COPD中的膈肌肌纤维功能障碍（Part 1）
【摘要】
COPD患者的吸气肌无力具有重要的临床意义。对于严重COPD患者，最大吸气压是生存的独立决定因素。传统观点认为，吸气肌无力源自肺气肿导致的膈肌缩短。但近期研究发现，膈肌细胞和分子结构的改变可能是其病理本质。COPD患者膈肌纤维类型转变，Ⅱ型纤维转化为Ⅰ型纤维，使得膈肌的抗疲劳性更好，但同时膈肌肌力下降，可能导致膈肌无力。膈肌肌纤维产生的肌力下降与肌球蛋白含量降低有关。此外，COPD患者的膈肌存在氧化应激损伤和肌节损伤，这可能激活蛋白水解机制，引起收缩蛋白萎缩，进而导致膈肌纤维产生肌力的能力下降。有趣的是，这些病理改变在COPD早期（GOLDⅠ/Ⅱ）即已出现，即使患者尚未见日常活动能力下降。因此，针对轻-中度COPD患者膈肌功能的体内研究将是未来研究的重点。针对COPD膈肌功能障碍的治疗是复杂的，因为其病因仍不明确。但近期研究显示，对于肌肉萎缩（例如膈肌）的相关症状，蛋白酶体抑制剂具有良好前景。
【COPD膈肌的分子和细胞学改变】
1.膈肌纤维类型转变为氧化性Ⅰ型纤维
研究已证实，严重COPD患者的Ⅰ型纤维（慢收缩、抗疲劳纤维）比例增加，Ⅱ型纤维（快收缩、疲劳纤维）减少。亦有研究提示，这种转变在轻-中度COPD患者中已经发生。
2.COPD膈肌单纤维的功能障碍
a)收缩功能
Levine等的研究显示，严重COPD患者膈肌去膜纤维产生的肌力下降35%。我们的研究显示，这种下降在轻-中度COPD中也非常明显（25%）。肌纤维产生的最大肌力主要取决于肌球蛋白含量。COPD膈肌纤维的最大肌力下降与肌球蛋白含量降低30%相关（见Figure 1）。
最近的研究显示，在一定钙浓度下，COPD患者膈肌肌纤维产生的肌力/最大肌力小于非COPD患者，这提示，维持同样的肌力，需要更高的胞浆钙浓度，因此，Ca2+-ATP酶消耗的ATP更多。或者，在亚极量激活时，钙敏感性下降会影响膈肌肌力。
b)被动张力下降
为达到最佳收缩功能，肌节的被动弹性结构是必不可少的。与无COPD者比较，轻-中度COPD患者膈肌纤维牵拉时的被动张力更低。膈肌纤维的被动张力主要取决于肌联蛋白的特性。在COPD患者膈肌中，肌联蛋白的弹性结构区域PEVK（Pro-Glu-Val-Lys）外显子编码表达增加，导致肌联蛋白弹性片段延长，从而降低膈肌纤维的被动张力（Figure 2）。
3.膈肌萎缩：并不仅限于严重COPD
横截面积并不是肌肉萎缩的敏感指标。与无COPD的患者相比，严重COPD患者的膈肌纤维横截面积更小，但是这一差异未见于轻-中度COPD患者。而近期数据显示，轻-中度COPD患者Ⅰ型和Ⅱ型膈肌纤维中，均可见肌球蛋白显著减少（~30%），但肌纤维横截面积未见改变。肌球蛋白减少，单位横截面积产生的最大肌力下降。
4.COPD中的膈肌损伤
轻-中度COPD膈肌横截面未见损伤，但肌节长度变短。中-重度COPD患者，可见肌节断裂和Z线错位，出现内核和小角纤维，在对抗吸气负荷时更易导致肌节断裂，其敏感性较无COPD患者升高三倍。COPD急性加重时，膈肌负荷增加，肌节损伤增加，进一步削弱膈肌功能，最终导致呼吸衰竭。
Leo Heunks系列（8）：COPD中的膈肌肌纤维功能障碍（Part 2）
【COPD膈肌病理生理学改变】
COPD膈肌肌纤维类型的转变被认为是有益的，因为膈肌抗疲劳能力更强。事实上，严重COPD患者在最大通气时并未见膈肌疲劳，在力竭运动后膈肌疲劳也不常见。相反，膈肌单纤维的肌球蛋白减少、肌力产生能力下降，肌节损伤和氧化应激，是膈肌的病理性改变，将显著削弱膈肌肌力。
１.COPD患者的膈肌无力：体内vs体外
Levine等基于去膜纤维收缩力的数据来计算最大跨膈压，结果显示，严重COPD患者的最大跨膈压约为正常值的60%。膈肌细胞和分子水平的改变完全可以解释膈肌力量的下降。事实上，在同等肺容量时，部分COPD患者的最大跨膈压还高于健康受试者。但需要注意的是，胸腔内负压和跨膈压是吸气肌力量的间接测量方法（这些测量方法不仅依赖于肌肉功能，还与神经功能和神经肌肉传导功能密切相关），而体内直接测量膈肌收缩能力的方法难以获得。因此，为了阐明体内与体外膈肌功能的差异，有必要测量轻-中度COPD患者的跨膈压，同时联合评估中枢驱动、神经功能和神经肌肉传导。
２.COPD患者的膈肌萎缩：蛋白水解、氧化应激、肌节损伤之间的关系
目前观点认为，蛋白水解加速（通过泛素－蛋白酶体途径）导致COPD膈肌肌球蛋白丢失，是膈肌无力发病机制的第一步。
COPD患者在吸气负荷时，易导致额外的膈肌肌节损伤。肌联蛋白可将粗肌丝维持在中心位置，在维持肌节的结构和机械稳定性方面发挥主要作用。肌联蛋白的刚性下降，可能引起膈肌肌节结构失去稳定，导致粗肌丝错位和无法应对肌节长度不均。严重COPD患者中，这种肌节的过度拉伸可能导致膈肌肌节损伤。
此外，我们推测，在严重COPD患者的膈肌肌节中，氧化蛋白含量升高，会导致膈肌损伤的敏感性增加。氧化蛋白的结构完整性和功能被破坏，被认为是蛋白酶体降解的底物。这些微小的结构改变可能已经存在于轻-中度COPD患者，且通过加速蛋白酶体介导的蛋白水解，导致收缩蛋白功能障碍和肌球蛋白丢失。
３.COPD膈肌损伤后的再生？
肌肉损伤通常伴随炎症反应，随后可见肌肉再生，以防止肌肉量的丢失。虽然COPD患者存在广泛而明显的膈肌纤维损伤，但并未见炎症细胞的浸润。Nguyen等发现，严重COPD患者中，胚胎/新生肌球蛋白重链（MHC）表达减少。正常情况下，肌肉损伤和再生时可见MHC增加，因此COPD患者的胚胎/新生MHC应增加。虽然仍有待探讨，目前的数据提示COPD患者膈肌损伤后的再生反应并不充分。肌肉损伤后再生的关键特征是：卫星细胞激活，增殖为成肌细胞，最后分化为新的肌肉组织代替损伤/变性的组织。未来的研究重点应是了解卫星细胞的增殖和分化能力。
４.COPD膈肌蛋白合成减少
肌联蛋白对于维持肌肉量非常关键。此外，肌联蛋白具有牵张感受器功能，肌联蛋白的刚性可调节肌肉重塑和基因表达（通过一个信号通路，来连接肌联蛋白激酶结构域的活性和细胞核转录活性）。在早期发展为呼吸衰竭的先天性肌病患者中，肌联蛋白激酶结构域的机械应力下降，导致肌肉相关的基因转录下调，最终导致收缩蛋白丢失和肌肉无力。以下的病理生理假设十分有趣：轻-中度COPD患者膈肌的肌联蛋白刚性降低，激酶结构域活性下降，从而导致肌联蛋白和细胞核之间的信号丢失，最终导致肌肉特异性的基因转录下调（Figure 3）。这些病理生理改变能影响收缩蛋白合成，导致膈肌肌球蛋白丢失。
【COPD膈肌无力的病因】
确定COPD膈肌病理性改变的触发点，将会成为未来研究的主要目标。关于膈肌萎缩和无力的触发点和路径，我们提出以下两种假设（Figure 4）。
１.长期负荷导致膈肌无力：机械性假说
膈肌收缩活动增加是COPD膈肌改变的潜在触发点，自由基参与其中。自由基可以通过剂量依赖/时间依赖的方式，改变蛋白结构、损伤收缩蛋白功能、激活泛素-蛋白酶体通路。严重COPD的膈肌收缩活性长期增加，可见膈肌的氧化应激反应。但令人惊讶的是，关于轻-中度COPD膈肌收缩活性的研究极少。且极少评估这类患者的氧化应激标记物，当然，氧化蛋白的变化可能太微小而难以发现。因此，将来的研究应确定轻-中度COPD患者的膈肌收缩活性，并确定其是否在膈肌无力中发挥重要作用。
２.全身炎症/氧化应激导致膈肌无力：全身性假设
静息状态下，COPD患者的细胞因子（IL-6、肿瘤坏死因子-α）水平升高，一些研究认为这将导致营养不良。动物实验显示，细胞因子启动横纹肌的损伤过程，损伤收缩蛋白的功能，并通过泛素-蛋白酶体途径刺激蛋白水解。细胞因子可选择性作用于肌球蛋白，启动恶病质相关的肌萎缩。可以推测：轻-中度COPD患者膈肌中细胞因子表达增加，导致肌节损伤、蛋白修饰和降解，但是膈肌和外周肌肉的反应并不相同。因此，了解轻-中度COPD患者细胞因子的情况，将有助于我们了解细胞和分子水平的病因。
【临床角度】
膈肌萎缩在COPD患者膈肌收缩功能障碍中起重要作用。由于膈肌萎缩的病因复杂且存在诸多未知，很难确定治疗目标。但是很可能，泛素-蛋白酶体途径激活，蛋白水解增加，导致肌肉萎缩。因此蛋白酶体活性抑制剂可能具有潜在治疗价值。但是需要注意的是，泛素-蛋白酶体途径只降解损伤和错误折叠的蛋白，抑制蛋白酶体活性可能导致损伤蛋白积累，最终导致细胞死亡。理论上，抑制E3-连接酶而非蛋白酶，是个理想的治疗目标，因为E3-连接酶抑制剂具有很高的底物和组织选择性。目前，尚无泛素-连接酶抑制剂应用于临床。
另一个可能的治疗策略是，阻断肌肉本身的损伤。近期的动物实验证实了阻断筒箭毒碱（肌肉生长抑制剂）对改善肌肉无力的效果。筒箭毒碱是重要的横纹肌生长调节因子，其缺乏可以导致小鼠肌肉含量显著增加。脱乙酰基酶抑制剂可诱导卫星细胞中肌肉生长抑制素拮抗剂follistatin的表达，从而减弱原发基因缺陷导致的形态和功能改变。经过该抑制剂治疗后，卫星细胞中胚胎型肌球蛋白重链表达增加，肌管形成更早且体积增大，肌力产生能力和肌肉形态得到恢复。
参考文献：Ottenheijm CA, Heunks LM, Dekhuijzen PN. Diaphragm muscle fiber dysfunction in chronic obstructive pulmonary disease: toward a pathophysiological concept. Am J Respir Crit Care Med. 2007 Jun 15;175(12):1233-40.
