ICU获得性肌无力病因和发病机制的研究进展

崔越亭 王蓓

ICU获得性肌无力(intensive care unit acquired weakness，ICU-AW)是指危重患者在ICU内长时间的治疗，特别是机械通气时间过长，出现肌肉质量和肌力的显著下降[1]，是危重患者严重的并发症之一。美国胸科学会将ICU-AW定义为“一种在患者危重时发生发展，危重病本身所导致的全身性四肢无力的综合征”[2]。ICU-AW主要表现为脱机困难，轻瘫或四肢软瘫，腱反射减弱，肌肉萎缩和肌肉无力。ICU-AW包括危重症肌病(critically illness myopathy，CIM)、危重症多发性神经病(critical illness polyneuropathy，CIP)以及两者并存的危重症多神经肌病(criticalillness polyneuromyopathy，CIPNM)三个类型。肌肉废用性萎缩、全身炎症反应综合征、皮质类固醇、机械通气等因素均可促进ICU-AW发生；最近的研究显示肌肉蛋白质合成和降解失衡和细胞因子异常释放等，都可造成肌肉萎缩、肌肉无力及神经传导障碍，导致ICU-AW的发生发展[3]。现就近年来关于ICU-AW病因和发病机制的相关研究进展予以综述，以期为将来治疗提供新思路。

肌肉废用性萎缩

在ICU中，肌肉废用性萎缩是指由于卧床休息、关节固定、肢体悬吊和机械通气造成的骨骼肌、姿势肌和呼吸肌活动减少而引起的肌肉萎缩[4]。肌肉废用性萎缩的病理生理基础为肌肉蛋白质合成与降解失衡导致的肌肉蛋白质丢失。研究发现，在肌肉废用性萎缩的动物模型中，可以观察到肌肉质量的减少和肌纤维横截面积的减小[5]。肌肉萎缩的程度可能与肌肉的类型相关。在制动的大鼠模型中，比目鱼肌与其他肌肉相比，肌肉萎缩的程度更加明显[6]。Ⅰ型肌纤维收缩速度慢而持久，具有维持平衡和姿势的功能，是人类日常生活中最常用的肌纤维类型。研究发现在肌肉质量减少的过程中，Ⅰ型肌纤维相对于Ⅱ型肌纤维更早出现肌纤维减少[7]，推测可能与ICU-AW的发生发展密切相关。骨骼肌长时间的不活动(5至7天)可发生显著的肌肉萎缩[8]，进一步引发I-CU-AW发生。因此，进一步探讨关于肌肉蛋白质合成和降解相关的机制，对于阐明ICU-AW的发病机制有重要意义。

一、肌肉蛋白质降解增加

ICU内的危重患者机体往往处于高度应激状态，其特点是持续的高分解和高代谢，其中肌肉蛋白质降解尤为显著，这会进一步导致ICU-AW的发生。目前认为，肌肉蛋白质降解，主要通过泛素-蛋白酶体系统(UPS)、自噬-溶酶体系统、钙蛋白酶系统和半胱氨酸天冬氨酸特异性蛋白酶-3(caspase-3)四个主要的蛋白水解系统进行。

1 泛素-蛋白酶体系统

泛素-蛋白酶体系统(UPS)是骨骼肌细胞内最主要的蛋白质水解系统。泛素化过程中最重要的是泛素-蛋白连接酶E3，其作用为介导活化的泛素从结合酶E2转移到底物。通常UPS中有2种主要的标记物，分别是肌肉萎缩盒F蛋白(muscle atrophy F-box，MAFbx/a-trogin-1)和肌肉环指蛋白1(muscle RING finger protein1，MuRF1)。MAFbx和MuRF1是两种重要的骨骼肌E3泛素连接酶，其作用受多种因素调控。MAFbx和MuRF1在卧床、机械通气、下肢悬吊或膝关节固定、糖皮质激素治疗、去神经等状态下可过度表达，进一步促进肌肉蛋白质分解，导致肌肉萎缩。Ogawa等[9]研究发现，健康成人卧床20天后，股四头肌肌肉中MuRF1和MAFbx表达明显增加，股四头肌的肌肉质量和肌纤维横截面积分别显着下降了4.6%和3.7%。Nguyen等[10]研究心脏恶病质的小鼠模型发现，敲除MuRF1基因小鼠的比目鱼肌和胫骨前肌肌肉收缩功能未见下降且肌肉萎缩程度明显减轻。研究发现，长时间制动的骨骼肌与之前相比，泛素与肌肉蛋白的结合增多，三磷酸腺苷依赖性的蛋白酶体活性增加以及编码UPS关键成分(如泛素、泛素连接酶和蛋白酶体亚单位)的转录本上调，最终导致肌肉蛋白质水解增加和肌肉萎缩[11]。由此可见，MuRF1和MAFbx的过表达可以促进肌肉蛋白质分解及肌肉萎缩，进而参与ICU-AW 发生发展的过程。

2 自噬-溶酶体系统

自噬是真核细胞中广泛存在的降解/再循环系统，自噬是指细胞通过双层膜小泡包裹部分胞质、蛋白质、受损细胞器和异物等形成自噬小体，自噬小体与溶酶体融合形成自溶体后被溶酶体降解的过程。微管相关蛋白1轻链3(microtubule-associated protein 1 light chain3, LC3)是细胞自噬的关键蛋白。研究证实，肌肉萎缩是由于体内过度表达具有结构活性的转录因子，人叉头框蛋白(forkhead box O，FoxO)3引起的，下调LC3的siRNA能够阻止FoxO3介导的肌肉萎缩[12]。Smuder等[13]研究发现，通过靶向抑制大鼠膈肌的自噬可以防止机械通气诱导的膈肌萎缩和收缩功能障碍。张淑芳等[14]在废用性肌萎缩大鼠模型中发现，AMPK/FoxO3a信号通路的激活，可导致自噬的发生，造成骨骼肌质量的减轻，从而造成制动性悬吊的大鼠骨骼肌发生明显的肌肉萎缩。

虽然自噬是细胞的分解代谢过程，但自噬在维持危重患者肌肉质量方面可能起重要作用。自噬可通过清除细胞内功能失调的蛋白质和受损的细胞器，维持细胞内的平衡状态。自噬相关蛋白7(Autophagy-related protein7,Atg7)是自噬小体形成的关键成分，Atg7的失活会导致肌节紊乱，从而造成肌纤维退化。Masiero等[15]在肌肉自噬相关蛋白基因缺失的小鼠模型中发现，Atg7基因缺失的小鼠发生肌肉萎缩。此外，在Atg7基因缺失小鼠中，禁食和去神经诱导的小鼠肌肉萎缩会更加严重。Latronico等[16]在58名肌肉无力的患者中发现自噬与ICU-AW呈显著的负相关。可见，既有研究证实自噬的激活可导致肌肉萎缩，另有许多研究发现自噬的缺失同样会造成肌纤维退化和肌肉无力，这些研究提示了两种截然不同的观点。目前两种观点并存，尚未研究明确。由此推测，随着自噬的增强，肌肉蛋白质分解增加，因此肌肉功能和肌肉力量下降。然而，自噬可通过消除有毒蛋白质和受损的细胞器来优化蛋白质循环，维持细胞内稳态，进而改善肌细胞功能并防止肌肉质量减轻和肌肉萎缩。这些发现均表明自噬维持肌肉质量动态平衡方面发挥重要作用，但自噬与ICU-AW发生的相关机制尚未明确，仍有待进一步研究。

3 钙蛋白酶

钙蛋白酶(calpain)是一种Ca2+依赖性蛋白水解酶，为半胱氨酸蛋白水解酶超家族成员之一。钙蛋白酶广泛分布于肌肉组织，被Ca2+激活后产生多种生物学效应，如促进细胞凋亡，降解肌收缩蛋白及导致肌肉萎缩等。其中主要引起骨骼肌萎缩的是钙蛋白酶1和钙蛋白酶2。活性钙蛋白酶1和2可以水解超过100种不同的蛋白质，包括重要的细胞骨架蛋白、肌动蛋白、肌球蛋白以及许多蛋白激酶和磷酸酶。近年，钙蛋白酶与ICU-AW的关系正受到越来越多的关注。

钙蛋白酶的活性受细胞内Ca2+水平和钙蛋白酶的内源性抑制剂(钙蛋白酶抑素)浓度的调节。在长时间制动的骨骼肌中，氧化应激是激活骨骼肌钙蛋白酶的重要触发因素。目前研究发现，钙蛋白酶的激活需要细胞内游离Ca2+浓度的增加，而氧化应激可以增加细胞内游离Ca2+浓度，进而增加细胞中钙蛋白酶1和2的表达[17]。Dargelos等[18]研究证实，将人成肌细胞暴露在活性氧(reac-tive oxygen species，ROS)中会增加细胞内钙蛋白酶1和钙蛋白酶2的表达。ROS介导钙蛋白酶激活的机制可能为:①ROS可以抑制钙ATP酶的活性，从而阻碍Ca2+从胞浆中排出，导致细胞内Ca2+浓度升高。②ROS介导的骨骼肌纤维中ryanodine受体的氧化可以导致肌浆网发生Ca2+泄漏，导致细胞内游离Ca2+浓度增加。最近研究发现，抑制膈肌中钙蛋白酶的激活可以保护机体免受机械通气诱导的膈肌萎缩[19]。Talbert等[20]发现线粒体靶向抗氧化剂可以通过抑制氧化应激的发生，进而阻止动物骨骼肌中钙蛋白酶的激活，减轻肌肉无力和肌肉萎缩。由此可见，钙蛋白酶的激活在废用性肌萎缩中起着重要作用，与ICU-AW的发生密切相关。

4 半胱氨酸天冬氨酸特异性蛋白酶-3

半胱氨酸天冬氨酸特异性蛋白酶-3(caspase-3)属于半胱氨酸蛋白酶家族，是一种参与细胞凋亡的效应因子，在多种组织细胞的凋亡中起关键作用。Zhu等[21]在caspase-3基因敲除的小鼠模型中发现，正常小鼠组在制动的第14天腓肠肌和比目鱼肌中caspase-3活性的明显增加，且比目鱼肌细胞凋亡增多，腓肠肌和比目鱼肌肌肉质量明显下降；在caspase-3基因敲除的小鼠组观察到，腓肠肌和比目鱼肌质量下降较正常小鼠组明显减少。此外还发现，正常小鼠的肌肉张力峰值减少约36%，而caspase-3基因敲除小鼠的肌肉张力峰值减少了约23%，可见caspase-3基因敲除的小鼠在制动过程中腓肠肌张力峰值下降幅度明显减小。以上发现表明，caspase-3的激活是制动引起肌肉张力降低和肌肉萎缩的关键性因素，caspase-3的缺乏可阻止细胞凋亡的产生进而减轻肌肉张力下降和肌肉萎缩。

二、肌肉蛋白质合成障碍

1 肌肉生长抑制素

肌肉生长抑制素(Myostatin，Mstn)，也被称为生长分化因子-8，是转化生长因子-β家族的成员之一。Myostatin是一种主要表达于骨骼肌组织的分泌蛋白，可以抑制肌肉细胞的生长和分化，减少肌肉蛋白质的合成。为了验证Myostatin具有抑制骨骼肌细胞生长的作用，Shaoting Weng等[22]研究Myostatin基因敲除的小鼠的发现，与对照组相比，Myostatin基因敲除小鼠股四头肌和内收肌重量增加约0.2 g～0.3 g，总重量增加1 g～1.5 g，Myostatin基因敲除小鼠的肌纤维数量和体积明显增加，Myostatin基因敲除小鼠组的体重增加明显大于对照组。由此推测，小鼠总体重的增加不仅是局部肌肉质量的增加，而且由于Myostatin的减少，肌肉组织萎缩减缓，骨质量增加和某些激素分泌增加引起的。随后的研究发现Myostatin还可以抑制细胞增殖相关蛋白的表达，并且可以上调细胞周期依赖性磷酸转移酶抑制因子，进而抑制成肌细胞从G1期向S期转化。Myostatin通过增加p21和减少CDK2抑制Rb蛋白的磷酸化，从而抑制成肌细胞的增殖。敲除Myo-statin基因可减少p21的表达来增加CDK2的表达，从而将细胞从G2期激活为M期，进而促进肌细胞生长和肌肉质量增加。

2 胰岛素样生长因子-1

胰岛素样生长因子-1(insulin-like growth factor 1, IGF-1)是一种多功能细胞增殖调控因子，广泛分布于人体各个组织，在细胞的增殖分化和个体的生长发育中发挥重要的作用[23]。研究发现，IGF-1介导的信号传导可促进肌肉蛋白质合成。在肌细胞中，IGF-1与其受体结合后通过调节雷帕霉素靶蛋白(mTOR)来刺激磷脂酰肌醇3激酶(PI3K)和蛋白激酶B(Akt)的激活，PI3K/Akt/mTOR信号通路的表达在肌肉肥大时上调，在肌肉萎缩时下调，表明mTOR途径可以促进肌肉蛋白质的合成[24]。同时最近研究证实，mTOR对核糖体蛋白S6激酶1(S6K1)的磷酸化和活化起重要作用。由此推测，mTOR/S6K1信号通路可能控制细胞的转录、翻译，细胞的生长以及蛋白质的合成[25]。

离子通道功能障碍

安静状态下，离子的跨膜转运形成细胞膜内外两侧外正内负的电位差即静息电位。在静息电位基础上，电兴奋通过离子通道的开放和关闭及离子跨膜流动形成动作电位，产生兴奋-收缩偶联过程。因此，离子跨膜转运的失衡和离子通道的失活及分布异常都将对肌纤维膜的兴奋性和兴奋-收缩偶联过程产生影响。电压依赖性钠通道及钙通道与ICU-AW 的发生发展密切相关，Koch等[26]研究发现大多数重症患者存在电压门控钠通道功能障碍以及肌细胞膜兴奋性的下降。Monica等[27]对ICU-AW小鼠模型研究发现，兰尼碱受体和肌内质网Ca2+ATP 酶1的表达明显下降并且肌内质网Ca2+释放受阻，兴奋收缩耦联受损可能会诱发ICU-AW的发生。Nardelli等[28]对脓毒症大鼠模型的研究证实，运动神经元兴奋性降低是导致脓毒症后获得性衰弱的重要因素之一，可导致脓毒症缓解后仍然存在肢体运动障碍。以上研究表明，电压依赖性钠通道和钙通道的功能障碍可导致肌纤维膜兴奋性下降及兴奋-收缩偶联障碍，并且与ICU-AW 的发生发展密切相关。

全身炎症反应综合征

全身炎症反应综合征(systemic inflammatory response syndrome, SIRS)是指一种复杂炎症的异常调节。在ICU内，脓毒败血症患者比非脓毒败血症患者更容易出现骨骼肌和呼吸肌的肌肉萎缩和肌肉无力[29]，这可能与炎症、制动、低血氧饱和度以及镇静、阿片类药物和神经肌肉阻滞剂的应用相关，尤其是全身炎症反应的激活，会进一步促进ICU-AW的发生。

促炎性细胞因子对调节肌肉质量的信号通路有直接和间接影响。肿瘤坏死因子-α、干扰素-γ和白细胞介素-1(IL-1)可增加泛素基因的转录，从而促进肌肉蛋白质降解。Witteveen等[30]研究发现ICU-AW患者由慢性危重症、分解代谢综合征和早期多器官功能衰竭的患者组成，这些患者的炎症因子水平增加，其中88%的患者伴有SIRS。此外，研究发现脓毒症患者尤其是老年脓毒症患者会发展为慢性危重症并且伴有免疫功能低下，呈持久的慢性炎症状态[31]。最近研究证实，在SIRS早期，炎症因子的暴露会激活线粒体过氧化物酶体增殖物激活受体γ辅激活因子1α(PGC-1α)通路，从而补偿线粒体功能障碍，增强线粒体生物通路并减少氧化损伤；但在SIRS后期并伴有ICU-AW的患者，其股外侧肌氧化磷酸化水平降低50%，并且伴有单核细胞、淋巴细胞数量的下降和功能的抑制，提示在SIRS的早期与后期对肌肉代谢的影响是不一致的，而免疫功能可能是导致这种现象的关键因素[32]。由此推测，虽然临床各种高危因素可导致肌肉萎缩和肌肉无力的发生，但促进ICU-AW发生发展并不易逆转的关键因素可能是免疫紊乱。

白细胞介素-6(IL-6)是机体复杂的细胞因子网络(cytokine network)中的重要成分之一。Il-6是一种与调节免疫反应相关的促炎细胞因子。除了能够影响免疫细胞的增殖和分化以外，还具有许多重要的生物学功能。最近的研究已经证实IL-6是一种促进肌肉生长的肌细胞因子[33]，它通过激活卫星细胞和刺激成肌细胞的增殖和分化，来促进肌肉肥大。因此推测，重症患者产生IL-6能够促进肌肉肥大，而不是引起肌肉蛋白质的分解代谢。

皮质类固醇

大约31%的ICU患者应用皮质类固醇治疗后会发生ICU-AW[34]。研究已经证实皮质类固醇和平均每日皮质类固醇治疗剂量都是ICU-AW的预测因子[35]。

关于短期使用皮质类固醇是否会增加危重患者ICU-AW的风险，目前尚无定论。一些研究数据表明，在ICU内接受短期的皮质类固醇治疗也可能会导致相关的机体功能损害[35]。在感染性休克患者中，使用皮质类固醇对患者死亡率的影响尚不明确。一项回顾性研究显示，在重症肺炎患者中，短期使用甲基强的松龙可以降低患者的死亡率[36]。因此，危重患者是否使用皮质类固醇治疗以及皮质类固醇的剂量应根据患者的临床症状和疾病严重程度而定。对极危重的患者进行短期皮质类固醇治疗可能会改善其预后，但是长期使用皮质类固醇会增加发生ICU-AW的风险。

睡眠障碍

蛋白质合成障碍及细胞分裂受阻等会导致肌肉萎缩和肌肉无力。研究发现，在睡眠期间机体发生更多的细胞分裂、且所需要的时间更少[37]，蛋白质合成具有明显的昼夜节律变化，并且在睡眠期间出现合成峰值，故目前公认良好的睡眠是愈合恢复的基础。危重症患者常出现睡眠障碍(如总睡眠时间的减少、睡眠效率的降低和睡眠碎片的增加)，睡眠障碍会产生两个互补的内分泌反应，包括合成代谢激素降低(IGF-1、睾酮和生长激素)和分解代谢激素升高(Myostatin、胰岛素抵抗和糖皮质激素)，从而导致蛋白质合成及细胞分裂受阻，进一步引发ICU-AW发生。ICU的患者由于危及生命的疾病、ICU环境、药物镇静或心理压力常导致睡眠障碍，因此推测睡眠障碍可导致或加重ICU-AW[38]。目前，已经有研究证实了社区健康老年人中睡眠障碍和运动功能之间的联系。然而，还没有试验研究重症患者的睡眠质量与ICU-AW的关系。因此，彻底了解与睡眠障碍相关的蛋白质合成减少和蛋白质降解增加所涉及的病理生理机制将有助于降低危重患者ICU-AW的发生率以及改善危重患者的预后。未来的研究应该监测危重患者的睡眠质量并早期诊断ICU-AW，并探ICU-AW和睡眠障碍之间是如何相互联系的。

其 他

一、肾素-血管紧张素系统

危重患者通常会出现低血压，血压的下降会激活RAS，RAS的激活可导致促炎性细胞因子的增加，进而导致肌肉蛋白质降解。血管紧张素Ⅱ可诱导IL-6和基质金属蛋白酶的分泌。研究表明，血管紧张素Ⅱ还可降低IGF-1的水平，从而导致肌肉萎缩与肌肉无力,血管紧张素转换酶抑制剂(ACEI)可通过抑制血管紧张素Ⅱ对炎症因子和IGF-1的作用进而减轻肌肉无力[39]。这可能为 ICU-AW的预防和治疗提供了潜在的治疗靶点。

二、营养状况

ICU患者的营养状况通常很差，同时危重疾病本身会加重患者的分解代谢，导致蛋白质合成和降解之间的不平衡，造成肌肉萎缩。研究表明，与健康人禁食引起的分解代谢状态相比，ICU患者由于炎症、制动和内分泌反应等会进一步加重营养不良所导致的高分解代谢。因此，给予危重患者充足的营养对于疾病的治疗和患者的预后十分重要。此外，营养的供给方式和开始进食的时机同样对患者的预后有十分重要的影响。Hermans等研究发现，晚期肠外营养组相比早期肠外营养组肌力增加，并且发现晚期肠外营养组自噬标记物的表达更多[40]。这表明晚期肠外营养通过优化自噬-溶酶体系统，清除受损的蛋白质和细胞器，改善肌肉细胞功能来有效地产生肌力，这可能是晚期肠外营养组肌力增加的原因。

三、维生素D

ICU患者的维生素D水平通常较低，越来越多的研究表明，低维生素D水平与危重患者感染率增加、住院时间延长和死亡率增加相关。最近一项研究发现，维生素D水平与机械通气时间成反比[41]，机械通气患者通常伴有呼吸肌的无力，这表明维生素D水平可能与肌肉无力之间存在联系。

小 结

ICU-AW 严重降低危重患者的生存质量，影响危重患者预后。 ICU-AW 的发生发展与多种危险因素有关，并且涉及多种病理生理机制。目前ICU-AW 尚无具体的治疗措施，主要的治疗和预防措施包括控制危险因素(如制动、机械通气等)，积极控制感染和治疗原发病，避免不必要的皮质类固醇激素和神经肌肉阻滞剂应用等可能有助于预防ICU-AW 发生。因此，进一步比较不同的模型条件，并探讨各种机制之间的相关性，以期寻找更佳的干预和治疗位点，为 ICU-AW 的发病机制、预防或治疗提供新思路。