ICU獲得性肌無力病因和發(fā)病機制的研究進展

崔越亭 王蓓

ICU獲得性肌無力(intensive care unit acquired weakness，ICU-AW)是指危重患者在ICU內長時間的治療，特別是機械通氣時間過長，出現(xiàn)肌肉質量和肌力的顯著下降[1]，是危重患者嚴重的并發(fā)癥之一。美國胸科學會將ICU-AW定義為“一種在患者危重時發(fā)生發(fā)展，危重病本身所導致的全身性四肢無力的綜合征”[2]。ICU-AW主要表現(xiàn)為脫機困難，輕癱或四肢軟癱，腱反射減弱，肌肉萎縮和肌肉無力。ICU-AW包括危重癥肌病(critically illness myopathy，CIM)、危重癥多發(fā)性神經病(critical illness polyneuropathy，CIP)以及兩者并存的危重癥多神經肌病(criticalillness polyneuromyopathy，CIPNM)三個類型。肌肉廢用性萎縮、全身炎癥反應綜合征、皮質類固醇、機械通氣等因素均可促進ICU-AW發(fā)生；最近的研究顯示肌肉蛋白質合成和降解失衡和細胞因子異常釋放等，都可造成肌肉萎縮、肌肉無力及神經傳導障礙，導致ICU-AW的發(fā)生發(fā)展[3]?，F(xiàn)就近年來關于ICU-AW病因和發(fā)病機制的相關研究進展予以綜述，以期為將來治療提供新思路。

肌肉廢用性萎縮

在ICU中，肌肉廢用性萎縮是指由于臥床休息、關節(jié)固定、肢體懸吊和機械通氣造成的骨骼肌、姿勢肌和呼吸肌活動減少而引起的肌肉萎縮[4]。肌肉廢用性萎縮的病理生理基礎為肌肉蛋白質合成與降解失衡導致的肌肉蛋白質丟失。研究發(fā)現(xiàn)，在肌肉廢用性萎縮的動物模型中，可以觀察到肌肉質量的減少和肌纖維橫截面積的減小[5]。肌肉萎縮的程度可能與肌肉的類型相關。在制動的大鼠模型中，比目魚肌與其他肌肉相比，肌肉萎縮的程度更加明顯[6]。Ⅰ型肌纖維收縮速度慢而持久，具有維持平衡和姿勢的功能，是人類日常生活中最常用的肌纖維類型。研究發(fā)現(xiàn)在肌肉質量減少的過程中，Ⅰ型肌纖維相對于Ⅱ型肌纖維更早出現(xiàn)肌纖維減少[7]，推測可能與ICU-AW的發(fā)生發(fā)展密切相關。骨骼肌長時間的不活動(5至7天)可發(fā)生顯著的肌肉萎縮[8]，進一步引發(fā)I-CU-AW發(fā)生。因此，進一步探討關于肌肉蛋白質合成和降解相關的機制，對于闡明ICU-AW的發(fā)病機制有重要意義。

一、肌肉蛋白質降解增加

ICU內的危重患者機體往往處于高度應激狀態(tài)，其特點是持續(xù)的高分解和高代謝，其中肌肉蛋白質降解尤為顯著，這會進一步導致ICU-AW的發(fā)生。目前認為，肌肉蛋白質降解，主要通過泛素-蛋白酶體系統(tǒng)(UPS)、自噬-溶酶體系統(tǒng)、鈣蛋白酶系統(tǒng)和半胱氨酸天冬氨酸特異性蛋白酶-3(caspase-3)四個主要的蛋白水解系統(tǒng)進行。

1 泛素-蛋白酶體系統(tǒng)

泛素-蛋白酶體系統(tǒng)(UPS)是骨骼肌細胞內最主要的蛋白質水解系統(tǒng)。泛素化過程中最重要的是泛素-蛋白連接酶E3，其作用為介導活化的泛素從結合酶E2轉移到底物。通常UPS中有2種主要的標記物，分別是肌肉萎縮盒F蛋白(muscle atrophy F-box，MAFbx/a-trogin-1)和肌肉環(huán)指蛋白1(muscle RING finger protein1，MuRF1)。MAFbx和MuRF1是兩種重要的骨骼肌E3泛素連接酶，其作用受多種因素調控。MAFbx和MuRF1在臥床、機械通氣、下肢懸吊或膝關節(jié)固定、糖皮質激素治療、去神經等狀態(tài)下可過度表達，進一步促進肌肉蛋白質分解，導致肌肉萎縮。Ogawa等[9]研究發(fā)現(xiàn)，健康成人臥床20天后，股四頭肌肌肉中MuRF1和MAFbx表達明顯增加，股四頭肌的肌肉質量和肌纖維橫截面積分別顯著下降了4.6%和3.7%。Nguyen等[10]研究心臟惡病質的小鼠模型發(fā)現(xiàn)，敲除MuRF1基因小鼠的比目魚肌和脛骨前肌肌肉收縮功能未見下降且肌肉萎縮程度明顯減輕。研究發(fā)現(xiàn)，長時間制動的骨骼肌與之前相比，泛素與肌肉蛋白的結合增多，三磷酸腺苷依賴性的蛋白酶體活性增加以及編碼UPS關鍵成分(如泛素、泛素連接酶和蛋白酶體亞單位)的轉錄本上調，最終導致肌肉蛋白質水解增加和肌肉萎縮[11]。由此可見，MuRF1和MAFbx的過表達可以促進肌肉蛋白質分解及肌肉萎縮，進而參與ICU-AW 發(fā)生發(fā)展的過程。

2 自噬-溶酶體系統(tǒng)

自噬是真核細胞中廣泛存在的降解/再循環(huán)系統(tǒng)，自噬是指細胞通過雙層膜小泡包裹部分胞質、蛋白質、受損細胞器和異物等形成自噬小體，自噬小體與溶酶體融合形成自溶體后被溶酶體降解的過程。微管相關蛋白1輕鏈3(microtubule-associated protein 1 light chain3, LC3)是細胞自噬的關鍵蛋白。研究證實，肌肉萎縮是由于體內過度表達具有結構活性的轉錄因子，人叉頭框蛋白(forkhead box O，F(xiàn)oxO)3引起的，下調LC3的siRNA能夠阻止FoxO3介導的肌肉萎縮[12]。Smuder等[13]研究發(fā)現(xiàn)，通過靶向抑制大鼠膈肌的自噬可以防止機械通氣誘導的膈肌萎縮和收縮功能障礙。張淑芳等[14]在廢用性肌萎縮大鼠模型中發(fā)現(xiàn)，AMPK/FoxO3a信號通路的激活，可導致自噬的發(fā)生，造成骨骼肌質量的減輕，從而造成制動性懸吊的大鼠骨骼肌發(fā)生明顯的肌肉萎縮。

雖然自噬是細胞的分解代謝過程，但自噬在維持危重患者肌肉質量方面可能起重要作用。自噬可通過清除細胞內功能失調的蛋白質和受損的細胞器，維持細胞內的平衡狀態(tài)。自噬相關蛋白7(Autophagy-related protein7,Atg7)是自噬小體形成的關鍵成分，Atg7的失活會導致肌節(jié)紊亂，從而造成肌纖維退化。Masiero等[15]在肌肉自噬相關蛋白基因缺失的小鼠模型中發(fā)現(xiàn)，Atg7基因缺失的小鼠發(fā)生肌肉萎縮。此外，在Atg7基因缺失小鼠中，禁食和去神經誘導的小鼠肌肉萎縮會更加嚴重。Latronico等[16]在58名肌肉無力的患者中發(fā)現(xiàn)自噬與ICU-AW呈顯著的負相關?？梢姡扔醒芯孔C實自噬的激活可導致肌肉萎縮，另有許多研究發(fā)現(xiàn)自噬的缺失同樣會造成肌纖維退化和肌肉無力，這些研究提示了兩種截然不同的觀點。目前兩種觀點并存，尚未研究明確。由此推測，隨著自噬的增強，肌肉蛋白質分解增加，因此肌肉功能和肌肉力量下降。然而，自噬可通過消除有毒蛋白質和受損的細胞器來優(yōu)化蛋白質循環(huán)，維持細胞內穩(wěn)態(tài)，進而改善肌細胞功能并防止肌肉質量減輕和肌肉萎縮。這些發(fā)現(xiàn)均表明自噬維持肌肉質量動態(tài)平衡方面發(fā)揮重要作用，但自噬與ICU-AW發(fā)生的相關機制尚未明確，仍有待進一步研究。

3 鈣蛋白酶

鈣蛋白酶(calpain)是一種Ca2+依賴性蛋白水解酶，為半胱氨酸蛋白水解酶超家族成員之一。鈣蛋白酶廣泛分布于肌肉組織，被Ca2+激活后產生多種生物學效應，如促進細胞凋亡，降解肌收縮蛋白及導致肌肉萎縮等。其中主要引起骨骼肌萎縮的是鈣蛋白酶1和鈣蛋白酶2?；钚遭}蛋白酶1和2可以水解超過100種不同的蛋白質，包括重要的細胞骨架蛋白、肌動蛋白、肌球蛋白以及許多蛋白激酶和磷酸酶。近年，鈣蛋白酶與ICU-AW的關系正受到越來越多的關注。

鈣蛋白酶的活性受細胞內Ca2+水平和鈣蛋白酶的內源性抑制劑(鈣蛋白酶抑素)濃度的調節(jié)。在長時間制動的骨骼肌中，氧化應激是激活骨骼肌鈣蛋白酶的重要觸發(fā)因素。目前研究發(fā)現(xiàn)，鈣蛋白酶的激活需要細胞內游離Ca2+濃度的增加，而氧化應激可以增加細胞內游離Ca2+濃度，進而增加細胞中鈣蛋白酶1和2的表達[17]。Dargelos等[18]研究證實，將人成肌細胞暴露在活性氧(reac-tive oxygen species，ROS)中會增加細胞內鈣蛋白酶1和鈣蛋白酶2的表達。ROS介導鈣蛋白酶激活的機制可能為:①ROS可以抑制鈣ATP酶的活性，從而阻礙Ca2+從胞漿中排出，導致細胞內Ca2+濃度升高。②ROS介導的骨骼肌纖維中ryanodine受體的氧化可以導致肌漿網發(fā)生Ca2+泄漏，導致細胞內游離Ca2+濃度增加。最近研究發(fā)現(xiàn)，抑制膈肌中鈣蛋白酶的激活可以保護機體免受機械通氣誘導的膈肌萎縮[19]。Talbert等[20]發(fā)現(xiàn)線粒體靶向抗氧化劑可以通過抑制氧化應激的發(fā)生，進而阻止動物骨骼肌中鈣蛋白酶的激活，減輕肌肉無力和肌肉萎縮。由此可見，鈣蛋白酶的激活在廢用性肌萎縮中起著重要作用，與ICU-AW的發(fā)生密切相關。

4 半胱氨酸天冬氨酸特異性蛋白酶-3

半胱氨酸天冬氨酸特異性蛋白酶-3(caspase-3)屬于半胱氨酸蛋白酶家族，是一種參與細胞凋亡的效應因子，在多種組織細胞的凋亡中起關鍵作用。Zhu等[21]在caspase-3基因敲除的小鼠模型中發(fā)現(xiàn)，正常小鼠組在制動的第14天腓腸肌和比目魚肌中caspase-3活性的明顯增加，且比目魚肌細胞凋亡增多，腓腸肌和比目魚肌肌肉質量明顯下降；在caspase-3基因敲除的小鼠組觀察到，腓腸肌和比目魚肌質量下降較正常小鼠組明顯減少。此外還發(fā)現(xiàn)，正常小鼠的肌肉張力峰值減少約36%，而caspase-3基因敲除小鼠的肌肉張力峰值減少了約23%，可見caspase-3基因敲除的小鼠在制動過程中腓腸肌張力峰值下降幅度明顯減小。以上發(fā)現(xiàn)表明，caspase-3的激活是制動引起肌肉張力降低和肌肉萎縮的關鍵性因素，caspase-3的缺乏可阻止細胞凋亡的產生進而減輕肌肉張力下降和肌肉萎縮。

二、肌肉蛋白質合成障礙

1 肌肉生長抑制素

肌肉生長抑制素(Myostatin，Mstn)，也被稱為生長分化因子-8，是轉化生長因子-β家族的成員之一。Myostatin是一種主要表達于骨骼肌組織的分泌蛋白，可以抑制肌肉細胞的生長和分化，減少肌肉蛋白質的合成。為了驗證Myostatin具有抑制骨骼肌細胞生長的作用，Shaoting Weng等[22]研究Myostatin基因敲除的小鼠的發(fā)現(xiàn)，與對照組相比，Myostatin基因敲除小鼠股四頭肌和內收肌重量增加約0.2 g～0.3 g，總重量增加1 g～1.5 g，Myostatin基因敲除小鼠的肌纖維數(shù)量和體積明顯增加，Myostatin基因敲除小鼠組的體重增加明顯大于對照組。由此推測，小鼠總體重的增加不僅是局部肌肉質量的增加，而且由于Myostatin的減少，肌肉組織萎縮減緩，骨質量增加和某些激素分泌增加引起的。隨后的研究發(fā)現(xiàn)Myostatin還可以抑制細胞增殖相關蛋白的表達，并且可以上調細胞周期依賴性磷酸轉移酶抑制因子，進而抑制成肌細胞從G1期向S期轉化。Myostatin通過增加p21和減少CDK2抑制Rb蛋白的磷酸化，從而抑制成肌細胞的增殖。敲除Myo-statin基因可減少p21的表達來增加CDK2的表達，從而將細胞從G2期激活為M期，進而促進肌細胞生長和肌肉質量增加。

2 胰島素樣生長因子-1

胰島素樣生長因子-1(insulin-like growth factor 1, IGF-1)是一種多功能細胞增殖調控因子，廣泛分布于人體各個組織，在細胞的增殖分化和個體的生長發(fā)育中發(fā)揮重要的作用[23]。研究發(fā)現(xiàn)，IGF-1介導的信號傳導可促進肌肉蛋白質合成。在肌細胞中，IGF-1與其受體結合后通過調節(jié)雷帕霉素靶蛋白(mTOR)來刺激磷脂酰肌醇3激酶(PI3K)和蛋白激酶B(Akt)的激活，PI3K/Akt/mTOR信號通路的表達在肌肉肥大時上調，在肌肉萎縮時下調，表明mTOR途徑可以促進肌肉蛋白質的合成[24]。同時最近研究證實，mTOR對核糖體蛋白S6激酶1(S6K1)的磷酸化和活化起重要作用。由此推測，mTOR/S6K1信號通路可能控制細胞的轉錄、翻譯，細胞的生長以及蛋白質的合成[25]。

離子通道功能障礙

安靜狀態(tài)下，離子的跨膜轉運形成細胞膜內外兩側外正內負的電位差即靜息電位。在靜息電位基礎上，電興奮通過離子通道的開放和關閉及離子跨膜流動形成動作電位，產生興奮-收縮偶聯(lián)過程。因此，離子跨膜轉運的失衡和離子通道的失活及分布異常都將對肌纖維膜的興奮性和興奮-收縮偶聯(lián)過程產生影響。電壓依賴性鈉通道及鈣通道與ICU-AW 的發(fā)生發(fā)展密切相關，Koch等[26]研究發(fā)現(xiàn)大多數(shù)重癥患者存在電壓門控鈉通道功能障礙以及肌細胞膜興奮性的下降。Monica等[27]對ICU-AW小鼠模型研究發(fā)現(xiàn)，蘭尼堿受體和肌內質網Ca2+ATP 酶1的表達明顯下降并且肌內質網Ca2+釋放受阻，興奮收縮耦聯(lián)受損可能會誘發(fā)ICU-AW的發(fā)生。Nardelli等[28]對膿毒癥大鼠模型的研究證實，運動神經元興奮性降低是導致膿毒癥后獲得性衰弱的重要因素之一，可導致膿毒癥緩解后仍然存在肢體運動障礙。以上研究表明，電壓依賴性鈉通道和鈣通道的功能障礙可導致肌纖維膜興奮性下降及興奮-收縮偶聯(lián)障礙，并且與ICU-AW 的發(fā)生發(fā)展密切相關。

全身炎癥反應綜合征

全身炎癥反應綜合征(systemic inflammatory response syndrome, SIRS)是指一種復雜炎癥的異常調節(jié)。在ICU內，膿毒敗血癥患者比非膿毒敗血癥患者更容易出現(xiàn)骨骼肌和呼吸肌的肌肉萎縮和肌肉無力[29]，這可能與炎癥、制動、低血氧飽和度以及鎮(zhèn)靜、阿片類藥物和神經肌肉阻滯劑的應用相關，尤其是全身炎癥反應的激活，會進一步促進ICU-AW的發(fā)生。

促炎性細胞因子對調節(jié)肌肉質量的信號通路有直接和間接影響。腫瘤壞死因子-α、干擾素-γ和白細胞介素-1(IL-1)可增加泛素基因的轉錄，從而促進肌肉蛋白質降解。Witteveen等[30]研究發(fā)現(xiàn)ICU-AW患者由慢性危重癥、分解代謝綜合征和早期多器官功能衰竭的患者組成，這些患者的炎癥因子水平增加，其中88%的患者伴有SIRS。此外，研究發(fā)現(xiàn)膿毒癥患者尤其是老年膿毒癥患者會發(fā)展為慢性危重癥并且伴有免疫功能低下，呈持久的慢性炎癥狀態(tài)[31]。最近研究證實，在SIRS早期，炎癥因子的暴露會激活線粒體過氧化物酶體增殖物激活受體γ輔激活因子1α(PGC-1α)通路，從而補償線粒體功能障礙，增強線粒體生物通路并減少氧化損傷；但在SIRS后期并伴有ICU-AW的患者，其股外側肌氧化磷酸化水平降低50%，并且伴有單核細胞、淋巴細胞數(shù)量的下降和功能的抑制，提示在SIRS的早期與后期對肌肉代謝的影響是不一致的，而免疫功能可能是導致這種現(xiàn)象的關鍵因素[32]。由此推測，雖然臨床各種高危因素可導致肌肉萎縮和肌肉無力的發(fā)生，但促進ICU-AW發(fā)生發(fā)展并不易逆轉的關鍵因素可能是免疫紊亂。

白細胞介素-6(IL-6)是機體復雜的細胞因子網絡(cytokine network)中的重要成分之一。Il-6是一種與調節(jié)免疫反應相關的促炎細胞因子。除了能夠影響免疫細胞的增殖和分化以外，還具有許多重要的生物學功能。最近的研究已經證實IL-6是一種促進肌肉生長的肌細胞因子[33]，它通過激活衛(wèi)星細胞和刺激成肌細胞的增殖和分化，來促進肌肉肥大。因此推測，重癥患者產生IL-6能夠促進肌肉肥大，而不是引起肌肉蛋白質的分解代謝。

皮質類固醇

大約31%的ICU患者應用皮質類固醇治療后會發(fā)生ICU-AW[34]。研究已經證實皮質類固醇和平均每日皮質類固醇治療劑量都是ICU-AW的預測因子[35]。

關于短期使用皮質類固醇是否會增加危重患者ICU-AW的風險，目前尚無定論。一些研究數(shù)據表明，在ICU內接受短期的皮質類固醇治療也可能會導致相關的機體功能損害[35]。在感染性休克患者中，使用皮質類固醇對患者死亡率的影響尚不明確。一項回顧性研究顯示，在重癥肺炎患者中，短期使用甲基強的松龍可以降低患者的死亡率[36]。因此，危重患者是否使用皮質類固醇治療以及皮質類固醇的劑量應根據患者的臨床癥狀和疾病嚴重程度而定。對極危重的患者進行短期皮質類固醇治療可能會改善其預后，但是長期使用皮質類固醇會增加發(fā)生ICU-AW的風險。

睡眠障礙

蛋白質合成障礙及細胞分裂受阻等會導致肌肉萎縮和肌肉無力。研究發(fā)現(xiàn)，在睡眠期間機體發(fā)生更多的細胞分裂、且所需要的時間更少[37]，蛋白質合成具有明顯的晝夜節(jié)律變化，并且在睡眠期間出現(xiàn)合成峰值，故目前公認良好的睡眠是愈合恢復的基礎。危重癥患者常出現(xiàn)睡眠障礙(如總睡眠時間的減少、睡眠效率的降低和睡眠碎片的增加)，睡眠障礙會產生兩個互補的內分泌反應，包括合成代謝激素降低(IGF-1、睪酮和生長激素)和分解代謝激素升高(Myostatin、胰島素抵抗和糖皮質激素)，從而導致蛋白質合成及細胞分裂受阻，進一步引發(fā)ICU-AW發(fā)生。ICU的患者由于危及生命的疾病、ICU環(huán)境、藥物鎮(zhèn)靜或心理壓力常導致睡眠障礙，因此推測睡眠障礙可導致或加重ICU-AW[38]。目前，已經有研究證實了社區(qū)健康老年人中睡眠障礙和運動功能之間的聯(lián)系。然而，還沒有試驗研究重癥患者的睡眠質量與ICU-AW的關系。因此，徹底了解與睡眠障礙相關的蛋白質合成減少和蛋白質降解增加所涉及的病理生理機制將有助于降低危重患者ICU-AW的發(fā)生率以及改善危重患者的預后。未來的研究應該監(jiān)測危重患者的睡眠質量并早期診斷ICU-AW，并探ICU-AW和睡眠障礙之間是如何相互聯(lián)系的。

其 他

一、腎素-血管緊張素系統(tǒng)

危重患者通常會出現(xiàn)低血壓，血壓的下降會激活RAS，RAS的激活可導致促炎性細胞因子的增加，進而導致肌肉蛋白質降解。血管緊張素Ⅱ可誘導IL-6和基質金屬蛋白酶的分泌。研究表明，血管緊張素Ⅱ還可降低IGF-1的水平，從而導致肌肉萎縮與肌肉無力,血管緊張素轉換酶抑制劑(ACEI)可通過抑制血管緊張素Ⅱ對炎癥因子和IGF-1的作用進而減輕肌肉無力[39]。這可能為 ICU-AW的預防和治療提供了潛在的治療靶點。

二、營養(yǎng)狀況

ICU患者的營養(yǎng)狀況通常很差，同時危重疾病本身會加重患者的分解代謝，導致蛋白質合成和降解之間的不平衡，造成肌肉萎縮。研究表明，與健康人禁食引起的分解代謝狀態(tài)相比，ICU患者由于炎癥、制動和內分泌反應等會進一步加重營養(yǎng)不良所導致的高分解代謝。因此，給予危重患者充足的營養(yǎng)對于疾病的治療和患者的預后十分重要。此外，營養(yǎng)的供給方式和開始進食的時機同樣對患者的預后有十分重要的影響。Hermans等研究發(fā)現(xiàn)，晚期腸外營養(yǎng)組相比早期腸外營養(yǎng)組肌力增加，并且發(fā)現(xiàn)晚期腸外營養(yǎng)組自噬標記物的表達更多[40]。這表明晚期腸外營養(yǎng)通過優(yōu)化自噬-溶酶體系統(tǒng)，清除受損的蛋白質和細胞器，改善肌肉細胞功能來有效地產生肌力，這可能是晚期腸外營養(yǎng)組肌力增加的原因。

三、維生素D

ICU患者的維生素D水平通常較低，越來越多的研究表明，低維生素D水平與危重患者感染率增加、住院時間延長和死亡率增加相關。最近一項研究發(fā)現(xiàn)，維生素D水平與機械通氣時間成反比[41]，機械通氣患者通常伴有呼吸肌的無力，這表明維生素D水平可能與肌肉無力之間存在聯(lián)系。

小 結

ICU-AW 嚴重降低危重患者的生存質量，影響危重患者預后。 ICU-AW 的發(fā)生發(fā)展與多種危險因素有關，并且涉及多種病理生理機制。目前ICU-AW 尚無具體的治療措施，主要的治療和預防措施包括控制危險因素(如制動、機械通氣等)，積極控制感染和治療原發(fā)病，避免不必要的皮質類固醇激素和神經肌肉阻滯劑應用等可能有助于預防ICU-AW 發(fā)生。因此，進一步比較不同的模型條件，并探討各種機制之間的相關性，以期尋找更佳的干預和治療位點，為 ICU-AW 的發(fā)病機制、預防或治療提供新思路。