机的不同步，更进一步的研究提示在预防肌小节损伤和凋亡纤维化细胞的隔肌损伤方面NAVA 可能优于PSV[29]。尽管肺保护性通气的保护效果目前还没有得到肯定，但保持一定的自主呼吸比例可以有效缓解VIDD 的发生[30]。在完全机械通气后改用辅助通气，可部分逆转肌肉萎缩过程，但也有研究指出尽管氧化应激和蛋白水解发生了逆转，但收缩力的丧失仍然无法恢复[31]。

4.3 膈神经刺激 膈神经在VIDD过程中通常无损伤，且呼吸肌的相对静止是诱发膈肌损伤的重要因素之一，这使得早期通过使用刺激膈肌神经的方法来增加膈肌运动，进而减少膈肌的萎缩和功能减退成为可行治疗手段。随着简易及小体积的体外刺激设备和植入型装置的生产和使用，膈神经刺激逐渐成为一种监护室内的治疗方式，其功效已经得到初步肯定[32]。

4.4 被动运动 康复项目中常用于防止肌肉萎缩的方法，如早期被动立位训练，也被考虑应用于VIDD的治疗，已经有实验证实进行各种早期被动运动有利于改善机械通气患者膈肌萎缩和功能障碍[33]。

5 总结与展望

膈肌的病理机制和信号通路目前都已经有较多研究，但是关于具体基因方面的还在起步阶段。有研究提出有三个基因/蛋白（UCHL1/UCHL1、TMPRSS13/TMPRSS13 和CST3/CST3）[34]可能与与膈肌功能障碍潜在的抗蛋白酶体、抗凋亡和抗自噬机制有关。另一项研究在大鼠呼吸机诱导的膈肌功能不良模型中锁定了38 个显著差异表达的miRNA[35]，提示MAPK信号通路、FoxO信号通路和自噬信号通路高度相关，STAT3 则是miR-92a-1-5p和miR-874-3p的直接靶标，Trim63 是miR-3571 的直接靶标。这些结果一部分印证了既往的结论，又为研究提供全新方向。另一方面，VIDD 的研究大部分仍依靠小鼠动物实验，在临床上的治疗应用目前还停留在物理治疗和实验性质的药物治疗，未来在这方面仍有更多的展望和研究。

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