王鴻翔

骨骼肌功能的充分運(yùn)行需要與骨連接，肌腱是其一個(gè)重要的力傳遞部位。肌腱的纖維排列和能量吸收與其承載相適應(yīng)，其抗拉強(qiáng)度在于膠原纖維分子內(nèi)和分子間的交鏈、方向、長度和密度。然而，有關(guān)觸發(fā)結(jié)締組織響應(yīng)機(jī)械負(fù)荷的信號(hào)和隨后一些特定細(xì)胞外基質(zhì)的表達(dá)知之甚少。迄今認(rèn)為，肌腱結(jié)締組織對(duì)負(fù)荷的適應(yīng)規(guī)模是有限的，并需要長期刺激以產(chǎn)生緩慢的組織變化。然而，結(jié)締組織網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和膠原代謝反應(yīng)受身體活動(dòng)水平改變影響，例如，身體活動(dòng)的減少可導(dǎo)致結(jié)締組織成分的生物合成下降;相反，身體運(yùn)動(dòng)加速肌肉和肌腱中結(jié)締組織的降解和形成。這可能是細(xì)胞外基質(zhì)結(jié)構(gòu)的生理適應(yīng)和損傷修復(fù)的反映。

1 肌腱膠原蛋白

膠原蛋白作為細(xì)胞外基質(zhì)的主要成分，約占人體總蛋白質(zhì)的20% ～25%。I型和III型膠原蛋白是最豐富的肌腱膠原成分，主要由成纖維細(xì)胞合成分泌。前膠原蛋白分泌后被特定的蛋白酶裂解，而后自我組裝成纖維或其他超分子結(jié)構(gòu)。I型膠原蛋白編碼基因轉(zhuǎn)錄翻譯后，要經(jīng)過明顯的翻譯后修飾，由不同的羥化酶將脯氨酸轉(zhuǎn)換成4-羥脯氨酸或3-羥脯氨酸。脯氨酸和4-羥脯氨酸促進(jìn)分子間的交鏈形成。脯氨酸4羥化酶(P4H)是重要的修飾酶，催化形成4-羥脯氨酸，而且是僅限于膠原蛋白的活性酶。P4H的活性水平一般隨膠原合成相應(yīng)增減，人們一直將這種酶的活性檢測(cè)用于估算膠原蛋白的合成速率。芘測(cè)定表明，肌腱和韌帶中的芘含量特別高，肌腱中芘與膠原蛋白的比例和骨相比也是高的，這些與纖維的交聯(lián)作用是相匹配的。

過去對(duì)肌腱及膠原代謝的了解僅限于體外研究，但對(duì)運(yùn)動(dòng)中的體內(nèi)變化了解非常有限。例如，在競(jìng)技體育中，長期超負(fù)荷導(dǎo)致肌腱的過度使用常伴有炎癥和結(jié)構(gòu)改變。雖有一些動(dòng)物模型可用來評(píng)估結(jié)締組織的超載，但這些模型往往要經(jīng)受極端負(fù)荷而導(dǎo)致嚴(yán)重的組織損傷，這與現(xiàn)實(shí)生活中的人類相似性不大，人體過勞性損傷是經(jīng)過一段時(shí)間逐漸發(fā)展起來的?；隗w外研究的另一個(gè)缺點(diǎn)是不能在運(yùn)動(dòng)過程中進(jìn)行連續(xù)測(cè)量。運(yùn)動(dòng)時(shí)，周圍環(huán)境的血流、組織的氧合和代謝變化都可能影響運(yùn)動(dòng)中的組織超載。

目前一些體外實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)可以測(cè)得細(xì)胞的機(jī)械拉伸應(yīng)力反應(yīng)，然而對(duì)個(gè)別細(xì)胞實(shí)際施加的力還不能準(zhǔn)確定量，并且對(duì)隨后發(fā)生的應(yīng)變還不能充分確定。接受機(jī)械加載的成纖維細(xì)胞往往產(chǎn)生不均勻應(yīng)變，培養(yǎng)細(xì)胞物獲得的結(jié)果只能代表一個(gè)平均值。最近發(fā)展起來的在人體模型中允許對(duì)身體的某些特定部位進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)量，例如，運(yùn)動(dòng)期間和運(yùn)動(dòng)后肌腱組織的新陳代謝，血流量，抗炎活性和膠原蛋白更新[1]。這些方法與實(shí)時(shí)超聲測(cè)定肌肉活動(dòng)時(shí)肌腱的機(jī)械性能和磁共振成像方法一起用來研究肌腱組織的新陳代謝與粘彈性特征的耦合是有希望的。輸入同位素(13C或15N-脯氨酸)及隨后進(jìn)行人肌腱組織采樣可以測(cè)定肌腱的膠原合成。基于這些研究表明，肌腱膠原合成率為每24小時(shí)2% ～3%。

2 細(xì)胞外基質(zhì)基因表達(dá)和肌腱膠原更新的調(diào)節(jié)

肌腱膠原蛋白隨體力活動(dòng)水平的改變而產(chǎn)生反應(yīng)。與身體負(fù)載相反，固定大鼠后肢導(dǎo)致骨骼肌和肌腱中膠原蛋白合成酶的活性減少，這是肌肉和肌腱活動(dòng)降低所造成的結(jié)果。利用膠原蛋白合成過程中的羥肽裂解可以間接測(cè)定Ⅰ型膠原蛋白的形成。Ⅰ型膠原蛋白合成標(biāo)志物檢測(cè)包括I型膠原羧基末端前肽(PICP)的測(cè)定和I型膠原羧基末端端肽區(qū)域(ICTP)的檢測(cè)。一次運(yùn)動(dòng)對(duì)血液中這兩個(gè)標(biāo)記物水平的影響不大，而長時(shí)間運(yùn)動(dòng)或進(jìn)行數(shù)周的訓(xùn)練可增加I型膠原蛋白的更新和凈合成。血清PICP和ICTP水平的檢測(cè)還無法確定這些標(biāo)記物的組織或器官起源，但血液中大多數(shù)的I型前膠原標(biāo)記物起源于骨。通過對(duì)一些跑步者使用微透析技術(shù)，在他們36公里跑步之前、跑步之后即刻和跑步之后72小時(shí)對(duì)跟腱周圍的生化成分進(jìn)行微透析分析。結(jié)果表明，急性運(yùn)動(dòng)可導(dǎo)致肌腱區(qū)域的代謝和炎癥活動(dòng)的改變。此外，還刺激恢復(fù)過程中I型膠原蛋白的合成。對(duì)進(jìn)行4周和11周高強(qiáng)度體能訓(xùn)練前后的跟腱周圍結(jié)締組織中I型膠原蛋白的合成與降解的研究表明，肌腱組織的I型膠原代謝對(duì)身體訓(xùn)練產(chǎn)生了適應(yīng)性反應(yīng)[2]。組織間液中PICP濃度的增加隨著4周的訓(xùn)練即可出現(xiàn)，并在此后的整個(gè)訓(xùn)練期間持續(xù)升高。這表明I型膠原蛋白的合成速率隨著訓(xùn)練而升高。由于血液中PICP在訓(xùn)練期間并沒有明顯改變，這很可能是I型膠原合成的增加僅發(fā)生在肌腱結(jié)締組織而不是整個(gè)身體。組織中ICTP濃度對(duì)訓(xùn)練也會(huì)出現(xiàn)短暫的上升反應(yīng)，但隨著更長時(shí)間的訓(xùn)練又恢復(fù)到基礎(chǔ)水平。如此表明，對(duì)于訓(xùn)練的初始反應(yīng)是I型膠原蛋白的更新增加，隨后主要表現(xiàn)為非骨結(jié)締組織如肌腱中I型膠原蛋白合成代謝的凈增加。肌腱及相關(guān)的結(jié)締組織對(duì)于運(yùn)動(dòng)刺激出現(xiàn)的更新代謝反應(yīng)模式與肌肉中發(fā)生的事實(shí)一致。

急性運(yùn)動(dòng)過程中人類膠原蛋白的分解代謝增加，跟腱膠原蛋白的合成在急性運(yùn)動(dòng)開始受到抑制，隨后其合成率上升，這或許可以解釋為什么一些長期訓(xùn)練的運(yùn)動(dòng)員具有較高基礎(chǔ)水平的PICP。Ⅰ型膠原蛋白的凈合成是否表現(xiàn)為可衡量的肌腱增大?動(dòng)物模型已證明訓(xùn)練造成肌腱直徑增大;進(jìn)行MRI觀察也發(fā)現(xiàn)經(jīng)常跑步者的跟腱橫截面積與久坐少動(dòng)的人相比明顯增大。根據(jù)這些資料推測(cè)，訓(xùn)練開始可造成I型膠原更新率增加和膠原組織重組，而長期訓(xùn)練的結(jié)果則是肌腱組織的凈增加，因此可能會(huì)改變組織的力量。有趣的是，與年輕人相比老年人的活動(dòng)量和最大肌力都較小，但其肌腱組織量是增加的。年長者肌腱截面積的增加可能是一種代償機(jī)制，用以抵消肌腱質(zhì)量的下降，從而提高安全邊際以避免肌腱斷裂。

Ⅰ型膠原蛋白形成的一個(gè)重要步驟是通過前膠原C-蛋白酶(PCP)對(duì)PICP和PINP裂解的酶促調(diào)節(jié)，以形成不溶性膠原。機(jī)械負(fù)載可增加PCP基因的表達(dá)，并可促進(jìn)前膠原蛋白的合成與加工，以及增強(qiáng)不溶性膠原的形成過程。這些效應(yīng)的發(fā)生需要某些生長因子的存在，如轉(zhuǎn)化生長因子-β(TGF-β)、血漿衍生生長因子(PDGF)和胰島素樣生長因子(IGF-Ⅰ和Ⅱ)等。實(shí)驗(yàn)表明，人類肌腱加載負(fù)荷可引起間質(zhì)中TGF-β、IGF-1和IL-6的濃度上升[3]。雖然人們對(duì)負(fù)責(zé)機(jī)械傳導(dǎo)反應(yīng)的信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑進(jìn)行過一些研究，但很多細(xì)節(jié)尚未闡明。整合素是介導(dǎo)細(xì)胞與細(xì)胞外基質(zhì)成分之間粘接復(fù)合物的主要結(jié)構(gòu)部件。就此，整合素建立起一種機(jī)械連續(xù)體，沿此途徑外力可從外部傳送到細(xì)胞內(nèi)部，反之亦然。特別是在肌-腱連接部位，缺乏整合素的表達(dá)將導(dǎo)致肌肉收縮時(shí)的結(jié)構(gòu)損壞。雖然尚未證實(shí)，整合素很可能介入細(xì)胞表面拉應(yīng)力的感應(yīng)。

膠原蛋白的降解主要由基質(zhì)金屬蛋白酶(MMP)啟動(dòng)，在組織中大多以基質(zhì)金屬蛋白酶前體(proMMP)存在?；|(zhì)金屬蛋白酶組織抑制因子(TIMP)抑制 MMP活動(dòng)。運(yùn)動(dòng)后，基質(zhì)金屬蛋白酶-2前體(Pro-MMP-2)無論是在翻譯前或翻譯后水平出現(xiàn)上調(diào)，提示膠原蛋白降解增加。TIMP往往伴隨著身體活動(dòng)的MMP響應(yīng)激活，表明同時(shí)激活了膠原蛋白降解和降解抑制，很可能是MMP激活在前，TIMP作為膠原蛋白降解的抑制物確保調(diào)控過程。在人體肌腱周圍組織中，60min跑步后可出現(xiàn)MMP-9的早期增加和MMP-2的后期增加，雖然有可能來自于成纖維細(xì)胞和白細(xì)胞，但其確切的細(xì)胞來源仍待探明[4]。制動(dòng)導(dǎo)致MMP的表達(dá)增加，提示膠原蛋白的分解加速，這種現(xiàn)象可以部分地由拉伸運(yùn)動(dòng)加以阻止。

3 加載對(duì)肌腱結(jié)構(gòu)的血液供應(yīng)、代謝活性

和炎癥反應(yīng)的作用使用133Xe灌洗跟腱，可以測(cè)定肌肉收縮過程中腱周血流量。在提踵運(yùn)動(dòng)或間歇性小腿肌肉緊張運(yùn)動(dòng)時(shí)，腱周血流增加了三至四倍;在劇烈跖屈運(yùn)動(dòng)時(shí)，腱周血流量上升七倍。這些結(jié)果表明腱周血流量隨運(yùn)動(dòng)而增加。近紅外光譜(NIRS)和動(dòng)靜脈血樣的同時(shí)測(cè)定表明，運(yùn)動(dòng)中的腱周和肌肉區(qū)域氧提取和總血紅蛋白量增加，同時(shí)伴隨血氧飽和度下降。結(jié)合這些進(jìn)行分析，激烈運(yùn)動(dòng)時(shí)血管擴(kuò)張是與肌肉和腱周區(qū)域的組織氧合連在一起的。很顯然，雖然腱血流量的增加有些受限，但沒有任何跡象表明在運(yùn)動(dòng)中肌腱區(qū)域存在嚴(yán)重缺血。但問題是進(jìn)入肌腱區(qū)域的血流量是如何調(diào)節(jié)的。人們注意到在骨骼肌血流量調(diào)節(jié)中的血管活性物質(zhì)有可能與肌腱區(qū)域的相似。例如，緩激肽同時(shí)具有擴(kuò)血管和止疼痛性能。因?yàn)橐ㄟ^前列腺素和一氧化氮途徑激活，它可能不僅對(duì)正常肌腱的血流量進(jìn)行調(diào)節(jié)，而且對(duì)過度使用、疼痛和高灌肌腱的血流量也有重要的調(diào)節(jié)功能。微透析技術(shù)的使用，在肌肉和肌腱組織中可檢測(cè)到緩激肽，而且間質(zhì)中緩激肽濃度隨運(yùn)動(dòng)增加。其他一些與疼痛相關(guān)的物質(zhì)，如P-物質(zhì)和谷氨酰胺，在動(dòng)物和人類肌腱中也分別存在。

跟腱腱鞘和腱包膜中的壓力在運(yùn)動(dòng)過程中顯著下降，在激烈運(yùn)動(dòng)中可以降至－150mmHg。這些變化的意義可被推測(cè)為此負(fù)壓(最有可能發(fā)生在拉伸過程中)允許體液向腱周區(qū)域移動(dòng)，從而降低局部某些炎癥物質(zhì)的濃度。此外，在動(dòng)物實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，肌腱生長過程中壓迫可誘導(dǎo)細(xì)胞外基質(zhì)基因表達(dá)的改變，導(dǎo)致蛋白聚糖和Ⅱ型膠原基因表達(dá)的增加。體外模型已經(jīng)證明人肌腱間質(zhì)細(xì)胞在重復(fù)運(yùn)動(dòng)時(shí)前列腺素的產(chǎn)生增加。而消炎痛阻斷這種反應(yīng)，與反復(fù)拉伸所致的任何鏡顯損傷不相關(guān)。這表明，炎癥介質(zhì)在結(jié)締組織一般負(fù)載時(shí)就可分泌。微透析技術(shù)顯示，肌肉和腱周組織在運(yùn)動(dòng)反應(yīng)中釋放前列腺素和血栓素。在表現(xiàn)出長期過度使用癥狀的靜息肌腱，檢測(cè)不到前列腺素水平的升高，而在運(yùn)動(dòng)時(shí)其間質(zhì)中的前列腺素反應(yīng)濃度與健康肌腱相比明顯增大。這點(diǎn)表明了一種與慢性損傷相關(guān)的極脆弱的情況，即受到刺激就可能導(dǎo)致明顯的炎癥反應(yīng)。肌肉靜力性收縮不足以引起前列腺素的釋放，但動(dòng)態(tài)收縮可以。相比之下，肌腱相關(guān)組織只需適度等長收縮就可引發(fā)這種反應(yīng)。通過環(huán)氧化酶阻斷劑阻斷前列腺素的分泌可在40%的程度上抑制運(yùn)動(dòng)引起的肌腱血流增加。這表明前列腺素在運(yùn)動(dòng)過程中對(duì)肌腱組織血管舒張發(fā)揮了重要的作用[5]。

4 結(jié)語

有關(guān)身體活動(dòng)對(duì)肌腱相關(guān)結(jié)締組織和細(xì)胞外基質(zhì)成分的研究還處于初始階段。一些研究表明潛在的信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)通路可能將機(jī)械刺激影響到基因的表達(dá)和膠原蛋白的合成。這些途徑可能涉及到局部釋放的生長因子與一些炎癥血管活性物質(zhì)或血管生成物質(zhì)的相互作用，從而導(dǎo)致細(xì)胞骨架組織損傷。

[1]李敏.運(yùn)動(dòng)對(duì)肌腱中膠原代謝影響研究進(jìn)展[J].哈爾濱體育學(xué)院學(xué)報(bào)，2010，28(3):11 ～14.

[2]Mackey AL，Heinemeier KM，Koskinen SOA，et al.Dynamic Adaptation of Tendon and Muscle Connective Tissue to Mechanical Loading[J].Connec Tissue Res，2008，49(3—4):165 ～168.

[3]Heinemeier KM，Mackey AL，Doessing S，et al.GH/IGF-I axis and matrix adaptation of the musculotendinous tissue to exercise in humans[J].Scand J Med Sci Sports，2012，22(4):1 ～7.

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