引用本文： 王云霞, 董慧, 張成, 周天渝, 孫超, 王廣發, 張紅. 不同潮氣量機械通氣對大鼠膈肌放電的影響. 中國呼吸與危重監護雜志, 2016, 15(6): 602-606. doi: 10.7507/1671-6205.2016137 復制
機械通氣是危重患者的急救及生命支持手段，既可以改善患者氧合，維持基本生理狀態，也可為進一步搶救及治療贏得時間[1]。但是隨著機械通氣時間延長，患者發生撤機困難的比例增加，這不僅與膈肌萎縮和膈肌無力引起的呼吸機相關膈肌功能障礙(VIDD)[2]有關，還與呼吸中樞驅動性下降有關。膈肌是最重要的吸氣肌，提供靜息狀態下約60%~80%的肌力[3]，因此膈肌的興奮性狀態改變直接影響呼吸運動。目前對機械通氣不同模式對膈肌放電的影響還不是十分清楚，為此我們進行了不同潮氣量機械通氣對大鼠膈肌放電的影響的相關研究，以利于更好地理解機械通氣對呼吸運動的影響。
材料與方法
一 實驗動物和分組
24只健康成年雄性SPF級SD大鼠，體重350~400 g，由北京聯合利華實驗動物中心提供，在北京大學第一醫院動物實驗中心飼養，研究經過北大醫院動物倫理委員會通過。大鼠隨機分為三組(n=8)，均給予4 h機械通氣：(1)大潮氣量組：潮氣量(VT)=10 mL/kg，呼氣末正壓(PEEP)=0；(2)小潮氣量組：VT=5 mL/kg，PEEP=0；(3)對照組：麻醉后自主呼吸。三組大鼠均呼吸正常氧氣濃度的室內空氣，機械通氣組大鼠呼吸頻率通過經皮血氧飽和度(SpO2)進行調節，使其維持在86%以上。
二 方法
1.機械通氣和膈肌肌電監測：予12%烏拉坦(1.2 mL/kg)腹腔注射麻醉。實驗組大鼠氣管切開并插管，連接HX-300小動物呼吸機，按設定潮氣量機械通氣；左頸總動脈插管，連續監測血壓；右側股靜脈內插管補液；剪開劍突下皮膚，用針形電極插入膈小肌，但不要扎穿，連接多導生理儀監測并記錄膈肌肌電狀況，分別在機械通氣0、2、4 h時監測10 min膈肌肌電。對照組麻醉后進行上述置管及膈肌肌電監測操作，但不給予機械通氣，任其自主呼吸。為避免監測膈肌肌電過程受到呼吸機輔助呼吸影響而不能完全反映大鼠自身的呼吸狀況，所以在肌電監測期間暫停機械通氣，取膈肌放電恢復正常后的10個連續呼吸循環進行分析。
2.主要監測指標：監測膈肌肌電(圖 1)、SpO2、呼氣末二氧化碳分壓(PetCO2)、呼吸頻率和平均動脈壓(MAP)。
圖1
膈肌肌電圖
陰影面積代表膈肌放電面積
三 統計學處理
采用SPSS 20.0統計軟件進行統計分析，數據以x±s表示，生理指標前后變化進行自身配對t檢驗，肌電指標采用重復測量因素的方差分析進行組間及組內數據比較。均采用雙側檢驗，P < 0.05為差異有統計學意義。
結果
一 生理指標
實驗前各組大鼠呼吸頻率、SpO2、PetCO2及MAP均在正常范圍內，且各組之間差異無統計學意義(P > 0.05)。實驗過程中，各組大鼠生理指標有輕微變化。實驗結束后，大潮氣量組大鼠SpO2及PetCO2有所下降(P=0.042，P=0.003)，對照組及小潮氣量組大鼠各生理指標均沒有顯著變化。結果見表 1。
表1
大鼠生理指標
圖2
三組大鼠肺組織病理像
A：對照組；B：小潮氣量組；C：大潮氣量組
二 病理指標
大潮氣量機械通氣組大鼠肺組織較對照組及小潮氣量組可見明顯病理變化，包括肺泡膨脹，且有肺泡漂浮征出現；肺泡上皮有彌漫性損傷，肺泡間隔水腫增厚；可見肺泡上皮表面有粉紅色膜狀物，即透明膜形成；還可見肺泡壁及間質組織中有大量炎癥細胞浸潤。
三 膈肌放電指標
1.膈肌放電頻率：機械通氣初始時三組大鼠呼吸頻率差異無統計學意義(F=1.550，P=0.461)。在機械通氣整體過程中，大潮氣量組呼吸頻率較對照組減慢[(68.17±9.62)次/min比(90.71±15.72)次/min，P=0.001]，較小潮氣量組減慢[(68.17±9.62)次/min比(88.83±12.05)次/min，P=0.004]。在各時間點，小潮氣量組與對照組之間均沒有顯著差異(P=0.766)。結果見圖 3。
圖3
膈肌放電頻率變化趨勢圖
與對照組比較，*
2.膈肌放電面積：機械通氣初始時三組大鼠膈肌放電面積差異無統計學意義(F=2.565，P=0.277)。在機械通氣整體過程中，大潮氣量組較對照組及小潮氣量組膈肌放電面積明顯增大[(25.440±4.037) μV·s比(17.193±4.491) μV·s，P=0.02；(25.440±4.037) μV·s比(14.640±4.697) μV·s，P=0.005]。大潮氣量機械通氣使大鼠膈肌放電面積逐漸增大，在機械通氣2 h升高有統計學意義(P < 0.001)，隨后又逐漸降低，但仍未降至初始水平[初始(19.38±4.10) μV·s比機械通氣4 h后(25.96±11.00) μV·s]，與初始水平比較，差異無統計學意義(P > 0.05)。結果見圖 4。
圖4
膈肌放電面積變化趨勢圖
與對照組比較，*
3.膈肌放電振幅×膈肌放電頻率(A×R)：機械通氣初始時三組大鼠A×R值差異無統計學意義(F=0.531，P=0.597)。大潮氣量組的A×R值與對照組無顯著差異[(13 836.76±416.00) μV·p/min比(12 195.48±488.67) μV·p/min，P=0.418]，但小潮氣量組較對照組明顯增大[(16 944.69±373.67) μV · p/min比(12 195.48±488.67)μV · p/min，P=0.039)]。大潮氣量機械通氣2 h后A×R值顯著(P=0.02)，而在4 h時稍有降低，差異無統計學意義(P > 0.05)。結果見圖 5。
圖5
膈肌放電振幅×膈肌放電頻率變化趨勢圖
與對照組比較，*
討論
機械通氣作為呼吸衰竭的搶救和治療手段，在臨床中廣泛應用。在美國，統計學調查顯示，每年約有800 000人次使用機械通氣，特別是重癥監護患者，約有33%~40%需要機械通氣6~7 d[4]。在機械通氣伊始，就應努力創造條件及時撤機，因為機械通氣在挽救生命的同時，也會導致眾多危害，例如呼吸機相關性肺炎[5]、系統性炎癥反應綜合征(SIRS)、多器官功能障礙綜合癥(MODS)[6]、呼吸機誘導性肺損傷(VILI)[7]以及機械通氣誘導的膈肌功能不全(VIDD)等[8-10]。因此，及時撤機既是機械通氣治療的最終目的，也是臨床工作面臨的重要挑戰。眾多關于機械通氣對膈肌功能影響的研究多集中在膈肌肌纖維萎縮及蛋白水解上[11-12]，表明機械通氣會導致膈肌功能障礙，但是目前對機械通氣短時間內對膈肌放電的影響以及變化趨勢還不是十分清楚。
在我們的實驗中，給予大鼠4 h機械通氣，期間連續監測膈肌放電頻率。從實驗結果不難發現，膈肌放電頻率在大潮氣量組明顯減慢，而在小潮氣量組卻無明顯變化，即大潮氣量機械通氣會引起大鼠呼吸頻率降低，表現為呼吸運動受抑；同樣有研究證實，膈肌放電振幅×膈肌放電頻率的變化也可以用來間接評價呼吸中樞驅動能力的變化[13]，且膈肌肌電較食管內壓更能反映中樞驅動[14]。實驗結果表現為，大潮氣量組大鼠膈肌放電振幅×膈肌放電頻率較對照組在實驗過程中稍有升高趨勢，但差異無統計學意義，而小潮氣量組卻有顯著差異，這表明小潮氣量機械通氣可以興奮呼吸中樞，增強膈肌放電，從而加強呼吸運動；并且在機械通氣結束時小潮氣量組大鼠膈肌放電振幅×頻率還呈上升趨勢，而大潮氣量組已經開始下降，如果進一步增加機械通氣時長，大潮氣量組大鼠可能會出現膈肌收縮性能的持續下降。課題組前期有研究表明，不同潮氣量機械通氣會導致大鼠呼吸中樞離子通道表達量發生變化，這是否會進一步導致呼吸中樞驅動力的變化，進而引起膈肌放電頻率及膈肌放電振幅×膈肌放電頻率的變化還有待進一步探究。
同樣，在監測膈肌放電指標變化的同時，肺損傷也不容小覷。早在19世紀，Dreyfuss等[15]就強調潮氣量的選擇是機械通氣引起肺損傷的最重要的獨立危險因素。有研究顯示ARDS患者在進行機械通氣開放和關閉肺泡腔的過程中，機械牽張力會損傷肺泡壁，導致肺水腫及透明膜的形成，出現進一步肺損傷[16]。在我們的實驗過程中，大潮氣量組大鼠生理指標較小潮氣量組來說變化顯著，表現在血氧飽和度和呼氣末二氧化碳均降低；而在肺組織病理中也發現大潮氣量機械通氣組大鼠較對照組及小潮氣量組大鼠肺損傷嚴重，而小潮氣量組與對照組之間沒有明顯差異。病理表現為大鼠肺部毛細血管破裂，滲透性增加，肺水腫出現，肺泡間隔增厚，炎癥細胞浸潤，透明膜形成，這會影響大鼠肺部正常氣體交換，從而導致大鼠體內缺氧，血氧飽和度下降，而CO2因溶解度大且大鼠機械通氣的分鐘通氣量大，反而使PetCO2降低。CO2是中樞化學感受器興奮呼吸中樞的重要分子，但大潮氣量組由于過度通氣，導致對呼吸中樞的興奮作用進一步降低，這也可能是大潮氣量組大鼠膈肌放電振幅×頻率降低的一方面因素。而相比之下，小潮氣量機械通氣可以更好地保證血O2及血CO2的穩定。
本研究的創新點在于：(1)?對機械通氣大鼠膈肌放電進行連續監測，有時間延續性，可以將它們之間的資料進行重復分析。(2)?橫膈神經阻斷會導致膈肌出現去神經性功能和結構變化[17]。我們實驗中未阻斷膈神經，防止了去神經萎縮的可能性，所以膈肌變化并不是單純阻斷神經支配，而是整體作用的結局。(3)?我們使用膈肌肌電信號可以直觀體現中樞神經對于膈肌的驅動作用，而多數實驗使用的評價指標是跨膈壓(Pdi)，這是將電活動的信號轉化成了壓力信號[18]。
綜上所述，不同潮氣量機械通氣對大鼠膈肌放電的影響不同，小潮氣量機械通氣可以興奮呼吸中樞，增強膈肌放電，而大潮氣量則表現為抑制，具體原因有待進一步研究證實。而且，大潮氣量機械通氣會導致大鼠血氧飽和度及PetCO2的降低，影響生理環境穩定。相比之下，小潮氣量機械通氣才是更優的選擇，這也為臨床機械通氣模式的選擇提供了生理學依據。
機械通氣是危重患者的急救及生命支持手段，既可以改善患者氧合，維持基本生理狀態，也可為進一步搶救及治療贏得時間[1]。但是隨著機械通氣時間延長，患者發生撤機困難的比例增加，這不僅與膈肌萎縮和膈肌無力引起的呼吸機相關膈肌功能障礙(VIDD)[2]有關，還與呼吸中樞驅動性下降有關。膈肌是最重要的吸氣肌，提供靜息狀態下約60%~80%的肌力[3]，因此膈肌的興奮性狀態改變直接影響呼吸運動。目前對機械通氣不同模式對膈肌放電的影響還不是十分清楚，為此我們進行了不同潮氣量機械通氣對大鼠膈肌放電的影響的相關研究，以利于更好地理解機械通氣對呼吸運動的影響。
材料與方法
一 實驗動物和分組
24只健康成年雄性SPF級SD大鼠，體重350~400 g，由北京聯合利華實驗動物中心提供，在北京大學第一醫院動物實驗中心飼養，研究經過北大醫院動物倫理委員會通過。大鼠隨機分為三組(n=8)，均給予4 h機械通氣：(1)大潮氣量組：潮氣量(VT)=10 mL/kg，呼氣末正壓(PEEP)=0；(2)小潮氣量組：VT=5 mL/kg，PEEP=0；(3)對照組：麻醉后自主呼吸。三組大鼠均呼吸正常氧氣濃度的室內空氣，機械通氣組大鼠呼吸頻率通過經皮血氧飽和度(SpO2)進行調節，使其維持在86%以上。
二 方法
1.機械通氣和膈肌肌電監測：予12%烏拉坦(1.2 mL/kg)腹腔注射麻醉。實驗組大鼠氣管切開并插管，連接HX-300小動物呼吸機，按設定潮氣量機械通氣；左頸總動脈插管，連續監測血壓；右側股靜脈內插管補液；剪開劍突下皮膚，用針形電極插入膈小肌，但不要扎穿，連接多導生理儀監測并記錄膈肌肌電狀況，分別在機械通氣0、2、4 h時監測10 min膈肌肌電。對照組麻醉后進行上述置管及膈肌肌電監測操作，但不給予機械通氣，任其自主呼吸。為避免監測膈肌肌電過程受到呼吸機輔助呼吸影響而不能完全反映大鼠自身的呼吸狀況，所以在肌電監測期間暫停機械通氣，取膈肌放電恢復正常后的10個連續呼吸循環進行分析。
2.主要監測指標：監測膈肌肌電(圖 1)、SpO2、呼氣末二氧化碳分壓(PetCO2)、呼吸頻率和平均動脈壓(MAP)。
圖1
膈肌肌電圖
陰影面積代表膈肌放電面積
三 統計學處理
采用SPSS 20.0統計軟件進行統計分析，數據以x±s表示，生理指標前后變化進行自身配對t檢驗，肌電指標采用重復測量因素的方差分析進行組間及組內數據比較。均采用雙側檢驗，P < 0.05為差異有統計學意義。
結果
一 生理指標
實驗前各組大鼠呼吸頻率、SpO2、PetCO2及MAP均在正常范圍內，且各組之間差異無統計學意義(P > 0.05)。實驗過程中，各組大鼠生理指標有輕微變化。實驗結束后，大潮氣量組大鼠SpO2及PetCO2有所下降(P=0.042，P=0.003)，對照組及小潮氣量組大鼠各生理指標均沒有顯著變化。結果見表 1。
表1
大鼠生理指標
圖2
三組大鼠肺組織病理像
A：對照組；B：小潮氣量組；C：大潮氣量組
二 病理指標
大潮氣量機械通氣組大鼠肺組織較對照組及小潮氣量組可見明顯病理變化，包括肺泡膨脹，且有肺泡漂浮征出現；肺泡上皮有彌漫性損傷，肺泡間隔水腫增厚；可見肺泡上皮表面有粉紅色膜狀物，即透明膜形成；還可見肺泡壁及間質組織中有大量炎癥細胞浸潤。
三 膈肌放電指標
1.膈肌放電頻率：機械通氣初始時三組大鼠呼吸頻率差異無統計學意義(F=1.550，P=0.461)。在機械通氣整體過程中，大潮氣量組呼吸頻率較對照組減慢[(68.17±9.62)次/min比(90.71±15.72)次/min，P=0.001]，較小潮氣量組減慢[(68.17±9.62)次/min比(88.83±12.05)次/min，P=0.004]。在各時間點，小潮氣量組與對照組之間均沒有顯著差異(P=0.766)。結果見圖 3。
圖3
膈肌放電頻率變化趨勢圖
與對照組比較，*
2.膈肌放電面積：機械通氣初始時三組大鼠膈肌放電面積差異無統計學意義(F=2.565，P=0.277)。在機械通氣整體過程中，大潮氣量組較對照組及小潮氣量組膈肌放電面積明顯增大[(25.440±4.037) μV·s比(17.193±4.491) μV·s，P=0.02；(25.440±4.037) μV·s比(14.640±4.697) μV·s，P=0.005]。大潮氣量機械通氣使大鼠膈肌放電面積逐漸增大，在機械通氣2 h升高有統計學意義(P < 0.001)，隨后又逐漸降低，但仍未降至初始水平[初始(19.38±4.10) μV·s比機械通氣4 h后(25.96±11.00) μV·s]，與初始水平比較，差異無統計學意義(P > 0.05)。結果見圖 4。
圖4
膈肌放電面積變化趨勢圖
與對照組比較，*
3.膈肌放電振幅×膈肌放電頻率(A×R)：機械通氣初始時三組大鼠A×R值差異無統計學意義(F=0.531，P=0.597)。大潮氣量組的A×R值與對照組無顯著差異[(13 836.76±416.00) μV·p/min比(12 195.48±488.67) μV·p/min，P=0.418]，但小潮氣量組較對照組明顯增大[(16 944.69±373.67) μV · p/min比(12 195.48±488.67)μV · p/min，P=0.039)]。大潮氣量機械通氣2 h后A×R值顯著(P=0.02)，而在4 h時稍有降低，差異無統計學意義(P > 0.05)。結果見圖 5。
圖5
膈肌放電振幅×膈肌放電頻率變化趨勢圖
與對照組比較，*
討論
機械通氣作為呼吸衰竭的搶救和治療手段，在臨床中廣泛應用。在美國，統計學調查顯示，每年約有800 000人次使用機械通氣，特別是重癥監護患者，約有33%~40%需要機械通氣6~7 d[4]。在機械通氣伊始，就應努力創造條件及時撤機，因為機械通氣在挽救生命的同時，也會導致眾多危害，例如呼吸機相關性肺炎[5]、系統性炎癥反應綜合征(SIRS)、多器官功能障礙綜合癥(MODS)[6]、呼吸機誘導性肺損傷(VILI)[7]以及機械通氣誘導的膈肌功能不全(VIDD)等[8-10]。因此，及時撤機既是機械通氣治療的最終目的，也是臨床工作面臨的重要挑戰。眾多關于機械通氣對膈肌功能影響的研究多集中在膈肌肌纖維萎縮及蛋白水解上[11-12]，表明機械通氣會導致膈肌功能障礙，但是目前對機械通氣短時間內對膈肌放電的影響以及變化趨勢還不是十分清楚。
在我們的實驗中，給予大鼠4 h機械通氣，期間連續監測膈肌放電頻率。從實驗結果不難發現，膈肌放電頻率在大潮氣量組明顯減慢，而在小潮氣量組卻無明顯變化，即大潮氣量機械通氣會引起大鼠呼吸頻率降低，表現為呼吸運動受抑；同樣有研究證實，膈肌放電振幅×膈肌放電頻率的變化也可以用來間接評價呼吸中樞驅動能力的變化[13]，且膈肌肌電較食管內壓更能反映中樞驅動[14]。實驗結果表現為，大潮氣量組大鼠膈肌放電振幅×膈肌放電頻率較對照組在實驗過程中稍有升高趨勢，但差異無統計學意義，而小潮氣量組卻有顯著差異，這表明小潮氣量機械通氣可以興奮呼吸中樞，增強膈肌放電，從而加強呼吸運動；并且在機械通氣結束時小潮氣量組大鼠膈肌放電振幅×頻率還呈上升趨勢，而大潮氣量組已經開始下降，如果進一步增加機械通氣時長，大潮氣量組大鼠可能會出現膈肌收縮性能的持續下降。課題組前期有研究表明，不同潮氣量機械通氣會導致大鼠呼吸中樞離子通道表達量發生變化，這是否會進一步導致呼吸中樞驅動力的變化，進而引起膈肌放電頻率及膈肌放電振幅×膈肌放電頻率的變化還有待進一步探究。
同樣，在監測膈肌放電指標變化的同時，肺損傷也不容小覷。早在19世紀，Dreyfuss等[15]就強調潮氣量的選擇是機械通氣引起肺損傷的最重要的獨立危險因素。有研究顯示ARDS患者在進行機械通氣開放和關閉肺泡腔的過程中，機械牽張力會損傷肺泡壁，導致肺水腫及透明膜的形成，出現進一步肺損傷[16]。在我們的實驗過程中，大潮氣量組大鼠生理指標較小潮氣量組來說變化顯著，表現在血氧飽和度和呼氣末二氧化碳均降低；而在肺組織病理中也發現大潮氣量機械通氣組大鼠較對照組及小潮氣量組大鼠肺損傷嚴重，而小潮氣量組與對照組之間沒有明顯差異。病理表現為大鼠肺部毛細血管破裂，滲透性增加，肺水腫出現，肺泡間隔增厚，炎癥細胞浸潤，透明膜形成，這會影響大鼠肺部正常氣體交換，從而導致大鼠體內缺氧，血氧飽和度下降，而CO2因溶解度大且大鼠機械通氣的分鐘通氣量大，反而使PetCO2降低。CO2是中樞化學感受器興奮呼吸中樞的重要分子，但大潮氣量組由于過度通氣，導致對呼吸中樞的興奮作用進一步降低，這也可能是大潮氣量組大鼠膈肌放電振幅×頻率降低的一方面因素。而相比之下，小潮氣量機械通氣可以更好地保證血O2及血CO2的穩定。
本研究的創新點在于：(1)?對機械通氣大鼠膈肌放電進行連續監測，有時間延續性，可以將它們之間的資料進行重復分析。(2)?橫膈神經阻斷會導致膈肌出現去神經性功能和結構變化[17]。我們實驗中未阻斷膈神經，防止了去神經萎縮的可能性，所以膈肌變化并不是單純阻斷神經支配，而是整體作用的結局。(3)?我們使用膈肌肌電信號可以直觀體現中樞神經對于膈肌的驅動作用，而多數實驗使用的評價指標是跨膈壓(Pdi)，這是將電活動的信號轉化成了壓力信號[18]。
綜上所述，不同潮氣量機械通氣對大鼠膈肌放電的影響不同，小潮氣量機械通氣可以興奮呼吸中樞，增強膈肌放電，而大潮氣量則表現為抑制，具體原因有待進一步研究證實。而且，大潮氣量機械通氣會導致大鼠血氧飽和度及PetCO2的降低，影響生理環境穩定。相比之下，小潮氣量機械通氣才是更優的選擇，這也為臨床機械通氣模式的選擇提供了生理學依據。
