呼吸機相關性膈肌功能障礙病理生理機制及其治療研究進展

廖明喻，韓銘欣，武免免，潘萌萌，宋維，焦光宇

(中國醫科大學附屬盛京醫院，沈陽110004)

機械通氣(MV)常見的適應證有呼吸衰竭、心衰、昏迷和麻醉藥物過量，是搶救時重要的治療措施。重癥監護室里，33%～40%的患者需要6～7 d的MV[1]。然而，MV是一把雙刃劍，其本身可以誘發膈肌功能障礙，稱為呼吸機相關性膈肌功能障礙(VIDD)。膈肌是主要的呼吸泵肌肉，提供主要的呼吸動力，盡管MV可能同時累及其他呼吸肌，但膈肌功能障礙是撤機失敗的主要原因。撤機失敗不僅嚴重影響患者預后及生活質量，還增加個人和國家的醫療保健負擔，因此VIDD逐漸成為研究的熱點問題。本文綜述了在動物實驗及人體中VIDD存在的證據、其主要病理生理變化及引起這些變化的病理生理機制的新進展，為進一步預防該疾病提供理論依據。同時，本文還總結了預防和治療VIDD的潛在靶點，為開發有效藥物提供理論基礎。

1 VIDD存在的證據

VIDD最初被定義為使用MV后出現的原發疾病、藥物或代謝紊亂無法解釋的膈肌力量形成能力的降低。近年，VIDD逐漸在動物及人體研究中被證實。在動物模型中，研究發現，控制性MV后膈肌收縮力明顯下降，且發生萎縮，而其他呼吸肌肉大部分都不受影響[2]。MV對膈肌功能的影響在最初時間段(大鼠在6～12 h)內開始發生，恢復自主呼吸后膈肌功能很快恢復[3]，表明MV誘導的膈肌改變與MV使用時間相關。同時，膈肌的這種損傷是發生在肌肉纖維本身，而不是神經系統的改變引起的。研究表明，傳入膈肌的神經沖動實際上是增加的，但收縮力仍然減低，這和臨床上大多數撤機困難的患者膈肌神經輸入增加但力量形成能力仍下降的現象相符[4]。

在人體中，也有研究證實了VIDD。Levine等[5]對接受MV的腦死亡患者進行膈肌活檢，發現肌纖維橫截面積縮小，谷胱甘肽表達減少，半胱天冬酶-3和一些涉及肌肉萎縮的泛素蛋白連接酶如人肌萎縮蛋白(Fbox-1)和肌肉環狀指蛋白(MuRF-1)均被激活。另一個研究也對該類患者進行膈肌活檢，發現MV誘導的膈肌超微結構損傷和肌纖維萎縮與動物的VIDD模型是一致的，且這些改變與MV的維持時間有密切關系[6]。另外，有影像學證據證實MV過程中，膈肌厚度呈進行性減少，平均每天減少6%[7]。人體VIDD模型與動物模型一致的其他特征還包括氧化應激、蛋白水解通路激活和線粒體功能障礙[8,9]。

2 VIDD的病理生理變化及機制

既往研究認為，VIDD導致膈肌功能障礙的病理生理變化是膈肌萎縮，實際上即使肌纖維橫截面積恢復后，膈肌收縮力的喪失仍持續存在。一些研究也表明，在MV時肌纖維的萎縮和收縮力損傷不是成對出現。例如，使用別嘌呤二醇(黃嘌呤氧化酶抑制劑)可以改善膈肌收縮力但不改善萎縮[10]。在MV期間間斷地嘗試自主呼吸可以預防膈肌萎縮，但仍會出現膈肌收縮力下降[11]。因此認為，膈肌功能障礙的病理生理變化主要表現在兩個方面，一方面單位面積膈肌收縮力下降，另一方面是膈肌萎縮。

2.1 單位面積膈肌收縮力下降 單位面積膈肌收縮力下降的主要病理生理機制包括線粒體功能障礙和鈣離子利用障礙。

2.1.1 線粒體功能障礙 使用MV時膈肌收縮運動減少，膈肌廢用使線粒體數量減少和酶活性減弱，肌肉收縮時無法提供足量ATP，直接導致膈肌收縮力下降。因無法形成ATP，線粒體膜上逐漸升高的電勢產生過量活性氧(ROS)，過量的ROS導致線粒體DNA破壞，加劇線粒體減少。最近研究表明，接受6 h MV后，小鼠膈肌中促裂變動力相關蛋白-1被激活，線粒體迅速發生裂變，且與收縮相關的肌纖維內的線粒體優先發生裂變，表明線粒體分裂/融合的平衡破壞也可能是線粒體功能障礙的一個潛在因素[12]。同時，線粒體功能障礙使代謝底物如脂肪酸過量剩余是加重線粒體功能障礙的原因之一。Picard等[9]在動物模型中發現，MV可以誘導高脂血癥而加重氧化應激，在人體中也證實MV導致肌細胞內脂肪聚集和線粒體DNA損傷。

2.1.2 鈣離子利用障礙 鈣離子作為細胞內第二信使之一，參與很多機體生理活動，如肌肉收縮、神經肌肉興奮性的維持、心臟跳動等。細胞內鈣離子利用障礙不僅直接影響骨骼肌的收縮力，還影響鈣蛋白酶的激活，可以導致膈肌收縮功能下降。我們研究團隊既往研究發現，MV的大鼠半舒張時間較對照組增加，表明肌質網攝取鈣離子能力被損傷[13]，可能是膈肌收縮力降低的因素之一。蘭尼堿受體(RYR)是一種存在于哺乳動物肌肉細胞上重要的鈣離子釋放通道，骨骼肌中主要為RYR1亞型、介導內質網釋放鈣離子。最新研究表明，人和動物的MV模型中，膈肌的RYR1均有不同程度的重塑。在動物模型中，肌漿網在靜息狀態時異常泄露鈣離子;同時，進一步使用RYR1受體的穩定劑S107可以有效地預防VIDD[14]，表明RYR1的重塑可能是細胞內鈣利用障礙的機制。盡管，Talbert等[15]發現，RYR1阻滯劑Azumolene并不能預防MV誘導的膈肌功能障礙，但簡單地阻滯RYR1受體而不穩定其功能，并不能改善MV時膈肌細胞內的鈣利用障礙，相反有可能會加重膈肌損傷。因此，鈣離子利用障礙可能是MV早期引起膈肌單位面積收縮力明顯下降的啟動機制，是VIDD病理生理機制研究的新方向。

2.2 膈肌萎縮 如前所述，在動物及人體實驗中使用MV最早6 h膈肌即發生萎縮，這種萎縮在宏觀上包括肌纖維數量和體積的下降，在微觀上包括肌纖維和肌纖維內結構的萎縮。其主要機制包括蛋白水解增加和合成減少。

2.2.1 收縮相關蛋白水解增加 MV時，缺氧、代謝底物大量堆積、線粒體功能障礙產生大量ROS。膈肌細胞中過量的ROS可以激活鈣蛋白酶和半胱天冬酶[16]，導致膈肌骨架蛋白大量降解、肌原纖維分解斷裂、肌纖維內結構萎縮。半胱天冬酶和鈣蛋白酶系統相互交叉，二者可以相互加強。延長的MV還可以激活特異的連接酶如Fbox-1和MuRF-1[5]，隨后通過腺苷三磷酸使泛素和被鈣蛋白酶或半胱天冬酶初步水解的肌絲蛋白形成共軛蛋白，進而被20 s蛋白酶體識別、結合并分解[17]。

2.2.2 收縮相關蛋白合成減少 盡管尚無MV對人體膈肌蛋白影響的研究，但已有動物實驗發現，MV 6 h可以使膈肌蛋白合成下降30%，其中肌球蛋白重鏈合成下降65%[18]。蛋白激酶B(Akt)是調控蛋白翻譯的重要信號通路。Levine等[8]對11例接受MV的患者進行膈肌活檢，發現膈肌中磷酸化的Akt表達下降，表明與蛋白翻譯相關的Akt信號通路異常可能是VIDD引起膈肌蛋白合成減少的重要機制，但目前相關研究較少，尚有待進一步探索。

3 VIDD的預防和治療

目前仍缺乏VIDD預防和治療措施，基于對其病理生理機制研究，可能的治療途徑分為以下三種：減少氧化應激損傷，抑制蛋白水解通路的激活，增加膈肌活性。

3.1 減少氧化應激損傷 氧化應激是引起VIDD的一個重要病理生理過程，抗氧化劑是一個潛在治療措施。在動物模型中抗氧化劑乙酰半胱氨酸降低了MV引起的氧化應激，預防膈肌收縮功能障礙[19]。線粒體抗氧化劑SS-31不僅預防了膈肌收縮功能障礙，還抑制了萎縮[20]。在人體中，Nathens等[21]對外科重癥患者的研究表明，抗氧化劑似乎有益。盡管這些發現鼓勵和支持使用抗氧化劑，但其不良作用和特異性仍需進一步研究明確。

溶酶體介導的線粒體蛋白水解作用，稱為線粒體自噬，是清除損傷或破裂線粒體的主要途徑。使用藥物刺激自噬與預防VIDD早期出現膈肌無力有關[22]，猜測可能是通過增加損傷線粒體的清除，避免產生過量的ROS減少膈肌損傷。VIDD的后期主要以膈肌萎縮為特征，自噬的激活對VIDD后期損傷的保護作用有待進一步研究。

3.2 抑制蛋白水解系統 VIDD時各種原因激活的蛋白水解系統也是一個重要的治療靶點。Maes等[23]在MV開始時單次肌肉注射亮抑肽酶(抑制鈣蛋白酶/組織蛋白酶)，不僅阻止了大鼠膈肌萎縮，也預防了內在收縮力的損傷。有研究表明，蛋白酶體抑制劑硼替佐米可能完全或部分預防了VIDD[24]。然而，結果不能被環氧甲酮四肽蛋白酶體抑制劑重復[25]。這個現象可能是與作用的蛋白水解系統不同有關。

3.3 增加膈肌活性 MV時，膈肌收縮運動減弱引起的一系列病理生理變化是膈肌功能障礙發生的主要因素，膈神經刺激可以保留膈肌活性，成為VIDD預防和治療的研究熱點。已有研究發現，膈神經刺激保留了18 h MV后大鼠膈肌的收縮功能[26]。同時，另外一個研究也發現，睡眠時膈神經刺激減少了MV導致的膈肌萎縮和纖維損傷[27]。Martin等[28]對要進行心胸手術而使用MV的患者進行研究，發現膈神經刺激增加線粒體的呼吸速率。因此，采用膈神經刺激的藥物或裝置通過刺激膈神經，保留膈肌收縮活性可能是治療和預防VIDD的新方法，但仍需進一步的研究證明膈神經刺激的安全性和可行性。

綜上所述，VIDD主要的病理生理變化是單位面積收縮力的降低和膈肌纖維萎縮，線粒體功能障礙和鈣離子利用障礙在降低膈肌收縮力方面起主要作用，蛋白降解增加和合成減少是膈肌萎縮的主要原因。但其病理生理機制錯綜復雜，各因素相互交錯，互相影響，仍需大量研究探索它們之間的調節作用。VIDD臨床尚無特異性治療方法，目前研究表明，抗氧化劑、抑制蛋白水解和膈神經刺激可能是潛在治療方法，但仍需深入的探索。