了解呼吸机诱导肺损伤的机制

介绍

虽然机械通气在许多临床情况下都能带来益处，但它也会造成肺部结构损伤，即呼吸机诱发肺损伤（VILI）和血流动力学不稳定。这与机械通气的一系列潜在有害影响是一致的，包括炎症浸润和血管通透性增加、透明膜形成和肺水肿。在机械通气过程中，即使血气交换令人满意，患者也可能死亡。

与VILI相关的四种主要损伤机制如下：由于过度拉伸肺组织而引起的气压伤/容积伤；由肺泡重复开闭引起的塌陷性损伤，导致剪切应力；以及生物损伤，即对组织损伤的生物反应，从而导致肺部和多器官功能衰竭。

不同的静态变量（峰值压力、平台压、驱动压、呼气末正压和潮气量）和动态变量（呼吸频率[RR]、气流振幅和吸气时间分数）可以对这些VILI机制起作用。此外，肺损伤的潜在性取决于组织的易受伤性、每单位时间施加的能量（机械功率）以及持续暴露的时间。本综述讨论了实验性VILI的优点和局限性，阐明了VILI发病机制、进展和缓解的机制，并分析了可以减轻VILI的策略。

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与VILI相关的静态通气变量

气道峰压（Ppeak,RS）、平台压（Pplat,RS）、呼气末正压（PEEP）、驱动压（∆P,RS）和潮气量（VT）是与VILI相关的静态通气变量（图1）。

图1，导致呼吸机诱发肺损伤（VILI）的静态和动态通气变量。DP 驱动压、Ppeak 峰值气道压、PEEP 呼气末正压、Pplat 平台压、VT 潮气量

气道峰压

在压力控制通气（PCV）中，Ppeak,RS是吸气期间的最大压力，取决于弹性和阻力成分（气道、肺组织）以及设备（气管插管直径和长度）。与容量控制通气（VCV）相比，PCV通常具有较低的Ppeak,RS，这是由于不同的流速曲线造成的，但当VCV中使用渐进流选项时，这种差异就不那么重要了。1974年，Webb和Tierney展示了用高Ppeak,RS（45 cmH2O）和零PEEP通气的健康大鼠出现血管周围和肺泡水肿、肺过度充气和气压伤。另一方面，Ppeak,RS为45 cmH2O，PEEP为10 cmH2O时没有产生水肿。2017年，Katira等人复制了Webb和Tierney的经典研究，以阐明这些不同的反应，重点关注健康大鼠中心-肺相互作用。他们发现，高Ppeak,RS损害右心室充盈和肺灌流，导致右心室功能衰竭和扩张。这种情况与内皮细胞损伤和毛细血管应力失败一致，可能促进蛋白质和水分向肺泡的微血管渗漏，导致高通透性肺水肿。因此，这项临床前研究表明，应避免增加Ppeak,RS值，以防止心-肺相互作用产生不良影响。

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平台压

Pplat,RS是在吸气末停止气流的时期计算的，反映了吸气末肺泡的压力。Pplat,RS可以受潮气量和呼吸系统顺应性（C,RS）的变化影响，但不会受气流和气道阻力的变化影响。在通过高渗溶液引起的肺损伤模型中，研究了四个不同水平的Pplat,RS（15、20、25和30 cmH2O）对蛋白质对肺泡-毛细血管屏障的通透性的影响。Pplat,RS在20至25 cmH2O之间与上皮细胞和内皮细胞损伤以及通透性增加相关。

由于Pplat,RS可以受胸壁特性的影响，需要从呼吸系统中减去胸壁成分，从而得到与VILI发展相关的跨肺平台压（Pplat,L）。将Pplat,RS限制在≤ 28 cmH2O被发现可以有效降低过度充气的风险，并得到广泛接受。

呼气末正压

呼气末正压（PEEP）反映了保留在气道中的呼气末压力，从而反映了呼吸系统的静态预负荷。低水平的PEEP可能不足以减少肺泡塌陷和肺水肿。然而，较高的PEEP可能导致肺过度充气，在肺部更具顺应性的区域和血流动力学方面产生损害。如何在ARDS实验模型中最佳设置PEEP仍然具有挑战性，并且迄今已经描述了以下策略：根据氧合、呼吸系统顺应性或驱动压力、跨肺压（食道压）和影像学（计算机断层扫描、电阻抗成像）来调整PEEP。然而，关于临床ARDS中最佳的PEEP使用存在争议；它应根据每个患者的肺功能（动脉血气和力学特征）、影像学结果（可复性程度）和表型（低炎症与高炎症）进行设置。

呼吸系统的驱动压

∆P,RS被定义为Pplat,RS-PEEP或将VT归一化到C,RS ，而∆P,L则被定义为吸气末和呼气末的∆P,L之间的差异。∆P,L可以计算如下：

ΔP,RS和ΔP,L均与压力和应变呈正相关。在内毒素诱导的 ARDS 实验中，使用不同的 VT 和 PEEP 组合来产生一定范围的 ∆P,L 。即使在肺泡塌陷的情况下，6 ml/kg的 VT 与最低 PEEP 和 ∆P,L 的组合也能将 VILI 降到最低，从而将氧合维持在正常范围内。与这些结果一致，Güldner 等人观察到，与容积伤策略相比，不张伤导致的炎症更少（图 2）。这种使塌陷肺保持闭合的策略被称为 "允许性肺不张"。

图2.在实验性ARDS中，呼气末正压逐渐增加的情况下，使用低潮气量（VT = 6ml/kg）进行机械通气时的呼气和吸气肺形态学。在低VT和低PEEP的情况下，充气的肺部（婴儿肺）被通气，而塌陷的肺部则处于休息状态。随着PEEP逐渐增加，在低VT时，肺塌陷区域减少，过度膨胀区域增加，肺泡异质性和摆动现象出现；这些区域集中在塌陷的单位周围，这些单位承受最大的肺应力。在最高PEEP时，肺塌陷区域减少，尽管肺过度膨胀仍然增加，但肺应力的程度和对肺组织的生物影响减少，因为不再观察到与摆动相关的区域。

潮气量

实验模型还有助于确定过度膨胀而非单纯的吸气压力导致了肺损伤，产生了容积伤。在这个背景下，Dreyfuss等人报道了动物在使用高潮气量（40ml/kg）通气时出现肺水肿，但当大鼠通过在腹部和胸部使用绷带来增加气道压力、减少潮气量（19ml/kg）进行通气时，肺水肿并未发生。

使用低潮气量（4-6ml/kg）的机械通气会引起气道和肺单位的反复开闭，促进上皮细胞损伤、透明样膜形成和肺水肿，这被称为肺萎陷伤。有趣的是，在ARDS中考虑到“婴儿肺”，在萎陷区域的剪切应力比充气和萎陷肺部区域之间的边缘受力引起的肺损伤要小（降低4-5倍）。

最近，Felix 等人的研究表明，在实验性 ARDS 中，如果 VT 的增加足够缓慢，以逐步（0.5 ml/kg/分钟）减少机械异质性，并让肺上皮细胞和内皮细胞以及细胞外基质适应，则可减轻高 VT（22 ml/kg）造成的肺损伤。相反，延长适应期（0.25ml/kg/分钟）会增加累积功率，但并不能防止肺损伤。

与VILI相关的动态呼吸机变量

与VILI相关的动态呼吸机变量包括呼吸频率（RR）、吸气流速以及吸呼时间比（图1）。

呼吸频率

虽然潮气量通常被设置为与肺容积相匹配，但呼吸频率（RR）通常被设置为维持适当的分钟通气量并满足患者的代谢需求。与其他呼吸机变量相比，RR在引起肺损伤的潜在变量中受到了相对较少的关注。然而，当肺部存在不均匀充气，如正常肺和双重打击VILI模型所示，高呼吸频率可以放大微小的应力和区域应变，从而导致VILI。这种现象被证明与肺部充气程度有关。最近，在实验性ARDS的大鼠中，研究了不同呼吸频率增加速度下胞外基质、上皮细胞和内皮细胞适应的机制。动物在保护性通气期间接受突然或不同渐进增加的呼吸频率。较长的RR适应期导致的肺损伤较少，与突然增加RR相比。通过促进呼吸频率的渐进增加，肺泡单位保持开放，并更好地适应应力（减少气道压力），对于相同的应变（潮气量）。另一方面，通过促进呼吸频率的突然增加并缩短吸气时间，只有快速肺泡单位保持开放，这可能导致肺过度膨胀、更多的异质性和肺损伤。因此，更好地适应应变的快速肺泡单位倾向于过度膨胀。经过复张动作后，慢速肺泡单位的比例趋于减少，肺泡单位发生萎陷的倾向也下降，这可能减少了区域性潮气量应变和异质性。

吸气流速

在某些通气模式下，吸气气流也可以进行调整，这也是VILI的潜在原因之一。呼吸支气管细胞上方的剪切应力增加会导致损伤。在这种情况下，现场实验显示，在生理范围内，健康的肺能够承受各种肺泡开放速度下的剪切应力（15 dyn/cm2）。然而，对于粘度增加的肺泡内液体的肺，剪切应力可能会增加数个量级，足以引起上皮细胞损伤。一些报告将高吸气气流轮廓与气体交换、呼吸功、心血管功能和肺损伤联系起来。不仅吸气气流振幅可能有害，而且气流波形（例如，恒定与减速）可能是ARDS中相对被忽视且可调节的VILI风险决定因素之一。

呼气气流：关注呼气过程

传统上，在控制机械通气过程中，呼气阶段比吸气阶段受到的关注要少。然而，传统通气模式下呼吸系统的被动减压容易导致远端气道关闭和肺萎陷形成。然而，在所谓的 "流量控制通气"（FCV）中，吸气和呼气时的气流受到主动控制并保持恒定，而气道压力则在峰值压力和呼气末压力之间交替变化，从而形成一个三角形的气道压力曲线。因此，FCV 避免了零流量条件。与传统通气相比，FCV 在改善生理功能的同时，还能减少 VILI。此外，Wittenstein 等人的研究还表明，与单肺通气时的 VCV 相比，无论液体状态如何，FCV 都能降低机械功、，这主要是由于阻力成分所致。通过积极控制呼气阶段，可以防止出现内源性 PEEP，从而促进不同时间常数的肺泡更好地呼气。在最近的一项临床前研究中，Busana 等人将健康猪随机分为对照组和阀门组，通过可变阻力器控制呼气流量，但所有猪都在相似的 VT、PEEP 和吸气气流条件下通气。在呼吸力学、气体交换、血流动力学、干湿比和组织学方面没有观察到差异，而与使用可变阻力器的猪相比，对照组呼气末肺阻抗的下降幅度明显更大。作者总结说，呼气流量的减少主要发生在气管导管上，部分发生在呼吸系统中。可变阻力器在呼气阶段的有益效果可能还取决于基线肺的异质性和损伤情况。

吸呼时间比的影响

在轻度ARDS模型中，使用增加吸呼时间比（2:1）的机械通气会导致与炎症和肺泡上皮细胞损伤相关的生物标志物基因表达增加，而减少吸呼时间比（1:2）则会增加内皮细胞损伤标志物的表达，而吸呼时间比为1:1可以使肺损伤最小化。类似的结果也在另一项临床前研究中观察到，该研究使用高潮气量和延长吸气时间。

机械功作为VILI发展的核心

机械功（MP）是从呼吸机传递到呼吸系统的机械能量，被认为是导致呼吸器官损 伤的统一驱动因素。

      在2016年的文献中，提到了以下机械功（MP）的计算公式：

并非所有能量的三个压力分量（弹性、阻力和PEEP分量）与呼吸频率的组合都具有相同的危险性。加倍呼吸频率将使机械功率增加1.4倍，加倍呼气末正压（PEEP）将使机械功增加两倍，而加倍潮气量（VT）将使机械功率增加四倍。跨肺机械功率的增加与VILI的发展相关。此外，即使在低潮气量情况下，高机械功率也会促进VILI的发生。简而言之，必须同时考虑MP的所有组合变量。在一项猪实验中ARDS的研究中，机械功与肺部中性粒细胞炎症呈正相关，这是ARDS发病机制的主要因素之一。已经描述了不同的MP公式。最简化的版本基于经典的运动方程：

        该公式计算了三个分量，即静态PEEP×容量、弹性和阻力；其他公式只计算弹性和/或阻力分量。是否应该在机械功率公式中包括静态PEEP×体积分量是一个备受争议的话题。

另一个争议的焦点是相比于在短时间内（例如1分钟）测量机械功，计算在相关时间范围内的累积机械功是否更具临床意义，这很可能更好地反映了受试者暴露在特定机械功下的时间。累积机械功已经在临床前研究中被提出。在实际操作中，将累积机械功变量包括在不同类型的机械通气中可行。累积机械功将反映：（1）自有创机械通气的第一分钟起的所有机械功值；（2）不仅是传递给患者肺部的机械功总量，还包括机械功的施加速度；（3）识别是否超过了损伤应变阈值；（4）对最具有损害性的通气参数进行全面评估，目前尚未得到充分认识，例如每分钟通气量；（5）测量机械功和预期机械功之间的比率等。目前尚不清楚机械功、累积机械功还是针对肺容积进行归一化的机械功（即强度）更能准确反映或预测VILI，但已在不同的实验研究中进行了调查。

不同步的患者-呼吸机交互作用作为VILI的因素

先前的研究表明，严重的患者-呼吸机不协调（SVA），即患者的呼吸努力与呼吸机提供的支持不匹配，与重症监护病房患者的临床结果恶化有关，并且可能通过增加跨肺压和震荡气流引起VILI。然而，目前尚不清楚严重的SVA是否直接导致VILI，还是仅是症状或标志物而非因果因素。一项针对实验性ARDS机械通气猪的研究对此进行了调查。在该研究中，通过随机变化呼吸参数积极引发了SVA（无效、自动触发或双触发），并与辅助通气和控制通气进行比较。结果发现，12小时的严重SVA并未增加组织学评估或生物标志物表达所评估的肺损伤，质疑了SVA直接与VILI相关的概念，至少在遵守肺保护性通气设置的情况下。然而，最近的一项不同的研究显示了相反的结果。在肺表面活性物质耗竭的兔子中，通过激活膈神经诱发了SVA 。呼吸堆积与高潮气量和吸入性肺压力相关，并导致肺部和膈肌损伤，而反向触发则导致膈肌损伤。这与先前的研究结果不一致可能是由于不同的方法学方法和通气机设置造成的，特别是关于呼气末正压（PEEP）。关于SVA与VILI及临床结果的关系仍需进一步研究，但目前的文献表明，SVA不一定会直接引起VILI。

总结

根据目前的实验证据，提出了以下保护肺部的策略：保持肺部部分塌陷（SaO2 > 88%），避免打开和关闭塌陷的肺泡，对通气区域轻柔通气，同时保持塌陷和实变区域处于静止状态。此外，累积功和强度以及损伤阈值（潮气损伤开始时的应力-应变水平）等新机制也在实验研究中，这可能会加深对 VILI 的理解。

来源：Understanding the mechanisms of ventilator-induced lung injury using animal models.Silva et al.Intensive Care Medicine Experimental (2023) 11:82.https://doi.org/10.1186/s40635-023-00569-5.斌哥话重症

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