呼吸機相關性膈肌功能障礙的研究進展

應唯楠，伍慧珊，周銀超，董縐縐

機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，但機械通氣也會誘發膈肌萎縮和收縮功能障礙，導致患者脫離呼吸機困難，引起一系列并發癥并最終可能導致患者死亡。該現象稱為呼吸機相關性膈肌功能障礙（ventilatorinduceddiaphragmdysfunction，VIDD）。VIDD 最早在動物實驗中被發現，對其病理機制的探索經歷了較長時間，目前認為鈣蛋白酶、Caspase-3、自噬和泛素-蛋白酶體系統是參與機械通氣誘導的膈肌蛋白水解的關鍵，而機械通氣誘導的信號傳導途徑及抑制膈肌收縮力的部分目前仍持續研究中。本文就近年VIDD 病理機制及相關治療的研究進展進行綜述。

1 VIDD 的研究歷程

機械通氣在醫學上的應用已經有半個世紀，是現代重癥監護的基石。但1994 年Le Bourdelles 等[1]發現48 h 的完全性呼吸機呼吸支持后，小鼠膈肌明顯萎縮和膈肌收縮功能顯著降低，這一結果也得到靈長類動物相關研究的驗證[2]。近十年來已經明確18～24 h的短時間機械通氣就能在實驗動物和人類中觀察到膈肌形態生理的早期改變，提示膈肌功能損傷，因此預防、早期診斷和治療VIDD 的有效方法逐漸成為重點。并且膈肌肌電圖、膈肌超聲和氣道壓力監控等檢查技術的進步[3]為臨床研究提供了幫助。

2 VIDD 目前已發現的機制

VIDD表現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于膈肌萎縮，另一方面與機械通氣的物理因素密切相關。有觀點提出完全性機械通氣所導致的“膈肌暫時性完全靜止”可能是VIDD 整個過程起動的關鍵啟動因子，也是VIDD 早期（12 ～24 h 內）出現的原因之一[4]。

2.1 膈肌萎縮 膈肌和四肢肌肉均屬于骨骼肌，其厚度和強度受到蛋白質分解速率和蛋白合成速率的調節。目前認為在機械通氣的前12 ～24 h 內起主導作用的是蛋白分解增加[5]，鈣蛋白酶、Caspase-3、自噬和泛素-蛋白酶體系統則是參與機械通氣誘導的膈肌蛋白水解的關鍵系統，其他的機制還包括氧化磷酸化細胞受損、糖酵解上調改變能量供應、線粒體功能障礙和氧化應激等。

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 個不同的成員，通過切割釋放肌絲蛋白，再進一步被泛素-蛋白酶體系統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，參與肌肉蛋白質降解并在細胞凋亡中發揮重要作用。在小鼠的研究中發現對鈣蛋白酶或Caspase-3 活性的抑制能提供對膈肌功能的顯著保護，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傳導路徑中發揮重要作用，細胞胞質溶膠中高水平的游離鈣離子可以促進線粒體氧化應激，誘發蛋白酶活化和肌細胞凋亡。鈣離子穩態的破壞還導致線粒體產生活性氧類增加，促進蘭尼堿受體/鈣釋放通道的氧化，進一步使肌質網釋放鈣離子，加速蛋白水解和VIDD。一項小鼠模型研究也證明了這種異常的鈣釋放能導致膈肌收縮功能降低和肌纖維萎縮持續時間增長[7]。

2.1.2 自噬系統 自噬是細胞自身利用溶酶體蛋白酶降解胞質蛋白和細胞器的保護性分解代謝過程，而病理性高水平的自噬反而導致正常細胞的細胞器和蛋白質分解。有實驗通過抑制自噬成功預防大鼠在12 h 后出現肌肉萎縮和收縮功能不良[8]，自噬還會清除細胞內的過氧化氫酶和過氧化物酶體，損害細胞的抗老化能力，進而導致肌肉損傷。但自噬在VIDD中的整體作用還有爭議，另一項研究提示機械通氣相關的自噬增加可能有助于清除功能失調的線粒體細胞，反而改善膈肌功能[9]。

2.1.3 泛素-蛋白酶體系統 泛素-蛋白酶體系統是細胞內蛋白質降解的主要途徑之一，能增加蛋白質氧化和泛素化，并參與細胞內80%以上的蛋白質降解。一項對小鼠和人類膈肌的研究表明，機械通氣會導致肌肉特異性泛素連接酶表達增加，進而誘導泛素-蛋白酶體系統的活躍，增加膈肌蛋白的水解，導致膈肌萎縮[10]。

2.1.4 起點和中心的線粒體氧化應激 線粒體氧化應激（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，因此機械通氣期間早期出現的線粒體形態學異常可能是整個VIDD 的開始。MOS 首先通過介導泛素-蛋白酶體途徑增強，導致蛋白質降解增加，其次機械通氣能快速激活Smad3 和STAT3 等信號分子，上調線粒體氧化應激，而激活的STAT3 進一步誘導蛋白質降解和氧化應激，Dridi 等[11]提供進一步的證據表明線粒體氧化應激導致鈣離子漏出增加，激活鈣蛋白酶。氧化應激本身和自噬之間也存在相互作用，線粒體氧化應激能產生可以影響肌肉蛋白質翻譯后修飾的自由基，改變其結構和功能，降低肌絲的鈣敏感性；還可以通過誘導新陳代謝開關，減少線粒體氧化磷酸化和增加糖酵解，導致肌肉能量供應整體減少，進而導致自噬增加。

2.1.5 蛋白合成抑制及蛋白質膜合成減少 膈肌蛋白合成的調節過程與骨骼肌一致，收縮活動的增加促進蛋白質合成的增加，反之不活動則導致蛋白質合成速率降低，這與機械通氣尤其是完全支持性機械通氣導致的膈肌活動減少相符合。蛋白合成速率最初的下降可能與蛋白質翻譯減少有關，哺乳動物雷帕霉素靶蛋白（mammalian target of rapamycin，mTOR）已被證明在肌肉蛋白翻譯的調節中起關鍵作用，導致膈肌中的神經遞質下調，進而減少蛋白質的合成，且與機械通氣相關的肺損傷同樣有著密切的聯系[12]。

2.1.6 其他潛在機制 有實驗發現抑制內質網應激可以減輕機械通氣期間隔膜的氧化應激[13]，抗氧化劑不能影響內質網應激，即內質網應激也可能在沒有氧化應激的情況下加劇VIDD。機械通氣的過程中還出現線粒體自噬水平顯著增加，其可能引發細胞壞死或功能下降，這提示線粒體自噬可能是機械通氣誘導膈肌功能障礙的機制之一。

2.2 收縮功能障礙 目前認為膈神經傳導和神經-肌肉傳遞并不受機械通氣的影響，與其他骨骼肌一樣，膈肌纖維的收縮力是胞質游離鈣、橫橋附著/橫橋循環速率和肌節長度之間三者綜合產生的。障礙的機制包括氧化應激誘導的肌肉功能減退、膈肌的超微結構損傷等，其中肌肉功能減退與上文的膈肌萎縮密切相關，不再贅述。膈肌超微結構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，增加機械通氣的效率，然而PEEP 引起的呼氣末肺容量的增加可能會使隔膜穹隆的形狀變平，進而引起隔膜纖維的結構改變。對小鼠的實驗提示使用PEEP 的機械通氣不僅會引起橫截面纖維萎縮，也會引起縱向纖維萎縮（即纖維長度減少）[14]，另一項對家兔的實驗結果則提示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VIDD。Titin 是一種機械傳感器的蛋白質，以肌節應變依賴的方式調節肌肉蛋白質的表達，是感知橫膈膜突然性機械停滯的候選肌肉蛋白質，其可能參與PEEP 引起膈肌長度適應的過程[16]。

3 加重VIDD 的其他因素

膿毒血癥是膈肌損傷的一大誘發因素[17]，感染患者常存在的電解質紊亂會嚴重損傷肌肉功能；其次，部分細菌感染的內毒素可以導致膈肌損傷加重，但炎癥本身與VIDD 的關系仍有待研究。

麻醉藥物能夠阻斷神經，影響肌肉收縮功能，有研究指出右美托咪定相較其他鎮靜藥物更容易引發膈肌功能的下降[18]，在重癥監護內廣泛使用的另一種鎮靜藥物咪達唑侖也被提示其對膈肌的損傷[19]。糖皮質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為蛋白水解系統的活化，但大劑量的皮質類固醇可以緩解感染引起的膈肌功能不良，同時抑制鈣蛋白酶活化，整體上反而緩解了VIDD 的癥狀[20]。

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

4 基于病理機制的治療

目前VIDD的治療進展一方面是進行中的實驗性藥物研究，另一方面是通過目前已知的機制來預防VIDD 的發生和減緩其進展。目前調整呼吸機使用方式及通過膈神經進行膈肌起搏的方式都已經被初步驗證有一定的預防和緩解效果。

4.1 藥物

4.1.1 動物實驗中的進展 針對上文中的病理機制，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]對機械通氣模型大鼠的膈肌損傷均被證明有一定的效果。使用穩定ryanodine 受體的藥物對小鼠進行機械通氣拔管后治療，更進一步逆轉了與機械通氣相關的膈肌力喪失[23]。有觀點認為激活膈肌纖維中的腎素-血管緊張素系統軸可能促進氧化應激和VIDD，有研究證實動物實驗中使用血管緊張素1-7 可以保護膈肌的快速、慢速肌纖維，具有預防VIDD 的治療潛力[24]。同樣有研究提示奧美沙坦在動物實驗中對機械通氣引起的膈肌萎縮和收縮功能障礙均有保護作用[25]。硫化氫具有細胞保護功能，其通過阻止機械通氣誘導蛋白酶、鈣蛋白酶和半胱天冬酶-3 在膈肌中激活來保護膈肌[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呼吸功能的改善有一定作用，其中對左西孟旦進行研究，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，經過長時間機械通氣，它們的活性顯著提高。茶堿通過抑制黃嘌呤氧化酶的活動，可能可以保護膈肌免受機械通氣引起的氧化應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 呼吸機的通氣模式調整和監護 另一項可行的方案是改善機械通氣的條件，例如提供正壓即時成比例的通氣來驅動患者的呼吸，如壓力支持通氣（pressure-support ventilation，PSV）與呼吸道肌肉和神經調節輔助通氣（neurally adjusted venilatory assist，NAVA）。這些通氣方法通過主動支持患者的瞬間用力呼吸，減少患者-呼吸機的不同步，更進一步的研究提示在預防肌小節損傷和凋亡纖維化細胞的隔肌損傷方面NAVA 可能優于PSV[29]。盡管肺保護性通氣的保護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 的發生[30]。在完全機械通氣后改用輔助通氣，可部分逆轉肌肉萎縮過程，但也有研究指出盡管氧化應激和蛋白水解發生了逆轉，但收縮力的喪失仍然無法恢復[31]。

4.3 膈神經刺激 膈神經在VIDD過程中通常無損傷，且呼吸肌的相對靜止是誘發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的方法來增加膈肌運動，進而減少膈肌的萎縮和功能減退成為可行治療手段。隨著簡易及小體積的體外刺激設備和植入型裝置的生產和使用，膈神經刺激逐漸成為一種監護室內的治療方式，其功效已經得到初步肯定[32]。

4.4 被動運動 康復項目中常用于防止肌肉萎縮的方法，如早期被動立位訓練，也被考慮應用于VIDD的治療，已經有實驗證實進行各種早期被動運動有利于改善機械通氣患者膈肌萎縮和功能障礙[33]。

5 總結與展望

膈肌的病理機制和信號通路目前都已經有較多研究，但是關于具體基因方面的還在起步階段。有研究提出有三個基因/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、抗凋亡和抗自噬機制有關。另一項研究在大鼠呼吸機誘導的膈肌功能不良模型中鎖定了38 個顯著差異表達的miRNA[35]，提示MAPK信號通路、FoxO信號通路和自噬信號通路高度相關，STAT3 則是miR-92a-1-5p和miR-874-3p的直接靶標，Trim63 是miR-3571 的直接靶標。這些結果一部分印證了既往的結論，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物實驗，在臨床上的治療應用目前還停留在物理治療和實驗性質的藥物治療，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