慢性阻塞性肺疾?。–OPD）患者的膈肌適應(yīng)和損傷改變

石 磊田 媛（綜述） 朱曉萍（審校）

（1寧夏醫(yī)科大學(xué)臨床學(xué)院2011級碩士研究生 銀川 750004；2同濟大學(xué)附屬東方醫(yī)院呼吸科 上海 200120）

慢性阻塞性肺疾?。–OPD）患者的膈肌適應(yīng)和損傷改變

石 磊1田 媛1（綜述） 朱曉萍2△（審校）

（1寧夏醫(yī)科大學(xué)臨床學(xué)院2011級碩士研究生 銀川 750004；2同濟大學(xué)附屬東方醫(yī)院呼吸科 上海 200120）

慢性阻塞性肺疾病 （chronic obstructive pulmonary disease，COPD）由于氣流受限和持續(xù)過度充氣導(dǎo)致膈肌負荷過重，從而使膈肌結(jié)構(gòu)、代謝和收縮功能發(fā)生改變，如肌衛(wèi)星細胞活化，肌纖維向I類氧化纖維移行及有氧代謝增強等改變。但是由于慢性缺氧和細胞因子的影響，膈肌組織中乳酸和氧自由基生成增多，使參與膈肌能量代謝的蛋白酶功能受損，橫橋循環(huán)動力不足。同時由于膈肌損傷和氧化應(yīng)激激活蛋白水解途徑，導(dǎo)致收縮蛋白的丟失，膈肌收縮力下降。最終，COPD患者呼吸困難，活動耐力下降并向惡性病質(zhì)發(fā)展。本文就COPD患者膈肌所發(fā)生的適應(yīng)和損傷改變做一綜述。

慢性阻塞性肺疾病（COPD）； 膈肌損傷； 代謝； 收縮功能障礙

呼吸困難和活動耐力下降是慢性阻塞性肺疾?。╟hronic obstructive pulmonary disease，COPD）的突出臨床表現(xiàn)，而呼吸肌收縮功能下降是其主要原因[1]。膈肌是最主要的吸氣肌，平靜呼吸時膈肌收縮活動產(chǎn)生的潮氣量占總潮氣量的80%[2]；反映膈肌收縮強度的最大吸氣壓是決定COPD患者生存率的一項獨立危險因素[1]。因此，理解和明確COPD膈肌內(nèi)在結(jié)構(gòu)，代謝的變化以及與收縮功能的關(guān)系具有重要的臨床意義。

膈肌損傷數(shù)項研究顯示，中、重度COPD患者膈肌存在明顯的結(jié)構(gòu)損傷。Orozco-Levi等[3]發(fā)現(xiàn)中、重度COPD膈肌呈現(xiàn)肌節(jié)斷裂，Z線消失，肌絲錯位和連接蛋白丟失；膈肌中出現(xiàn)內(nèi)核及小角纖維等征象，損傷程度與氣道阻塞程度呈明顯正相關(guān)。當吸氣肌負荷增加后，COPD患者膈肌損傷的密度和程度高于正常人3倍。Scott等[4]對重度COPD患者的尸檢發(fā)現(xiàn)，光鏡下膈肌呈現(xiàn)明顯損傷，損傷纖維膠原蛋白沉積增多，并出現(xiàn)小纖維和異常形狀的肌纖維。膈肌肋部比腰部有更多的膠原沉積和肌纖維損傷，這源于膈肌肋部在收縮及吸氣負荷增加時需承受更高的張力和壓力。另一方面，中、重度COPD患者膈肌纖維內(nèi)出現(xiàn)巨大線粒體及大量嵴減少、絮狀、髓樣及空泡樣變的線粒體[3-5]。但是，輕度COPD患者并無明顯的膈肌損傷[6-7]。Levine等[7]觀察輕、中度COPD患者發(fā)現(xiàn)膈肌橫截面無損傷征象，但肌節(jié)長度縮短，線粒體容量增大，此改變可能對COPD患者的膈肌收縮功能有益。

一般來說，肌損傷后會出現(xiàn)炎性反應(yīng)和肌肉重建。肌肉重建的一個特點是肌衛(wèi)星細胞活化，它能增殖和分化成新的肌纖維細胞。但COPD患者的膈肌肌衛(wèi)星細胞分化到肌小管即停止[8]。一項肺氣腫動物模型研究發(fā)現(xiàn)，膈肌中生肌調(diào)節(jié)因子下降及分化蛋白2抑制物增高[9]，提示COPD患者存在肌衛(wèi)星細胞分化異常，這可能是導(dǎo)致COPD患者膈肌重建不全的原因之一。

膈肌纖維類型的轉(zhuǎn)化膈肌纖維因表達不同的肌球蛋白重鏈 （MHC）分為4種亞型，1種慢型（Ⅰ）和3種快型 （Ⅱa、Ⅱb、Ⅱx）。Ⅰ 型纖維收縮速度較慢，收縮力小，線粒體含量豐富，以有氧代謝獲能，能耐受疲勞；Ⅱa型纖維線粒體含量較多，能以有氧氧化和糖酵解兩種方式獲能，具有耐疲勞特點；Ⅱb型和Ⅱx型纖維收縮速度快，收縮力大，線粒體含量少，主要以糖酵解方式獲能，易疲勞[2，10]。正常人膈肌中Ⅰ：Ⅱa：Ⅲb 3種纖維的比例約為48%∶37%∶15%[2]，此組織學(xué)特性與膈肌持續(xù)主動性的節(jié)律活動相匹配。

由于COPD患者肺過度充氣，吸氣負荷及膈肌活動增加，膈肌處于負荷訓(xùn)練狀態(tài)。研究證實在中、重度COPD患者中，膈肌I型纖維比例增加而II型纖維比例下降，線粒體密度和功能有效性增加，而股外側(cè)肌則由Ⅰ類向Ⅱ類肌纖維移行，與膈肌改變相反[11-14]。Mercadier等[11]對22例重度COPD患者的研究發(fā)現(xiàn)，肌球蛋白亞型重鏈和肌成纖維細胞調(diào)節(jié)蛋白（肌球蛋白輕鏈、肌鈣蛋白亞基和原肌球蛋白）均由快收縮到慢收縮發(fā)生轉(zhuǎn)變。研究發(fā)現(xiàn)輕、中度COPD患者的膈肌也有Ⅱ型向Ⅰ型纖維轉(zhuǎn)化的趨勢，但改變程度輕[15]?？傊珻OPD患者膈肌肌纖維類型的轉(zhuǎn)變出現(xiàn)早，并隨氣道阻塞程度的加重而明顯。

膈肌代謝膈肌收縮需要高能磷酸化合物ATP，在肌細胞內(nèi)它濃度相對低，如果ATP不能快速再生將于短時間內(nèi)耗竭。在膈肌中ATP生成通過有氧酶和厭氧酶途徑。需氧酶如琥珀酸脫氫酶（SDH）、檸檬酸合酶（CS）和3-羥酰-輔酶 A脫氫酶（HADH）主要存在于線粒體中，厭氧酶如磷酸化酶、乳酸脫氫酶主要存在于細胞質(zhì)中。不同的膈肌纖維類型有不同的代謝特性，如Ⅰ型和Ⅱa型肌纖維均具有較高的有氧酶活性。

研究顯示，COPD患者的膈肌向更強的代謝能力和抗疲勞能力轉(zhuǎn)變。隨著COPD膈肌向Ⅰ型纖維轉(zhuǎn)化，Ⅰ型纖維所占比例增加，膈肌線粒體的功能也隨之增強。對倉鼠肺氣腫模型研究發(fā)現(xiàn)膈肌Ⅰ型和Ⅱ型纖維中線粒體酶SDH濃度較對照組增加[16]，而代表糖原酵解能力（如磷酸果糖激酶活性）降低[17]。同樣，重度COPD患者的膈肌所有類型肌纖維的SDH活性是正常值的1倍多[5]。Wijnhoven等[18]也發(fā)現(xiàn)重度COPD患者氧化能力和線粒體酶HADH活性均增加，且線粒體密度比正常人增加50%。這表明重度COPD患者的各種肌纖維通過氧化通路產(chǎn)生ATP的能力增加。雖然COPD患者肌球蛋白ATP酶（mATPase）的活性減少，但膈肌抗疲勞的標志SDH/mATPase在COPD患者中增加[19]。當COPD病情發(fā)展，患者缺氧進一步加重，ATP生成減少，糖酵解在一定程度上可補償能量的不足。然而乳酸生成越來越多，當清除不足，可導(dǎo)致代謝性酸中毒[20]。輕到中度COPD患者膈肌更多的依賴有氧代謝，氧化酶活性增強并與肌纖維移行一致，糖原儲備無明顯改變[15]。與COPD病程相對應(yīng)的膈肌氧化能力增強和肌纖維類型改變在其他呼吸肌未發(fā)現(xiàn)[5]，提示膈肌在COPD患者呼吸泵功能中所發(fā)揮的主要作用。

膈肌萎縮膈肌萎縮指膈肌體積或正常形態(tài)的肌纖維減少5%～15%，表現(xiàn)為肌塊減小、肌纖維萎縮、肌肉橫截面積減少及肌球蛋白重鏈表達降低。

對肺氣腫動物模型研究發(fā)現(xiàn)，第20周小鼠膈肌肌塊減小、肌節(jié)數(shù)量和長度減小[21]；到第34周膈肌重量減輕，肌球蛋白含量減少67%[17]。對重度COPD患者觀察發(fā)現(xiàn)膈?、?型和Ⅱ型肌纖維橫截面積減少40%～60%[6]。另一項對重度COPD患者研究發(fā)現(xiàn)[7]，膈肌I型肌纖維橫截面積較II型纖維減少近一半。但觀察輕、中度COPD患者的膈肌橫截面積與對照相比無差異[3]，近期幾項對輕度COPD患者研究發(fā)現(xiàn)每半肌節(jié)的肌球蛋白含量的減少隨著每段橫截面積最大收縮力降低。在這些患者中膈肌橫截面積均正常[13-14]。這些研究表明COPD患者存在膈肌萎縮，并隨著疾病嚴重程度而加重，依次出現(xiàn)肌球蛋白重鏈表達降低、肌纖維橫截面積減少、肌塊減小和重量下降。

通過泛素蛋白酶體途徑（UPP）導(dǎo)致肌球蛋白丟失，是COPD患者膈肌萎縮無力機制的關(guān)鍵一步。Ottenheijm等[22]對輕、中度COPD患者研究發(fā)現(xiàn)：膈肌肌球蛋白減少30%，UPP系統(tǒng)中的E3連接酶如MuRFl和MAFbx蛋白表達及mRNA水平增加。肌球蛋白的丟失可能先于膈肌纖維橫截面積減少，因為肌球蛋白丟失，會增加肌球蛋白和肌動蛋白的平均距離，這會減少肌纖維尺寸來恢復(fù)單肌纖維適合收縮功能的理想間距[23]。但是，UPP系統(tǒng)不能單獨降解肌球蛋白和肌動蛋白，在UPP發(fā)揮作用之前，需要鈣蛋白酶先期降解骨架蛋白。有研究顯示輕、中度COPD患者的鈣蛋白酶活性和caspase-3活性增加[22]。膈肌萎縮會明顯影響COPD患者膈肌收縮力，但也是一種有益的代償，因為肌纖維橫截面積縮小使氧彌散距離縮小，這利于氧氣輸送和滿足COPD患者膈肌高代謝的需求。

氧化應(yīng)激氧化應(yīng)激是指機體在遭受各種有害刺激時，體內(nèi)高活性分子如活性氧自由基（ROS）和活性氮自由基（RNS）產(chǎn)生過多，氧化程度超出氧化物的清除，氧化和抗氧化系統(tǒng)失衡導(dǎo)致組織損傷。

由于膈肌不斷收縮的特性和所處的高氧化環(huán)境，產(chǎn)生了大量的氧化因子，因此易受到氧化應(yīng)激的傷害。碳?；男纬墒墙M織氧化的標示物。Barreiro等[25]首次發(fā)現(xiàn)重度COPD患者膈肌中蛋白質(zhì)羰基化和脂質(zhì)過氧化物4-羥基壬烯醛（HNE）水平增加。對倉鼠肺氣腫模型的研究發(fā)現(xiàn)膈肌代謝過程中的關(guān)鍵蛋白：如ATP中的肌酸激酶、碳酸酐酶和收縮功能的肌動蛋白和 My HC均存在蛋白碳基化，使膈肌肌酸激酶活性下降，肌動蛋白細絲斷裂和My HC蛋白碎裂造成膈肌收縮功能異常[21]。另外，超氧負離子是人膈肌中最起始的促使一系列反應(yīng)生成更強ROS的物質(zhì)，在重度COPD患者膈肌中發(fā)現(xiàn)線粒體和細胞膜上生成的超氧負離子明顯增加[24]。但對輕、中度COPD患者的研究并未發(fā)現(xiàn)膈肌中存在明顯的氧化應(yīng)激狀態(tài)[25]。

ROS是膈肌收縮和代謝等多種生理病理活動的重要調(diào)節(jié)因子。膈肌組織中的ROS能使參與膈肌能量代謝的蛋白酶功能受損，肌球蛋白ATP酶活性降低，導(dǎo)致橫橋循環(huán)動力不足。同時，肌肉中收縮蛋白的巰基也會被ROS氧化，這些均影響到膈肌收縮功能[26]。重度COPD患者膈肌肌小節(jié)蛋白氧化也可使膈肌損傷的易感性增加并使肌纖維結(jié)構(gòu)完整性受到損傷[27]。ROS也是肌萎縮中細胞信號傳導(dǎo)通路的重要調(diào)節(jié)因子，它可直接激活膈肌鈣蛋白酶系統(tǒng)和UPP蛋白酶水解通路導(dǎo)致肌萎縮[28]。

膈肌收縮功能研究明確證實COPD患者膈肌收縮功能下降。Ottenheijm等[29]利用特殊松弛液及力傳感器系統(tǒng)直接測量COPD患者膈肌單肌纖維收縮力，發(fā)現(xiàn)輕、中度COPD患者膈肌纖維收縮功能降低。Moore等[30]應(yīng)用相似的方法，測得COPD患者膈肌I型和II型肌纖維收縮力遠低于對照組。另外，對活體的兔肺氣腫模型利用開胸后連接肌張力傳感器的方法，發(fā)現(xiàn)膈肌顫搐收縮張力，強直顫搐收縮張力均減低。Similowski等[31]測量COPD組跨膈壓較正常人降低；輕度和重度COPD組顫搐性跨膈壓顯著減小。此外，Terzano等[32]觀察COPD患者最大吸氣壓（MIP）變化發(fā)現(xiàn)不同程度的COPD患者MIP均低于正常人。Jolley等[33]利用經(jīng)食道電極采集膈肌電信號獲得膈肌電圖的方法，也證實COPD膈肌收縮功能較正常人低。

COPD患者膈肌收縮力降低由多種因素所致。肌球蛋白降解加劇導(dǎo)致膈肌萎縮，以及膈肌由快肌向慢肌纖維的轉(zhuǎn)變；COPD患者膈肌中與單肌纖維收縮相關(guān)的肌動蛋白ATP酶活性降低為正常值的50%[13]。此外，正常膈肌纖維結(jié)構(gòu)中，短片斷的titin蛋白能維持膈肌纖維的完整性，防止膈肌纖維肌節(jié)錯位，維持快速收縮過程中膈肌張力，而COPD患者膈肌纖維短片斷titin蛋白減少，被更長片段低張力的titin蛋白所取代導(dǎo)致膈肌收縮張力降低[34]。另外，COPD患者慢性過度充氣導(dǎo)致了膈肌長度縮短，吸氣過程中膈肌纖維縮短程度減小導(dǎo)致肌張力降低，可能都是膈肌收縮力下降的原因[13]。

結(jié)語COPD患者由于增加的肺阻力及通氣需要導(dǎo)致膈肌吸氣負荷增加，造成肌細胞結(jié)構(gòu)和收縮力學(xué)的適應(yīng)性改變：更有效的代謝特征，肌纖維向Ⅰ類氧化纖維移行，膈肌肌小節(jié)減小使總長度縮短以保持最佳長度張力關(guān)系等。但膈肌肌球蛋白降解加劇，膈肌處于機械不利位置均造成膈肌收縮力降低。同時，氧化應(yīng)激直接影響肌纖維收縮力，并加重肌損傷和肌萎縮。在重度COPD患者急性發(fā)作期上述適應(yīng)性改變代償不及加上病理生理紊亂，最終導(dǎo)致呼吸泵衰竭。

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Diaphragm adaptations and muscle fiher dysfunctions in patients with chronic ohstructive pulmonary disease（COPD）

SHI Lei1，TIAN Yuan1，ZHU Xiao-ping2△
（1Graduate Student of2011Grade，Clinical College，Ningxia Medical University，Yinchuan750004，Ningxia Hui Autonomous Region，China；2Department of Respiratory Medicine，East Hospital，Tongji University，Shanghai200120，China）

chronic obstructive pulmonary disease（COPD）； diaphragm injury； metabolism；contractile dysfunction

R 565+.2

B

10.3969/j.issn.1672-8467.2014.02.023

2013-03-05；編輯：王蔚）

國家自然科學(xué)基金（81170074）

△Corresponding author E-mail：z-xping@hotmail.com

【Ahstract】Long-term airflow limitation and continuing hyperinflation lead to overloaded diaphragm in chronic obstructive pulmonary disease （COPD），so that diaphragm structure，metabolism and contractile function have altered，such as the activation of muscle satellite cell，muscle fiber shift towards fibers of oxidative typeⅠ，enhancement of aerobic metabolism.However，due to the impact of chronic hypoxia and cytokines，lactate and oxygen free radicals increased in diaphragm.Diaphragm metabolism protease dysfunction leads to underpowered cross-bridge circulation.In addition，the sarcometric injury and oxidative stress activate proteolysis result in the loss of contractile protein and diaphragmatic contractility.Ultimately，the disease causing dyspnea，endurance intolerance，and then develops to cachexia.We reviewed recent studies and researches on the diaphragmatic adaptations and muscle fiber dysfunctions in patients with COPD.

*This work was supported hy the National Natural Science Foundation of China（81170074）.