肌腱疲勞性損傷與膠原合成

張 林，李 敏

腱病和肌腱斷裂是運動中的一種高發(fā)性運動系統(tǒng)損傷，鑒于腱器官具有代謝相對較慢的特性，使得損傷發(fā)生后需要較長時間的治療和康復，因此，探討腱病的發(fā)病機制有著重要的意義。腱病發(fā)生的原因很多，但主要原因為過度使用所導致的疲勞性損傷，這種過度使用可能與使用頻率較多或/和肌腱承載過大有關。目前的研究由于所獲樣本大多局限于疾病的晚期，而且建立符合腱病病因、產(chǎn)生類似于人類腱病變化的有效模型較少[1]，致使鮮有資料系統(tǒng)探討早期腱病的發(fā)生與發(fā)展，這也是導致有效治療和預防腱病方法缺乏的主要原因。從現(xiàn)有研究文獻來看，肌腱疲勞性損傷的早期變化與膠原合成有關。

膠原是肌腱細胞外基質(zhì)的主要成分，其中最主要的膠原類型為膠原I，約占總膠原的95%，其它少量的膠原有膠原III、V、VI、XII和XIV等，這些膠原的量少但作用復雜，可能在膠原纖維形成、調(diào)節(jié)膠原直徑和其它周圍細胞相互作用等一些過程中具有一定作用。本文綜述了在運動負載及疲勞負載下肌腱的表達及影響其表達的機理，以探討肌腱疲勞性損傷的分子機制。

1 運動誘導后肌腱膠原的合成

I型前膠原羧基端前肽（PICP）和I型前膠原氨基端前肽（PINP）是I型膠原合成的標志物，一些學者采用微透析技術研究人體跟腱PICP和PINP的變化。Olesen研究發(fā)現(xiàn)，馬拉松運動員36 km、3 h運動后即刻，跟腱透液中PICP含量下降，但在72 h后升高［2］；經(jīng)過中等強度訓練的男性上坡跑（3%，12 km/h，1 h）后，透析液中PICP也出現(xiàn)類似的變化［3］，但后者與前者相比 PICP是中等程度的升高，這表明運動使局部膠原合成影響具有運動劑量依賴性。采用同位素標志技術可更準確測量肌腱中膠原變化，通過服用標記的脯氨酸，隨后采用活檢技術研究膠原合成速率。健康男性單側踢腿（67%1RM，35 次/min，1 h）活檢組織，電鏡觀察表明肌腱組織正常，運動后6 h和24 h膠原合成速率增加，72 h開始下降但升高仍顯著［4］，但是透析液中的PINP在72 h時顯著下降，出現(xiàn)了直接和間接指標測試結果不一致，這有可能因為前者為運動員，而后者為一般男性，也可能因為對于這些人來說相對負荷不同有關。而且女性進行同樣的運動后PINP未見變化［5］，也表明運動后膠原合成的變化可能依賴于一定的激素水平。

mRNA水平可以反映膠原合成的變化，但也有研究證實膠原mRNA表達和蛋白水平的表達差別很小。（1）動物研究：大鼠跑臺運動（20 m/min，10%，40 min）后，跟腱前膠原Iα1 1 mRNA表達無顯著變化，但前膠原IIIα 11mRNA升高顯著［6］；12周運動后跟腱前膠原Iα11mRNA顯著增加，而前膠原IIIα11mRNA表達回復到原來水平［7］，這說明跟腱在增加負載時會引起組織產(chǎn)生損傷，引起膠原III表達增加，組織學研究也證明此時出現(xiàn)膠原纖維扭曲和斷裂，而12周長期運動后對這種負載已產(chǎn)生了適應性，膠原III表達回復，主要承擔力的膠原I表達增多，組織學和力學研究也證實了該結論。這在另外一些研究中［8］也得到證實，即長期訓練后膠原III的表達會回復，表明肌腱對所處的力學環(huán)境已產(chǎn)生了適應。而在有的研究中，大鼠經(jīng)過運動訓練后膠原I和膠原III的mRNA表達未見變化，可能與這些動物進行的都是自主運動［9，10］，相對負荷較小有關。（2）人體研究：目前有學者采用活檢技術研究了人體運動后肌腱中膠原的mRNA水平。健康年輕個體單側伸展運動（70%1RM，10 次/組，3組）， 膠原I和膠原IIImRNA在運動后4 h顯著下降，但24 h 回復到原來水平［11］。Heinemeier等采用Miller［4］研究中同樣的運動模式，采用活檢技術研究了運動后2 h、6 h及26 h組織膠原mRNA水平，但都未見變化［12］，這表明Miller等［4］的研究中蛋白水平表達升高并不是基于轉錄水平的提高，只能是翻譯速率的增加，中等強度的踢腿運動不足以使基因在轉錄水平發(fā)生變化。一些腦癱患者，由于經(jīng)常承受長時間的機械負載，肌腱中的膠原I mRNA水平升高［13］。因此，可能對于人類來說，運動誘導膠原表達的變化需要更高的運動負荷，這也再一次證明了運動誘導膠原合成和運動模式、時間和強度有關。

目前的研究表明，無論是采用微透析技術、同位素標記還是PCR技術，肌腱承受較大載荷后產(chǎn)生適應性變化是明確的，但研究結果略有不同，可能的機制與以下幾種因素有關：（1）肌腱上加載的負荷大小和頻率不同。負荷的大小可能在一定程度上影響著肌腱是生理性反應還是病理性反應，因此，運動負荷在肌腱損傷過程中具有重要的作用。（2）不同研究對象肌腱的疲勞性不同。研究表明肌腱的疲勞性與其承載的載荷是相適應的［14］，不同疲勞性的肌腱對負載的反應顯然也是不同的。（3）測量的方法及部位的不同。雖然在一定程度上mRNA水平高低可以反映膠原合成，但是以蛋白表現(xiàn)還是翻譯的過程尚不清楚。另外，肌腱組織在不同位置代謝不同［10,15］，在不同位置進行取樣如活檢的位置可能會影響研究結果。此外，由于一些研究中僅從分子角度研究了適應性變化，無法知道運動后肌腱組織學或力學上的變化，故不能確定是否產(chǎn)生了微損傷或修復，而且由于大多研究中的負載都采用了較大的負載，所以很難說以上這些膠原的合成反應，是一種生理適應性的反應還是疲勞亞損傷的反應。因此，使用同一研究對象、同一種研究方法和不同大小的負荷，來研究肌腱的過度使用損傷的發(fā)生機制就顯得特別重要。

2 疲勞載荷下肌腱膠原的合成

早期研究Birch等［16］發(fā)現(xiàn)老年賽馬淺趾屈肌腱的中間區(qū)域與外周區(qū)域相比具有顯著高的膠原III，這可能和老年馬的中間區(qū)域較外周區(qū)域承載較高有關?，F(xiàn)在一些學者通過對肌腱進行不同程度的疲勞負荷加載，來分析肌腱疲勞損傷后早期的基因反應。Fung［17］研究中發(fā)現(xiàn)，相對于肌腱斷裂，在撕裂肌腱中僅表現(xiàn)為膠原ImRNA的增加，不同的是不同疲勞負載下[0.6%（低）、1.7% （中）、3.5%（高）]肌腱產(chǎn)生更多的反應，3種膠原亞型表達都發(fā)生了變化，但不同疲勞負載膠原變化不同。該研究發(fā)現(xiàn)：（1）肌腱低水平疲勞后1 d和3 d膠原ImRNA下調(diào)，而中等水平其沒有變化，但高水平在負載后1 d和3 d表達顯著增加。（2）低水平疲勞負載和中等水平疲勞負載，膠原IIImRNA顯著增加，但第3 d時降到原來水平；高水平負載后膠原IIImRNA水平在第1 d時未見變化，但在第3 d時增加。（3）膠原VmRNA表現(xiàn)同樣的模式，在低水平和中等水平及高水平疲勞時逐漸增多，但高水平增加幅度大。

Sun等［18］也比較了不同疲勞載荷下肌腱中膠原的變化，大鼠髕腱分別施加了低周載荷（100次）和高周載荷（7 200次），結果發(fā)現(xiàn)：（1）低周負載后1 d膠原ImRNA沒有顯著變化，但在7 d后顯著上調(diào)，而高周負載在7 d后下調(diào)。（2）低周負載后1 d時膠原IIImRNA上調(diào)7 d后回復，而高周負載后膠原IIImRNA一直上調(diào)，且高周負載上調(diào)幅度大于低周負載。（3）高、低周負載后均引起膠原VmRNA的上調(diào)，但具有周期依賴性。（4）膠原XIImRNA低周載荷較高周載荷上調(diào)，髕腱疲勞加載后1 d和7 d顯著不同，具有加載周期依賴性。

通常情況下肌腱中主要為膠原I，膠原III被認為是在肌腱愈合早期新合成ECM的主要組分［19］，膠原V是在肌腱血管壁和降解的成年肌腱中發(fā)現(xiàn)的[20]，而且已有研究認為膠原V在調(diào)節(jié)膠原裝配過程中具有重要的作用［21］。肌腱損傷后膠原III表達增多，在損傷10 d后達峰值，保持較穩(wěn)定狀態(tài)到28 d隨后逐漸降到損傷前水平[22]。膠原I在損傷后也增加但很慢，因此，膠原III可能在損傷的早期階段具有重要的作用，而膠原I在后期具有作用。

在低疲勞損傷后膠原I的下調(diào)和膠原III、膠原V的上調(diào)反映了低損傷早期階段的分子反應。膠原XII與膠原I和蛋白多糖相互作用，連接了膠原纖維之間和膠原纖維與其它ECM組分之間，可能在維持正常ECM穩(wěn)定中維持組織的組分具有一定的作用。因此，低載下膠原I和膠原XII表達的上調(diào)，可能代表了肌腱肥大適應性反應，膠原III表達的持續(xù)增加意味著微損傷的積累。

3 生長因子在肌腱膠原合成中的作用

有關肌腱在機械負載下膠原表達變化的機制尚不清楚，一些離體和在體研究表明，機械負載下膠原合成的增多可能是負載下一些生長因子表達的增多。這些生長因子包括轉化生長因子（TGF-β1）、結締組織生長因子（CTGF）、胰島素生長因子（IGF-I）和白介素-6（IL-6）等。

TGF-β1在調(diào)節(jié)肌腱膠原表達中具有一定作用，韌帶［23］和髕腱成纖維細胞負載誘導產(chǎn)生［24］的膠原I和膠原III，直接依賴于TGF-β1的活性，機械負載可以誘導TGF-β1的表達[25]。健康男性運動后跟腱TGF-β1水平升高［3］，但此研究透析液中TGF-β1的升高可能有一部分來自于循環(huán)血液；進行不同類型的運動4 d后，在最后一次訓練后24 h跟腱TGF-β1mRNA水平顯著升高，而且這種升高與膠原表達上調(diào)相一致［26］。但大鼠12周跑步和力量訓練及7周的自主負載跳躍，TGF-β1mRNA水平未見變化，而且膠原表達也未見變化［9,10］。Heinemeier等采用Miller[3]研究中同樣的運動模式，使用活檢技術研究健康男性，發(fā)現(xiàn)運動后不僅膠原mRNA水平未見變化，TGF-β1 mRNA水平也未見變化［12］。這些研究表明，TGF-β1對機械負載的反應及對膠原合成的誘導，也是受負載的大小影響的。而在腱病中，TGF-β1的表達雖然增加，但是TGF-βR1的表達僅分布于血管，而在基質(zhì)中的分布較少，表明TGF-β1通路可能在腱病發(fā)展中因其受體的缺少而阻斷［27］。也有學者采用2周注射TGF-β1成功建立了腱病模型［28］，因此，TGF的作用可能具有“雙面性”，TGF-β1在疲勞性損傷發(fā)展過程的作用，還有待進一步探討。

CTGF被認為在成纖維中TGF-β1誘導膠原合成的下游介質(zhì)［29］，但很少有數(shù)據(jù)表明CTGF在肌腱中的作用。一項研究發(fā)現(xiàn)兔子肌腱細胞，在80 h積累性低重復負載下CTGF陽性量增多［30］，但使用同樣的模型發(fā)現(xiàn)對CTGFmRNA水平?jīng)]有影響［31］。同樣，大鼠進行4 d抗阻訓練后，雖然膠原mRNA水平升高，但沒有發(fā)現(xiàn)CTGF的表達出現(xiàn)顯著變化［26］，而且大鼠12周跑步和力量訓練后CTGFmRNA沒有變化［9］，同樣的運動模式后不僅膠原mRNA水平未見變化，CTGF的mRNA水平也沒有變化［12］。這些結果表明，應進一步思考CTGF在肌腱負載后的調(diào)節(jié)作用。

IGF-I是一個負載下膠原合成增多的因子。離體研究表明，IGF-I以劑量依賴式方式誘導膠原I的合成［32］；而系統(tǒng)補給生長激素可以同時誘導IGF-I和膠原的表達［33］。早期的研究發(fā)現(xiàn)肌腱中IGF-I的出現(xiàn)是由于機械刺激的誘導［34］，增加跖肌腱的負荷后8 d的IGF-1mRNA表達增多，與膠原I表達相一致［35］；4 d不同類型力量運動后IGF-IEa和MGFmRNA水平顯著增加［36］；但成熟大鼠進行12周跑步訓練后組織學顯示未產(chǎn)生病理變化，膠原III和IGF-I基因表達顯著增加［37］，大強度運動后透析液中IGF-I含量雖然沒有變化，但IGFBP-I含量增加，意味著其生物效應的增加［2］。大鼠跑步訓練后約12周開始出現(xiàn)腱病，此時IGFI開始顯著增加，IRS-I磷酸化在16周顯著增多，而且和IGF-I具有相關性[34]。因此，IGF-I可能是肌腱在增加負載或改變負載時，發(fā)生適應變化或出現(xiàn)病理性變化。

IL-6由成纖維細胞分泌，參與膠原的代謝。離體研究表明，循環(huán)雙向拉伸15 min可以增加IL-6的分泌，且一直保持到8 h后［38］。長時間的跑步運動跟腱透析液中的IL-6顯著增加，并與膠原合成增加相一致（PINP）［39］，而且比血液中高出40倍，比肌肉中高10倍，這表明IL-6可由結締組織分泌［3］。但在36 km的跑步運動中，跟腱IL-6沒有增加，且膠原合成也沒有增加，這可能與該運動屬于較大的應激，對于大多數(shù)人來說超過生理承受范圍，表明IL-6受到運動負荷的影響。

4 小結

大多數(shù)研究認為運動肌腱會產(chǎn)生適應性反應，上調(diào)膠原I和膠原III的合成，但也有一些不同的研究結果，主要與相對運動負載的大小有關。不同疲勞負載下肌腱產(chǎn)生更多的反應，膠原亞型表達不同的變化，具有載荷劑量依賴性。低疲勞水平運動會使膠原I合成上調(diào)，產(chǎn)生有益力學環(huán)境的重塑；而高水平的疲勞載荷膠原III表達持續(xù)升高，意味著肌腱病理性損傷，但這種損傷并不像肌腱撕裂那樣可引起典型的愈合反應。一些生長因子有上調(diào)膠原合成的作用，但在機械負載下的上調(diào)是適應性反應還是病理性反應，也即它們的雙面性還需要進一步的探討。

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