呼吸机相关性膈肌功能障碍的发病机制与临床研究进展

1、呼吸机相关性膈肌功能障碍的发病机制与临床研究进展膈肌收缩使胸腔内产生负压是自主呼吸时的主要动力源，但约有79%危重症患者机械通气后出现膈肌功能障碍，其中53%患者在机械通气24h内即发病。严重膈肌收缩功能下降可导致患者脱机困难，机械通气时间延长，肺部及全身感染进展，甚至器官衰竭，住院时间和医疗费用增加。膈肌收缩乏力通常由严重感染、机械通气等因素引起。其中机械通气导致的膈肌功能障碍以膈肌收缩功能下降为特点，并伴有肌损伤和肌纤维萎缩，称之呼吸机相关性膈肌功能障碍（ventilator-induceddiaphragmdysfunction,VIDD）。近年来，有研究从组织学和病理生理学方面进一步阐

2、释VIDD的发病机制，在临床诊断和治疗方面也有了新的认识，本文总结了VIDD相关的新近研究进展。1.VIDD时膈肌的组织学和力学改变1.1膈肌萎缩VIDD时最直观的组织学变化是膈肌萎缩，已有动物实验和人体组织活检证实。长期机械通气可导致膈肌纤维横截面积减少，各蛋白组分显著下降。最近有研究首次对比了不同通气模式对人体膈肌的损害作用，机械通气可显著导致肌纤维的横截面积减少、肌细胞内脂褐素沉积增加以及核内移减少。而在自主呼吸辅助通气的情况下，肌纤维横截面积与完全控制通气相比差异没有统计学意义，但细胞内脂褐素的沉积却相对减少，核内移的比例也呈增加趋势。这提示维持一定的膈肌主动收缩可减轻机械通气导致的膈

3、肌萎缩。另外，该研究还将股四头肌作为内部对照，比较相同内环境下机械通气对膈肌与骨骼肌的组织学影响。虽然二者均为横纹肌，在自主运动减少时会出现废用性萎缩，但机械控制通气时膈肌萎缩比股四头肌更明显，且并未造成股四头肌细胞内脂褐素沉积及核内移。这些差异提示机械通气导致的膈肌萎缩并不能用简单的废用性萎缩解释，与骨骼肌相比其纤维及细胞内分子表达的差异可能导致其更易受损，具体机制还有待继续研究。1.2膈肌收缩能力下降机械通气不仅导致膈肌萎缩，同时出现肌肉收缩力下降。将肌束分离后单独检测，并将收缩力校正到单位横截面积时，比力的下降与萎缩程度不成比例，甚至动物实验发现机械通气后膈肌纤维的横截面积增加，比力却明

4、显下降。对脑死亡患者的膈肌力学检测提示，膈肌纤维的主动和被动收缩能力出现障碍。刺激机械通气患者双侧膈神经后检测到经膈肌抽缩压仅为正常人的20%，大约30%的患者经膈肌抽缩压2.VIDD的病理生理学变化2.1VIDD的起病机械通气，尤其是控制通气时使膈肌基本处于废用状态，剥夺了其主动收缩的能力。尽管膈神经保持完好，但膈肌的肌电信号受到抑制，不能发放电冲动或冲动不能引起膈肌收缩。机械通气时，通过电刺激维持膈肌肌电活动或保留一定程度的自主呼吸均可预防或减轻VIDD。2.1.1Ca2+代谢由于肌细胞内的Ca2+受电活动调控，在肌电活动减弱的情况下，Ca2+不能正常地从肌浆网迅速释放到胞质引起肌肉收缩，

5、也难以通过钙泵被主动转运回肌浆网。机械通气时，肌浆网表面的兰尼碱受体重塑，Ca2+从静息状态的肌浆网中泄漏至胞质，导致膈肌收缩力下降。此外，Ca2+还可通过自我释放的机制，即胞质中的Ca2+浓度升高会进一步加重肌浆网中的钙通过兰尼碱受体泄漏。理论上兰尼碱受体的特异性抑制剂丹曲林可以阻止这一过程，在脓毒症介导的膈肌功能障碍的动物模型中已观察这一现象，但在VIDD方面是否有效还鲜有报道。胞质内的钙浓度升高而又不能被及时转运回肌浆网时，与钙蛋白酶结合导致蛋白水解，通过钙依赖性一磷酸腺苷活化蛋白激酶介导细胞自噬。2.1.2细胞因子细胞因子在VIDD的起病中也发挥重要作用。短时间机械通气可使患者膈肌细胞

6、内IL-6、IL-1及趋化因子配体2等促炎因子基因的表达增加数十倍，IL-6、IL-24及其受体可能激活Janus激酶-信号转导和转录激活因子（signaltransducerandactivatoroftranscription-Januskinase,JAK-STAT）信号通路使细胞凋亡，进一步引起膈肌收缩功能障碍。另外，增加血管紧张素可导致膈肌萎缩，但阻断其产生却不能防止氧化应激和膈肌收缩乏力，而有趣的是在给予血管紧张素受体拮抗剂氯沙坦后却可产生保护作用。由此可见，机械通气确实可在早期引起上述多种细胞因子表达上调，通过信号通路介导膈肌细胞损伤。需要进一步明确的是为何这些因子的表达在膈肌和

7、骨骼肌之间存在明显差异，引起的膈肌细胞凋亡、肌萎缩和功能障碍比其他骨骼肌更为明显。有推测认为可能是因为膈肌与其他骨骼肌的受体表达存在差异，或者是细胞因子仅通过旁分泌作用于膈肌细胞。2.1.3激活蛋白水解蛋白水解途径的激活加速细胞内的分解代谢，通常有泛素蛋白酶系统、钙蛋白酶等途径。泛素蛋白酶途径介导的蛋白水解途径活化，以及相关蛋白,蛋白激酶B-叉头转录因子（proteinkinaseB-forkheadboxO,Akt-FoxO）信号通路在膈肌纤维萎缩和收缩力下降方面有着重要作用；但有动物研究发现机械通气早期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过该途径，而

8、是通过Smad3活化调节JAK-STAT通路导致的级联瀑布效应所致。人体组织中泛素蛋白酶途径激活可使肌球蛋白重链水平下降，胞核中Akt和FoxO1的磷酸化减少。但泛素蛋白酶系统并不能直接降解完整的肌原纤维，因为肌原纤维甚至粗细肌丝均无法进入蛋白酶体内部，故在VIDD早期的12h内对泛素蛋白酶系统的抑制并不能有效防止膈肌萎缩和收缩力下降。钙蛋白酶是细胞内Ca2+参与调节的非溶酶体半胱氨酸蛋白酶，可以调控细胞的分化和死亡，具有剪切细胞骨架蛋白的能力，在肌肉重塑中具有重要作用。机械通气时钙蛋白酶被激活，而抑制该酶的活性可以下调MAFbx和MuRF1的表达，从而减轻膈肌萎缩，或许可预防VIDD的发生。

9、钙蛋白酶可促进caspase-3激活引发细胞凋亡，而活化的caspase-3又能增强钙蛋白酶的活性，二者交互作用，共同参与机械通气介导的膈肌纤维萎缩。2.1.4自噬自噬是溶酶体介导的蛋白降解过程，可被氧化应激、Ca2+等多种因素激活。对于自噬发挥的是VIDD促进作用还是保护作用，不同的研究尚存在争论。对行机械通气的小鼠给予药物刺激自噬的形成，有利于清除丧失正常功能的线粒体，改善肌肉收缩功能，减少VIDD的发生。与之相反，给予药物抑制自噬，也可防止呼吸机介导的膈肌萎缩和功能下降。为明确自噬在VIDD中的真实作用，可能需要通过基因修饰等方法阻断自噬的信号通路才能进一步明确。2.2导致VIDD的信号

10、通路通过基因分析发现，机械通气至少可使15种信号通路发生显著改变，包括JAK-STAT、Ca2+、转化生长因子、血管内皮生长因子、细胞因子-细胞因子受体、哺乳动物雷帕霉素靶蛋白等途径，其中Smad3、STAT3及FoxO可能发挥了主要作用，并且都与线粒体氧化应激有关。2.2.1Smad3通路Smad3在机械通气后迅速发生磷酸化，其激活的时间较STAT3早，程度也更剧烈，且Ca2+通路也可介导核内Smad3的聚集。因此作为肌电活动和Ca2+浓度的传感器，Smad3的激活可能在机械通气的早期介导了蛋白水解并最终导致VIDD的发生。通常Smad3通过与转化生长因子受体和细胞因子配体相互作用而活化，但

11、在膈肌中似乎并非通过该经典途径发挥作用，而可能有血管紧张素或p38丝裂原活化蛋白激酶参与其中。血管紧张素可介导Smad3的磷酸化并引发肌萎缩，也可增加胞内Ca2+浓度并导致下游的信号通路激活，但需进一步研究证实。2.2.2JAK-STAT通路JAK-STAT通路是与细胞因子密切相关的细胞内信号转导通路，参与细胞的增殖、分化、凋亡以及免疫调节等许多重要的生物学过程。STAT3受白介素调节，机械通气时IL-6、IL-1等及其部分受体在膈肌上的表达增加。活化的STAT3可通过线粒体引发氧化应激，而氧化应激又会激活JAK-STAT，形成恶性循环。JAK抑制剂阻断该通路后可显著改善膈肌收缩。机械通气使膈

12、肌细胞内肌球蛋白含量减少、IL-6增加及介导自噬的效应，但在Toll样受体4（Toll-likereceptor4,TLR-4）缺陷的小鼠中并未观察到，因此JAK-STAT通路相关的TLR-4可能参与了VIDD的发生发展。2.2.3FoxO通路FoxO家族参与调节泛素蛋白酶系统、自噬和凋亡等过程。FoxO可直接激活萎缩相关基因MAFBx/Atrogin-1、MuRF-1和自噬相关基因LC3。FoxO可通过介导凋亡基因Bcl2家族的表达促进凋亡的信号转导，上调死亡受体配体Fas-L的表达。FoxO还可调节线粒体功能和糖代谢，例如FoxO3a可增强糖酵解及降低线粒体DNA的拷贝数、减少蛋白合成及降

13、低呼吸链活性，FoxO活化后可通过调节蛋白水解系统的转录介导VIDD，且抑制其活性后可缓解膈肌萎缩和收缩力下降。3.VIDD的诊断3.1VIDD诊断的困境目前VIDD的诊断仍较困难，需排除其他可能导致膈肌收缩能力下降的因素，例如脓毒症、肌松药物、代谢紊乱、神经肌肉疾病等，在长期机械通气的危重症患者中，这些混淆因素给诊断带来了较大难度。尽管测量最大吸气压相对容易，但该参数取决于所有呼吸肌的共同努力，且受肺部疾病的影响。静息跨膈压可通过同时记录食道内压和胃内压计算，但患者配合程度可干扰该参数的准确性。膈神经传导是目前膈肌力学功能量化的标准方法，缺点是需要专业设备及人员，较为耗时且同样依赖患者配合。

14、3.2超声辅助诊断膈肌运动的可视化评估可通过X光透视、磁共振和超声等方法，尤其床旁超声因其无创安全、便捷易用、经济省时及结果可重复等优点在近年来获得了广泛应用。通过B型或M型超声，可获得膈肌偏移量和膈肌增厚量两种主要参数，但检测时需暂停呼吸机支持，患者仅保留自主呼吸。对依赖呼吸机的患者仅能监测膈肌增厚量。超声诊断通常使用低频探头，在肋缘下以肝或脾为窗口测量一个完整的呼吸周期内膈肌的移动距离，声束需与膈肌后部保持垂直。成年人平静呼吸时膈肌的偏移量是（1.340.18）cm，深吸气时可达9cm。膈肌功能下降时可观察到偏移量较正常明显减少，膈肌麻痹时平静呼吸和深呼吸均不能观察到膈肌运动，甚至出现反常

15、运动。在腋中线肋间隙位置，使用高频探头可测量吸气时肌纤维收缩导致的膈肌增厚程度，通过公式（吸气末厚度呼气末厚度）/呼吸末厚度计算可得。正常成年人在吸气末的增厚量为（4.50.9）mm。该参数可作为膈肌收缩的直接指标，用于判断是否存在肌萎缩。超声对膈肌功能的评估与膈肌电活动的监测结果有较好的相关性，可用于评估患者的膈肌功能，判断脱机及拔管的时机及预后。分析发现，膈肌偏移量和增厚度对48h内重插管的预测均具有较高的敏感度、特异度和诊断优势比。虽然超声诊断具有广阔的应用前景，但也存在较多局限性，如依赖于操作者的经验和技术，膈肌偏移量的影响因素多、变异大等。另外目前尚缺乏多中心大样本随机对照试验证实膈

16、肌超声的应用是否有利于VIDD患者的远期预后。4.VIDD的防治机械通气的患者应适当减少镇静，通过调整通气模式和参数减小呼吸机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缩，减轻膈肌功能障碍。动物实验发现，间断的自主呼吸能避免VIDD的发生，脱机后膈肌功能可迅速恢复，但该现象在人体中难以实现，提示可能存在更复杂的机制，给防治增加了难度。控制哮喘和慢性阻塞性肺疾病治疗的茶碱或氨茶碱类药物，因具有抗炎、减少氧化应激、增加跨膈压、改善膈肌运动的作用，可试用于VIDD的治疗。根据病理生理机制可联合应用抗氧化剂、JAK-STAT抑制剂、蛋白水解途径调节剂、钙增敏剂等药物治疗，但这些药物基本处于临床试验甚至动物实验阶段。一些非药物治疗方法可能也适用于VIDD。例如，持续数周的吸气肌训练可以显著增加最大吸气压，有助于改善肌无力症状；在机械通气的同时，经上腔静脉置入电极行膈神经起搏或采用无创磁力刺激膈神经，均可促进膈肌主动收缩，重塑肌纤维，利于患者脱离对正压通气的依赖；肋间神经移植到