康知然 龔利 戴大城

膝骨關(guān)節(jié)炎(knee osteoarthritis，KOA)是世界上常見的老年退行性疾病，臨床表現(xiàn)為關(guān)節(jié)疼痛、絞鎖、功能障礙，嚴(yán)重者可伴有關(guān)節(jié)腫脹、周圍水腫、肌肉萎縮等。其流行性以及與年齡相關(guān)的高患病率嚴(yán)重影響著人類健康與生活質(zhì)量[1-2]。在中國，50歲以上的人群KOA的發(fā)病率為9.56%，60歲以上的人群KOA的發(fā)病率為78.5%[3]。現(xiàn)代醫(yī)學(xué)對KOA的發(fā)病機(jī)制有多個(gè)角度的認(rèn)識，如軟骨細(xì)胞凋亡、自身免疫反應(yīng)、軟骨下骨內(nèi)高壓、軟骨酶降解及下肢生物力學(xué)改變等。作為下肢最大、最強(qiáng)壯、形成伸膝裝置的股四頭肌，其結(jié)構(gòu)、功能與KOA發(fā)病的相關(guān)性是學(xué)術(shù)界探討的熱點(diǎn)。

1 股四頭肌的解剖結(jié)構(gòu)

股四頭肌附著在髕骨的近端，通過髕韌帶將股四頭肌、髕骨連接到脛骨結(jié)節(jié)上，形成伸膝裝置。股四頭肌作為下肢最大與最強(qiáng)壯的肌肉，由4塊肌肉組成：股直肌、股中間肌、股內(nèi)側(cè)肌與股外側(cè)肌，其大體結(jié)構(gòu)稱為“一體四頭”。股直肌起自髂前下棘，股中肌起自股骨體前面，股外側(cè)肌起自股骨粗線外側(cè)唇，股內(nèi)側(cè)肌起自股骨粗線內(nèi)側(cè)唇，4個(gè)頭合并成1條肌腱, 包繞髕骨, 向下形成髕韌帶止于脛骨粗隆[4]。

2 股四頭肌結(jié)構(gòu)屬性的變化與KOA

2.1 肌肉橫截面積減小 肌細(xì)胞又稱肌纖維，是肌肉結(jié)構(gòu)組成的基本單位，多個(gè)肌纖維聚攏則形成一組單位——肌束，多肌束協(xié)作形成肌肉。肌肉的橫截面積能夠反映其運(yùn)動功能。Pal等[5]證實(shí)了KOA病人發(fā)生股四頭肌中股外側(cè)肌與股內(nèi)側(cè)肌肌腹的橫截面積減小情況較多。Nilwik等[6]通過CT觀察發(fā)現(xiàn)，老年病人的股四頭肌橫截面積比正常年輕人小14%。而Thomas等[7]則發(fā)現(xiàn)股四頭肌肌腹橫截面積減小在KOA發(fā)生之前就已經(jīng)存在，這讓肌肉橫截面積的減小與KOA發(fā)病的相關(guān)性得到進(jìn)一步證實(shí)。

但也有學(xué)者提出不同的觀點(diǎn)。Noehren等[8]取KOA病人與正常人股四頭肌肌肉組織活檢后發(fā)現(xiàn)兩者肌纖維的橫截面積并無差異。有學(xué)者認(rèn)為KOA病人股四頭肌橫截面積降低并非是肌纖維本身的問題，可能是因?yàn)榧∪鈫挝?肌纖維、肌束)組合方式的差異造成了相對橫截面積的減小。這一觀點(diǎn)與Miller等[9]的研究結(jié)論相似，他們令KOA病人做中等強(qiáng)度的抗阻訓(xùn)練后發(fā)現(xiàn)其股四頭肌橫截面積變大，但并不是因?yàn)閱螚l肌纖維增大，而是由于Ⅰ型肌纖維與Ⅱ型肌纖維產(chǎn)生了相互轉(zhuǎn)化，使纖維組合結(jié)構(gòu)發(fā)生改變。上述研究充分說明了股四頭肌橫截面積減小與KOA的發(fā)病高度相關(guān)，但也提示其并非KOA發(fā)病的絕對或關(guān)鍵因素。后續(xù)應(yīng)將股四頭肌肌纖維的單元及組合情況進(jìn)行分類討論，以便詳細(xì)地量化分析。

2.2 Ⅰ、Ⅱ型肌纖維含量改變 人體骨骼肌主要由Ⅰ型和Ⅱ型2種肌纖維組成，通常稱Ⅰ型為慢肌纖維，Ⅱ型(Ⅱa與Ⅱb)為快肌纖維。Voigt等[10]認(rèn)為，骨骼肌中Ⅱ型肌纖維的萎縮是KOA發(fā)病的高危因素。Serr?o等[11]則認(rèn)為，骨內(nèi)、外側(cè)?、蛐图±w維萎縮程度不同，股外側(cè)肌的Ⅱ型肌纖維減少更多，肌肉募集速度會比股內(nèi)側(cè)肌慢，導(dǎo)致股四頭肌整體收縮不同步，最終形成膝關(guān)節(jié)伸膝肌力不平衡、力學(xué)結(jié)構(gòu)紊亂，從而引發(fā)KOA。但Noehren等[8]通過肌肉組織活檢發(fā)現(xiàn)，KOA組股四頭肌的Ⅰ型肌纖維占比(35.56%～47.47%)明顯低于正常對照組(44.86%～61.29%)，意味著KOA病人股四頭肌的Ⅱ型肌纖維占比反而比正常人高；并且還發(fā)現(xiàn)Ⅱa/x型肌纖維數(shù)量與股四頭肌肌力呈負(fù)相關(guān)，分析可能因?yàn)棰騛/x型肌纖維基因的表達(dá)與早期神經(jīng)損失有關(guān)，故這類肌纖維越多，肌肉力量越弱。該研究提示Ⅱa/x型肌纖維數(shù)量增多可能與KOA的發(fā)病有一定的聯(lián)系。上述關(guān)于肌肉纖維類型的研究出現(xiàn)了截然相反的結(jié)論，一定程度上說明KOA發(fā)病中股四頭肌肌肉纖維的研究仍存在局限性，至少目前僅做觀察性研究是不夠的，如果能進(jìn)一步從更細(xì)微的大分子結(jié)構(gòu)-功能方面入手，應(yīng)該能解釋更多原理。例如，可對Ⅰ、Ⅱ型肌纖維進(jìn)行微觀結(jié)構(gòu)研究，利用冷凍電鏡探究肌纖維工作時(shí)蛋白質(zhì)構(gòu)象的變化規(guī)律。

2.3 細(xì)胞外基質(zhì)的變化 肌細(xì)胞外基質(zhì)主要指細(xì)胞周圍由多種大分子組成的復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)，例如黏蛋白、纖維蛋白。細(xì)胞外基質(zhì)的主要作用有：影響細(xì)胞的存活與死亡；決定細(xì)胞的形狀；調(diào)節(jié)細(xì)胞的增殖；控制細(xì)胞的分化；參與細(xì)胞的遷移[12]。不難看出，其主要起調(diào)控肌肉細(xì)胞活動的作用。雖然肌纖維是肌肉結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)單位，但現(xiàn)代科學(xué)認(rèn)為肌肉的收縮功能不只與肌纖維本身有關(guān)，細(xì)胞外基質(zhì)也在其中起到力的傳遞與影響收縮性的作用。Fry等[13]通過研究發(fā)現(xiàn)，骨骼肌中細(xì)胞外基質(zhì)的多少會對該塊肌肉強(qiáng)度產(chǎn)生負(fù)面影響，如轉(zhuǎn)化生長因子-β(TGF-β)-Smad2/3轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑過度表達(dá)會引起纖維蛋白產(chǎn)生過多，從而造成肌肉纖維化，導(dǎo)致肌肉力量失常。Kakutani等[14]的研究進(jìn)一步證實(shí)了肌肉強(qiáng)度變差主要因?yàn)榧?xì)胞外基質(zhì)的過量積累，潛在地限制了肌肉的再生能力，并且該研究還發(fā)現(xiàn)肌細(xì)胞外基質(zhì)的含量與股四頭肌力量呈負(fù)相關(guān)。

另外，肌肉衛(wèi)星細(xì)胞也是細(xì)胞外基質(zhì)中可以發(fā)揮影響作用的一份子。當(dāng)肌細(xì)胞損傷時(shí)，衛(wèi)星細(xì)胞被激活，具有增殖和分化的能力，能夠修復(fù)受損的肌細(xì)胞。顯微鏡下發(fā)現(xiàn)，KOA病人股四頭肌的衛(wèi)星細(xì)胞含量明顯低于正常人[8]。將此結(jié)果與過度纖維化表達(dá)而產(chǎn)生的膠原沉淀相結(jié)合，這意味著衛(wèi)星細(xì)胞的減少可能導(dǎo)致肌肉力量下降。這或許與衛(wèi)星細(xì)胞的肌肉修復(fù)功能相關(guān)。Scimeca等[15]的研究表明，衛(wèi)星細(xì)胞基因的表現(xiàn)型可能決定KOA病人肌肉的再生潛力。隨著衛(wèi)星細(xì)胞密度的降低，衛(wèi)星細(xì)胞群體表現(xiàn)型的改變可能是晚期KOA肌肉改變的一個(gè)重要促成因素[16]。

綜上，目前的研究尚在探索股四頭肌細(xì)胞外基質(zhì)的數(shù)量、含量以及基質(zhì)種類與股四頭肌肌力之間的相關(guān)性，未來隨著技術(shù)進(jìn)步或許能從信號通道、微蛋白等方面進(jìn)一步明確細(xì)胞外基質(zhì)在KOA發(fā)病機(jī)制中的作用。

3 股四頭肌功能屬性的變化與KOA

3.1 股四頭肌表面肌電的變化 每一個(gè)骨骼肌細(xì)胞都受到運(yùn)動神經(jīng)元軸突分支的支配，當(dāng)運(yùn)動神經(jīng)元興奮時(shí)，動作電位會通過神經(jīng)-肌接頭傳遞給肌細(xì)胞，使肌細(xì)胞產(chǎn)生興奮而收縮。表面肌電測定能夠記錄表面肌電信號，即某塊肌肉眾多的動作電位在皮膚上產(chǎn)生的綜合效應(yīng)。有學(xué)者通過簡單的肌電圖測量發(fā)現(xiàn)KOA病人股四頭肌表面肌電相對于正常人較低[17-18]。因此，表面肌電一定程度上反映了肌肉的收縮能力。

在了解了肌電與肌力的基本關(guān)系后，有許多研究者對股四頭肌肌電進(jìn)行了更加細(xì)致的研究。Neal等[19]發(fā)現(xiàn)股內(nèi)側(cè)肌與股外側(cè)肌神經(jīng)肌電比值的下降會引起髕股關(guān)節(jié)疼痛。師東良等[20]比較了KOA病人與正常人的股內(nèi)、外側(cè)肌肌電，發(fā)現(xiàn)患側(cè)股內(nèi)、外側(cè)肌的協(xié)調(diào)性較健側(cè)有所減退。而Patsika等[21]通過對下肢膝周肌肉表面肌電測定后，認(rèn)為下肢協(xié)調(diào)性的衰減是股內(nèi)側(cè)肌與股外側(cè)肌肌力的不同步所致。Mohr等[22]通過股四頭肌表面肌電出現(xiàn)時(shí)間的差異，對膝關(guān)節(jié)運(yùn)動時(shí)股內(nèi)、外側(cè)肌的收縮順序進(jìn)行了測試，發(fā)現(xiàn)髕股關(guān)節(jié)疼痛的病人有著相對較晚的股內(nèi)側(cè)肌肌電產(chǎn)生時(shí)間，這意味著當(dāng)病人步行時(shí)，股內(nèi)側(cè)肌啟動總是比股外側(cè)肌慢。長期如此會導(dǎo)致膝關(guān)節(jié)受力不平衡，從而造成關(guān)節(jié)的不穩(wěn)定。

綜上可知，股四頭肌表面肌電能夠與肌力建立直接的聯(lián)系，一定程度上它的變化能解釋KOA的發(fā)病機(jī)制。但是肌肉收縮的本質(zhì)是將化學(xué)能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械功，因此，后續(xù)研究若能集中在肌電產(chǎn)生的分子理化反應(yīng)上，如胞膜上L通道的活性、胞質(zhì)內(nèi)鈣離子濃度的變化、肌鈣蛋白與鈣離子的親和力、橫橋ATP酶的活性以及肌質(zhì)網(wǎng)上鈣泵的類型和活性等，就可以將股四頭肌在KOA發(fā)病機(jī)制中的肌電原理闡釋得更加清楚。

3.2 股四頭肌肌力下降 股四頭肌的肌肉力量在維持膝關(guān)節(jié)穩(wěn)定性方面起到了重要作用[23]。馮友聰[24]認(rèn)為膝關(guān)節(jié)穩(wěn)定性主要依靠髕骨、股骨髁的幾何形態(tài)、韌帶、關(guān)節(jié)囊及髕韌帶的靜力性平衡和股四頭肌的動力性平衡所控制，體現(xiàn)了解剖結(jié)構(gòu)與功能的相互依存性。股四頭肌肌力下降就意味著這種動力性平衡被打破。洪海平等[25]發(fā)現(xiàn)，股四頭肌力量下降40%便會出現(xiàn)下蹲時(shí)膝關(guān)節(jié)不穩(wěn)，且KOA病人股四頭肌肌力與膝關(guān)節(jié)穩(wěn)定性呈線性正相關(guān)關(guān)系。除股四頭肌肌力本身下降外，股四頭肌與后側(cè)肌群肌力比例的紊亂也會導(dǎo)致關(guān)節(jié)穩(wěn)定性降低。李毅等[26]認(rèn)為，股四頭肌與腘繩肌的峰力矩比值正常對維持膝關(guān)節(jié)穩(wěn)定性、預(yù)防KOA發(fā)病有著重要意義。雖然股四頭肌肌力下降引起膝關(guān)節(jié)不穩(wěn)定的機(jī)制有多種說法，但目前以軟骨受損與髕骨受力不平衡學(xué)說為主。

周帥[27]發(fā)現(xiàn)，肌肉力量下降使膝關(guān)節(jié)周圍肌腱在肌腱剛度、彈性模量等生物力學(xué)性能方面降低，膠原排列紊亂，長期則引發(fā)關(guān)節(jié)應(yīng)力持續(xù)紊亂狀態(tài)，加劇膝關(guān)節(jié)軟骨磨損，最終誘使KOA的發(fā)生。Thomas等[7]建立了股四頭肌-載荷-軟骨損壞的聯(lián)系，發(fā)現(xiàn)股四頭肌萎縮會使膝關(guān)節(jié)活動的緩沖能力下降，易使關(guān)節(jié)腔內(nèi)的關(guān)節(jié)軟骨承受更高的壓力負(fù)荷，當(dāng)這種負(fù)荷超過代償范圍時(shí)，會導(dǎo)致關(guān)節(jié)軟骨損傷、退變，進(jìn)而形成代謝紊亂，最終引起膝關(guān)節(jié)穩(wěn)定性下降。

股四頭肌是控制髕骨運(yùn)動方向的肌肉，也是導(dǎo)致髕骨不穩(wěn)的重要因素。崔成埈[28]認(rèn)為股四頭肌的肌力減弱和萎縮會引起脛股、髕股關(guān)節(jié)面的應(yīng)力分布不均勻，從而導(dǎo)致關(guān)節(jié)失穩(wěn)。黎明等[29]進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，股四頭肌萎縮尤其是股內(nèi)側(cè)肌萎縮造成的髕骨內(nèi)、外側(cè)拉力不平衡使髕骨外移，是導(dǎo)致髕股關(guān)節(jié)力學(xué)紊亂的重要因素。O’Donnell等[30]通過MRI研究髕骨移動軌跡證實(shí)了這一觀點(diǎn)，在伸膝運(yùn)動中，髕骨普遍出現(xiàn)軌跡外移，其中，股直肌提供髕骨的主要軌跡，股內(nèi)、外側(cè)肌提供協(xié)同輔助以穩(wěn)定軌跡，起到了橫向穩(wěn)定作用，而這里面又以股內(nèi)側(cè)肌更為重要。因?yàn)楣蓛?nèi)側(cè)肌的纖維幾乎是水平方向的，因此股內(nèi)側(cè)肌的橫向力能輕松對抗股外側(cè)肌的側(cè)向力。但這也是股內(nèi)、外側(cè)肌肉收縮不同步，致使髕骨的移動軌跡異常，最終導(dǎo)致髕股關(guān)節(jié)壓力分布不均的原因[31]。Mohr等[22]進(jìn)一步闡述了髕骨外移的可能原理：在關(guān)節(jié)伸直過程中，股外側(cè)肌的募集早于股內(nèi)側(cè)肌，引起髕股關(guān)節(jié)應(yīng)力分布異常，從而導(dǎo)致髕骨運(yùn)動軌跡偏向外側(cè)。

綜上，股四頭肌肌力下降引起的軟骨受損及髕骨異常移位可能是KOA發(fā)病的原因之一。然而目前股四頭肌肌力的研究中既有研究股四頭肌肌群，亦有研究股四頭肌中單頭肌肉的受力，這符合經(jīng)典牛頓力學(xué)分析中力的合成與分解的理念。在日后的研究中，若能將股骨髁、脛骨平臺以及半月板每一點(diǎn)的受力分析都明確，則更有益于理解關(guān)節(jié)受損、畸形的成因，有利于物理治療思路的拓展。另外，從髕骨軌跡研究來看，膝關(guān)節(jié)動態(tài)力學(xué)分析可能對KOA發(fā)病機(jī)制研究的實(shí)際意義更大，這是由于人體膝關(guān)節(jié)主要體現(xiàn)的運(yùn)動功能所決定的。

3.3 股四頭肌與下肢力線的異常 KOA中最常見的下肢力線異常出現(xiàn)于內(nèi)側(cè)間室KOA，即膝關(guān)節(jié)內(nèi)翻畸形，下肢機(jī)械軸落位于解剖軸的內(nèi)側(cè)。Sharma等[32]觀察了950位志愿者(1307側(cè)膝關(guān)節(jié))30個(gè)月，發(fā)現(xiàn)膝關(guān)節(jié)內(nèi)翻畸形與內(nèi)側(cè)間室KOA進(jìn)展相關(guān)。在此結(jié)論下，Lucha-López等[33]通過比較膝關(guān)節(jié)力線正常的健康女性與膝關(guān)節(jié)內(nèi)翻的女性發(fā)現(xiàn)，病人的內(nèi)翻程度越嚴(yán)重，其股伸肌群尤其是股四頭肌就愈加緊繃。因此，可以認(rèn)為股伸肌群的異常發(fā)力參與了膝關(guān)節(jié)內(nèi)翻畸形的形成。此觀點(diǎn)支持Madadi-Shad等[34]提出的股四頭肌在形成膝關(guān)節(jié)內(nèi)翻畸形發(fā)病機(jī)制中的作用的理論假設(shè)，即在膝關(guān)節(jié)內(nèi)翻畸形病人中，股四頭肌會表現(xiàn)出明顯的功能不全現(xiàn)象。Sosdian等[35]通過比較44例符合手術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的KOA病人與40例無癥狀病人，發(fā)現(xiàn)重度KOA和存在內(nèi)翻力矩KOA病人的膝關(guān)節(jié)生物力學(xué)情況比存在外翻力矩KOA病人更差，股四頭肌力量更低。上述研究充分說明了功能不全的股四頭肌易引起下肢力線的異常，形成內(nèi)翻力矩，與內(nèi)側(cè)間室KOA存在著高度相關(guān)性。

Q角，又稱股四頭肌角，是指股四頭肌力線與髕韌帶力線在髕骨中點(diǎn)所形成的夾角，為膝關(guān)節(jié)冠狀面上的對線情況提供非常重要的信息。Q角是下肢力線非常重要的指示器，反映了股四頭肌對膝關(guān)節(jié)的力學(xué)影響程度。有觀點(diǎn)認(rèn)為較大的Q角是引起髕股關(guān)節(jié)炎的原因之一。Sa?等[36]選取50例右腿優(yōu)勢男性，對Q角為5°～20°的膝關(guān)節(jié)進(jìn)行不同角速度的股四頭肌等速肌力測試，結(jié)果發(fā)現(xiàn)Q角越大，等速膝關(guān)節(jié)力量、功率輸出和扭矩角越小。從這一結(jié)論來看，Q角的改變與股四頭肌肌力之間存在相關(guān)性，可能是KOA發(fā)病的成因之一。

4 總結(jié)與展望

早在上個(gè)世紀(jì)，由于科技水平與測量設(shè)備的限制，研究往往集中在宏觀水平，僅僅1張下肢負(fù)重全長位X線片，就能得到簡單的生物力學(xué)信息。通過生物力學(xué)分析，可知股四頭肌能夠通過影響膝關(guān)節(jié)穩(wěn)定性與改變正常力線來引發(fā)KOA，這體現(xiàn)了股四頭肌的功能在KOA發(fā)病機(jī)制中的重要作用。

隨著人們對KOA病人股四頭肌的生物特性研究不斷深入，實(shí)現(xiàn)了由宏觀到微觀的發(fā)展。電子顯微鏡、表面肌電、核磁共振等技術(shù)的加入為肌肉的微觀研究提供了很大助力。從而進(jìn)一步提出了股四頭肌的橫截面積、肌纖維及細(xì)胞外基質(zhì)變化引起KOA發(fā)病的可能機(jī)制。這些研究反映了一個(gè)重要的事實(shí)：宏觀的肌肉運(yùn)動或者說機(jī)械能其實(shí)來源于微觀細(xì)胞分子層面的化學(xué)反應(yīng)與能量轉(zhuǎn)化，同時(shí)也反映了肌肉結(jié)構(gòu)與KOA發(fā)病之間的關(guān)系。

從機(jī)制研究來講，日后應(yīng)進(jìn)一步加強(qiáng)對肌肉微觀結(jié)構(gòu)的探索，探究出一條完整的KOA發(fā)病機(jī)制鏈，如時(shí)下熱門的蛋白通道、酶的信號傳遞、基因凋亡控制與啟動等等。而從臨床治療層面來講，緊抓肌肉的宏觀結(jié)構(gòu)與功能可能才是提高療效的有效途徑。

doi:10.1155/2015/469459.