膈肌起搏在C2半切清醒啮齿类中诱发呼吸可塑性：性别差异与膈神经传入依赖机制

针对颈髓损伤(cSCI)后呼吸功能不全的临床难题，本研究探索了膈肌起搏(DP)在清醒C2半切(C2Hx)啮齿类模型中的康复潜力。研究发现，每日DP可诱导雄性动物潮气量与膈肌肌电(EMG)振幅的长期增强，且该效应依赖膈神经传入信号；雌性动物响应较弱。结果为DP作为神经康复策略提供了机制依据。

　　

颈髓损伤(cervical spinal cord injury, cSCI)会破坏支配主要吸气肌——膈肌的下行运动信号，导致严重的呼吸功能障碍。目前，临床管理这类呼吸功能不全的选择有限，金标准仍是机械通气(mechanical ventilation, MV)。尽管MV能维持生命，但长期使用会伴随诸多不良反应，包括膈肌无力、萎缩、收缩功能受损，以及肺后叶塌陷、呼吸道感染风险增加、心理社会障碍和巨额医疗费用。膈肌起搏(diaphragm pacing, DP)是一种新兴的临床干预手段，通过腹腔镜植入电极对膈肌进行电刺激。它被用于难以脱离MV的SCI患者，能引发足够的膈肌收缩以维持呼吸，并帮助部分患者成功脱离MV。越来越多的临床证据表明，DP还可能通过增加膈肌厚度、恢复自主肌肉激活和促进独立呼吸，为呼吸神经肌肉系统带来康复益处。

近期研究表明，在麻醉且脊髓完整的动物中，30分钟的DP可诱发一种呼吸可塑性，表现为膈肌肌电(electromyography, EMG)振幅的长期增加。这种可塑性的表达需要来自膈肌的感觉反馈，因为切断颈段传入神经会阻止其诱导。基于DP的临床益处和在未损伤啮齿类中观察到的呼吸可塑性，研究人员假设，在cSCI后的清醒行为动物中，DP能诱发依赖膈神经传入的呼吸可塑性。为验证此假设，他们开发了一个cSCI后每日DP的啮齿类模型，并通过测量通气参数和膈肌EMG输出来评估DP后60分钟内呼吸可塑性的表达。

本研究主要采用了以下关键技术方法：使用Sprague Dawley大鼠（n=42）建立了不完全性C2半切(C2 hemisection, C2Hx)模型；植入定制膈肌EMG记录电极；对部分动物实施了左侧C4-C6背根切断术(dorsal rhizotomy)以去除膈神经传入；采用闭环刺激范式，利用对侧膈肌EMG信号在吸气相输送DP（双相波，30 Hz，80 μs脉冲宽度，0.8 mA电流）；将动物置于全身体积描记术(plethysmography)腔内，同步记录通气参数（潮气量tidal volume、呼吸频率respiratory rate、分钟通气量minute ventilation）和双侧膈肌EMG输出；数据分析采用双因素重复测量方差分析(two-way repeated measure ANOVAs)。实验数据已共享于脊髓损伤开放数据 Commons (ODC-SCI)。

3.1. Tidal volume is increased during diaphragm pacing in males and females post-C2Hx

研究发现，在C2Hx后的雄性和雌性动物中，DP期间潮气量均有所增加。在雄性中，接受DP的动物在所有DP时段均显示出相较于对照组（无DP）的潮气量增强。接受DP加背根切断术的雄性动物在大多数DP时段也显示出比对照组更高的潮气量。在雌性中，接受DP的动物在DP时段1、2和3显示出比对照组增强的潮气量，而接受DP加背根切断术的雌性动物仅在DP时段1和3显示出升高。这些数据表明，在C2Hx后的清醒行为大鼠中，DP能增加潮气量。

3.2. Diaphragm pacing elicits a long-lasting increase in tidal volume in males post-C2Hx

为确定DP是否在C2Hx后的清醒行为大鼠中诱导通气可塑性，研究人员评估了连续四天每天DP后60分钟的通气输出。在雄性动物中，接受DP的动物在DP后15、30和60分钟的潮气量均高于对照组，并且在DP后60分钟，其潮气量也高于接受DP加背根切断术的动物。对呼吸频率和分钟通气量的检查未显示交互作用或时间主效应。平均而言，在DP后的60分钟记录期间，单独接受DP和接受DP加背根切断术的雄性动物显示对侧EMG振幅平均分别增加5%和4%，而对照组动物则减少1%。在雌性动物中，未检测到治疗主效应或交互作用。这些数据表明，每日DP能在C2Hx后的雄性中诱导潮气量的长期增加，但在雌性中程度较轻。

3.3. Diaphragm pacing induces ipsilateral diaphragm EMG plasticity in male, but not female, rodents post-C2Hx

为确定DP是否在C2Hx后的清醒行为大鼠中诱导膈肌EMG可塑性，研究人员检查了DP后60分钟内同侧（与C2Hx和DP同侧）和对侧膈肌EMG振幅。在雄性中，同侧膈肌振幅显示时间与治疗的交互作用以及时间和治疗的主效应。接受DP的雄性动物在DP后15分钟和60分钟的同侧膈肌EMG振幅高于对照组，并且在DP后60分钟也高于接受DP加背根切断术的动物。接受DP加背根切断术的动物在DP后15分钟的同侧膈肌EMG振幅高于对照组。对侧膈肌振幅显示治疗主效应，但无交互作用或时间主效应。在雌性中，同侧膈肌EMG振幅仅显示时间主效应，未检测到交互作用或治疗主效应。对侧EMG振幅则无显著效应。这些数据表明，DP在C2Hx后的雄性而非雌性大鼠中诱发同侧及一定程度对侧的膈肌EMG可塑性，并且雄性中DP诱导的同侧膈肌EMG可塑性需要膈神经传入信号。

研究表明，在不完全C2Hx后，对雄性进行每日间歇性DP可诱导潮气量和同侧膈肌EMG振幅的长期增加，效应持续至少60分钟。膈神经传入信号对于在雄性中观察到的DP诱导的呼吸可塑性是必要的，因为背根切断术阻止了可塑性的表达。在雌性中，DP对潮气量有治疗效应，但效应较小，且未观察到DP后膈肌EMG振幅的差异。这些结果表明，DP在C2Hx后的亚急性期可诱导呼吸神经可塑性，但可能表现出表达程度的性别依赖性差异。

该研究的意义在于：首先，它为DP作为一种潜在的神经康复策略提供了临床前证据，表明其不仅能替代MV，还可能主动促进呼吸功能的恢复。其次，研究揭示了DP诱导的可塑性具有性别差异和传入神经依赖性，这为未来个性化治疗策略（如针对不同性别调整刺激参数）提供了重要方向。最后，研究采用的清醒动物模型和闭环刺激范式更贴近临床实际情况，增强了结果的可转化性。论文发表在《Respiratory Physiology 》上，为理解和开发针对cSCI后呼吸功能障碍的新疗法奠定了坚实的理论基础。