脓毒症相关膈肌功能障碍的发病机制

王帅,柯旭,杨晓纲,王水利

(1.西安医学院，西安 710068；2.蒲城县医院呼吸内科，陕西 渭南 715500；3.陕西省人民医院呼吸内科，西安 710068)

脓毒症是严重创伤、重症感染、休克、大面积烧伤等急危重症患者的严重并发症之一，也是诱发脓毒性休克、多器官功能障碍综合征的原因之一。脓毒症可造成膈肌功能障碍，影响患者生存及预后。

膈肌是位于胸腹腔之间向上膨隆随呼吸运动调节胸腹腔内气压的扁平阔肌，主要参与呼吸功能，由膈神经和肋间神经支配，承担机体60%～70%的通气需要[1]。膈神经或肋间神经损伤、机械通气治疗、慢性阻塞性肺疾病、支气管哮喘、慢性心力衰竭等均可引起膈肌结构改变，且长时间使用支气管舒张剂、糖皮质激素、镇痛剂、镇静剂等药物造成呼吸运动的改变也可影响患者膈肌功能[2]。膈肌功能异常时可出现运动耐力下降、呼吸储备功能降低、呼吸困难、睡眠呼吸紊乱等症状，严重时可导致患者呼吸衰竭危及生命。当患者处于严重创伤、重症感染、休克状态时并发脓毒症可激活机体促炎症因子、增强氧化应激，导致膈肌细胞坏死[3]。脓毒症引起的机体营养不良状态、电解质平衡紊乱等也可使膈肌收缩力下降。机械通气对膈肌的影响具有两面性，一方面被动调节呼吸运动可降低膈肌做功；另一方面机械通气可造成膈肌疲劳，导致对呼吸机依赖，影响撤机[4]。目前脓毒症相关膈肌功能障碍(sepsis-induced diaphragmatic dysfunction，SIDD)的预防及治疗尚未取得显著成果，由于SIDD发病机制较复杂，受多种因素影响，所以探寻SIDD发生机制对于防治重症脓毒症具有重要意义，一方面可以尽量维持患者自主呼吸，减少重症患者对呼吸机的依赖，防止机械通气后撤机困难，降低危重症脓毒症患者呼吸衰竭的发生率及病死率；另一方面有助于呼吸衰竭的重症脓毒症患者自主呼吸功能的恢复。现就SIDD的研究现状进行综述，旨在为临床防治SIDD提供更多的理论依据。

1 脓毒症对膈肌功能的影响

大多数膈肌功能障碍由疾病引起，脓毒症、多器官功能障碍综合征、机械通气、电解质平衡紊乱等均可引起膈肌功能改变[5]。脓毒症是由重症感染引起的全身炎症反应综合征，可进一步发展为多器官功能障碍综合征[6]。Jung等[7]对重症监护病房的脓毒症患者膈肌体积变化进行研究，使用正电子计算机扫描容积测量患者膈肌体积，并通过刺激膈神经评估膈肌强度，结果显示，与无脓毒症者相比，脓毒症患者更容易出现膈肌体积萎缩与肌力下降等现象。Samanta等[8]通过超声评估膈肌体积预测机械通气撤机时间发现，脓毒症患者的膈肌体积萎缩，更易出现撤机时间延长、撤机失败等现象。

2 SIDD的发病机制

脓毒症患者膈肌血流灌注增加，但局部微血管灌注障碍、线粒体功能障碍等因素导致组织摄氧能力降低、细胞内钙离子超载、膈肌做功增加，加重了膈肌缺氧造成的膈肌损伤。SIDD发病机制复杂，各种因素之间互相影响[9]。脓毒症对于膈肌功能的影响作用主要包含以下方面。

2.1促炎细胞因子 脓毒症患者主要表现为促炎与抗炎失衡，机体促炎与抗炎细胞因子水平升高，如肿瘤坏死因子-α(tumour necrosis factor α，TNF-α)和白细胞介素(interleukin，IL)-1β、IL-6和IL-8等因子水平高于平均初始血浆水平[10]。TNF-α、IL-1β、IL-6和IL-8等被认为是参与许多急性和慢性疾病的促炎细胞因子，IL-6通常与促炎细胞因子TNF-α和IL-1β同时被诱导，内源性IL-6通过控制促炎症细胞因子水平，在局部和全身急性炎症反应中发挥重要的抗炎作用。TNF-α引发粒细胞过度激活并刺激内皮细胞释放IL-1β，粒细胞产生的弹力蛋白酶可直接损伤周围细胞，也可对TNF-α产生正反馈造成恶性循环。促炎细胞因子可增加组织毛细血管通透性、加重局部微循环障碍、介导局部分解代谢，导致局部肌肉质量下降和功能丧失，也可抑制局部胰岛素样生长因子(insulin like growth factor，IGF)-1的功能及表达[11]。IGF-1作为一种合成代谢生长因子，可防止脓毒症患者肌肉降解和消耗。对脓毒症诱发膈肌肌纤维损伤过程的研究发现，膈肌组织中IGF-1表达下降，表明IGF-1表达与膈肌纤维降解有关[12]。研究发现，脓毒症患者TNF-α在膈肌细胞中表达增加，除上述途径外，TNF-α还可激活活性氮类物质生成具有高分子毒性的过氧亚硝酸盐，损伤膈肌细胞、影响膈肌收缩功能[13-14]。一项对脓毒症大鼠模型的研究表明，大鼠膈肌中泛素-蛋白酶体通路与核因子κB通路表达上调可能是膈肌萎缩、膈肌细胞凋亡的主要原因之一[15]。促炎细胞因子诱导的潜在分子信号转导转录调节加速了蛋白质分解，主要通过泛素连接酶、泛素-蛋白酶体等方式使膈肌质量下降[16]。

2.2膈肌纤维蛋白降解 SIDD可加速膈肌纤维蛋白降解，降解途径主要包括钙蛋白酶途径、细胞凋亡蛋白酶-3途径、泛素-蛋白酶体途径等，这些途径与膈肌萎缩密切相关。膈肌纤维蛋白分解过程改变收缩蛋白的组成需经过两个步骤：①收缩蛋白被蛋白聚合物修饰和破坏(如钙蛋白酶和胱天蛋白酶能切割少量关键的收缩蛋白和细胞骨架蛋白)，导致其他肌丝组分从收缩蛋白中释放并进入细胞质；②进入细胞质中的肌丝组分被蛋白酶体蛋白分解系统的组成部分进一步降解[17]。脓毒症通过激活细胞凋亡蛋白酶-3和钙蛋白酶的联合作用显著降低膈肌收缩蛋白的生成能力，而抑制这些途径可以有效防止患者发生膈肌功能障碍。有研究指出，泛素-蛋白酶体途径可参与脓毒症诱导的肌肉分解代谢[18]。泛素和几种蛋白酶体亚基的基因表达在脓毒症大鼠和患者的肌肉中增加，20S蛋白酶体的活性在脓毒症肌肉中上调，肌原纤维蛋白、肌动蛋白和肌球蛋白被泛素化并成为26S蛋白酶体的底物，说明脓毒症期间部分膈肌纤维蛋白通过泛素-蛋白酶体途径分解，证明了膈肌收缩蛋白降解增强是脓毒症导致膈肌无力的主要因素之一。此外，膈肌收缩蛋白的合成减少也可影响SIDD。

2.3氧化应激通路 脓毒症患者机体氧化应激增强是导致膈肌功能障碍重要机制之一，主要表现为机体氧化和抗氧化失衡。氧化剂可损伤蛋白质，提高蛋白质对蛋白酶体敏感性，膈肌中肌球蛋白和肌动蛋白经氧化损伤后易被蛋白酶体水解[19]。线粒体是产生活性氧类的主要场所，脓毒症患者由于氧利用障碍而大量产生氧自由基、膈肌细胞线粒体膜脂质过氧化，进而增加丙二醛含量，并产生过量活性氧类和活性氮[20]。一氧化氮与超氧阴离子形成的过氧亚硝酸盐可进一步损伤内源性抗氧化系统使氧化与抗氧化失衡发生氧化应激反应，氧化应激反应可以对线粒体和细胞内脂质、蛋白质、核酸造成损伤，并通过转录激活氧化还原途径引起炎症反应，加重线粒体氧利用障碍破坏膈肌细胞[21]。近年来，Galley[22]提出，靶向线粒体抗氧化剂有益于脓毒症患者的治疗，超氧化物歧化酶可以催化超氧阴离子发生歧化反应，阻断超氧阴离子与一氧化氮反应产生毒性物质，减轻氧化应激对组织的损伤。

2.4营养不良状态 机体通过摄入饮食维持重要器官的功能，当营养素来源不足时，身体依赖于糖原异生、脂肪分解和生酮作用作为替代能量来源。脓毒症可损害细胞内能量产生机制(如糖酵解和糖异生酶、线粒体)导致细胞内ATP减少，进而破坏细胞的能量消耗，包括能量底物形成、抗氧化剂产生和钙稳态。高水平细胞内钙可激活许多潜在的破坏性酶促途径(如蛋白酶、磷脂酶、内切核酸酶)，还可进一步降低细胞功能，严重时可导致细胞死亡[23]。Hu等[24]研究发现，脓毒症患者处于营养不良状态时体重降低，膈肌质量、面积、厚度均出现不同程度下降。除蛋白质分解代谢增加外，营养不良状态导致膈肌功能受损的影响因素，还包括糖酵解减少及氧化酶的消耗增加、高能量磷酸盐储存降低、细胞内钙离子浓度增加等。长期处于营养不良状态会抑制肌肉的糖酵解，减少肌肉收缩期间糖酵解的能量供应，降低膈肌收缩力。

2.5电解质平衡紊乱 脓毒症可引起机体电解质水平变化。细胞内Ca2+作为第二信使是膈肌收缩力中心，脓毒症产生的过量活性氧类损伤膈肌细胞质膜及内质网/肌质网的磷脂，可破坏质膜Ca2+，Mg2+-ATP酶、Na+-Ca2+交换体和内质网/肌质网上的Ca2+-ATP酶，导致大量Ca2+通过跨膜转运进入膈肌细胞内，细胞内Ca2+超载会引发细胞毒性作用损伤线粒体、激活各种钙依赖性酶、改变细胞对钙信号的反应性、破坏膈肌细胞的正常生理代谢[25]。Zhao等[26]研究发现，血磷水平与膈肌收缩力之间具有较强相关性，急性呼吸衰竭患者的低磷酸盐血症可使膈肌收缩力降低，减少自发呼吸潮气量、降低静态肺顺应性，说明维持正常血清电解质平衡对于保持膈肌正常收缩功能有重要作用。

2.6机械通气 脓毒症引起的重症肺部感染是造成呼吸衰竭的常见原因之一，机械通气是治疗呼吸衰竭的重要支持手段，既可辅助膈肌做功，使疲劳的膈肌得到休息，又可使膈肌失用性萎缩，但长时间机械通气会导致萎缩的膈肌细胞发生过氧化损伤[27]。Maes等[28]研究证实，膈肌常在机械通气6 h后发生氧化损伤。一些动物实验及脑死亡供体的尸检均表明，机械通气可能导致膈肌功能受损，主要表现为膈肌肌肉萎缩、肌原纤维断裂、胞内脂肪堆积和线粒体功能障碍[29-30]。Powers等[31]发现，过量产生膈肌线粒体活性氧类可以保护膈肌免受机械通气引起的膈肌无力，表明机械通气引起的膈肌无力与细胞过氧化损伤密切相关。

2.7多发神经病变 严重脓毒症患者机体产生的过量毒素可造成以感觉-运动神经损害为主的多发神经病变，机体释放的促炎细胞因子可造成神经内水肿，并减少神经和肌肉的能量利用，继而引起轴突丧失和功能性神经病变[32]。脓毒症引发机体产生过量内毒素的同时会影响肌球蛋白代谢，发生特征性肌球蛋白损失肌病。Guillo⊇t等[33]对脓毒症患者进行复合肌肉动作电位与电生理检测发现，患者出现明显肌力下降，说明脓毒症可引起膈肌肌肉病变和膈神经轴索性病变、改变膈肌神经肌肉接头上胆碱酯酶活性，造成膈肌收缩障碍[34]。Nayci等[35]研究表明，严重脓毒症会减小神经传导复合动作电位幅度，延长复合动作电位持续时间和潜伏期，且电生理异常与多发神经病变一致，表明脓毒症时发生多发神经传导异常也可导致膈肌功能受损。

2.8药物对膈肌功能的影响 脓毒症患者合并重症肺炎时，应使用辅助机械通气治疗，常应用镇静剂、肌松剂等以减轻患者在建立人工气道时的插管刺激反应，抑制自主呼吸，降低膈肌氧耗。长期临床研究发现，上述药物还可使膈肌功能发生变化，罗哌卡因在进行臂丛阻滞时容易导致膈肌麻痹、膈肌活动度降低，与剂量呈正相关[36]。兰尼碱受体是广泛存在于肌质网上的Ca2+释放通道，受多种因子调节，近年来兰尼碱受体抑制剂丹曲林能减少肌质网中钙离子释放，预防膈肌功能障碍和肌无力[37]。而支气管舒张剂、N-乙酰半胱氨酸等药物均可改善膈肌功能障碍。吸入短效支气管舒张剂可以改善膈肌疲劳状态、增加肺通气量、降低呼吸中枢驱动、提高通气-呼吸中枢偶联、缓解呼吸困难症状[38]。N-乙酰半胱氨酸可降低膈肌中泛素蛋白水平以及膈氧化应激水平，在降低泛素蛋白水平和抑制膈肌细胞凋亡两方面对抗膈肌萎缩[39]。糖皮质激素也可影响膈肌功能，随着糖皮质激素的使用时间增加，膈肌纤维横截面积逐渐下降、膈肌萎缩，长期接受机械通气治疗和慢性阻塞性肺疾病的患者相对于无慢性阻塞性肺疾病的患者更易出现皮质激素性膈肌损伤[40]。

3 小 结

脓毒症对膈肌的影响与诸多危险因素密切相关。脓毒症病理生理机制较复杂，对膈肌功能损害需要进行全面、综合的分析，仅从任一方面进行评估均存在一定局限性，应结合多种因素分析决定合理的临床处理措施。未来应加强以下多方面研究：①深入研究脓毒症的炎症反应机制，探寻有效防治途径；②寻找可以客观反映脓毒症严重程度的指标，并与评估患者膈肌功能相联系；③脓毒症患者治疗药物之间的相互作用存在一定的协同或拮抗作用，有望进一步研发目的性治疗SIDD的药物；④应将SIDD患者膈肌功能的评估纳入治疗患者的预后评价中。尽管大量医护人员对于脓毒症患者采取了严密监测和及时处理，但脓毒症的复发率及病死率仍居高不下，有待进一步寻找解决脓毒症对机体造成不利影响的途径，为临床治疗脓毒症提供更多理论依据。