Mechanical ventilation reduces rat diaphragm blood flow and impairs oxygen delivery and uptake

Crit Care Med 2012; 40:2858–2866

Robert T. Davis III, MS; Christian S. Bruells, MD; John N. Stabley, MS; Danielle J. McCullough, MS; Scott K. Powers, PhD, EdD; Bradley J. Behnke, PhD

一、研究背景

（一）机械通气时间延长可致呼吸机相关膈肌功能障碍

机械通气是治疗呼吸衰竭、脊髓损伤、药物中毒等危重症，维持肺泡通气的有效手段。然而，机械通气时间延长可致膈肌萎缩及收缩功能障碍，出现呼吸机相关膈肌功能障碍（ventilator-induced diaphragmatic dysfunction, VIDD），甚至导致脱机困难、病死率增加。

（二）VIDD的机制仍不明确

呼吸机相关膈肌功能障碍的机制目前仍不明确，但已知膈肌产生的活性氧（ROS）在膈肌萎缩、收缩功能障碍中发挥重要的作用。有假设提出机械通气时膈肌氧供下降，组织缺氧、线粒体ROS产生增加。

氧供需平衡是维持膈肌收缩功能正常的必要条件，氧供需失衡可能加重肌肉疲劳。机械通气时，呼吸负荷下降，膈肌血流减少。重症患者因心输出量重新分布以保证重要脏器灌注，膈肌灌注就进一步减少。然而，机械通气延长对膈肌血流或膈肌功能的影响目前仍不明确。

（三）研究目的

本研究建立机械通气的动物模型，观察机械通气时膈肌血流和氧供需的变化。

研究假设为1）机械通气延长导致膈肌血供和氧供进行性减少；2）机械通气延长导致氧供需失衡；3）电击导致膈肌收缩可致膈肌血流增加。

二、方法学

（一）动物选择

研究获得当地动物委员会批准。

41只雌性S-D大鼠饲养于23±2℃室内，日夜节律为12:12小时，大鼠自行进食水和食物。

（二）研究设计

为了评估机械通气过程中膈肌休息和收缩时血流及氧供需的变化，研究动物分成四部分。

实验1 监测不同阶段膈肌血流

应用放射性微球技术监测自主呼吸30分钟时、机械通气30分钟时和机械通气6小时的膈肌血流。组A（n=7）监测自主呼吸30分钟和机械通气30分钟时的膈肌血流；组B（n=8）监测机械通气30分钟和机械通气6小时的膈肌血流。

氧输送=动脉血氧浓度*血流。

血管电导系数=血流/平均动脉压。

实验2 监测不同阶段PO2m（定量氧供需关系）变化

应用燐光猝灭技术监测11只大鼠膈肌PO2m变化，评估自主呼吸转至机械通气30分钟时PO2m是否下降，机械通气6小时是否更进一步下降。

结合PO2m与血流计算膈肌氧耗。

实验3 检测不同时间段（机械通气30分钟及6小时）电击诱导膈肌收缩血流及氧耗变化（n=5）。

实验4 比较麻醉及机械通气时膈肌灌注（n=5）

监测自主呼吸及机械通气时（有或无电击诱导膈肌收缩）膈肌血流。

（三）机械通气及一般处理

动物麻醉后给予气管切开及机械通气，颈动脉插管监测平均动脉压并采血行血气分析，持续监测动脉血氧饱和度和呼气末PCO2。颈静脉置管输液及补充电解质。计算膈肌血流及氧耗。电极置入膈肌电击诱导机械通气30分钟及6小时后的膈肌收缩。

（四）统计学方法

    数据应用均数±标准差表示，以p<0.05表示有统计学差异。

三、研究结果

（一）控制通气后膈肌血流和血管电导系数下降

图1 自主呼吸或机械通气30分钟及6小时后的膈肌血流和血管电导系数

P<0.05 *与自主呼吸比较，+与机械通气30分钟比较

（二）机械通气导致膈肌PO2m和氧利用随时间延长而下降

 图2 图A显示某动物实验过程中膈肌PO2m变化

                                图B 显示自主呼吸、机械通气30分钟、6小时膈肌平均PO2m变化（n=11）

       P<0.05 *与自主呼吸比较，+与机械通气30分钟比较

（三）机械通气情况下，膈肌收缩时血流增多不明显，氧供需失衡

图3 静息及电击诱导收缩后膈肌血流变化

  P<0.05 *与自主呼吸比较，+机械通气30分钟与6小时比较，$与静息相同状态比较

图4 膈肌氧输送、消耗及氧摄取率变化

P<0.05 *与自主呼吸比较，+机械通气30分钟与6小时比较，$与静息相同状态比较

四、讨论

   研究的创新在于：1）膈肌血流和氧输送随机械通气时间的延长而下降；2）作为驱动氧从毛细血管弥散至细胞的唯一动力，PO2m也随机械通气的延长而减少；3）机械通气6小时膈肌收缩血流却未有增加；4）与机械通气开始时相比，机械通气6小时后肌肉收缩但氧消耗下降，以上均提示机械通气6小时膈肌氧供需失衡。

五、结论

机械通气6小时即可导致膈肌血流和PO2m下降，此时即使刺激膈肌收缩，膈肌血流和氧输送也未有相应增加，并出现氧供需失衡。提示氧输送减少在呼吸机相关膈肌功能障碍，甚至脱机困难的发生中占有重要地位。