呼吸机患者膈肌肌肉的超松弛肌球蛋白对膈肌功能衰退的影响

背景介绍

在重症监护病房（ICU）中接受机械通气的患者中，膈肌收缩力弱是一种常见问题。这导致患者脱机困难，增加了病死率，也带来了巨大的经济负担。尽管动物研究显示药物干预的潜在好处，但我们对其分子机制的理解仍不完整，因此目前尚无有效治疗方法来改善这些患者的膈肌强度。研究者们发现，约80%的接受机械通气的ICU患者在脱机时会出现膈肌功能衰退，传统上认为这是由于膈肌萎缩导致的，但超过50%的ICU患者并未出现膈肌萎缩，提示可能有其他因素在起作用。

来源介绍

这篇论文由Marloes van den berg、Zhonghua Shi、Wout J. Claassen等多名作者联合研究完成，主要作者隶属于Amsterdam UMC、Bispebjerg Hospital、University of Copenhagen等多所知名机构。该论文发表在2024年7月31日的《Science Translational Medicine》期刊上。

研究流程

为了解超松弛（super-relaxed, SRX）状态下的肌球蛋白如何影响呼吸肌功能，研究者对比了54位ICU患者和27位非ICU患者的膈肌活检样本。研究整合了肌纤维力学测量、X射线衍射实验、生化检测和临床数据。

研究对象及实验步骤

1. 样本收集：从参与研究的ICU患者和非ICU患者中分别收集膈肌活检样本。
2. 超微结构分析及X射线衍射实验：对样本进行肌纤维横截面积（CSA）、力学性能和SRX状态的检测。
3. 生化检测：通过蛋白质印迹法及质谱分析确定膈肌中的蛋白质表达水平和磷酸化状态。
4. 药物干预实验：研究者通过在试管内使用激活troponin（肌钙蛋白）的化合物来恢复膈肌纤维的收缩力。

主要发现

1. 肌纤维的收缩力降低：ICU患者的膈肌肌纤维在逐渐增加的钙离子浓度（[Ca2+]）下，其最大力（32μm）表现出明显降低，表明收缩力受损。
2. 超松弛肌球蛋白的增加：X射线衍射实验和生化检测发现，在ICU患者的膈肌中，超松弛肌球蛋白SRX状态显著增加，导致肌球蛋白与肌动蛋白的结合受阻，给予钙离子的激活反应弱于对照组。
3. 肌球蛋白调节轻链（RLC）磷酸化减少：线性混合模型分析显示，ICU患者膈肌中的RLC磷酸化显著降低，这可能是SRX状态增加的原因。
4. 药物干预的效果：使用CK-3825076和CK-3762601这两种激活肌钙蛋白的小分子化合物，被显示能够在体外恢复膈肌纤维中的收缩力。

讨论

研究结果表明，SRX状态是机械通气导致的膈肌功能衰退的重要机制之一。同样，对比了大腿前外侧肌肉（vastus lateralis）的样本和实验，发现SRX状态增加主要是膈肌特有的现象，而非全身的肌肉表现。

意义与应用价值

通过揭示SRX肌球蛋白在膈肌功能衰退中的作用机制，研究为开发新的治疗ICU患者膈肌衰弱的方法提供了重要的科学依据。药物干预实验的成功也提示，通过针对sarcomere蛋白质开发的新药物可以有效提高膈肌纤维的钙敏感性，从而有望帮助患者更顺利地脱机。

研究亮点

1. 机制揭示：首次系统性阐明了SRX状态的肌球蛋白在ICU机械通气导致的膈肌功能衰退中的作用。
2. 实验设计全面：结合了多个实验方法，整体分析了力学、生化和分子层面的信息。
3. 临床相关性强：研究结果具有直接的临床应用价值，有望优化ICU患者的脱机流程。

结语

这项研究揭示了机械通气条件下膈肌超松弛肌球蛋白增加的分子基础，并提出了通过激活肌钙蛋白的化合物恢复膈肌收缩力的新策略。这为开发新的治疗方式提供了重要的理论和实验证据，有望减轻ICU患者的病痛及经济负担。