呼吸機(jī)相關(guān)性膈肌功能障礙病理生理機(jī)制及其治療研究進(jìn)展

廖明喻，韓銘欣，武免免，潘萌萌，宋維，焦光宇

(中國(guó)醫(yī)科大學(xué)附屬盛京醫(yī)院，沈陽(yáng)110004)

機(jī)械通氣(MV)常見(jiàn)的適應(yīng)證有呼吸衰竭、心衰、昏迷和麻醉藥物過(guò)量，是搶救時(shí)重要的治療措施。重癥監(jiān)護(hù)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(fā)膈肌功能障礙，稱(chēng)為呼吸機(jī)相關(guān)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(dòng)力，盡管MV可能同時(shí)累及其他呼吸肌，但膈肌功能障礙是撤機(jī)失敗的主要原因。撤機(jī)失敗不僅嚴(yán)重影響患者預(yù)后及生活質(zhì)量，還增加個(gè)人和國(guó)家的醫(yī)療保健負(fù)擔(dān)，因此VIDD逐漸成為研究的熱點(diǎn)問(wèn)題。本文綜述了在動(dòng)物實(shí)驗(yàn)及人體中VIDD存在的證據(jù)、其主要病理生理變化及引起這些變化的病理生理機(jī)制的新進(jìn)展，為進(jìn)一步預(yù)防該疾病提供理論依據(jù)。同時(shí)，本文還總結(jié)了預(yù)防和治療VIDD的潛在靶點(diǎn)，為開(kāi)發(fā)有效藥物提供理論基礎(chǔ)。

1 VIDD存在的證據(jù)

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

在人體中，也有研究證實(shí)了VIDD。Levine等[5]對(duì)接受MV的腦死亡患者進(jìn)行膈肌活檢，發(fā)現(xiàn)肌纖維橫截面積縮小，谷胱甘肽表達(dá)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(huán)狀指蛋白(MuRF-1)均被激活。另一個(gè)研究也對(duì)該類(lèi)患者進(jìn)行膈肌活檢，發(fā)現(xiàn)MV誘導(dǎo)的膈肌超微結(jié)構(gòu)損傷和肌纖維萎縮與動(dòng)物的VIDD模型是一致的，且這些改變與MV的維持時(shí)間有密切關(guān)系[6]。另外，有影像學(xué)證據(jù)證實(shí)MV過(guò)程中，膈肌厚度呈進(jìn)行性減少，平均每天減少6%[7]。人體VIDD模型與動(dòng)物模型一致的其他特征還包括氧化應(yīng)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(jī)制

既往研究認(rèn)為，VIDD導(dǎo)致膈肌功能障礙的病理生理變化是膈肌萎縮，實(shí)際上即使肌纖維橫截面積恢復(fù)后，膈肌收縮力的喪失仍持續(xù)存在。一些研究也表明，在MV時(shí)肌纖維的萎縮和收縮力損傷不是成對(duì)出現(xiàn)。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(yù)防膈肌萎縮，但仍會(huì)出現(xiàn)膈肌收縮力下降[11]。因此認(rèn)為，膈肌功能障礙的病理生理變化主要表現(xiàn)在兩個(gè)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(jī)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(shí)膈肌收縮運(yùn)動(dòng)減少，膈肌廢用使線粒體數(shù)量減少和酶活性減弱，肌肉收縮時(shí)無(wú)法提供足量ATP，直接導(dǎo)致膈肌收縮力下降。因無(wú)法形成ATP，線粒體膜上逐漸升高的電勢(shì)產(chǎn)生過(guò)量活性氧(ROS)，過(guò)量的ROS導(dǎo)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(dòng)力相關(guān)蛋白-1被激活，線粒體迅速發(fā)生裂變，且與收縮相關(guān)的肌纖維內(nèi)的線粒體優(yōu)先發(fā)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(gè)潛在因素[12]。同時(shí)，線粒體功能障礙使代謝底物如脂肪酸過(guò)量剩余是加重線粒體功能障礙的原因之一。Picard等[9]在動(dòng)物模型中發(fā)現(xiàn)，MV可以誘導(dǎo)高脂血癥而加重氧化應(yīng)激，在人體中也證實(shí)MV導(dǎo)致肌細(xì)胞內(nèi)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(xì)胞內(nèi)第二信使之一，參與很多機(jī)體生理活動(dòng)，如肌肉收縮、神經(jīng)肌肉興奮性的維持、心臟跳動(dòng)等。細(xì)胞內(nèi)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(dǎo)致膈肌收縮功能下降。我們研究團(tuán)隊(duì)既往研究發(fā)現(xiàn)，MV的大鼠半舒張時(shí)間較對(duì)照組增加，表明肌質(zhì)網(wǎng)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(dòng)物肌肉細(xì)胞上重要的鈣離子釋放通道，骨骼肌中主要為RYR1亞型、介導(dǎo)內(nèi)質(zhì)網(wǎng)釋放鈣離子。最新研究表明，人和動(dòng)物的MV模型中，膈肌的RYR1均有不同程度的重塑。在動(dòng)物模型中，肌漿網(wǎng)在靜息狀態(tài)時(shí)異常泄露鈣離子;同時(shí)，進(jìn)一步使用RYR1受體的穩(wěn)定劑S107可以有效地預(yù)防VIDD[14]，表明RYR1的重塑可能是細(xì)胞內(nèi)鈣利用障礙的機(jī)制。盡管，Talbert等[15]發(fā)現(xiàn)，RYR1阻滯劑Azumolene并不能預(yù)防MV誘導(dǎo)的膈肌功能障礙，但簡(jiǎn)單地阻滯RYR1受體而不穩(wěn)定其功能，并不能改善MV時(shí)膈肌細(xì)胞內(nèi)的鈣利用障礙，相反有可能會(huì)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(dòng)機(jī)制，是VIDD病理生理機(jī)制研究的新方向。

2.2 膈肌萎縮 如前所述，在動(dòng)物及人體實(shí)驗(yàn)中使用MV最早6 h膈肌即發(fā)生萎縮，這種萎縮在宏觀上包括肌纖維數(shù)量和體積的下降，在微觀上包括肌纖維和肌纖維內(nèi)結(jié)構(gòu)的萎縮。其主要機(jī)制包括蛋白水解增加和合成減少。

2.2.1 收縮相關(guān)蛋白水解增加 MV時(shí)，缺氧、代謝底物大量堆積、線粒體功能障礙產(chǎn)生大量ROS。膈肌細(xì)胞中過(guò)量的ROS可以激活鈣蛋白酶和半胱天冬酶[16]，導(dǎo)致膈肌骨架蛋白大量降解、肌原纖維分解斷裂、肌纖維內(nèi)結(jié)構(gòu)萎縮。半胱天冬酶和鈣蛋白酶系統(tǒng)相互交叉，二者可以相互加強(qiáng)。延長(zhǎng)的MV還可以激活特異的連接酶如Fbox-1和MuRF-1[5]，隨后通過(guò)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(jìn)而被20 s蛋白酶體識(shí)別、結(jié)合并分解[17]。

2.2.2 收縮相關(guān)蛋白合成減少 盡管尚無(wú)MV對(duì)人體膈肌蛋白影響的研究，但已有動(dòng)物實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，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(diào)控蛋白翻譯的重要信號(hào)通路。Levine等[8]對(duì)11例接受MV的患者進(jìn)行膈肌活檢，發(fā)現(xiàn)膈肌中磷酸化的Akt表達(dá)下降，表明與蛋白翻譯相關(guān)的Akt信號(hào)通路異?？赡苁荲IDD引起膈肌蛋白合成減少的重要機(jī)制，但目前相關(guān)研究較少，尚有待進(jìn)一步探索。

3 VIDD的預(yù)防和治療

目前仍缺乏VIDD預(yù)防和治療措施，基于對(duì)其病理生理機(jī)制研究，可能的治療途徑分為以下三種：減少氧化應(yīng)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(yīng)激損傷 氧化應(yīng)激是引起VIDD的一個(gè)重要病理生理過(guò)程，抗氧化劑是一個(gè)潛在治療措施。在動(dòng)物模型中抗氧化劑乙酰半胱氨酸降低了MV引起的氧化應(yīng)激，預(yù)防膈肌收縮功能障礙[19]。線粒體抗氧化劑SS-31不僅預(yù)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(duì)外科重癥患者的研究表明，抗氧化劑似乎有益。盡管這些發(fā)現(xiàn)鼓勵(lì)和支持使用抗氧化劑，但其不良作用和特異性仍需進(jìn)一步研究明確。

溶酶體介導(dǎo)的線粒體蛋白水解作用，稱(chēng)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(yù)防VIDD早期出現(xiàn)膈肌無(wú)力有關(guān)[22]，猜測(cè)可能是通過(guò)增加損傷線粒體的清除，避免產(chǎn)生過(guò)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(duì)VIDD后期損傷的保護(hù)作用有待進(jìn)一步研究。

3.2 抑制蛋白水解系統(tǒng) VIDD時(shí)各種原因激活的蛋白水解系統(tǒng)也是一個(gè)重要的治療靶點(diǎn)。Maes等[23]在MV開(kāi)始時(shí)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(yù)防了內(nèi)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(yù)防了VIDD[24]。然而，結(jié)果不能被環(huán)氧甲酮四肽蛋白酶體抑制劑重復(fù)[25]。這個(gè)現(xiàn)象可能是與作用的蛋白水解系統(tǒng)不同有關(guān)。

3.3 增加膈肌活性 MV時(shí)，膈肌收縮運(yùn)動(dòng)減弱引起的一系列病理生理變化是膈肌功能障礙發(fā)生的主要因素，膈神經(jīng)刺激可以保留膈肌活性，成為VIDD預(yù)防和治療的研究熱點(diǎn)。已有研究發(fā)現(xiàn)，膈神經(jīng)刺激保留了18 h MV后大鼠膈肌的收縮功能[26]。同時(shí)，另外一個(gè)研究也發(fā)現(xiàn)，睡眠時(shí)膈神經(jīng)刺激減少了MV導(dǎo)致的膈肌萎縮和纖維損傷[27]。Martin等[28]對(duì)要進(jìn)行心胸手術(shù)而使用MV的患者進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)膈神經(jīng)刺激增加線粒體的呼吸速率。因此，采用膈神經(jīng)刺激的藥物或裝置通過(guò)刺激膈神經(jīng)，保留膈肌收縮活性可能是治療和預(yù)防VIDD的新方法，但仍需進(jìn)一步的研究證明膈神經(jīng)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(jī)制錯(cuò)綜復(fù)雜，各因素相互交錯(cuò)，互相影響，仍需大量研究探索它們之間的調(diào)節(jié)作用。VIDD臨床尚無(wú)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(jīng)刺激可能是潛在治療方法，但仍需深入的探索。