机械通气与呼吸机诱导肺损伤的风险相关。对于减少机械通气患者的肺损伤，小潮气量和呼气末正压的应用已成为临床标准。最近，一种基于线性气道压力下降和呼气期间呼气流量减速的方法暗示了肺保护能力。我们假设平滑即正弦气道压力曲线的通气可进一步改善通气效率和肺保护。在两个肺损伤大鼠模型中，我们比较了机械通气与正弦气道压力曲线（SINE）在气体交换、呼吸系统顺应性和组织学方面与常规容积和压力控制通气（VCV和PCV）以及具有流量控制呼气（FLEX）的VCV的影响，Tween(非离子型表面活性剂)诱导的表面活性剂耗竭和高潮气量机械通气。在两种肺损伤模型中，与VCV、PCV和FLEX相比，SINE通气能更有效地消除二氧化碳和血氧，改善呼吸系统顺应性，降低肺泡壁厚度。气道压力分布的优化可能为肺保护性机械通气提供一种新的方法。
尽管机械通气是重症监护医学中的一种挽救生命的疗法，但它不是治疗性的，而是“争取时间直至因果疗法变得有效”。尽管如此，机械通气本身与呼吸机诱导肺损伤的风险相关。肺保护性机械通气的策略如应用小潮气量或呼气末正压(PEEP)已在临床实践中得到公认。然而，它们分别受到患者气体交换需求和容积创伤风险的限制。因此，需要肺保护性机械通气的先进策略。
流量控制呼气(FLEX)是一种新的机械通气方法，通过将容量控制通气(VCV)的吸气与呼气期间的线性递减压力过程相结合实现，而不是传统通气模式的几乎即时的指数压力衰减特性。在我们小组的研究中，这种线性化呼气与肺保护作用相关。这意味着通气模式的气道压力曲线包含肺保护能力。在这方面，最有希望的特征是呼气流量特征平滑的特征，这可能提供呼气期间的额外复张。因此，我们假设使用受控正弦气道压力曲线(SINE)进行通气可进一步改善通气效率和肺保护。
因此，我们在两种单独的肺损伤动物模型中比较了SINE和FLEX与常规VCV和压力控制通气（PCV；图1相应的压力和流量曲线）对气体交换、呼吸系统力学和肺组织组织学的影响，即Tween诱导的表面活性剂耗竭（Tween）和高潮气量通气(HTVV)。
图1容量控制通气(VCV)、压力控制通气(PCV)、VCV + 流量控制呼气(FLEX)和正弦气道压力曲线(SINE)的气道压力(a)和流量曲线(b)。垂直虚线将吸气(In)与呼气(Ex)分开。
方法
动物实验。所有动物实验和相关方法均经批准，并按照当地动物保护委员会(德国弗莱堡大学伦理委员会，许可证号：G-14/116)。住房和动物护理程序在德国弗莱堡大学医学中心进行，符合欧洲指令2010/63/EU。
动物实验在随后的两组中进行(图2)。
使用100 mg/kg氯胺酮和1 mg/kg美托咪定肌内注射麻醉体重为294±30 g的雄性Sprague Dawley大鼠(Janvier Labs,Saint-Berthevin,France)。并放置在加热垫上，使体温保持在36-37 ℃范围内。进行气管切开术和气管插管以促进机械通气，然后进行颈动脉插管以监测血压，并抽血进行血气分析。机械通气开始前，腹腔内滴注1 mg/kg泮库溴铵诱导肌肉松弛。此后，根据需要连续给予氯胺酮/咪达唑仑/美托咪定（通过股静脉插管）和泮库溴铵维持麻醉。对于血容量维持，静脉输注肝素化盐水（10 I.E./ml，0.9%NaCl中）（高达10 mL/kg/h），以防止通气期间脱水。连续监测心率、血压和体温(Hugo Sachs Elektronik-Harvard Apparatus GmbH,March,Germany)。
第I组：表面活性物质洗出致肺损伤（Tween）。手术准备完成后，使用自行开发的小型动物机械呼吸机对动物进行VCV，该呼吸机以自由设计的吸气和呼气通气曲线运行。潮气量(VT)设定为8 mL/kg，FiO2为1.0，吸呼比为1:2，PEEP为2 cmH2O。在机械通气开始时，进行了肺复张操作。将呼吸频率设定为将paCO2维持在35～45 mmHg。稳定20 min后（Tween前），用Tween[用1 mL 0.1%Tween80(Sigma-Aldrich,Taufkirchen,Germany)的0.9%NaCl溶液重复3次]对肺进行支气管肺泡灌洗。灌洗后，进行另一次复张操作，再过30分钟后测量动脉血气（基线-Tween）。动脉血氧分压和吸气氧分数的比值（paO2/FiO2比值）低于150 mmHg被认为提示肺损伤。诱导肺损伤后立即对动物进行随机分配接受VCV、PCV、FLEX或SINE机械通气4h（n = 7/组）。在随后的曲线中，如果paCO2超出35-45 mmHg的范围，则调整特定通气呼吸率，除非达到呼吸机的最大呼吸率（95次/分钟）。在机械通气开始后30 min（Tween前）、Tween灌洗后20-30 min（BL-Tween）及此后30、60、90、120、180和240 min进行血气分析。
II组：高潮气量通气(HTVV)。手术准备后，使用标准机械呼吸机(Servo-u,Maquet,Göteborg,Schweden)对动物进行VCV，VT为35 mL/kg（FiO2 0.3，吸呼比为1:2，PEEP为2 cmH2O），呼吸频率设定为将paCO2维持在35-45 mmHg），直至paO2/FiO2比值降至350 mmHg以下（基线htvv）证实肺损伤。肺损伤诱导后，立即将动物转换为自主开发的小动物呼吸机，并随机分配至VCV、PCV、FLEX或SINE机械通气组（n = 7只/组，VT 8 mL/kg，PEEP 4 cmH2O）3h，机械通气开始时及转换呼吸机后行肺复张操作。再次调整呼吸频率，维持paCO2在35-45 mmHg之间。
分别于机械通气开始后30min(Pre-HTVV)、肺损伤开始时(BL-HTVV)、30、60、90、120、150、180min进行血气分析。
在两组肺损伤患者中，定期分析血气。每10分钟记录一次气道压力和流量曲线，持续2分钟。根据这些曲线，呼吸系统顺应性、气道峰值压力（Ppeak）和每个呼吸周期平均（算术平均）气道压力（Pmean）、PEEP、VT、每个呼吸周期的平均（算术平均）容积（Vmean），测定体重适应的最小体积。
实验结束后，对大鼠放血。根据左肺叶重量的湿干比评估肺含水量（切除后立即测量，65 ℃干燥5天后测量）。从右肺上叶和中叶采集支气管肺泡灌洗液（BALF，用2 mL冷磷酸盐缓冲盐水重复冲洗3次）。分析BALF的促炎性浸润 （巨噬细胞和中性粒细胞计数）、总蛋白（BCA蛋白测定，ThermoFisher Scientific,Waltham,MA）和巨噬细胞炎性蛋白2含量 (Rat MIP-2 ELISA, LSBio, Seattle, W A)。
组织学分析。用4%多聚甲醛固定右肺下叶，包埋于冷冻封片剂中，冷冻并在-80 ℃下储存。对6µm的冷冻切片进行苏木精和伊红染色。组织学分析以盲法进行，如前所述。简言之，在5个随机分配的视野（所有图像相同）中测量/计数每只动物至少5张图像中的肺泡壁厚度、出血和促炎性浸润。使用ZEN软件(Carl Zeiss Microscopy GmbH,Jena,Germany)记录并分析肺泡壁厚度。每张图像测量的壁数在40-105之间变化。肺损伤评分计算为肺泡壁厚度、出血和促炎性浸润评分之和。
对于组织学分析，分析了健康动物的肺组织样本（对照；VCV 30 min，VT 8 mL/kg；n = 5）。在HTVV组中，分析了已确诊肺损伤动物的额外肺组织样本（基线-HTVV；VCV 2h，VT 35 mL/kg；n = 5）。
统计学,数据以方框图的形式呈现，表示中值、上/下四分位数和条形图的最小/最大值。箱型图显示了损伤前和损伤后时间点的影响和/或4小时或3小时机械通气的平均效果（分别针对Tween或HTVV装置）。呼吸系统顺应性的时间进程用平均值±标准差表示。由于在相应的组中进行了同样的处理，前Tween、pre-HTVV、基线Tween和基线HTVV的数据包括了各自组的所有动物（n=28）。VCV、PCV、FLEX、SINE和对照组分别为n=7或n=5/组。为了比较通气模式之间的实验和生理变量，为了比较通气模式之间的呼吸系统顺应性，计算了重复测量的双向方差A，然后进行了Tukey事后测试(GraphPad Prism 8, GraphPad Software Inc., San Diego, CA, USA or SigmaPlot, Sigmastat software; Systat, Inc., Erkrath, Germany).。p值小于0.05被认为是显著的。
结果
对于每个模型，与损伤前和基线时间点相关的4个相应组（VCV、PCV、FLEX和SINE）的数据相当（补充表ST1A和B），因此在以下分析中合并并以n = 28表示。
建立肺损伤。诱导肺损伤前，实验和生理变量（例如体重、体温、呼吸率、峰压、血液动力学和酸碱平衡）在各自的参考范围内，并且在两种肺损伤模型中相当（补充表ST2A和B）。
Tween或HTVV肺损伤诱导（基线，BL）导致气道峰压显著增加（Tween从10增加至16 cm H2O，HTVV从34增加至36 cmH2O）。paO2/FiO2比值降低（Tween从587降至95 mmHg，HTVV从453降至287 mmHg），在保留的分钟通气量下，平均paCO2增加（Tween从42 mmHg增加至58 mmHg，HTVV从37 mmHg增加至43 mmHg）（图3），呼吸系统顺应性（图4）在Tween组中降低47%，在HTVV组中降低38%。
通气模式对paO2、paCO2和分钟通气量的影响。在Tween组中，所有通气模式下paO2/FiO2比值部分恢复，因此，SINE导致最高paO2/FiO2比值。在HTVV组中，与BL相比，仅使用SINE通气的动物显示paO2/FiO2比值小幅但显著增加（图3a）。
在Tween组中，与基线相比，使用PCV、FLEX或SINE通气期间paCO2显著降低（图3b）。此外，使用SINE通气的动物的paCO2显著低于使用VCV和PCV通气的动物，并且与肺损伤前的paCO2相当。在HTVV设置中，无论通气模式如何，paCO2均保持在生理范围内。因此，在两种肺损伤模型中，SINE的呼吸率均最低（补充表ST1A和B）。在Tween组中，与基线相比，使用VCV或PCV通气的动物的体重适应分钟通气量较高，但使用FLEX或SINE通气的动物并非如此（图2c）。在HTVV组中，所有通气模式下的应用分钟容积是可比较的。
通气方式对顺应性、平均气道压和通气量的影响。在两组中，肺损伤后呼吸系统顺应性的变化取决于通气模式（p<0.001）。此外，在HTVV组中，顺应性取决于时间（p<0.001，图4）。在Tween组，VCV和PCV通气导致顺应性持续下降。相比之下，SINE和FLEX通气最初显示出呼吸系统顺应性的小改善。在SINE和FLEX进一步通气期间，呼吸系统顺应性略有下降，但仍高于肺损伤诱导后的顺应性，并分别高于VCV和PCV期间。在HTVV组，VCV、PCV、FLEX和SINE通气时，呼吸系统顺应性降低。但在SINE和FLEX通气过程中顺应性高于VCV和PCV（图4，HTVV插入）。
有趣的是，在PEEP、气道峰压和潮气量相当时，平均气道压（图5a）和呼吸周期容积曲线的平均值（图5b）显示通气模式依赖性差异。在Tween组中，与PCV相比，FLEX和SINE通气显示平均气道压和平均容积曲线显著更高。在HTVV设置中，FLEX和SINE的体积曲线平均值以及PCV、FLEX和SINE通气动物的平均气道压显著高于VCV通气动物。
通气方式对肺损伤及炎症的影响。在Tween组，与对照组动物相比，VCV、PCV、FLEX或SINE通气导致肺损伤显著增加，肺泡壁增厚，偶尔出血，炎性浸润计数增加（图6）。PCV和VCV术后肺损伤，尤其是肺泡壁厚度最高。在HTVV组，与健康对照组相比，肺损伤诱导后出血、浸润和肺泡壁厚度已经明显（图7）。随后用VCV和PCV通气，并没有引起额外的肺损伤。相比之下，SINE和FLEX通气比VCV和PCV显著降低肺泡壁厚度和肺损伤评分，而且与诱导肺损伤的程度相比也显著降低。
巨噬细胞炎性蛋白2、浸润（中性粒细胞和巨噬细胞）、支气管肺泡灌洗液中总蛋白和肺湿干比的释放与通气模式无关（补充表ST3A和B）。
讨论
在两个不同的肺损伤血气平衡动物模型中，呼吸系统力学和肺组织学受应用通气模式的调节，提示通气模式的压力过程可能为肺保护性通气提供额外的设置。使用SINE通气改善了最有效的氧合（在两组）和二氧化碳消除（在Tween组），在轻微减少受损肺的分钟容量。在当今的临床实践中，患者的氧合由压力设置（PEEP和/或峰值压力）和通过分钟容积（通过潮气量和/或呼吸频率控制）消除二氧化碳来控制。由于两组动物的PEEP、气道峰值压力和潮气量设置均相同，我们将气体交换的改善归因于气道压力分布。作为在FLEX和SINE期间控制压力过程的直接结果，呼气量和相应的气道压力动态出现降低（“减速”）。根据这种“减速”的原因，每个呼吸周期提供了一个较长的时间段（特别是在呼气相），在此期间，肺得到有效的空气供应。因此，尽管气道峰值压力和潮气量相同，但与VCV和PCV相比，FLEX或SINE呼吸循环的特点是平均气道压更高，容积曲线平均值更高。
使用FLEX和SINE在一个呼吸周期内平均气道压和平均容量的增加可能是气体交换改善的潜在机制。使用SINE通气期间较高的平均气道压导致从肺泡腔到血液的O2扩散梯度较高，从而改善氧合。肺内有效存在空气的时间增加增加了功能扩散面积，进而与CO2交换有关。因此，随着时间的推移，观察到的平均容积的增加可能是使用FLEX通气期间CO2消除效率提高的基础，尤其是使用SINE时。这一概念得到呼吸系统顺应性略微改善的支持，进一步得到肺泡显微镜视频成像的支持（补充视频SV1；补充图SF1）显示了相对肺泡面积的时程。与VCV和PCV相比，FLEX和SINE都能提供更平滑、更持久的肺泡复张，特别是防止了传统被动呼气的潮气肺泡去复张。此外，当动物使用FLEX和SINE通气时，肺损伤评分，尤其是HTVV组中的肺泡壁厚度较低。肺泡壁厚度越薄，气体交换的扩散距离越小。因此，我们假设FLEX和SINE通气期间肺泡壁厚度减少也有助于改善气体交换。
在之前的研究中也显示了肺泡壁厚度减少，该研究在急性肺损伤猪模型中研究了与VCV相比，流量控制呼气的呼吸反应。引人注目的是，在HTVV模型中，与诱导肺损伤后的肺泡壁厚度相比，使用FLEX和SINE通气后的肺泡肺损伤和肺泡壁厚度较低。因此，可以推测，轮廓平滑的通气模式支持肺泡壁的恢复，这显然表明了一些肺保护潜力。
肺损伤评分和肺泡壁厚度的差异不能用不同程度的诱导肺损伤来解释，因为两种肺损伤模型的所有各组中呼吸变量和炎症反应的基线值相当。事实上，在最近的一项体外研究中，应变曲线的减速动力学与炎症反应减少密切相关。这些结果未转化为现有体内实验性肺损伤模型中的炎症反应。首先，与体外研究相反，我们研究了肺损伤建立后而不是其恢复前或恢复期间通气模式的影响。其次，在实验性肺损伤的体内模型中，最初诱导的炎症水平可能超出了通气曲线的时间曲线显著影响细胞反应的范围。
VCV、PCV、FLEX和SINE对两种肺损伤模型的影响预期不直接比较。然而，本临床前研究的结果显示，在两种独立的肺损伤模型中，在受控（例如SINE）气道压力特征下，机械通气具有肺保护潜力。就临床实践而言，报告的paO2/FiO2比值改善似乎较小。然而，肺功能与肺损伤程度密切相关，因此氧合用于定义ARDS的严重程度。据我们所知，氧合也是在重症监护室采取充分措施的基本估计。因此，我们假设我们的研究揭示了改善氧合的基本机制和观点，并可能通过改变气道压力特征提供肺保护。该假设得到了采用通气曲线时间控制的其他研究的支持（即基于气道压力释放或高频/多频机械通气），尽管这些研究不是基于受控呼气，但显示了肺损伤和气体交换的改善，代表了平均气道压力的增加并得以维持肺复张。
在我们的动物模型中监测的血压、心率和动脉血气不能提供对潜在轮廓相关肺分流效应的估计，这可能在气体交换效率中发挥额外或重要作用。因此，我们使用正弦气道压力曲线进行机械通气的方法应在其他肺损伤条件下进一步研究，尤其是在慢性疾病方面。将在大型动物和患者中证实使用正弦气道压力曲线通气的潜在临床受益（例如，改善气体交换、呼吸顺应性和肺损伤）。从技术角度来看，现代呼吸机将能够完全调节呼吸周期。正弦通气模式的临床应用仅需要修改呼吸机的控制。
如今，肺保护性机械通气包括小潮气量和呼吸系统个体特征引导的PEEP 。本研究的观点暗示，通过改良超出这些措施的通气模式可以提高机械通气的效率，并为改善气体交换和潜在肺保护性机械通气开辟了一种新的方法。
在两种肺损伤模型中，使用SINE通气改善了气体交换和呼吸系统力学，并导致肺损伤评分降低。平滑机械通气的气道压力曲线可能是除低潮气量和高PEEP策略外肺保护性通气的一种新方法。
补充表格：
https://static-content.springer.com/esm/art%3A10.1038%2Fs41598-020-68614-x/MediaObjects/41598_2020_68614_MOESM1_ESM.pdf
Scientific RepoRtS | (2020) 10:11690
翻译：王尔山 编辑：王淑佳
