PGC-1α介导亚低温治疗在呼吸机相关性膈肌功能障碍中的保护作用研究

Ventilator-induced diaphragm dysfunction (VIDD), an important cause of difficulty in ventilator weaning, is characterized by diaphragm muscle disuse atrophy and weakness. It has been demonstrated that oxidative stress is a key regulator of the development of VIDD. The peroxisome proliferator-activated receptor γ coactivator-1 alpha (PGC-1α) acts as a powerful inhibitor of reactive oxygen species (ROS) production, and its function deficiency contributes to the oxidative stress in skeletal muscle disuse atrophy. Our previous work found that (1) mild hypothermia therapy (MHT) was able to inhibit ROS production and attenuate VIDD in rats. (2) Transcriptome sequencing and identification at protein level suggested that PGC-1α mRNA and protein expressions were significantly decreased after mechanical ventilation (MV), whereas MHT up-regulated its expressions in ventilated rats. Therefore, we speculate that PGC-1α may be a potential target for MHT to inhibit oxidative stress in the diaphragm and then attenuate VIDD. In the present project, we will study the biological effects of PGC-1α and its regulatory mechanisms in VIDD at both animal and cell levels using techniques including gene knockdown and over-expression, etc. Furthermore, we aim to clarify the underlying mechanism by which MHT protects diaphragm against VIDD, and to provide new potential strategies for the clinical management of VIDD.

呼吸机相关性膈肌功能障碍（VIDD）是导致呼吸机撤机困难的重要原因，表现为膈肌的失用性萎缩与无力，其中氧化应激是其关键机制。转录共激活因子PGC-1α作为强效的活性氧（ROS）抑制因子，其功能缺失是骨骼肌失用性萎缩中氧化应激发生的重要原因。课题组前期研究发现：（1）亚低温治疗可显著抑制大鼠膈肌ROS生成并改善VIDD；（2）转录组测序和蛋白水平验证发现，机械通气后膈肌PGC-1αmRNA与蛋白表达均显著下调，而亚低温治疗则显著上调其表达。因此我们推测：PGC-1α可能是亚低温治疗抑制膈肌氧化应激继而改善VIDD的潜在作用靶点。本课题拟在动物和细胞水平，利用基因敲减与过表达等手段，研究VIDD中膈肌PGC-1α的调控机制与生物学效应，进而阐明亚低温治疗改善VIDD的分子机制，为临床上VIDD的防治提供新的思路。

呼吸机相关性膈肌功能障碍（ventilator-induced diaphragm dysfunction, VIDD）是指机械通气导致的膈肌失用性萎缩与无力，其在重症监护单元（ICU）机械通气患者中的发生率高达60%至80%。研究表明，膈肌作为主要的呼吸肌，在呼吸机成功撤机中发挥决定性作用，其功能障碍可导致撤机延迟甚至失败，严重影响患者预后。因此，VIDD逐渐成为国内外研究的热点问题。但因VIDD的发生机制尚未完全阐明，临床上仍缺少切实有效的防治手段。目前认为，氧化应激在VIDD中发挥重要作用。机制上，氧化应激主要通过加剧蛋白水解和抑制蛋白合成导致膈肌萎缩。同时也可通过氧化修饰肌动与肌球蛋白，对膈肌细胞产生直接损伤，造成收缩力下降。但机械通气诱导膈肌氧化应激的确切机制尚不清楚。因此，深入研究机械通气诱导膈肌氧化应激发生的分子机理，对于进一步理解VIDD的发病机制和探索防治措施具有重要意义。本研究在动物和细胞水平探讨了亚低温治疗在VIDD中的保护作用与机制。结果表明，亚低温治疗（33℃）可显著抑制机械通气大鼠膈肌ROS生成，并显著改善膈肌萎缩与无力。转录组测序和蛋白水平鉴定筛选发现，机械通气后膈肌PGC-1α表达显著下调，而亚低温治疗则显著上调其表达。此外，差异基因表达分析显示，机械通气后大鼠膈肌中催化ATP生成cAMP的腺苷酸环化酶（AC）基因表达显著下调，而水解cAMP的磷酸二酯酶（PDE）基因表达显著增加。此外，机械通气显著抑制膈肌PKA活化，而亚低温治疗显著上调PKA活化水平。深入研究进一步证实，（1）机械通气通过抑制cAMP/PKA/CREB信号通路活化下调膈肌PGC-1α表达，PGC-1α功能缺失致使ROS含量显著增加，氧化应激发生，加剧蛋白水解并抑制蛋白合成，导致膈肌萎缩和无力，最终表现为VIDD。（2）亚低温治疗通过抑制上述分子病理改变改善VIDD。