呼吸機(jī)相關(guān)性膈肌功能障礙的發(fā)病機(jī)制與臨床研究進(jìn)展

1、呼吸機(jī)相關(guān)性膈肌功能障礙的發(fā)病機(jī)制與臨床研究進(jìn)展膈肌收縮使胸腔內(nèi)產(chǎn)生負(fù)壓是自主呼吸時(shí)的主要?jiǎng)恿υ?，但約有79%危重癥患者機(jī)械通氣后出現(xiàn)膈肌功能障礙，其中53%患者在機(jī)械通氣24h內(nèi)即發(fā)病。嚴(yán)重膈肌收縮功能下降可導(dǎo)致患者脫機(jī)困難，機(jī)械通氣時(shí)間延長(zhǎng)，肺部及全身感染進(jìn)展，甚至器官衰竭，住院時(shí)間和醫(yī)療費(fèi)用增加。膈肌收縮乏力通常由嚴(yán)重感染、機(jī)械通氣等因素引起。其中機(jī)械通氣導(dǎo)致的膈肌功能障礙以膈肌收縮功能下降為特點(diǎn)，并伴有肌損傷和肌纖維萎縮，稱之呼吸機(jī)相關(guān)性膈肌功能障礙（ventilator-induceddiaphragmdysfunction,VIDD）。近年來(lái)，有研究從組織學(xué)和病理生理學(xué)方面進(jìn)一步闡

2、釋VIDD的發(fā)病機(jī)制，在臨床診斷和治療方面也有了新的認(rèn)識(shí)，本文總結(jié)了VIDD相關(guān)的新近研究進(jìn)展。1.VIDD時(shí)膈肌的組織學(xué)和力學(xué)改變1.1膈肌萎縮VIDD時(shí)最直觀的組織學(xué)變化是膈肌萎縮，已有動(dòng)物實(shí)驗(yàn)和人體組織活檢證實(shí)。長(zhǎng)期機(jī)械通氣可導(dǎo)致膈肌纖維橫截面積減少，各蛋白組分顯著下降。最近有研究首次對(duì)比了不同通氣模式對(duì)人體膈肌的損害作用，機(jī)械通氣可顯著導(dǎo)致肌纖維的橫截面積減少、肌細(xì)胞內(nèi)脂褐素沉積增加以及核內(nèi)移減少。而在自主呼吸輔助通氣的情況下，肌纖維橫截面積與完全控制通氣相比差異沒有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義，但細(xì)胞內(nèi)脂褐素的沉積卻相對(duì)減少，核內(nèi)移的比例也呈增加趨勢(shì)。這提示維持一定的膈肌主動(dòng)收縮可減輕機(jī)械通氣導(dǎo)致的膈

3、肌萎縮。另外，該研究還將股四頭肌作為內(nèi)部對(duì)照，比較相同內(nèi)環(huán)境下機(jī)械通氣對(duì)膈肌與骨骼肌的組織學(xué)影響。雖然二者均為橫紋肌，在自主運(yùn)動(dòng)減少時(shí)會(huì)出現(xiàn)廢用性萎縮，但機(jī)械控制通氣時(shí)膈肌萎縮比股四頭肌更明顯，且并未造成股四頭肌細(xì)胞內(nèi)脂褐素沉積及核內(nèi)移。這些差異提示機(jī)械通氣導(dǎo)致的膈肌萎縮并不能用簡(jiǎn)單的廢用性萎縮解釋，與骨骼肌相比其纖維及細(xì)胞內(nèi)分子表達(dá)的差異可能導(dǎo)致其更易受損，具體機(jī)制還有待繼續(xù)研究。1.2膈肌收縮能力下降機(jī)械通氣不僅導(dǎo)致膈肌萎縮，同時(shí)出現(xiàn)肌肉收縮力下降。將肌束分離后單獨(dú)檢測(cè)，并將收縮力校正到單位橫截面積時(shí)，比力的下降與萎縮程度不成比例，甚至動(dòng)物實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)機(jī)械通氣后膈肌纖維的橫截面積增加，比力卻明

4、顯下降。對(duì)腦死亡患者的膈肌力學(xué)檢測(cè)提示，膈肌纖維的主動(dòng)和被動(dòng)收縮能力出現(xiàn)障礙。刺激機(jī)械通氣患者雙側(cè)膈神經(jīng)后檢測(cè)到經(jīng)膈肌抽縮壓僅為正常人的20%，大約30%的患者經(jīng)膈肌抽縮壓2.VIDD的病理生理學(xué)變化2.1VIDD的起病機(jī)械通氣，尤其是控制通氣時(shí)使膈肌基本處于廢用狀態(tài)，剝奪了其主動(dòng)收縮的能力。盡管膈神經(jīng)保持完好，但膈肌的肌電信號(hào)受到抑制，不能發(fā)放電沖動(dòng)或沖動(dòng)不能引起膈肌收縮。機(jī)械通氣時(shí)，通過電刺激維持膈肌肌電活動(dòng)或保留一定程度的自主呼吸均可預(yù)防或減輕VIDD。2.1.1Ca2+代謝由于肌細(xì)胞內(nèi)的Ca2+受電活動(dòng)調(diào)控，在肌電活動(dòng)減弱的情況下，Ca2+不能正常地從肌漿網(wǎng)迅速釋放到胞質(zhì)引起肌肉收縮，

5、也難以通過鈣泵被主動(dòng)轉(zhuǎn)運(yùn)回肌漿網(wǎng)。機(jī)械通氣時(shí)，肌漿網(wǎng)表面的蘭尼堿受體重塑，Ca2+從靜息狀態(tài)的肌漿網(wǎng)中泄漏至胞質(zhì)，導(dǎo)致膈肌收縮力下降。此外，Ca2+還可通過自我釋放的機(jī)制，即胞質(zhì)中的Ca2+濃度升高會(huì)進(jìn)一步加重肌漿網(wǎng)中的鈣通過蘭尼堿受體泄漏。理論上蘭尼堿受體的特異性抑制劑丹曲林可以阻止這一過程，在膿毒癥介導(dǎo)的膈肌功能障礙的動(dòng)物模型中已觀察這一現(xiàn)象，但在VIDD方面是否有效還鮮有報(bào)道。胞質(zhì)內(nèi)的鈣濃度升高而又不能被及時(shí)轉(zhuǎn)運(yùn)回肌漿網(wǎng)時(shí)，與鈣蛋白酶結(jié)合導(dǎo)致蛋白水解，通過鈣依賴性一磷酸腺苷活化蛋白激酶介導(dǎo)細(xì)胞自噬。2.1.2細(xì)胞因子細(xì)胞因子在VIDD的起病中也發(fā)揮重要作用。短時(shí)間機(jī)械通氣可使患者膈肌細(xì)胞

6、內(nèi)IL-6、IL-1及趨化因子配體2等促炎因子基因的表達(dá)增加數(shù)十倍，IL-6、IL-24及其受體可能激活Janus激酶-信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)和轉(zhuǎn)錄激活因子（signaltransducerandactivatoroftranscription-Januskinase,JAK-STAT）信號(hào)通路使細(xì)胞凋亡，進(jìn)一步引起膈肌收縮功能障礙。另外，增加血管緊張素可導(dǎo)致膈肌萎縮，但阻斷其產(chǎn)生卻不能防止氧化應(yīng)激和膈肌收縮乏力，而有趣的是在給予血管緊張素受體拮抗劑氯沙坦后卻可產(chǎn)生保護(hù)作用。由此可見，機(jī)械通氣確實(shí)可在早期引起上述多種細(xì)胞因子表達(dá)上調(diào)，通過信號(hào)通路介導(dǎo)膈肌細(xì)胞損傷。需要進(jìn)一步明確的是為何這些因子的表達(dá)在膈肌和

7、骨骼肌之間存在明顯差異，引起的膈肌細(xì)胞凋亡、肌萎縮和功能障礙比其他骨骼肌更為明顯。有推測(cè)認(rèn)為可能是因?yàn)殡跫∨c其他骨骼肌的受體表達(dá)存在差異，或者是細(xì)胞因子僅通過旁分泌作用于膈肌細(xì)胞。2.1.3激活蛋白水解蛋白水解途徑的激活加速細(xì)胞內(nèi)的分解代謝，通常有泛素蛋白酶系統(tǒng)、鈣蛋白酶等途徑。泛素蛋白酶途徑介導(dǎo)的蛋白水解途徑活化，以及相關(guān)蛋白,蛋白激酶B-叉頭轉(zhuǎn)錄因子（proteinkinaseB-forkheadboxO,Akt-FoxO）信號(hào)通路在膈肌纖維萎縮和收縮力下降方面有著重要作用；但有動(dòng)物研究發(fā)現(xiàn)機(jī)械通氣早期Akt和FoxO1磷酸化并未受到抑制，因此早期的蛋白泛素化和氧化可能并不是通過該途徑，而

8、是通過Smad3活化調(diào)節(jié)JAK-STAT通路導(dǎo)致的級(jí)聯(lián)瀑布效應(yīng)所致。人體組織中泛素蛋白酶途徑激活可使肌球蛋白重鏈水平下降，胞核中Akt和FoxO1的磷酸化減少。但泛素蛋白酶系統(tǒng)并不能直接降解完整的肌原纖維，因?yàn)榧≡w維甚至粗細(xì)肌絲均無(wú)法進(jìn)入蛋白酶體內(nèi)部，故在VIDD早期的12h內(nèi)對(duì)泛素蛋白酶系統(tǒng)的抑制并不能有效防止膈肌萎縮和收縮力下降。鈣蛋白酶是細(xì)胞內(nèi)Ca2+參與調(diào)節(jié)的非溶酶體半胱氨酸蛋白酶，可以調(diào)控細(xì)胞的分化和死亡，具有剪切細(xì)胞骨架蛋白的能力，在肌肉重塑中具有重要作用。機(jī)械通氣時(shí)鈣蛋白酶被激活，而抑制該酶的活性可以下調(diào)MAFbx和MuRF1的表達(dá)，從而減輕膈肌萎縮，或許可預(yù)防VIDD的發(fā)生。

9、鈣蛋白酶可促進(jìn)caspase-3激活引發(fā)細(xì)胞凋亡，而活化的caspase-3又能增強(qiáng)鈣蛋白酶的活性，二者交互作用，共同參與機(jī)械通氣介導(dǎo)的膈肌纖維萎縮。2.1.4自噬自噬是溶酶體介導(dǎo)的蛋白降解過程，可被氧化應(yīng)激、Ca2+等多種因素激活。對(duì)于自噬發(fā)揮的是VIDD促進(jìn)作用還是保護(hù)作用，不同的研究尚存在爭(zhēng)論。對(duì)行機(jī)械通氣的小鼠給予藥物刺激自噬的形成，有利于清除喪失正常功能的線粒體，改善肌肉收縮功能，減少VIDD的發(fā)生。與之相反，給予藥物抑制自噬，也可防止呼吸機(jī)介導(dǎo)的膈肌萎縮和功能下降。為明確自噬在VIDD中的真實(shí)作用，可能需要通過基因修飾等方法阻斷自噬的信號(hào)通路才能進(jìn)一步明確。2.2導(dǎo)致VIDD的信號(hào)

10、通路通過基因分析發(fā)現(xiàn)，機(jī)械通氣至少可使15種信號(hào)通路發(fā)生顯著改變，包括JAK-STAT、Ca2+、轉(zhuǎn)化生長(zhǎng)因子、血管內(nèi)皮生長(zhǎng)因子、細(xì)胞因子-細(xì)胞因子受體、哺乳動(dòng)物雷帕霉素靶蛋白等途徑，其中Smad3、STAT3及FoxO可能發(fā)揮了主要作用，并且都與線粒體氧化應(yīng)激有關(guān)。2.2.1Smad3通路Smad3在機(jī)械通氣后迅速發(fā)生磷酸化，其激活的時(shí)間較STAT3早，程度也更劇烈，且Ca2+通路也可介導(dǎo)核內(nèi)Smad3的聚集。因此作為肌電活動(dòng)和Ca2+濃度的傳感器，Smad3的激活可能在機(jī)械通氣的早期介導(dǎo)了蛋白水解并最終導(dǎo)致VIDD的發(fā)生。通常Smad3通過與轉(zhuǎn)化生長(zhǎng)因子受體和細(xì)胞因子配體相互作用而活化，但

11、在膈肌中似乎并非通過該經(jīng)典途徑發(fā)揮作用，而可能有血管緊張素或p38絲裂原活化蛋白激酶參與其中。血管緊張素可介導(dǎo)Smad3的磷酸化并引發(fā)肌萎縮，也可增加胞內(nèi)Ca2+濃度并導(dǎo)致下游的信號(hào)通路激活，但需進(jìn)一步研究證實(shí)。2.2.2JAK-STAT通路JAK-STAT通路是與細(xì)胞因子密切相關(guān)的細(xì)胞內(nèi)信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)通路，參與細(xì)胞的增殖、分化、凋亡以及免疫調(diào)節(jié)等許多重要的生物學(xué)過程。STAT3受白介素調(diào)節(jié)，機(jī)械通氣時(shí)IL-6、IL-1等及其部分受體在膈肌上的表達(dá)增加?；罨腟TAT3可通過線粒體引發(fā)氧化應(yīng)激，而氧化應(yīng)激又會(huì)激活JAK-STAT，形成惡性循環(huán)。JAK抑制劑阻斷該通路后可顯著改善膈肌收縮。機(jī)械通氣使膈

12、肌細(xì)胞內(nèi)肌球蛋白含量減少、IL-6增加及介導(dǎo)自噬的效應(yīng)，但在Toll樣受體4（Toll-likereceptor4,TLR-4）缺陷的小鼠中并未觀察到，因此JAK-STAT通路相關(guān)的TLR-4可能參與了VIDD的發(fā)生發(fā)展。2.2.3FoxO通路FoxO家族參與調(diào)節(jié)泛素蛋白酶系統(tǒng)、自噬和凋亡等過程。FoxO可直接激活萎縮相關(guān)基因MAFBx/Atrogin-1、MuRF-1和自噬相關(guān)基因LC3。FoxO可通過介導(dǎo)凋亡基因Bcl2家族的表達(dá)促進(jìn)凋亡的信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)，上調(diào)死亡受體配體Fas-L的表達(dá)。FoxO還可調(diào)節(jié)線粒體功能和糖代謝，例如FoxO3a可增強(qiáng)糖酵解及降低線粒體DNA的拷貝數(shù)、減少蛋白合成及降

13、低呼吸鏈活性，F(xiàn)oxO活化后可通過調(diào)節(jié)蛋白水解系統(tǒng)的轉(zhuǎn)錄介導(dǎo)VIDD，且抑制其活性后可緩解膈肌萎縮和收縮力下降。3.VIDD的診斷3.1VIDD診斷的困境目前VIDD的診斷仍較困難，需排除其他可能導(dǎo)致膈肌收縮能力下降的因素，例如膿毒癥、肌松藥物、代謝紊亂、神經(jīng)肌肉疾病等，在長(zhǎng)期機(jī)械通氣的危重癥患者中，這些混淆因素給診斷帶來(lái)了較大難度。盡管測(cè)量最大吸氣壓相對(duì)容易，但該參數(shù)取決于所有呼吸肌的共同努力，且受肺部疾病的影響。靜息跨膈壓可通過同時(shí)記錄食道內(nèi)壓和胃內(nèi)壓計(jì)算，但患者配合程度可干擾該參數(shù)的準(zhǔn)確性。膈神經(jīng)傳導(dǎo)是目前膈肌力學(xué)功能量化的標(biāo)準(zhǔn)方法，缺點(diǎn)是需要專業(yè)設(shè)備及人員，較為耗時(shí)且同樣依賴患者配合。

14、3.2超聲輔助診斷膈肌運(yùn)動(dòng)的可視化評(píng)估可通過X光透視、磁共振和超聲等方法，尤其床旁超聲因其無(wú)創(chuàng)安全、便捷易用、經(jīng)濟(jì)省時(shí)及結(jié)果可重復(fù)等優(yōu)點(diǎn)在近年來(lái)獲得了廣泛應(yīng)用。通過B型或M型超聲，可獲得膈肌偏移量和膈肌增厚量?jī)煞N主要參數(shù)，但檢測(cè)時(shí)需暫停呼吸機(jī)支持，患者僅保留自主呼吸。對(duì)依賴呼吸機(jī)的患者僅能監(jiān)測(cè)膈肌增厚量。超聲診斷通常使用低頻探頭，在肋緣下以肝或脾為窗口測(cè)量一個(gè)完整的呼吸周期內(nèi)膈肌的移動(dòng)距離，聲束需與膈肌后部保持垂直。成年人平靜呼吸時(shí)膈肌的偏移量是（1.340.18）cm，深吸氣時(shí)可達(dá)9cm。膈肌功能下降時(shí)可觀察到偏移量較正常明顯減少，膈肌麻痹時(shí)平靜呼吸和深呼吸均不能觀察到膈肌運(yùn)動(dòng)，甚至出現(xiàn)反常

15、運(yùn)動(dòng)。在腋中線肋間隙位置，使用高頻探頭可測(cè)量吸氣時(shí)肌纖維收縮導(dǎo)致的膈肌增厚程度，通過公式（吸氣末厚度呼氣末厚度）/呼吸末厚度計(jì)算可得。正常成年人在吸氣末的增厚量為（4.50.9）mm。該參數(shù)可作為膈肌收縮的直接指標(biāo)，用于判斷是否存在肌萎縮。超聲對(duì)膈肌功能的評(píng)估與膈肌電活動(dòng)的監(jiān)測(cè)結(jié)果有較好的相關(guān)性，可用于評(píng)估患者的膈肌功能，判斷脫機(jī)及拔管的時(shí)機(jī)及預(yù)后。分析發(fā)現(xiàn)，膈肌偏移量和增厚度對(duì)48h內(nèi)重插管的預(yù)測(cè)均具有較高的敏感度、特異度和診斷優(yōu)勢(shì)比。雖然超聲診斷具有廣闊的應(yīng)用前景，但也存在較多局限性，如依賴于操作者的經(jīng)驗(yàn)和技術(shù)，膈肌偏移量的影響因素多、變異大等。另外目前尚缺乏多中心大樣本隨機(jī)對(duì)照試驗(yàn)證實(shí)膈

16、肌超聲的應(yīng)用是否有利于VIDD患者的遠(yuǎn)期預(yù)后。4.VIDD的防治機(jī)械通氣的患者應(yīng)適當(dāng)減少鎮(zhèn)靜，通過調(diào)整通氣模式和參數(shù)減小呼吸機(jī)支持力度或保留一定程度自主呼吸，增加患者呼吸做功，可一定程度抑制膈肌萎縮，減輕膈肌功能障礙。動(dòng)物實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，間斷的自主呼吸能避免VIDD的發(fā)生，脫機(jī)后膈肌功能可迅速恢復(fù)，但該現(xiàn)象在人體中難以實(shí)現(xiàn)，提示可能存在更復(fù)雜的機(jī)制，給防治增加了難度?？刂葡吐宰枞苑渭膊≈委煹牟鑹A或氨茶堿類藥物，因具有抗炎、減少氧化應(yīng)激、增加跨膈壓、改善膈肌運(yùn)動(dòng)的作用，可試用于VIDD的治療。根據(jù)病理生理機(jī)制可聯(lián)合應(yīng)用抗氧化劑、JAK-STAT抑制劑、蛋白水解途徑調(diào)節(jié)劑、鈣增敏劑等藥物治療，但這些藥物基本處于臨床試驗(yàn)甚至動(dòng)物實(shí)驗(yàn)階段。一些非藥物治療方法可能也適用于VIDD。例如，持續(xù)數(shù)周的吸氣肌訓(xùn)練可以顯著增加最大吸氣壓，有助于改善肌無(wú)力癥狀；在機(jī)械通氣的同時(shí)，經(jīng)上腔靜脈置入電極行膈神經(jīng)起搏或采用無(wú)創(chuàng)磁力刺激膈神經(jīng)，均可促進(jìn)膈肌主動(dòng)收縮，重塑肌纖維，利于患者脫離對(duì)正壓通氣的依賴；肋間神經(jīng)移植到