應(yīng)唯楠，伍慧珊，周銀超，董縐縐

機(jī)械通氣在臨床上常用于維持患者的氣體交換功能，能挽救呼吸衰竭患者的生命，但機(jī)械通氣也會(huì)誘發(fā)膈肌萎縮和收縮功能障礙，導(dǎo)致患者脫離呼吸機(jī)困難，引起一系列并發(fā)癥并最終可能導(dǎo)致患者死亡。該現(xiàn)象稱為呼吸機(jī)相關(guān)性膈肌功能障礙（ventilatorinduceddiaphragmdysfunction，VIDD）。VIDD 最早在動(dòng)物實(shí)驗(yàn)中被發(fā)現(xiàn)，對(duì)其病理機(jī)制的探索經(jīng)歷了較長(zhǎng)時(shí)間，目前認(rèn)為鈣蛋白酶、Caspase-3、自噬和泛素-蛋白酶體系統(tǒng)是參與機(jī)械通氣誘導(dǎo)的膈肌蛋白水解的關(guān)鍵，而機(jī)械通氣誘導(dǎo)的信號(hào)傳導(dǎo)途徑及抑制膈肌收縮力的部分目前仍持續(xù)研究中。本文就近年VIDD 病理機(jī)制及相關(guān)治療的研究進(jìn)展進(jìn)行綜述。

1 VIDD 的研究歷程

機(jī)械通氣在醫(yī)學(xué)上的應(yīng)用已經(jīng)有半個(gè)世紀(jì)，是現(xiàn)代重癥監(jiān)護(hù)的基石。但1994 年Le Bourdelles 等[1]發(fā)現(xiàn)48 h 的完全性呼吸機(jī)呼吸支持后，小鼠膈肌明顯萎縮和膈肌收縮功能顯著降低，這一結(jié)果也得到靈長(zhǎng)類動(dòng)物相關(guān)研究的驗(yàn)證[2]。近十年來已經(jīng)明確18～24 h的短時(shí)間機(jī)械通氣就能在實(shí)驗(yàn)動(dòng)物和人類中觀察到膈肌形態(tài)生理的早期改變，提示膈肌功能損傷，因此預(yù)防、早期診斷和治療VIDD 的有效方法逐漸成為重點(diǎn)。并且膈肌肌電圖、膈肌超聲和氣道壓力監(jiān)控等檢查技術(shù)的進(jìn)步[3]為臨床研究提供了幫助。

2 VIDD 目前已發(fā)現(xiàn)的機(jī)制

VIDD表現(xiàn)為膈肌萎縮和膈肌收縮能力下降，其中以膈肌萎縮為主，膈肌收縮能力下降除繼發(fā)于膈肌萎縮，另一方面與機(jī)械通氣的物理因素密切相關(guān)。有觀點(diǎn)提出完全性機(jī)械通氣所導(dǎo)致的“膈肌暫時(shí)性完全靜止”可能是VIDD 整個(gè)過程起動(dòng)的關(guān)鍵啟動(dòng)因子，也是VIDD 早期（12 ～24 h 內(nèi)）出現(xiàn)的原因之一[4]。

2.1 膈肌萎縮 膈肌和四肢肌肉均屬于骨骼肌，其厚度和強(qiáng)度受到蛋白質(zhì)分解速率和蛋白合成速率的調(diào)節(jié)。目前認(rèn)為在機(jī)械通氣的前12 ～24 h 內(nèi)起主導(dǎo)作用的是蛋白分解增加[5]，鈣蛋白酶、Caspase-3、自噬和泛素-蛋白酶體系統(tǒng)則是參與機(jī)械通氣誘導(dǎo)的膈肌蛋白水解的關(guān)鍵系統(tǒng)，其他的機(jī)制還包括氧化磷酸化細(xì)胞受損、糖酵解上調(diào)改變能量供應(yīng)、線粒體功能障礙和氧化應(yīng)激等。

2.1.1 鈣蛋白酶、Caspase-3 與鈣離子 鈣蛋白酶是一類依賴鈣離子的蛋白酶，其家族包含14 個(gè)不同的成員，通過切割釋放肌絲蛋白，再進(jìn)一步被泛素-蛋白酶體系統(tǒng)以及其他的蛋白酶降解。Caspase-3 與鈣蛋白酶同屬于半胱氨酸蛋白酶大家族，參與肌肉蛋白質(zhì)降解并在細(xì)胞凋亡中發(fā)揮重要作用。在小鼠的研究中發(fā)現(xiàn)對(duì)鈣蛋白酶或Caspase-3 活性的抑制能提供對(duì)膈肌功能的顯著保護(hù)，證明激活鈣蛋白酶是VIDD 的必要過程[6]。除了鈣蛋白酶外，鈣離子本身也在骨骼肌纖維的多種信號(hào)傳導(dǎo)路徑中發(fā)揮重要作用，細(xì)胞胞質(zhì)溶膠中高水平的游離鈣離子可以促進(jìn)線粒體氧化應(yīng)激，誘發(fā)蛋白酶活化和肌細(xì)胞凋亡。鈣離子穩(wěn)態(tài)的破壞還導(dǎo)致線粒體產(chǎn)生活性氧類增加，促進(jìn)蘭尼堿受體/鈣釋放通道的氧化，進(jìn)一步使肌質(zhì)網(wǎng)釋放鈣離子，加速蛋白水解和VIDD。一項(xiàng)小鼠模型研究也證明了這種異常的鈣釋放能導(dǎo)致膈肌收縮功能降低和肌纖維萎縮持續(xù)時(shí)間增長(zhǎng)[7]。

2.1.2 自噬系統(tǒng) 自噬是細(xì)胞自身利用溶酶體蛋白酶降解胞質(zhì)蛋白和細(xì)胞器的保護(hù)性分解代謝過程，而病理性高水平的自噬反而導(dǎo)致正常細(xì)胞的細(xì)胞器和蛋白質(zhì)分解。有實(shí)驗(yàn)通過抑制自噬成功預(yù)防大鼠在12 h 后出現(xiàn)肌肉萎縮和收縮功能不良[8]，自噬還會(huì)清除細(xì)胞內(nèi)的過氧化氫酶和過氧化物酶體，損害細(xì)胞的抗老化能力，進(jìn)而導(dǎo)致肌肉損傷。但自噬在VIDD中的整體作用還有爭(zhēng)議，另一項(xiàng)研究提示機(jī)械通氣相關(guān)的自噬增加可能有助于清除功能失調(diào)的線粒體細(xì)胞，反而改善膈肌功能[9]。

2.1.3 泛素-蛋白酶體系統(tǒng) 泛素-蛋白酶體系統(tǒng)是細(xì)胞內(nèi)蛋白質(zhì)降解的主要途徑之一，能增加蛋白質(zhì)氧化和泛素化，并參與細(xì)胞內(nèi)80%以上的蛋白質(zhì)降解。一項(xiàng)對(duì)小鼠和人類膈肌的研究表明，機(jī)械通氣會(huì)導(dǎo)致肌肉特異性泛素連接酶表達(dá)增加，進(jìn)而誘導(dǎo)泛素-蛋白酶體系統(tǒng)的活躍，增加膈肌蛋白的水解，導(dǎo)致膈肌萎縮[10]。

2.1.4 起點(diǎn)和中心的線粒體氧化應(yīng)激 線粒體氧化應(yīng)激（mitochondrial oxidative stress，MOS）是VIDD絕大部分通路的起始部分，線粒體功能不良則是中心組成部分，因此機(jī)械通氣期間早期出現(xiàn)的線粒體形態(tài)學(xué)異?？赡苁钦麄€(gè)VIDD 的開始。MOS 首先通過介導(dǎo)泛素-蛋白酶體途徑增強(qiáng)，導(dǎo)致蛋白質(zhì)降解增加，其次機(jī)械通氣能快速激活Smad3 和STAT3 等信號(hào)分子，上調(diào)線粒體氧化應(yīng)激，而激活的STAT3 進(jìn)一步誘導(dǎo)蛋白質(zhì)降解和氧化應(yīng)激，Dridi 等[11]提供進(jìn)一步的證據(jù)表明線粒體氧化應(yīng)激導(dǎo)致鈣離子漏出增加，激活鈣蛋白酶。氧化應(yīng)激本身和自噬之間也存在相互作用，線粒體氧化應(yīng)激能產(chǎn)生可以影響肌肉蛋白質(zhì)翻譯后修飾的自由基，改變其結(jié)構(gòu)和功能，降低肌絲的鈣敏感性；還可以通過誘導(dǎo)新陳代謝開關(guān)，減少線粒體氧化磷酸化和增加糖酵解，導(dǎo)致肌肉能量供應(yīng)整體減少，進(jìn)而導(dǎo)致自噬增加。

2.1.5 蛋白合成抑制及蛋白質(zhì)膜合成減少 膈肌蛋白合成的調(diào)節(jié)過程與骨骼肌一致，收縮活動(dòng)的增加促進(jìn)蛋白質(zhì)合成的增加，反之不活動(dòng)則導(dǎo)致蛋白質(zhì)合成速率降低，這與機(jī)械通氣尤其是完全支持性機(jī)械通氣導(dǎo)致的膈肌活動(dòng)減少相符合。蛋白合成速率最初的下降可能與蛋白質(zhì)翻譯減少有關(guān)，哺乳動(dòng)物雷帕霉素靶蛋白（mammalian target of rapamycin，mTOR）已被證明在肌肉蛋白翻譯的調(diào)節(jié)中起關(guān)鍵作用，導(dǎo)致膈肌中的神經(jīng)遞質(zhì)下調(diào)，進(jìn)而減少蛋白質(zhì)的合成，且與機(jī)械通氣相關(guān)的肺損傷同樣有著密切的聯(lián)系[12]。

2.1.6 其他潛在機(jī)制 有實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)抑制內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激可以減輕機(jī)械通氣期間隔膜的氧化應(yīng)激[13]，抗氧化劑不能影響內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激，即內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激也可能在沒有氧化應(yīng)激的情況下加劇VIDD。機(jī)械通氣的過程中還出現(xiàn)線粒體自噬水平顯著增加，其可能引發(fā)細(xì)胞壞死或功能下降，這提示線粒體自噬可能是機(jī)械通氣誘導(dǎo)膈肌功能障礙的機(jī)制之一。

2.2 收縮功能障礙 目前認(rèn)為膈神經(jīng)傳導(dǎo)和神經(jīng)-肌肉傳遞并不受機(jī)械通氣的影響，與其他骨骼肌一樣，膈肌纖維的收縮力是胞質(zhì)游離鈣、橫橋附著/橫橋循環(huán)速率和肌節(jié)長(zhǎng)度之間三者綜合產(chǎn)生的。障礙的機(jī)制包括氧化應(yīng)激誘導(dǎo)的肌肉功能減退、膈肌的超微結(jié)構(gòu)損傷等，其中肌肉功能減退與上文的膈肌萎縮密切相關(guān)，不再贅述。膈肌超微結(jié)構(gòu)損傷的重要因素是常使用的呼氣末正壓通氣（positive end expiratory pressure，PEEP），其目的是為了減少肺泡塌陷，增加機(jī)械通氣的效率，然而PEEP 引起的呼氣末肺容量的增加可能會(huì)使隔膜穹隆的形狀變平，進(jìn)而引起隔膜纖維的結(jié)構(gòu)改變。對(duì)小鼠的實(shí)驗(yàn)提示使用PEEP 的機(jī)械通氣不僅會(huì)引起橫截面纖維萎縮，也會(huì)引起縱向纖維萎縮（即纖維長(zhǎng)度減少）[14]，另一項(xiàng)對(duì)家兔的實(shí)驗(yàn)結(jié)果則提示PEEP可能引起膈肌膠原沉積和纖維化[15]。另一方面PEEP 可以增加膈肌的外周阻力，減少局部膈肌血液灌注，膈肌灌注減少和總外周阻力的增加可能最終引發(fā)VIDD。Titin 是一種機(jī)械傳感器的蛋白質(zhì)，以肌節(jié)應(yīng)變依賴的方式調(diào)節(jié)肌肉蛋白質(zhì)的表達(dá)，是感知橫膈膜突然性機(jī)械停滯的候選肌肉蛋白質(zhì)，其可能參與PEEP 引起膈肌長(zhǎng)度適應(yīng)的過程[16]。

3 加重VIDD 的其他因素

膿毒血癥是膈肌損傷的一大誘發(fā)因素[17]，感染患者常存在的電解質(zhì)紊亂會(huì)嚴(yán)重?fù)p傷肌肉功能；其次，部分細(xì)菌感染的內(nèi)毒素可以導(dǎo)致膈肌損傷加重，但炎癥本身與VIDD 的關(guān)系仍有待研究。

麻醉藥物能夠阻斷神經(jīng)，影響肌肉收縮功能，有研究指出右美托咪定相較其他鎮(zhèn)靜藥物更容易引發(fā)膈肌功能的下降[18]，在重癥監(jiān)護(hù)內(nèi)廣泛使用的另一種鎮(zhèn)靜藥物咪達(dá)唑侖也被提示其對(duì)膈肌的損傷[19]。糖皮質(zhì)激素在骨骼肌中可以降低肌蛋白合成并增加肌蛋白水解的速率，小劑量使用在膈肌中主要表現(xiàn)為蛋白水解系統(tǒng)的活化，但大劑量的皮質(zhì)類固醇可以緩解感染引起的膈肌功能不良，同時(shí)抑制鈣蛋白酶活化，整體上反而緩解了VIDD 的癥狀[20]。

此外，嚴(yán)重低氧血癥患者有時(shí)需高濃度給氧甚至吸入純氧，有研究指出高氧會(huì)加劇短期機(jī)械通氣引起的膈肌氧化應(yīng)激和收縮功能障礙[21]。

4 基于病理機(jī)制的治療

目前VIDD的治療進(jìn)展一方面是進(jìn)行中的實(shí)驗(yàn)性藥物研究，另一方面是通過目前已知的機(jī)制來預(yù)防VIDD 的發(fā)生和減緩其進(jìn)展。目前調(diào)整呼吸機(jī)使用方式及通過膈神經(jīng)進(jìn)行膈肌起搏的方式都已經(jīng)被初步驗(yàn)證有一定的預(yù)防和緩解效果。

4.1 藥物

4.1.1 動(dòng)物實(shí)驗(yàn)中的進(jìn)展 針對(duì)上文中的病理機(jī)制，半胱天冬酶3 抑制劑、蛋白酶抑制劑、泛素-蛋白酶體抑制劑及線粒體靶向的抗氧化劑等[22]對(duì)機(jī)械通氣模型大鼠的膈肌損傷均被證明有一定的效果。使用穩(wěn)定ryanodine 受體的藥物對(duì)小鼠進(jìn)行機(jī)械通氣拔管后治療，更進(jìn)一步逆轉(zhuǎn)了與機(jī)械通氣相關(guān)的膈肌力喪失[23]。有觀點(diǎn)認(rèn)為激活膈肌纖維中的腎素-血管緊張素系統(tǒng)軸可能促進(jìn)氧化應(yīng)激和VIDD，有研究證實(shí)動(dòng)物實(shí)驗(yàn)中使用血管緊張素1-7 可以保護(hù)膈肌的快速、慢速肌纖維，具有預(yù)防VIDD 的治療潛力[24]。同樣有研究提示奧美沙坦在動(dòng)物實(shí)驗(yàn)中對(duì)機(jī)械通氣引起的膈肌萎縮和收縮功能障礙均有保護(hù)作用[25]。硫化氫具有細(xì)胞保護(hù)功能，其通過阻止機(jī)械通氣誘導(dǎo)蛋白酶、鈣蛋白酶和半胱天冬酶-3 在膈肌中激活來保護(hù)膈肌[26]。

4.1.2 臨床上的藥物嘗試 膈肌屬于特殊的平滑肌，部分研究者考慮正性肌力藥物對(duì)呼吸功能的改善有一定作用，其中對(duì)左西孟旦進(jìn)行研究，但其功效并未得到肯定[27]。輔酶氧化劑和黃嘌呤氧化酶是活性氧類的潛在來源，經(jīng)過長(zhǎng)時(shí)間機(jī)械通氣，它們的活性顯著提高。茶堿通過抑制黃嘌呤氧化酶的活動(dòng)，可能可以保護(hù)膈肌免受機(jī)械通氣引起的氧化應(yīng)激和收縮的功能不良。其他一些研究也表明，茶堿可以增加膈肌收縮力，減輕膈肌疲勞[28]。

4.2 呼吸機(jī)的通氣模式調(diào)整和監(jiān)護(hù) 另一項(xiàng)可行的方案是改善機(jī)械通氣的條件，例如提供正壓即時(shí)成比例的通氣來驅(qū)動(dòng)患者的呼吸，如壓力支持通氣（pressure-support ventilation，PSV）與呼吸道肌肉和神經(jīng)調(diào)節(jié)輔助通氣（neurally adjusted venilatory assist，NAVA）。這些通氣方法通過主動(dòng)支持患者的瞬間用力呼吸，減少患者-呼吸機(jī)的不同步，更進(jìn)一步的研究提示在預(yù)防肌小節(jié)損傷和凋亡纖維化細(xì)胞的隔肌損傷方面NAVA 可能優(yōu)于PSV[29]。盡管肺保護(hù)性通氣的保護(hù)效果目前還沒有得到肯定，但保持一定的自主呼吸比例可以有效緩解VIDD 的發(fā)生[30]。在完全機(jī)械通氣后改用輔助通氣，可部分逆轉(zhuǎn)肌肉萎縮過程，但也有研究指出盡管氧化應(yīng)激和蛋白水解發(fā)生了逆轉(zhuǎn)，但收縮力的喪失仍然無法恢復(fù)[31]。

4.3 膈神經(jīng)刺激 膈神經(jīng)在VIDD過程中通常無損傷，且呼吸肌的相對(duì)靜止是誘發(fā)膈肌損傷的重要因素之一，這使得早期通過使用刺激膈肌神經(jīng)的方法來增加膈肌運(yùn)動(dòng)，進(jìn)而減少膈肌的萎縮和功能減退成為可行治療手段。隨著簡(jiǎn)易及小體積的體外刺激設(shè)備和植入型裝置的生產(chǎn)和使用，膈神經(jīng)刺激逐漸成為一種監(jiān)護(hù)室內(nèi)的治療方式，其功效已經(jīng)得到初步肯定[32]。

4.4 被動(dòng)運(yùn)動(dòng) 康復(fù)項(xiàng)目中常用于防止肌肉萎縮的方法，如早期被動(dòng)立位訓(xùn)練，也被考慮應(yīng)用于VIDD的治療，已經(jīng)有實(shí)驗(yàn)證實(shí)進(jìn)行各種早期被動(dòng)運(yùn)動(dòng)有利于改善機(jī)械通氣患者膈肌萎縮和功能障礙[33]。

5 總結(jié)與展望

膈肌的病理機(jī)制和信號(hào)通路目前都已經(jīng)有較多研究，但是關(guān)于具體基因方面的還在起步階段。有研究提出有三個(gè)基因/蛋白（UCHL1/UCHL1、TMPRSS13/TMPRSS13 和CST3/CST3）[34]可能與與膈肌功能障礙潛在的抗蛋白酶體、抗凋亡和抗自噬機(jī)制有關(guān)。另一項(xiàng)研究在大鼠呼吸機(jī)誘導(dǎo)的膈肌功能不良模型中鎖定了38 個(gè)顯著差異表達(dá)的miRNA[35]，提示MAPK信號(hào)通路、FoxO信號(hào)通路和自噬信號(hào)通路高度相關(guān)，STAT3 則是miR-92a-1-5p和miR-874-3p的直接靶標(biāo)，Trim63 是miR-3571 的直接靶標(biāo)。這些結(jié)果一部分印證了既往的結(jié)論，又為研究提供全新方向。另一方面，VIDD 的研究大部分仍依靠小鼠動(dòng)物實(shí)驗(yàn)，在臨床上的治療應(yīng)用目前還停留在物理治療和實(shí)驗(yàn)性質(zhì)的藥物治療，未來在這方面仍有更多的展望和研究。

利益沖突 所有作者聲明無利益沖突