2022呼吸機(jī)相關(guān)膈肌功能障礙的主要發(fā)病機(jī)制（全文）機(jī)械通氣是重癥患者呼吸支持的重要手段，但機(jī)械通氣同時(shí)可引起膈肌肌纖維結(jié)構(gòu)改變和收縮力的降低［1］，稱(chēng)為呼吸機(jī)相關(guān)膈肌功能障礙（VIDD）。VIDD是導(dǎo)致重癥患者難以撤離呼吸機(jī)的重要原因之一，可引起患者機(jī)械通氣時(shí)間延長(zhǎng)，增加呼吸機(jī)相關(guān)性肺炎等并發(fā)癥。最終導(dǎo)致患者住院時(shí)間延長(zhǎng)、住院費(fèi)用增加及病死率增加°VIDD的發(fā)病機(jī)制眾多，現(xiàn)對(duì)目前VIDD發(fā)生主要機(jī)制的研究進(jìn)展綜述如下。一、機(jī)械通氣導(dǎo)致膈肌線粒體損傷及過(guò)氧化物產(chǎn)生增加機(jī)械通氣時(shí)膈肌受到被動(dòng)牽拉或活動(dòng)減少，可引起線粒體促裂變蛋白增加及活化，導(dǎo)致膈肌線粒體破碎［2］。Picard等［2］在機(jī)械通氣引起膈肌功能損傷的動(dòng)物實(shí)驗(yàn)中，利用電子顯微鏡觀察到膈肌線粒體斷裂破碎。另外，膈肌活動(dòng)減少時(shí)，膈肌細(xì)胞能量需求減少，能量代謝底物供應(yīng)相對(duì)過(guò)多，可促進(jìn)線粒體過(guò)氧化物產(chǎn)生增加［3］。線粒體破碎及過(guò)氧化物產(chǎn)生增加，可導(dǎo)致線粒體出現(xiàn)損傷伴隨功能障礙，具體表現(xiàn)為：（1）線粒體呼吸鏈細(xì)胞色素C氧化酶的特異性缺陷，引起線粒體呼吸鏈功能障礙；（2）線粒體的生物合成和抗氧化因子表達(dá)的減少；（3）線粒體基因組的損傷［4］。同時(shí)，線粒體損傷可誘導(dǎo)自身發(fā)生代償性形態(tài)重塑，出現(xiàn)線粒體融合、分裂并與鄰近細(xì)胞器相互作用，以補(bǔ)償線粒體形狀變化導(dǎo)致的線粒體功能喪失［2］。但這種代償是部分代償，難以糾正已經(jīng)出現(xiàn)的線粒體的損傷及功能障礙。最終，線粒體損傷情況下出現(xiàn)有害物質(zhì)如過(guò)氧化物［3］、乳酸［5］等的蓄積，影響膈肌正常的收縮功能［6,7，從而導(dǎo)致VIDD發(fā)生。二、機(jī)械通氣下膈肌氧化應(yīng)激增加機(jī)械通氣可能通過(guò)多個(gè)信號(hào)通路，導(dǎo)致膈肌氧化應(yīng)激的增加。對(duì)控制性機(jī)械通氣的大鼠［8］及機(jī)械通氣的患者［9］進(jìn)行膈肌組織病理檢查，均可發(fā)現(xiàn)碳基化蛋白質(zhì)、蛋白質(zhì)合成后修飾及細(xì)胞內(nèi)脂質(zhì)蓄積的明顯增加，提示膈肌中氧化應(yīng)激的增加。機(jī)械通氣下膈肌的氧化應(yīng)激增加，可能由轉(zhuǎn)錄因子Smad3介導(dǎo)通路和酪氨酸激酶/信號(hào)傳導(dǎo)與轉(zhuǎn)錄激活子（JAK/STAT）通路激活介導(dǎo)。在機(jī)械通氣的小鼠膈肌內(nèi)可觀察到Smad3磷酸化水平增加及膈肌內(nèi)氧化應(yīng)激、線粒體活性氧的增加；抑制Smad3磷酸化，可抑制膈肌蛋白氧化及蛋白水解過(guò)程［10］。提示Smad3介導(dǎo)通路可能是機(jī)械通氣下膈肌氧化應(yīng)激增加的上游通路。另外，在機(jī)械通氣大鼠和人的膈肌中，可觀察到JAK/STAT信號(hào)通路被激活，抑制該信號(hào)通路同樣可顯著防止氧化應(yīng)激及膈肌蛋白水解過(guò)程［11,12］，提示JAK/STAT信號(hào)通路可能是機(jī)械通氣下膈肌氧化應(yīng)激增加的另一條通路。機(jī)械通氣下膈肌的氧化應(yīng)激導(dǎo)致VIDD的機(jī)制包括：（1）膈肌氧化應(yīng)激，可激活多種蛋白水解途徑，包括膈肌鈣蛋白酶、含半胱氨酸的天冬氨酸蛋白水解酶-3（caspase-3）、溶酶體途徑［8,13,14］及泛素-蛋白酶體途徑（UPP）［15］，從而激活蛋白水解。（2）膈肌氧化應(yīng)激及過(guò)氧化物產(chǎn)生，可增加膈肌內(nèi)收縮蛋白及結(jié)構(gòu)蛋白的氧化修飾，修飾后膈肌蛋白對(duì)蛋白水解酶，特別是對(duì)于鈣蛋白酶和caspase-3的敏感性更高［14］，從而使得膈肌蛋白更易于降解。（3）膈肌的氧化應(yīng)激可促進(jìn)膈肌細(xì)胞過(guò)度自噬［9,14］,使膈肌細(xì)胞的數(shù)量進(jìn)一步減少。（4）膈肌氧化應(yīng)激可引起內(nèi)質(zhì)網(wǎng)/肌漿網(wǎng)上的鈣通道受體即蘭尼定受體-1（RyR1）結(jié)構(gòu)發(fā)生重塑及功能障礙，從而引起胞內(nèi)鈣離子平衡受到破壞［16］。機(jī)械通氣下膈肌的氧化應(yīng)激可通過(guò)上述的作用，最終引起膈肌蛋白水解及收縮能力減弱，導(dǎo)致VIDD的發(fā)生。三、膈肌蛋白水解增加機(jī)械通氣下膈肌蛋白水解的主要途徑包括下述三種，即：鈣蛋白酶水解途徑、caspase-3和UPP［17］。鈣蛋白酶的激活：膈肌鈣蛋白酶的激活可促進(jìn)膈肌蛋白的降解，同時(shí)抑制膈肌蛋白的合成。一方面，膈肌鈣蛋白酶的激活可促進(jìn)膈肌蛋白的水解°Smith等［18］發(fā)現(xiàn)，大鼠肌肉內(nèi)鈣蛋白酶的激活，可導(dǎo)致膈肌內(nèi)蛋白酶體介導(dǎo)的肌絲和Z盤(pán)的連接蛋白及總蛋白的降解增加；而在含有鈣蛋白酶抑制劑的對(duì)照溶液中，肌肉蛋白質(zhì)的降解明顯減低。針對(duì)控制性機(jī)械通氣大鼠的多項(xiàng)研究證實(shí)，應(yīng)用鈣蛋白酶抑制劑可抑制膈肌內(nèi)鈣蛋白酶的激活，進(jìn)而觀察到膈肌肌球蛋白丟失減少，蛋白水解產(chǎn)物產(chǎn)生減少及總蛋白量的上升［19,20］。提示膈肌鈣蛋白酶的激活可促進(jìn)膈肌蛋白水解。此外，Smith等［18］的大鼠實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，肌肉鈣蛋白酶激活增加可導(dǎo)致蛋白質(zhì)合成通路絲氨酸/蘇氨酸激酶（Akt）-雷帕霉素靶蛋白（mTOR）-糖原合成酶激酶-30CGSK-30）活性下降，從而影響肌肉內(nèi)蛋白質(zhì)合成。實(shí)驗(yàn)中利用Ca2+孵育肌肉導(dǎo)致鈣蛋白酶激活，可發(fā)現(xiàn)Akt磷酸化減少，mTOR磷酸化水平降低，GSK-30磷酸化減少，而鈣蛋白酶抑制劑則阻止該通路物質(zhì)磷酸化水平的降低，證實(shí)鈣蛋白酶的激活可抑制Akt-mTOR-GSK-30通路［18］。鑒于Akt-mTOR-GSK-30信號(hào)通路在蛋白質(zhì)合成中的重要作用，鈣蛋白酶對(duì)該通路的抑制，可最終導(dǎo)致蛋白質(zhì)的合成障礙。caspase-3激活：機(jī)械通氣時(shí)caspase-3激活，可能通過(guò)與鈣蛋白酶相互激活、促進(jìn)膈肌肌原纖維與晶格解離、膈肌雙鏈DNA損傷和肌內(nèi)細(xì)胞核的丟失等作用影響膈肌功能。在機(jī)械通氣的小鼠、大鼠和人的實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ椭校捎^察到caspase-3被激活［9,21］。Agten等［22］在機(jī)械通氣的大鼠中，應(yīng)用硼替佐米降低膈肌內(nèi)caspase-3的活性，可觀察到膈肌收縮力的改善。提示caspase-3的激活可促進(jìn)VIDD的發(fā)生。caspase-3的激活促進(jìn)VIDD的發(fā)生具體原因可能為：一方面，鈣蛋白酶和caspase-3活化存在相互激活作用；Nelson等［17］在機(jī)械通氣的大鼠實(shí)驗(yàn)中，單獨(dú)抑制鈣蛋白酶或caspase-3均可阻止機(jī)械通氣誘導(dǎo)的膈肌萎縮，抑制鈣蛋白酶可阻止機(jī)械通氣誘導(dǎo)的膈肌caspase-3活化，抑制caspase-3可阻止膈肌鈣蛋白酶的活化。另一方面，Tang等［9］通過(guò)對(duì)機(jī)械通氣患者膈肌的活檢標(biāo)本研究發(fā)現(xiàn)，caspase-3的激活除了可促進(jìn)膈肌肌原纖維與晶格的解離，也可引起膈肌雙鏈DNA核酸酶的活化，導(dǎo)致雙鏈DNA的損傷和肌內(nèi)細(xì)胞核的丟失。在上述作用下，膈肌纖維的質(zhì)和量都受到影響，最終出現(xiàn)收縮無(wú)力。UPP:UPP參與了VIDD的發(fā)生但作用十分有限。在機(jī)械通氣后小鼠［23］及患者［24,25］的膈肌標(biāo)本中，均可發(fā)現(xiàn)泛素連接酶的顯著上調(diào)，提示機(jī)械通氣時(shí)生物體內(nèi)泛素蛋白酶體的激活。而Hooijman等［24］敲除泛素連接酶靶向基因可減緩蛋白水解及防止膈肌萎縮無(wú)力的發(fā)生。泛素-蛋白酶體自身不能降解膈肌內(nèi)完整蛋白，需要鈣蛋白酶和caspase-3［9］參與裂解，使肌動(dòng)蛋白和肌球蛋白從肌節(jié)中釋放并形成多肽片段，為UPP提供水解底物［18,22］°Smith等［18］對(duì)大鼠鈣蛋白酶激活，可觀察到胞質(zhì)泛素結(jié)合蛋白的含量增加，揭示了鈣蛋白酶可促進(jìn)UPP蛋白水解過(guò)程。Smuder等［26］在機(jī)械通氣的大鼠實(shí)驗(yàn)中，應(yīng)用高度特異的UPP抑制劑環(huán)氧霉素抑制UPP途徑，可部分減輕機(jī)械通氣引起的膈肌收縮力的下降，卻不能阻止機(jī)械通氣誘導(dǎo)的膈肌萎縮，提示UPP在VIDD發(fā)生中的作用有限。四、膈肌自噬機(jī)械通氣患者膈肌自噬增加。Azuelos等［27］通過(guò)小鼠研究發(fā)現(xiàn)，機(jī)械通氣下膈肌自噬增加。Mankowski等［28］對(duì)心胸外科老年手術(shù)患者進(jìn)行術(shù)中膈肌電刺激，發(fā)現(xiàn)患者術(shù)后膈肌功能改善；進(jìn)一步取膈肌活檢，結(jié)果顯示膈肌自噬標(biāo)志物水平增高，提示膈肌自噬水平的上調(diào)。低水平的自噬對(duì)于維持膈肌的正常功能起著重要作用。自噬可通過(guò)清除功能失調(diào)的蛋白質(zhì)和細(xì)胞器［14,15］，包括受損的線粒體，減少線粒體活性氧的產(chǎn)生［27］，從而在膈肌細(xì)胞穩(wěn)態(tài)中起到關(guān)鍵作用。然而，過(guò)度自噬可誘導(dǎo)膈肌細(xì)胞凋亡及膈肌蛋白水解［27］，導(dǎo)致膈肌萎縮［15］。Smuder等［14］在機(jī)械通氣小鼠中發(fā)現(xiàn)，機(jī)械通氣可導(dǎo)致自噬增加，利用變異形式的自噬相關(guān)蛋白抑制自噬小體形成從而抑制自噬，可減少膈肌的氧化損傷和蛋白水解，從而預(yù)防小鼠膈肌的萎縮和收縮功能障礙。自噬在VIDD中所起的作用，依然需要更多的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。五、RyR1的重塑機(jī)械通氣期間，膈肌RyR1重塑，導(dǎo)致膈肌肌漿網(wǎng)Ca2+漏出至胞質(zhì)，引起VIDD發(fā)生。RyR1為位于肌纖維肌漿網(wǎng)上的鈣離子釋放通道，介導(dǎo)鈣庫(kù)釋放鈣離子。正常情況下，RyR1的激活可引起鈣的協(xié)調(diào)釋放，導(dǎo)致肌肉的收縮［29］。而對(duì)小鼠和仔豬進(jìn)行機(jī)械通氣時(shí)，可觀察到顯著的RyR1重塑，包括RyR1大分子氧化、巰基-亞硝基化和絲氨酸磷酸化、亞單位的解離［16,30］。這種膈肌RyR1重塑，可導(dǎo)致膈肌肌漿網(wǎng)Ca2+漏出，引起膈肌收縮能力下降，并進(jìn)一步引起鈣蛋白酶和caspase-3的激活，激活膈肌蛋白水解途徑［31］，導(dǎo)致膈肌纖維萎縮［30,32］。Matecki等［16］在機(jī)械通氣的小鼠中，應(yīng)用RyR1穩(wěn)定藥物減少RyR1介導(dǎo)的Ca2+外漏，可改善膈肌收縮力。但是，Talbert等［33］在機(jī)械通氣大鼠中，通過(guò)藥物阿珠莫林阻斷RyR1并阻斷肌質(zhì)網(wǎng)中Ca2+的釋放，卻無(wú)法影響線粒體過(guò)氧化物的增加及鈣蛋白酶和caspase-3的激活，也無(wú)法阻止機(jī)械通氣誘導(dǎo)的膈肌無(wú)力。提示RyR1的重塑，并非VIDD發(fā)生的主要機(jī)制。RyR1