機械通氣對肺循環影響的研究進展

葉　寧(綜述)，鐘　榮(審校)

(桂林醫學院附屬醫院重癥醫學科,廣西 桂林 541001)

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機械通氣對肺循環影響的研究進展

葉寧※(綜述)，鐘榮(審校)

(桂林醫學院附屬醫院重癥醫學科,廣西 桂林 541001)

危重患者因各種原因多須行呼吸機支持治療，機械通氣改變了胸腔壓力和肺容積，同時也使心肺血管系統產生變化，特別是對肺循環產生直接的影響。近年來的研究逐步重視患者心肺功能的個體差異性，而機械通氣模式和參數的變化對患者心肺功能甚至全身疾病狀態均有重要的影響，肺循環作為心肺相互作用的中心場所，是機械通氣治療過程中關注的重點[1]。現就機械通氣對患者肺循環功能的影響予以綜述，以引起對危重患者呼吸支持治療的關注。

1呼吸運動方式改變對肺循環及心功能的影響

肺循環包括肺泡內血管和肺泡外血管，具有低壓低阻、流速慢、流量大的特點，其主要功能是完成氣體交換。肺是體內唯一接受全部心排血量的臟器，肺循環的變化對心臟的前后負荷可產生直接的影響。

機械通氣時，呼吸動力由負壓轉化為正壓，隨著跨肺壓的增加，肺泡內血管阻力也逐步升高，使右心后負荷增加，同時肺的膨脹產生的牽張效應使肺泡外血管擴張的阻力下降，其綜合效應是隨著肺容積的增大，肺循環阻力逐漸上升，右心室后負荷增大，右心室排血量減少。同時由于胸腔壓力上升，使體循環平均充盈壓與右心房壓之差減少，導致靜脈回流減少，使右心前負荷降低。對于肺源性心臟病(肺心病)等右心功能不全患者，常同時伴有肺血管床減少和肺動脈高壓，呼氣末正壓通氣(positive end-expiratory pressure，PEEP)可使右心室前、后負荷均增加。機械通氣治療時通過改善低氧性肺血管收縮而擴張肺血管，其作用大于正壓通氣對肺血管的壓迫作用，并且通過外源性PEEP對抗內源性PEEP，可減少肺臟過度充氣，減少胸內壓震蕩幅度，從而減輕右心后負荷，改善右心室射血[2]。

對于左心而言，吸氣相時肺泡壓的升高超過胸膜腔壓的升高,因此肺毛細血管血液被擠出流向左心，使吸氣時左心室前負荷增加，后負荷下降，射血增加，在呼氣時肺循環的彈性擴張使左心排血量減少。左心衰竭患者常有胸腔內血容量增加，導致肺毛細血管壓力增高而出現肺水腫，機械通氣可通過限制靜脈回流和降低左心室后負荷改善心排出量[3]，PEEP的設置有助于打開因肺水腫而萎陷的肺泡從而改善氧合，并使肺泡外毛細血管靜水壓相對性下降，從而減少肺水腫的生成[4]。

2平臺壓和PEEP對肺循環的影響

2.1平臺壓對肺循環的影響機械通氣對肺循環的影響主要累及右心功能，正壓通氣時肺循環阻力上升，增加了右心室后負荷，使右心室排血量減少，同時胸腔壓力的上升也使靜脈血回流的阻力增大，導致靜脈血壓力及容量均增高。以上因素可導致右心室壁張力增加，誘發急性肺心病，若右心室壁張力過高，還會阻礙冠狀動脈灌注，從而引發右心室壁缺血、梗死。

呼吸道平臺壓的改變與右心室壁張力密切相關，Jardin等[5]研究顯示，呼吸道平臺壓高于26 cmH2O(1 cmH2O=0.098 kPa)時患者右心功能不全的發生率明顯增高。Vieillard-Baron[6]則報道，急性呼吸窘迫綜合征(acute respiratory distress syndrome,ARDS)患者機械通氣僅根據二氧化碳分壓調整潮氣量而未限制平臺壓時，易加重右心室后負荷而導致右心衰竭。機械通氣時呼吸道平臺壓常取決于潮氣量及PEEP的大小，且易受患者肺順應性的影響。近年的研究多推薦維持呼吸道平臺壓<30 cmH2O[7]。對于臨床上存在右心功能不全的ARDS患者，除了降低潮氣量及調整PEEP等措施外，需適當鎮靜及肌松治療以改善肺順應性，盡量維持平臺壓低于26 cmH2O。

2.2PEEP對肺循環的影響相對于平臺壓對右心功能的影響，PEEP則更多影響左心輸出量。機械通氣時PEEP的適當應用能減輕胸內壓的負向擺動，使肺血管跨壁壓降低，左心室后負荷下降，從而改善左心排血量。

PEEP的目的是維持肺泡的開放并打開因肺水腫而萎陷的肺泡從而改善氧合，對于不同病因形成的肺水腫而言，其肺泡內血管和肺泡外血管受累情況不同。ARDS患者主要病變為肺泡毛細血管通透性增高，而心源性肺水腫患者是肺泡外毛細血管濾過壓增高導致的間質水腫，隨著靜水壓的進一步升高，水分可進入肺泡形成肺泡水腫。肺泡毛細血管壓力受肺泡內壓影響較大，適當的PEEP可保障肺泡氣體交換的順利進行，而肺間質的肺泡外毛細血管其周圍壓力受胸腔壓影響較大，PEEP的作用主要是改變肺泡內壓力而影響肺泡毛細血管張力，只有高PEEP時才對胸腔壓產生直接影響[8]。對于液體管理較為嚴格的ARDS患者，較高的PEEP容易出現心功能不全，連續血流動力學監測結果表明，高PEEP可導致血流動力學損害[9]，PEEP設定有明顯的個體化傾向，過大或過小均會對血流動力學及肺參數帶來不利影響，一般PEEP在5～15 cmH2O時對正常心功能狀態下的血流動力學無明顯影響，對合并心功能低下患者而言，PEEP一般設定在5～7 cmH2O為宜，且對危重患者應明顯個體化。

3機械通氣所致肺損傷對肺循環的影響

機械通氣時肺泡的過度擴張或反復開放產生的剪切力以及局部肺組織的塌陷均能產生明顯的炎癥反應，導致急性肺損傷。呼吸機相關肺損傷(ventilator induced lung injury,VILI)主要的病理生理改變是肺毛細血管通透性增高性肺水腫，而肺血管內皮細胞是各種肺損傷因素攻擊的靶細胞[10]。

3.1機械通氣對肺泡毛細血管的直接損害肺保護性小潮氣量及PEEP的設置對VILI的防治有積極作用，但肺部炎癥、局部性肺不張，吸痰時咳嗽引起的呼吸道高峰壓以及PEEP不足時局部肺泡的反復開閉等依然存在。肺部病變的不均質性導致局部肺組織的通氣過度，同時部分肺組織開放不足。通氣容量設置過大時，可使終末小氣道及肺泡呈周期性開放和關閉，在擴張肺泡與實變肺泡之間形成剪切力，從而導致肺機械性損傷，同時肺泡毛細血管膜也因過度擴張而致通透性增高，導致滲入到肺泡腔中的血漿蛋白、紅細胞碎片以及中性粒細胞和巨噬細胞活化并釋放磷脂酶等產物，從而破壞肺的彈性并導致肺間質負壓增大，使毛細血管跨壁壓急驟升高，破壞氣血屏障，出現肺泡毛細血管應力衰竭[11]。

機械通氣導致的胸腔內壓改變可引起肺內血管舒縮變化，特別是對ARDS患者進行高PEEP應用時，肺動脈壓可能持續保持較高水平。Bull等[12]報道認為，ARDS患者肺動脈收縮壓升高與預后不良相關，其在對475例ARDS患者的肺內壓力梯度和肺血管阻力指數進行分析比較后指出，治療中存在持續性肺內壓力梯度增高的患者病死率較高，肺血管阻力指數可作為ARDS患者預后差的獨立預測指標。

3.2機械通氣生物傷對肺毛細血管的繼發損害機械通氣時機械力量(如牽拉、剪切力等)被細胞感知，通過細胞內信號轉導使細胞激活并大量釋放細胞因子(如腫瘤壞死因子、白細胞介素6和白細胞介素8等)，誘發炎癥級聯放大反應[13]，此種損傷稱為生物傷。在引發肺部炎癥反應的同時，也對肺血管產生炎癥性損害，其中中性粒細胞、肺泡巨噬細胞和肺泡上皮細胞發揮了重要作用。這些炎性因子和細胞因子可直接或間接破壞肺泡上皮和血管內皮細胞，使肺毛細血管內粒細胞增多并黏附于內皮細胞膜，導致內皮細胞受損。

既往研究認為[14]，細胞可能是通過張力敏感性陽離子通道的激活、細胞外基質-整合素-細胞支架途徑、細胞膜的破壞感知機械性刺激信號，其中絲裂原活化蛋白激酶(mitogen-activated protein kinases，MAPK)通路的活化是VILI發生的最重要的細胞內受體信號轉導機制。Church等[15]研究報道，p38MAPK參與調節肺血管內皮細胞中炎性因子白細胞介素6的產生，應用p38MAPK抑制劑可延緩內皮細胞的炎癥進程。炎癥使肺血管內皮細胞通透性增高，并發生病理學纖維化改變。Wu等[16]報道，Rho、p38MAPK和核因子κB信號系統存在相互影響，應用Rho激酶抑制劑也可改善p38MAPK通路的致炎作用，可能對肺血管內皮損傷的治療有益。

4機械通氣時神經-體液變化對肺循環的影響

肺血管受交感神經和迷走神經支配，外徑<30 μm的肺動脈并無神經分布，因此肺血管收縮反應發生的主要部位是肺毛細血管前的肺小動脈。危重患者多存在感染及交感神經興奮，對肺血管的直接作用是引起收縮和血流阻力增大，但交感興奮時對體循環血管收縮和心肌收縮力的增強作用更明顯，體循環血液的增多也使肺循環內血容量增加。機械通氣時，肺擴張主要通過迷走神經反射引起肺血管舒張，其舒張程度與肺血管平滑肌張力水平有關，其膽堿能作用可同時改善肺微血管內皮損傷[17]。

肺血管內皮細胞具有分泌與合成功能，可合成及釋放多種血管活性物質，如去甲腎上腺素、5-羥色胺及前列腺素D、E、F系列等，同時還能主動合成一些生物活性物質，如血管收縮肽、白細胞介素、內皮細胞松弛因子、血小板生長因子以及內皮素等[18]。機械通氣產生的氣流剪切損傷、生物傷等均可通過炎癥反應導致肺血管內皮功能和結構的改變，表現在一氧化氮、前列環素I2等擴血管物質合成降低，同時伴有內皮素、血栓素A2等縮血管分子合成增加，使肺血管持續收縮，導致肺動脈高壓和肺血管通透性的變化，從而加重肺水腫及心臟負擔[19]。

近年來研究認為，肺血管內皮細胞的收縮主要是由小分子鳥苷酸蛋白A(Ras homolog gene family member A，RhoA)和肌球蛋白輕鏈激酶所調控[10]。肺血管內皮細胞上的G蛋白偶聯受體與細胞因子、血管活性物質等配體相結合后產生細胞內信號，激活RhoA可促使肌動蛋白絲聚合形成直徑更粗的張力纖維，激活的肌球蛋白與肌動蛋白張力纖維結合驅動細胞骨架收縮。Birukova等[20]研究認為，病理性機械通氣對膿毒癥患者是一種二次打擊，其通過刺激肺血管內皮白細胞介素6等細胞因子的分泌從而激活Rho信號通路，進而影響內皮細胞屏障功能。另外，肌球蛋白輕鏈激酶可催化肌球蛋白磷酸化而加速細胞骨架收縮這一過程。Rigor等[21]研究表明，肌球蛋白輕鏈激酶除了增加肺血管內皮細胞通透性外，還直接參與調節內皮細胞的相關炎癥反應。

5結語

危重患者實施正壓機械通氣時，可通過胸內壓的改變而改善肺水腫及氧合，但同時也對心功能及肺循環產生影響。機械通氣模式和參數的選擇以及正壓通氣時間的長短對于患者肺循環功能的影響極為重要，長時間的肺循環變化將對患者的心肺功能產生明顯的負面效果，甚至引起全身炎癥反應的改變。臨床診療中，需根據危重患者心肺功能及病情變化實時評估并調整機械通氣參數，以降低正壓通氣對心肺循環產生的負面影響。

參考文獻

[1]李友,牟艷.機械通氣時心肺交互作用[J].中華實用診斷與治療雜志,2013,27(8):735-737.

[2]Cherpanath TG,Lagrand WK,Schultz MJ,etal.Cardiopulmonary interactions during mechanical ventilation in critically ill patients[J].Neth Heart J,2013,21(4):166-172.

[3]俞森洋.機械通氣中的幾大爭論和研究進展[J].中國呼吸與危重監護雜志,2010,9(4):341-343.

[4]徐海燕,彭勁民,胡小蕓，等.呼氣末正壓對血管外肺水及氧合的影響[J].中國急救醫學,2010,30(11):965-969.

[5]Jardin F,Vieillard-Baron A.Is there a safe plateau pressure in ARDS? The right heart only knows[J].Intensive Care Med,2007,33(3):444-447.

[6]Vieillard-Baron A.Is right ventricular function the one that matters in ARDS patients? Definitely yes[J].Intensive Care Med,2009,35(1):4-6.

[7]王亞妹,陶于洪.急性呼吸窘迫綜合征機械通氣策略的新進展[J].中國當代兒科雜志,2013,15(6):496-500.

[8]Dasenbrook EC,Needham DM,Brower RG,etal.Higher PEEP in patients with acute lung injury:a systematic review and meta-analysis[J].Respir Care,2011,56(5):568-575.

[9]Wiesen J,Ornstein M,Tonelli AR,etal.State of the evidence:mechanical ventilation with PEEP in patients with cardiogenic shock[J].Heart,2013,99(24):1812-1817.

[10]李亞春，李穎川，周明.肺血管內皮細胞損傷與修復在急性肺損傷中的作用[J].中國臨床醫學,2010,17(6):819-821.

[11]夏世文.呼吸機所致肺損傷的研究進展[J].實用兒科臨床雜志,2010,25(2):89-91.

[12]Bull TM,Clark B,McFann K,etal.Pulmonary vascular dysfunction is associated with poor outcomes in patients with acute lung injury[J].Am J Respir Crit Care Med,2010,182(9):1123-1128.

[13]Slutsky AS,Ranieri VM.Ventilator-induced lung injury[J].N Engl J Med,2013,369(22):2126-2136.

[14]杜朝暉,李建國.膽堿能抗炎通路與呼吸機相關性肺損傷[M]//中華醫學會.重癥醫學(2011).北京：人民衛生出版社,2011:198-201.

[15]Church AC,Wadsworth R,Bryson G,etal.S36 P38 MAPK:An Important Pathway in the Pathobiology of Pulmonary Hypertension and Pulmonary Vascular Remodelling[J].Thorax,2012,67(Suppl 2):A19-A20.

[16]Wu T,Xing J,Birukova AA.Cell-type-specific crosstalk between p38 MAPK and Rho signaling in lung micro-and macrovascular barrier dysfunction induced by Staphylococcus aureus-derived pathogens[J].Transl Res,2013,162(1):45-55.

[17]Chen C,Zhang Y,Du Z,etal.Vagal efferent fiber stimulation ameliorates pulmonary microvascular endothelial cell injury by downregulating inflammatory responses[J].Inflammation,2013,36(6):1567-1575.

[18]杜景霞,魏國會.肺血管內皮細胞結構功能變化與急性肺損傷[J].河北醫藥,2012,34(23):3624-3626.

[19]Wu Y,O′Callaghan DS,Humbert M.An Update on medical therapy for pulmonary arterial hypertension[J].Curr Hypertens Rep,2013,15(6):614-622.

[20]Birukova AA,Tian Y,Meliton A,etal.Stimulation of Rho signaling by pathologic mechanical stretch is a ″second hit″ to Rho-independent lung injury induced by IL-6[J].Am J Physiol Lung Cell Mol Physiol,2012,302(9):965-975.

[21]Rigor RR,Shen Q,Pivetti CD,etal.Myosin light chain kinase signaling in endothelial barrier dysfunction[J].Med Res Rev,2013,33(5):911-933.

摘要：機械通氣對心肺功能患者的治療起重要作用，正壓通氣對于胸腔壓力的改變必然對肺循環產生影響，從而對氧合及血流動力學產生變化。肺循環作為心肺相互作用的中心場所，是機械通氣治療過程中關注的重點。正壓通氣時呼吸運動方式的改變、平臺壓和呼氣末正壓的變化以及對肺泡毛細血管的損傷和神經-體液調節的影響均可導致肺循環的改變。臨床上需根據患者心肺功能及病情變化選擇呼吸模式及參數，以降低正壓通氣對心肺循環的負面影響。

關鍵詞：機械通氣；肺循環；肺血管內皮細胞；呼吸機相關性肺損傷

Research Progress in Effect of Mechanical Ventilation on Pulmonary CirculationYENing，ZHONGRong.(DepartmentofICU，theAffiliatedHospitalofGuilinMedicalCollege，Guilin541001，China)

Abstract：Mechanical ventilation plays an important role in treating patients of cardiopulmonary function disorders，the change of chest pressure by positive pressure ventilation has inevitably influenced the pulmonary circulation，thus changed the oxygenation and hemodynamic.As the cardiopulmonary interaction center，pulmonary circulation was more focused in the process of mechanical ventilation therapy.All aspects of the comprehensive factors led to the change of the pulmonary circulation，including the change of respiratory movement patterns,the setting of platform and positive end-expiratory pressure,the injury to the pulmonary capillaries and impact of neurohumoral regulation.In the clinical treatment，the breathing pattern and parameters choice should be according to patients′ cardiopulmonary function and condition，so it can reduce the negative impacts of positive pressure ventilation on cardiovascular and pulmonary circulation.

Key words：Mechanical ventilation; Pulmonary circulation; Pulmonary vascular endothelial cells; Ventilator induced lung injury

收稿日期：2014-04-21修回日期：2014-08-20編輯：相丹峰

基金項目：廣西衛生廳計劃課題(Z2014325)

中圖分類號：R563.8
doi：10.3969/j.issn.1006-2084.2015.05.020

文獻標識碼：A

文章編號：1006-2084(2015)05-0823-03