中华急诊医学杂志  2021, Vol. 30 Issue (9): 1095-1101   DOI: 10.3760/cma.j.issn.1671-0282.2021.09.009
体外膈肌起搏对机械通气兔膈肌功能障碍的保护作用及机制研究
李冰1 , 贾晔然2 , 李惠萍1 , 胡安民1 , 张红璇2 , 曾红科3     
1. 深圳市人民医院(暨南大学第二临床医学院)呼吸疾病研究所 呼吸与危重症医学科 518020;
2. 广东省人民医院东病区 广东省干部体检中心,广州 510080;
3. 广东省人民医院急危重症医学部,广州 510080
摘要: 目的 探讨体外膈肌起搏对机械通气兔膈肌功能障碍的保护作用及其机制。方法 85只成年新西兰兔按随机数字表法分为空白对照组(blank control group,BC)、自主呼吸组(spontaneous breathing group,SB)、容量控制通气组(volume control ventilation group,VC)、体外膈肌起搏组(external diaphragm pacing group,EDP)、体外膈肌起搏+容量控制通气组(EDP+VC),BC组5只,其余各组20只。气管切开后给予容量控制性机械通气建立动物模型。BC组麻醉后立即取膈肌标本,其余各组分别于相应的处理后6 h及1、3、7 d取标本,检测膈肌重量(DW)、膈肌重量/体质量比(DW/BW)及离体膈肌收缩力;HE染色观察膈肌病理改变;Western blot检测膈肌Cyt c、RyR1、caspase-3、p-mTORC1蛋白表达。多组变量间不同时间点比较采用重复测量的方差分析,同一时间点进一步两两分组间比较采用LSD-t检验,以P < 0.05为差异有统计学意义。结果 与BC组比较,VC组DW、DW/BW下降,膈肌损伤明显,收缩力显著下降,Cyt c、caspase-3蛋白表达上调,RyR1、p-mTORC1表达水平下降,且具有时间依赖性,随时间延长进行性加重(P < 0.05)。与VC组比较,随治疗时间的延长,EDP+VC组DW、DW/BW增高[治疗1 d组:(0.80±0.05)kg vs(0.56±0.04)kg,治疗3 d组:(1.06±0.05)kg vs(0.47±0.03)kg,治疗7 d组:(1.24±0.10)kg vs(0.39±0.07)kg,均P < 0.05;治疗1 d组:(2.05±0.54)vs(1.86±0.72),治疗3 d组:(2.19±0.61)vs(1.74±0.40),治疗7 d组:(2.46±0.62)vs(1.53±0.85),均P < 0.05],膈肌损伤明显改善,收缩力显著增强[治疗1 d组:(2.39±0.42)N/cm2 vs(1.91±0.25)N/cm2,治疗3 d组:(2.57±0.62)N/cm2 vs(1.72±0.50)N/cm2,治疗7 d组:(2.77±0.55)N/cm2 vs(1.54±0.33)N/cm2,均P < 0.05],Cyt c、caspase-3蛋白表达逐渐下降,RyR1、p-mTORC1蛋白表达明显升高,差异有统计学意义(P < 0.05)。结论 体外膈肌起搏对呼吸机相关膈肌功能障碍具有保护性作用,其机制可能是抑制膈肌线粒体损伤,减轻氧化应激反应,减轻机械通气诱导的膈肌萎缩和结构改变,进而改善呼吸机相关膈肌功能障碍。
关键词: 呼吸机相关膈肌功能障碍    体外膈肌起搏    机械通气    氧化应激    线粒体损伤    
The protective effect of external diaphragm pacing on ventilator-induced diaphragm dysfunction of rabbits and its mechanism
Li Bing1 , Jia Yeran2 , Li Huiping1 , Hu Anmin Anmin1 , Zhang Hongxuan2 , Zeng Hongke3     
1. Department of Respiratory and Critical Care Medicine, Shenzhen Institute of Respiratory Diseases, Shenzhen People's Hospital (the Second Clinical Medical College, Jinan University), Shenzhen 518020, China;
2. Eastern Section, Guangdong Provincial People's Hospital, Guangdong Institute of Geriatrics, Guangzhou 510080, China;
3. Department of Emergency and Critical Care Medicine, Guangdong Provincial People's Hospital, Guangzhou 510080, China
Abstract: Objective To investigate the protective effect of external diaphragm pacing on the prevention of ventilator-induced diaphragm dysfunction (VIDD) in rabbits and its mechanism. Methods Eighty-five New Zealand white rabbits were randomly (random number) divided into the blank control group (BC, n=5), spontaneous breathing group (SB, n=20), volume control ventilation group (VC, n=20), external diaphragm pacing group (EDP, n=20), external diaphragm pacing and volume control ventilation group (EDP+ VC, n=20). After successful modeling, the rabbits in each group were treated accordingly except for the BC group. Rabbitss in the BC group were not mechanically ventilated, and the diaphragm was removed immediately after anesthetizing. Whole diaphragms of 5 rabbits per time point per other group were also collected after anesthesia at post treatment hour (PTH) 6 and on post treatment day (PTD) 1, 3, and 7. Diaphragm weight/body weight and diaphragm isometric contractile force of each group were measured. The pathological changes of diaphragmatic tissues were observed by HE staining. The protein expressions of Cyt c, RyR1, caspase-3, and p-mTORC1 were measured by Western blot. Repeated measures analysis of variance was used for the comparison between multiple groups of variables at different time points, and LSD-t test was used for the further comparison between two groups at the same time point, a P < 0.05 was considered statistically significant. Results Compared with the BC group, the VC group showed diaphragmatic pathological changes conformed to VIDD: DW/BW was decreased obviously; HE staining revealed obvious changes in diaphragmatic tissue; Diaphragmatic contractility was also significantly decreased; The expression of Cyt c and caspase-3 were increased while the expression of RyR1 and p-mTORC1 were decreased gradually with the extension of treatment time (P < 0.05). Compared the EDP+VC group with the VC group, with the extension of treatment time, DW, DW/BW, pathological damages and diaphragmatic contractility were improved [PTD 1: (0.80±0.05)kg vs (0.56±0.04) kg, PTD 3: (1.06±0.05) kg vs (0.47±0.03) kg, PTD 7: (1.24±0.10) kg vs (0.39±0.07) kg, all P < 0.05; PTD 1: (2.05±0.54) vs (1.86±0.72), PTD 3: (2.19±0.61) vs (1.74±0.40), PTD 7: (2.46±0.62) vs (1.53±0.85), all P < 0.05; PTD 1: (2.39±0.42) N/cm2 vs (1.91±0.25) N/cm2, PTD 3: (2.57±0.62) N/cm2 vs (1.72±0.50) N/cm2, PTD 7: (2.77±0.55) N/cm2 vs (1.54±0.33) N/cm2, all P < 0.05]. The expression of Cyt c and caspase-3 were decreased while the expression of RyR1 and p-mTORC1 were increased gradually in the EDP+VC group (P < 0.05). Conclusions External diaphragm pacer plays a protective role in ventilator-induced diaphragm dysfunction, which can inhibit mitochondrial damage, reduce oxidative damage, and mitigate diaphragmatic atrophy and injury.
Key words: Ventilator-induced diaphragm dysfunction    External diaphragm pacing    Mechanical ventilation    Mitochondrial damage    Oxidative stress    

目前研究认为长时间机械通气(mechanical ventilation,MV)、膈肌去负荷导致的膈肌废用性萎缩、收缩功能障碍和肌纤维重塑等是呼吸机相关膈肌功能障碍(ventilator-induced diaphragm dysfunction,VIDD)主要的发病机制[1];MV的同时给予膈神经电刺激-体外膈肌起搏(external diaphragm pace,EDP),保持膈肌收缩活性,可在一定程度上预防VIDD、减轻或减缓VIDD的发生及进展[2-3]。本课题组前期研究亦显示膈神经电刺激可改变膈肌MyoD和肌细胞生成素的表达,减轻MV诱导的膈肌氧化应激损伤,部分抵消机械通气对膈肌功能的影响[4-5]。本研究利用机械通气兔模型,进一步探讨EDP对呼吸机相关膈肌功能障碍的影响及作用机制,以期为体外膈肌起搏防治VIDD的临床应用提供理论支撑。

1 材料与方法 1.1 模型制备及分组处理

模型制备[6]:清洁级健康成年新西兰兔85只,由南方科技大学动物实验中心提供。实验动物称质量后进行气管切开术前麻醉,肌内注射氯胺酮(35 mg/kg)、甲苯噻嗪(10 mg/kg)诱导,耳缘静脉持续泵入氯胺酮10 mg/(kg·h)、甲苯噻嗪2 mg/(kg·h)维持。气管切开套管接Servo-i呼吸机(瑞典Maquet公司)进行容量控制通气。分离两侧膈神经挂于双极电极,液体石蜡保护后电极接体外膈肌起搏器(EDP-D2,广州泰科医用电子科技有限公司)。股动脉置管持续血压监测,暖灯保温,定时翻身。

实验分组(随机数字表法):①空白对照组(BC组,n=5);②自主呼吸组(SB组,n=20)气管切开套管接空气自主呼吸;③容量控制通气组(VC组,n=20)选择合适呼气末正压(positive end-expiratory pressure,PEEP),设置最佳潮气量(6 mL/kg)和呼吸频率(40~60次/min),维持PaCO2 35~45 mmHg(1 mmHg=0.133 kPa);④体外膈肌起搏组(EDP组,n=20)EDP设置参数:电压2~5 V,电流0.3 mA,频率10 Hz,刺激频率与机械通气频率一致;⑤容量控制通气+体外膈肌起搏组(VC+EDP组,n=20)呼吸机设置同VC组,EDP参数设置同EDP组。

1.2 实验方法 1.2.1 膈肌重量/体质量比值测定

实验开始记录体质量,治疗6 h及1、3、7 d后取膈肌,相应处理后计算各组膈肌重量(diaphragm weight,DW)、膈肌重量/体质量比值(diaphragm weight/body weight,DW/BW)。

1.2.2 膈肌收缩力的测量

制作6 mm宽、附带肋骨和中心腱的膈肌肌条,置于预先饱和95% O2~5%CO2混合气的kerbs液中(137 mmol/L NaCl,4 mmol/L KCl,2 mmol/L CaC12,1 mmol/L MgCl2,1 mmol/L KH2PO4,12 mmol/L NaHCO3,6.5 mmol/L葡萄糖,pH值7.40)。肋骨端固定在L形支架上,中心腱端悬挂于张力换能器(ALC-MPA 2000 m,上海奥尔科特公司)感应杆上,调整膈肌张力为0。2根刺激电极以3 mm间距平行插入肌条,待肌条张力稳定后进行电刺激(持续时间0.2 ms,刺激间期25 s,刺激强度从0开始,增量为0.5 mA)、测量膈肌收缩力。

1.2.3 HE染色观察膈肌显微结构

膈肌标本固定、包埋、切片后行HE染色,光学显微镜下观察膈肌显微结构。

1.2.4 Western blot检测

采用凯基全蛋白提取试剂盒(凯基生物科技发展有限公司,南京,中国)抽提蛋白;BCA蛋白浓度测定试剂盒(碧云天生物技术研究所,上海,中国)进行定量;聚丙烯酰胺凝胶上样后电泳、转膜、漂洗封闭、加入一抗(博士德生物工程有限公司,武汉,中国)和二抗(碧云天生物技术研究所,上海,中国)、显影、凝胶成像仪获取图像,运用FluorChem 8900自动图像分析软件对Cyt c、RyR1、caspase-3、p-mTORC1光带的相对表达进行分析,以检测因子和与β-Actin蛋白带的灰度峰比值代表相应蛋白的表达。

1.3 统计学方法

使用SPSS 18.0软件,符合正态分布的计量资料使用均数±标准差(Mean±SD)表示,多组变量间不同时间点比较采用重复测量的方差分析,同一时间点进一步两两分组间比较采用LSD-t检验,以P < 0.05为差异有统计学意义。

2 结果 2.1 体外膈肌起搏对膈肌重量(DW)、膈肌重量/体质量比值(DW/BW)的影响

表 1所示,同一时间点,治疗6 h各组DW、DW/BW相近(P > 0.05);VC组DW、DW/BW治疗24 h开始下降,同其他组比较差异有统计学意义(P < 0.05),EDP+VC组DW、DW/BW水平高于VC组而低于EDP组和SB组(P < 0.05),EDP组低于SB组(P > 0.05)。随时间的延长,VC组DW、DW/BW呈下降趋势,SB组、EDP组及EDP+VC组呈上升趋势,各时间点比较差异有统计学意义(P < 0.05);见表 1

表 1 各组不同时间点膈肌重量(DW)、膈肌重量/ 体质量比值(DW/BW) 测定(Mean± SD) Table 1 Measurement of DW and DW/BW at different time points in different treatment groups (Mean± SD)
组别 DW (kg)   DW/BW (×103)
6 h 1 d 3 d 7 d   6 h 1 d 3 d 7 d
BC组(n=5) 0.68±0.06 - - -   1.95±0.51 - - -
EDP组(n=20) 0.67±0.01 0.86±0.01abcd 1.11±0.06abcde 1.38±0.09abcdef   1.96±0.40 2.10±0.62abcd 2.31±0.48abcde 2.58±0.33abcde
SB组(n=20) 0.67±0.04 0.86±0.03abcd 1.12±0.03abcde 1.39±0.05abcdef   1.97±0.46 2.11±0.55abcd 2.32±0.42abcde 2.58±0.57abcdef
VC组(n=20) 0.68±0.09 0.56±0.04ad 0.47±0.03ade 0.39±0.07adef   1.94±0.41 1.86±0.72ad 1.74±0.40ade 1.53±0.85adef
EDP+VC组(n=20) 0.69±0.05 0.80±0.05abd 1.06±0.05abde 1.24±0.10abdef   1.98±0.47 2.05±0.54abd 2.19±0.61abde 2.46±0.62abdef
注:BC为空白对照组,EDP为体外膈肌起搏组,SB为自主呼吸组,VC为容量控制通气组,EDP+VC为体外膈肌起搏+容量控制通气组;DW为膈肌重量,DW/BW为膈肌重量/体质量比值;与BC组比较,aP < 0.05;与VC组比较,bP < 0.05;与EDP+VC组比较,cP < 0.05;与治疗6 h比较,dP < 0.05;与治疗1 d比较,eP < 0.05;与治疗3 d比较,fP < 0.05
2.2 体外膈肌起搏对膈肌收缩力的影响

机械通气是导致膈肌功能障碍的主要因素,MV早期即可出现膈肌萎缩、收缩力下降[7-8]。本实验结果显示,VC组膈肌收缩力在控制性机械通气1 d后开始下降,且随时间进行性加重(P < 0.05)。保留膈肌收缩活性(保留自主呼吸及EDP电刺激膈神经)可显著改善MV诱导的膈肌收缩功能障碍,SB组、EDP+VC组各时间点膈肌张力均明显高于VC组,治疗效果随时间延长增强(P < 0.05);见表 2

表 2 各组不同时间点离体膈肌收缩力比较(N/cm2,Mean± SD) Table 2 Comparison of diaphragmatic contractility at different time points in different treatment groups (N/cm2, Mean± SD)
组别 6 h 1 d 3 d 7 d
BC组(n=5) 2.04±0.32 - - -
EDP组(n=20) 2.05±0.26 2.07±0.31abc 2.08±0.84abc 2.10±0.45abcde
SB组(n=20) 2.06±0.28ab 2.09±0.45abc 2.12±0.26abcd 2.17±0.37abcde
VC组(n=20) 2.03±0.24 1.91±0.25 ac 1.72±0.50 acd 1.54±0.33 acde
EDP+VC组(n=20) 2.24±0.16ab 2.39±0.42abc 2.57±0.62abcd 2.77±0.55abcde
注:BC为空白对照组,EDP为体外膈肌起搏组,SB为自主呼吸组,VC为容量控制通气组,EDP+VC为体外膈肌起搏+容量控制通气组;与BC组比较,aP < 0.05;与VC组比较,bP < 0.05;与治疗6 h比较,cP < 0.05;与治疗1 d比较,dP < 0.05;与治疗3 d比较,eP < 0.05
2.3 光学显微镜下膈肌组织的显微结构变化

HE染色后观察:BC组、SB组膈肌纤维排列有序,细胞核排列整齐;VC组膈肌纤维排列紊乱,萎缩程度轻重不一,肌束内可见明显纤维断裂、变性、坏死、炎细胞浸润;EDP+VC组膈肌损伤改善明显,大部分膈肌细胞排列整齐,结构完整,肌束内可见轻度萎缩,少数肌纤维断裂、变性,炎细胞浸润;EDP组肌纤维形态基本正常,未见明显断裂、变性、坏死等病理性改变,见图 1

BC为空白对照组,SB为自主呼吸组,VC为容量控制通气组,EDP+VC为体外膈肌起搏+ 容量控制通气组,EDP为体外膈肌起搏组 图 1 不同处理组实验兔光学显微镜下膈肌显微结构变化(HE× 50) Fig 1 Comparison of the histopathologic features of diaphragmbiopsy specimens in rabbits of different treatment groups (HE× 50)
2.4 体外膈肌起搏对膈肌Cyt c、RyR1蛋白表达水平的影响

VC组控制性机械通气24 h开始膈肌Cyt c蛋白表达上调、RyR1蛋白表达水平下降,24 h后各时点两种蛋白表达水平同BC组比较差异有统计学意义(P < 0.05);同VC组比较,EDP+VC组24 h后各时点膈肌组织Cyt c蛋白表达水平下降、RyR1表达水平升高(均P < 0.05);SB组Cyt c、RyR1蛋白表达和VC组比较差异有统计学意义(P < 0.05);EDP组和BC组比较差异无统计学意义(P > 0.05)。随时间的延长,治疗24 h开始VC组膈肌标本Cyt c蛋白表达水平呈上升趋势、RyR1蛋白表达呈下降趋势,EDP+VC组Cyt c蛋白表达呈下降趋势、RyR1蛋白表达呈上升趋势,各时间点相比较差异有统计学意义(均P < 0.05);EDP组各时间点Cyt c、RyR1蛋白表达差异不大,同BC组比较差异无统计学意义(均P > 0.05)。见表 3图 2~3

表 3 各组不同时间点膈肌标本Cyt c、RyR1蛋白的表达(Mean± SD) Table 3 The expression of Cyt c and RyR1 in diaphragm samples at different time points in different treatment groups (Mean± SD)
组别 Cyt c   RyR1
6 h 1 d 3 d 7 d   6 h 1 d 3 d 7 d
BC组 0.87±0.35 - - -   0.69±0.18 - - -
EDP组 0.87±0.24 0.89±0.40 0.86±0.16 0.85±0.26   0.68±0.13 0.69±0.72 0.70±0.28 0.71±0.04
SB组 0.85±0.25 0.90±0.14 0.76±0.31abc 0.65±0.26abcd   0.68±0.16 0.74±0.25 0.82±0.44abc 0.97±0.13abcd
VC组 0.83±0.37 0.89±0.34 1.03±0.31ac 1.15±0.16acd   0.67±0.21 0.69±0.32 0.62±0.40ac 0.59±0.45acd
EDP+VC组 0.86±0.16 0.98±0.20 0.78±0.36abc 0.69±0.45abcd   0.69±0.23 1.97±1.72 2.46±0.48abc 3.14±0.38abcd
注:BC为空白对照组,EDP为体外膈肌起搏组,SB为自主呼吸组,VC为容量控制通气组,EDP+VC为体外膈肌起搏+容量控制通气组;与BC组比较,aP < 0.05;与VC组比较,bP < 0.05;与治疗1 d比较,cP < 0.05;与治疗3 d比较,dP < 0.05

图 2 各组不同时间点膈肌标本Cyt c蛋白的表达 Fig 2 The expression of Cyt c in diaphragm samples at different time points in different treatment groups

图 3 各组不同时间点膈肌组织RyR1蛋白的表达 Fig 3 The expression of RyR1 in diaphragm samples at different time points in different treatment groups
2.5 体外膈肌起搏对膈肌组织caspase-3、p-mTORC1蛋白表达水平的影响

VIDD模型兔于机械通气6 h开始膈肌组织caspase-3蛋白表达升高、p-mTORC1蛋白表达下降,各时点caspase-3、p-mTORC1表达水平同BC组比较差异有统计学意义(P < 0.05);同VC组比较,EDP+VC组6 h后各时相膈肌组织caspase-3表达水平下降、p-mTORC1表达升高(P < 0.05);SB组caspase-3、p-mTORC1蛋白表达和VC组比较差异有统计学意义(P < 0.05);EDP组和BC组比较差异无统计学意义(P > 0.05)。随着时间的延长,治疗6 h开始VC组膈肌caspase-3蛋白表达水平呈上升趋势、p-mTORC1蛋白表达呈下降趋势,EDP+VC组caspase-3蛋白表达呈下降趋势、p-mTORC1蛋白表达呈上升趋势,各时间点相比较差异有统计学意义(P < 0.05);EDP组各时间点caspase-3、p-mTORC1表达水平差异不大,同BC组比较差异无统计学意义(均P > 0.05)。见表 4图 4~5

表 4 各组不同时间点膈肌组织caspase-3、p-mTORC1蛋白的表达(Mean± SD) Table 4 The protein expression of caspase-3 and p-mTORC1 in diaphragm samples at different time points in different treatment groups (Mean± SD)
组别 caspase-3   p-mTORC1
6 h 1 d 3 d 7 d   6 h 1 d 3 d 7 d
BC组 0.92±0.15 - - -   1.38±0.79 - - -
EDP组 0.94±0.24 0.91±0.37 0.90±0.36 0.89±0.25   1.37±0.73 1.38±0.42 1.39±0.28 1.39±0.94
SB组 0.94±0.85 0.81±0.44abc 0.72±0.31abcd 0.64±0.45abcde   1.36±0.76 1.39±0.25abc 1.41±0.42abcd 1.45±0.14abcde
VC组 0.93±0.16 1.02±0.15ac 1.28±0.26acd 1.36±0.34acde   1.39±0.71 1.26±0.32ac 0.93±0.40acd 0.81±0.55acde
EDP+VC组 0.96±0.14 0.84±0.42abc 0.75±0.36abcd 0.63±0.55abcde   1.38±0.73 1.97±0.75abc 2.46±0.48abcd 3.56±0.34abcde
注:BC为空白对照组,EDP为体外膈肌起搏组,SB为自主呼吸组,VC为容量控制通气组,EDP+VC为体外膈肌起搏+ 容量控制通气组;与BC组比较,aP < 0.05;与VC组比较,bP < 0.05;与治疗6 h比较,cP < 0.05;与治疗1 d比较,dP < 0.05;与治疗3 d比较,eP < 0.05

图 4 各组不同时间点膈肌标本caspase-3的表达 Fig 4 The expression of caspase-3 in diaphragm samples at different time points in different treatment groups

图 5 各组不同时间点膈肌组织p-mTORC1的表达 Fig 5 The expression of p-mTORC1 in diaphragm samples at different time points in different treatment groups
3 讨论

VIDD是重症患者机械通气过程中常见的并发症[9]。发生VIDD的根本原因是刺激膈肌的神经传导受抑制和膈肌去负荷、不发生收缩活动等,而进行MV的同时给予膈神经电刺激可提高膈神经兴奋性、减少膈肌废用性萎缩及刺激神经末梢释放神经递质、神经营养因子等,保留膈肌收缩活性、提高膈肌运动机能,发挥对VIDD的保护性作用[10-12]。本研究结果显示机械通气组DW、DW/BW下降,膈肌纤维损伤明显,膈肌收缩力显著下降;给予EDP治疗后模型兔DW、DW/BW增高,膈肌损伤明显改善,膈肌收缩力显著增强,表明体外膈肌起搏刺激膈神经保留膈肌收缩活性,改善膈肌功能损伤,降低呼吸机依赖风险,可作为临床防治VIDD新的技术手段。

MV时,膈肌废用、膈肌组织缺氧及代谢底物过量供应、线粒体失活等导致的氧化应激可加速肌纤维蛋白水解、促使细胞过度自噬、诱发内质网/肌浆网Ca2+通道受体重塑等,导致膈肌萎缩和功能损伤,且损伤程度随MV时间进行性加重[13-15]。膈神经电刺激可诱使膈肌主动收缩产生自主呼吸运动从而改善膈肌血氧供、减轻氧化应激,增加膈肌肌力和耐力等[3, 11, 16]。还原型谷胱甘肽是重要的抗氧化剂和自由基清除剂,其含量反映机体抗氧化能力的高低;丙二醛可对细胞产生毒性作用,其水平可间接反映组织细胞受氧自由基损伤的程度。本课题组前期研究显示[5],MV同时给予EDP治疗可改善膈肌组织氧化应激指标,减轻氧化应激损伤,进而减轻或减缓VIDD的发生及进展。

MV诱导的膈肌线粒体破碎、钙通道受体(RyR1)重塑等导致Cyt c从线粒体内膜分离释放到胞浆、ATP生成减少、肌浆网Ca2+外漏等,激活钙蛋白酶(Calpain,促进膈肌蛋白降解、抑制膈肌蛋白合成)和caspase-3(细胞凋亡蛋白酶,诱导膈肌细胞过度自噬、促进膈肌蛋白降解),导致膈肌骨架蛋白大量降解、肌原纤维分解断裂、肌纤维内结构萎缩,膈肌收缩功能下降[17-20];机械通气诱导的Akt/mTOR/4EBP1信号通路上游mTORC1(蛋白翻译起始阶段重要限速蛋白)磷酸化受抑,膈肌蛋白翻译受阻、肌纤维蛋白合成下降[21]。国外新近研究发现,膈神经电刺激可增加膈肌线粒体呼吸速率、减轻膈肌氧化应激损伤及提高膈肌自噬清除能力、减缓膈肌蛋白分解等改善MV引起的膈肌功能损伤[22-23]。本研究结果显示,EDP组各时点Cyt c、caspase-3蛋白表达同对照组比较差异无统计学意义,提示单独EDP治疗对膈肌损伤并不明显;VC组行MV一定时间后Cyt c、caspase-3表达上调,RyR1、p-mTORC1表达水平下降,变化趋势呈时间依赖性,EDP+VC组Cyt c、caspase-3表达随通气时间的延长呈下降趋势,RyR1、p-mTORC1表达呈上升趋势,提示行MV的同时给予EDP治疗可通过抑制线粒体损伤、减轻MV诱导的膈肌萎缩和结构改变,进而改善呼吸机相关膈肌功能障碍。

综上所述,机械通气可引起膈肌线粒体功能障碍和氧化应激损伤,膈肌细胞自噬增加,纤维蛋白合成减少、水解凋亡增加及肌纤维重塑等,最终导致VIDD的发生。膈神经电刺激-体外膈肌起搏治疗可通过抑制线粒体损伤、减轻氧化应激反应、增加膈肌活性、改善MV诱导的膈肌萎缩和结构改变等方式,发挥逆转VIDD的作用,为防治VIDD的临床应用提供了新途径。

利益冲突   所有作者均声明不存在利益冲突

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