楊金娟 陳俊飛 支子 嚴翊

1 北京體育大學(xué)運動人體科學(xué)學(xué)院（北京100084）

2 河北科技師范學(xué)院體育與健康學(xué)院（秦皇島066004）

肌腱是一種獨特的結(jié)締組織，是連接肌肉和骨骼的肌肉骨骼系統(tǒng)的組成部分。運動性肌腱損傷包括慢性損傷和急性損傷。慢性肌腱損傷是常見的過度使用性損傷，是一種以疼痛和活動受限為特征的疾病，其發(fā)病機制目前尚不清楚，有的認為是退行性疾病[1]，有的認為是愈合失敗導(dǎo)致的[2]。炎癥在肌腱疾病發(fā)病機制中的作用仍是一個有爭議的話題。早在1976年，研究人員對患有腱鞘炎的患者的病變樣本進行檢測，未顯示病變周圍有明顯的炎性細胞[3]，因此肌腱疾病被認為是沒有炎癥的退化過程。最近的研究從非撕裂性肌腱疾病的活檢標本中檢測到炎性細胞的存在，這些研究支持了炎癥在慢性肌腱損傷發(fā)病機制中的作用，但確切機制仍有待闡明[4-6]。肌腱對異常機械負荷的反應(yīng)在肌腱損傷中具有重要作用，慢性和急性肌腱損傷往往與力學(xué)負荷強度和負荷量有關(guān)。

力是使物體變形、運動和∕或改變運動狀態(tài)的一種機械作用。生物力學(xué)是研究生命體變形和運動的學(xué)科，通過生物學(xué)與力學(xué)原理方法的有機結(jié)合，認識生命過程的規(guī)律，解決生命與健康領(lǐng)域的科學(xué)問題。近年來，隨著科學(xué)技術(shù)的進步，生物力學(xué)研究逐漸深入到細胞分子層面，生物力學(xué)自身也在不斷發(fā)展。力學(xué)生物學(xué)逐漸成為生物力學(xué)一個新興學(xué)科的前沿領(lǐng)域。力學(xué)生物學(xué)跨越生物系統(tǒng)的多個尺度：分子、細胞、組織、器官和整個有機體，主要探討力學(xué)刺激對生物體健康、疾病或損傷的影響，研究生物體的力學(xué)信號感受和響應(yīng)機制，闡明機體的力學(xué)過程與機體發(fā)育、生長、重建、適應(yīng)性變化和修復(fù)等的相互關(guān)系，從而促進病理機制的研究和發(fā)展有效的治療策略[7]。

力學(xué)生物因素在運動系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)功能調(diào)控中具有非常重要的作用，一些常見的運動系統(tǒng)疾病，如骨質(zhì)疏松癥、骨關(guān)節(jié)炎、肌腱疾病、肌肉萎縮癥和椎間盤退變等，在一定程度上與這些組織內(nèi)細胞對異常機械負荷的反應(yīng)有關(guān)[8]。肌腱將載荷從肌肉傳遞到骨骼，通過細胞通路和高度特化的細胞外基質(zhì)（extracellular matrix，ECM）之間復(fù)雜的相互作用，自適應(yīng)地改變自身的結(jié)構(gòu)和功能，對不同大小、方向、頻率和持續(xù)時間的機械負荷作出反應(yīng)。這種機械適應(yīng)是通過肌腱內(nèi)細胞對機械信號的響應(yīng)以及ECM 的沉積和降解來獲得的[9]。此外，機械負荷通過調(diào)控ECM 的沉積和降解進而調(diào)控干細胞增殖和分化，甚至引起基因組本身的表觀遺傳修飾[10]。因此，了解肌腱和肌腱內(nèi)細胞，尤其是肌腱干細胞（tendon stem∕progenitor cells，TPSCs）的力學(xué)生物學(xué)知識對于進一步理解運動性肌腱損傷的發(fā)病機制、肌腱再生修復(fù)過程中的病理生理學(xué)機制和控制機械負荷的生理益處至關(guān)重要。本文分別以中文檢索詞“肌腱損傷、運動、力學(xué)生物學(xué)、生物力學(xué)、病理機制”和英文檢索詞“tendoninjury，biomechanics，tendon stem∕progenitor cells，pathogenesis”等為關(guān)鍵詞，檢索CNKI期刊全文數(shù)據(jù)庫和Pubmed數(shù)據(jù)庫收錄的相關(guān)文獻，同時輔以手工檢索和文獻追溯的方法，收集發(fā)表的有關(guān)肌腱力學(xué)生物學(xué)及病理機制等的文獻。

1 肌腱的力學(xué)生物學(xué)結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)

與所有生物系統(tǒng)一樣，肌腱和韌帶的功能和對機械負荷的反應(yīng)高度依賴于其結(jié)構(gòu)。肌腱高度組織化的結(jié)構(gòu)成分對于其對機械負荷的響應(yīng)至關(guān)重要。肌腱主要由ECM、細胞和水構(gòu)成。ECM 由平行的膠原纖維組成，膠原纖維可進一步分為原纖維、亞纖維、微纖維和原膠原蛋白[11]。膠原纖維是肌腱的主要結(jié)構(gòu)成分，結(jié)構(gòu)層次復(fù)雜，從納米尺度到宏觀尺度的拉伸性能各不相同。膠原蛋白的腱層結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能被認為是肌腱組織承受機械負荷的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)[12]。腱內(nèi)細胞線性排列在膠原纖維之間，形成一個三維的細胞網(wǎng)絡(luò)，分布于整個肌腱中。腱細胞（tenocytes）是肌腱的主要細胞成分；肌腱纖維原細胞（tenoblasts）由胚胎時期的間充質(zhì)干細胞分化而來；雖然肌腱干細胞的確切位置尚不清楚，但它們的存在已得到證實。腱細胞、肌腱纖維原細胞和肌腱干細胞通過調(diào)控肌腱結(jié)構(gòu)來維持肌腱的力學(xué)性能和防止肌腱損傷的發(fā)生。此外，膠原纖維之間還存在各種非膠原蛋白成分，如飾膠蛋白聚糖（decorin）、雙糖鏈蛋白聚糖（biglycan）、纖調(diào)蛋白（fibromodulin）、腱糖蛋白（tenascin-C）、彈性蛋白（elastin）和腱調(diào)蛋白（tenomodulin，TNMD）等糖蛋白，它們分別在肌腱膠原纖維的組裝、肌腱完整性的維持等方面發(fā)揮一定作用[13]，但對于其在機械負荷轉(zhuǎn)導(dǎo)中的作用仍不清楚。機械刺激是肌腱力學(xué)生物學(xué)的一個重要參數(shù)，更好地了解其對肌腱的影響是深入了解肌腱病理生理的基礎(chǔ)。

圖1 肌腱的腱層結(jié)構(gòu)[12]

2 力學(xué)負荷在肌腱組織發(fā)育、生長和肌腱穩(wěn)態(tài)中的作用

肌腱是一種機械感覺組織，其力學(xué)生物學(xué)環(huán)境對肌腱的發(fā)育、穩(wěn)態(tài)的維持、損傷后修復(fù)以及老化等具有重要意義。Gaut 等的研究表明，肢體肌腱的發(fā)育涉及干細胞特化，肌腱干細胞分化、成熟和維持，機械信號缺失會阻礙肌腱發(fā)育[14，15]。通過動物模型和人體研究發(fā)現(xiàn)，機械負荷對成人肌腱穩(wěn)態(tài)的維持也至關(guān)重要，肌腱在其特定的生理負荷范圍內(nèi)運行，機械負荷減小或應(yīng)力剝奪導(dǎo)致肌腱尺寸減小，生物力學(xué)性能受損，ECM降解并伴隨肌腱標記蛋白表達減少[16，17]。與之相反，生理范圍內(nèi)機械負荷增加會促進肌腱組織內(nèi)生長因子和炎癥介質(zhì)的表達，進而促進膠原蛋白和ECM 合成[18，19]。同時有研究表明，生理范圍內(nèi)的機械刺激通過激活轉(zhuǎn)化生長因子β（transforming growth factor-β，TGFβ）和Smad2∕3 蛋白介導(dǎo)的TGF-β∕Smad2∕3 通路調(diào)節(jié)腱調(diào)蛋白（tenomodulin，Tnmd）的轉(zhuǎn)錄激活因子Scleraxis（Scx）的表達，促進膠原合成，改變ECM 的組成并顯著增加肌腱彈性和橫截面積[1]，使肌腱的機械性能增加，且力學(xué)負荷必須達到一定的閾值才能使肌腱發(fā)生重塑。然而，當(dāng)機械刺激因大小、頻率、持續(xù)時間和∕或方向的不同偏離正常的機械負荷時，肌腱腱膜周圍區(qū)域蛋白水解酶濃度發(fā)生顯著變化，導(dǎo)致肌腱內(nèi)分解反應(yīng)大于合成反應(yīng)，引發(fā)肌腱的退行性變，進而導(dǎo)致肌腱損傷的發(fā)生[20]。研究發(fā)現(xiàn)，單次或重復(fù)機械負荷對肌腱的過度刺激使肌腱病理標志物如炎癥細胞因子，退行性酶如基質(zhì)金屬蛋白酶（matrix metalloproteinases，MMPs）和前列腺素E2（prostaglandin E2，PGE2）等表達增加，膠原纖維損傷[21，22]，這一結(jié)果與腱病的臨床病例中所報道的病理變化如膠原蛋白被破壞，細胞減少，MMPs水平升高，細胞凋亡增多等結(jié)果相似[23]。肌腱損傷后的修復(fù)過程也需要機械負荷刺激，適度的機械負荷能夠促進肌腱的重塑和修復(fù)。研究人員通過對大鼠跟腱損傷的動物模型研究發(fā)現(xiàn)，機械刺激促進修復(fù)與MMPs 激活和抑制以及MMPs 調(diào)控膠原基質(zhì)重建有一定關(guān)系，但具體機制尚未闡明[24]。眾所周知，老化是肌腱發(fā)生退行性變和影響受損肌腱愈合的主要危險因素，老化導(dǎo)致肌腱細胞衰老，膠原蛋白含量減少，肌腱組織的力學(xué)性能下降[25]。通過人體研究發(fā)現(xiàn)，阻力訓(xùn)練可以增加肌腱的彈性，這可能有助于減輕肌腱損傷的風(fēng)險[26]，機械刺激可以導(dǎo)致肌腱細胞適應(yīng)性反應(yīng)和ECM 成分改變，這是由運動產(chǎn)生的局部效應(yīng)還是系統(tǒng)效應(yīng)目前尚不清楚。

機體不同部位的正常肌腱組織處于特定的機械環(huán)境中，不同肌腱承受負荷的大小取決于它們所附著的肌肉、骨骼和解剖結(jié)構(gòu)的特點，這也決定了肌腱組織的異質(zhì)性。不同力學(xué)環(huán)境下，無論機械刺激是小于正常負荷（應(yīng)力消除或剝奪）還是大于正常負荷（大小、頻率、持續(xù)時間或方向），不同肌腱的機械刺激響應(yīng)是不同的；此外，肌腱的力學(xué)生物學(xué)特征是動態(tài)變化的，受年齡、性別、負荷史和解剖位置等的影響。肌腱通過自適應(yīng)地改變自身結(jié)構(gòu)和功能來響應(yīng)機械刺激，這種機械適應(yīng)性是由肌腱內(nèi)細胞數(shù)目的改變以及ECM 重建實現(xiàn)的，具體表現(xiàn)為ECM沉積和纖維排列緊密[27]，但肌腱內(nèi)細胞對機械信號的響應(yīng)和轉(zhuǎn)導(dǎo)機制尚不清楚。了解細胞對機械刺激的響應(yīng)對進一步理解肌腱損傷發(fā)生的病因及控制運動負荷的生理益處至關(guān)重要。

3 肌腱內(nèi)細胞對機械負荷的生物學(xué)響應(yīng)

肌腱內(nèi)的細胞包括成熟的肌腱細胞和少數(shù)肌腱干細胞，這兩種細胞類型都能保證細胞外基質(zhì)的穩(wěn)態(tài)和修復(fù)，以保證其特定的力學(xué)性能。機械負荷是維持肌腱組織完整性和穩(wěn)態(tài)最重要的因素之一，也是決定腱細胞和肌腱干細胞功能和命運的關(guān)鍵因素[17]。細胞水平的機械應(yīng)力是驅(qū)動肌腱組織機械調(diào)節(jié)的中心原則，肌腱內(nèi)相互作用的細胞和細胞間信號通路受機械刺激的調(diào)節(jié)[28，29]，并在適應(yīng)肌腱穩(wěn)態(tài)中發(fā)揮作用[1]。過去20年來，隨著許多體外細胞培養(yǎng)和裝載系統(tǒng)的發(fā)展，肌腱內(nèi)細胞對機械刺激的反應(yīng)及其分子機制成為研究重點。研究認為，細胞是通過細胞骨架、初級纖毛、核變形、拉伸激活離子通道或其他機械敏感通道等傳遞組織內(nèi)的機械應(yīng)力和調(diào)節(jié)細胞信號與行為的[28，30，31]。

3.1 肌腱纖維原細胞和腱細胞的力學(xué)生物學(xué)響應(yīng)

肌腱纖維原細胞作為肌腱內(nèi)的主導(dǎo)細胞類型，通過改變ECM 的基因和蛋白表達，對肌腱的改變起著重要作用[32]。研究人員設(shè)計了一個體外模擬肌腱細胞在體內(nèi)排列的重復(fù)單軸牽拉系統(tǒng)，利用該系統(tǒng)研究發(fā)現(xiàn)，機械拉伸可以調(diào)節(jié)肌腱原纖維細胞的增殖，使Ⅰ型膠原蛋白表達增多[33]，同時細胞中MMP1、MMP3、環(huán)氧合酶-2（cyclooxygenase-2，COX-2）的表達及PGE2 和白三烯B4（leukotriene B4，LTB4）的生成增多[34]；除了機械載荷對肌腱原纖維細胞的直接影響外，機械載荷與細胞因子之間也存在相互作用，這種相互作用的結(jié)果與拉伸的大小有關(guān)，如，生理條件下的機械負荷（4%循環(huán)單軸牽拉）通過增強合成活性（如Ⅰ型膠原的生成）和減少分解代謝活性（如抑制COX-2 和MMP1 的mRNA 表達及PGE2 的生成）來平衡腱細胞的代謝，相比之下，大的機械負荷（8%循環(huán)單軸牽拉）通過增加COX-2和PGE2的水平，使代謝平衡向分解代謝方向轉(zhuǎn)變[35]。直接的機械刺激作用于腱細胞可通過TGF-β介導(dǎo)的信號轉(zhuǎn)導(dǎo)對腱細胞分化及形態(tài)發(fā)生產(chǎn)生影響[36]。已知PGE2 和LTB4 主要存在于炎癥或損傷組織中，因此研究認為肌腱或肌腱成纖維細胞對機械負荷的生物學(xué)反應(yīng)可能導(dǎo)致肌腱的病理生理變化。但此類研究尚存在一定的局限性，包括細胞培養(yǎng)模型中缺乏圍繞肌腱成纖維細胞的ECM，在體情況下肌腱成纖維細胞對機械牽拉負荷如何反應(yīng)尚不清楚。

3.2 肌腱干細胞對力學(xué)負荷的響應(yīng)

干細胞被定義為在適當(dāng)刺激下能夠自我更新和分化成不同的特化細胞系的非特化前體細胞。在機體發(fā)育和整個生命過程中，干細胞可能會受到各種信號的影響，然而，其調(diào)控機制大多仍不清楚。之前的研究主要集中在調(diào)控干細胞分化的生物化學(xué)因素（可溶性生長因子）上，但干細胞生長的微環(huán)境（物理和∕或機械因素）對干細胞的作用長期被忽視。近些年來的一些研究發(fā)現(xiàn)，機械信號（拉伸、壓縮和剪切應(yīng)力）既可以單獨調(diào)控干細胞的增殖和分化[37，38]，也可以與其它生物化學(xué)因素協(xié)同作用調(diào)控干細胞的命運[39，40]。肌腱干細胞作為一種成熟的干細胞，自發(fā)現(xiàn)以來受到了廣泛關(guān)注，因其具有自我更新和多譜系分化潛能，成為肌腱修復(fù)或再生的一種潛在的細胞治療策略。與肌腱成纖維細胞一樣，肌腱干細胞在體內(nèi)也受到機械負荷的作用。研究人員借助體內(nèi)和體外模型研究了肌腱干細胞對各種機械負荷的生物學(xué)反應(yīng)。如通過跑步作用于小鼠肌腱的研究結(jié)果顯示，機械負荷增加了肌腱干細胞的數(shù)量，增加的程度因肌腱類型的不同而有差異，且跑步組肌腱干細胞中膠原蛋白的生成明顯高于對照組。因此，該研究認為，機械負荷促進肌腱干細胞增殖和膠原合成進而影響肌腱的合成代謝[41]。為進一步研究機械負荷強度對肌腱干細胞分化的影響，研究人員通過低負荷強度（4%）和高負荷強度（8%）體外牽拉肌腱干細胞，結(jié)果顯示，肌腱干細胞的分化是機械負荷大小依賴的：當(dāng)機械牽拉負荷較?。?%）時，肌腱干細胞分化為腱細胞，而在機械負荷較大時，肌腱干細胞還可以分化為脂肪細胞、軟骨細胞、骨細胞等非腱系細胞[42]。以小鼠跑步機跑步為實驗?zāi)Ｐ瓦M一步研究發(fā)現(xiàn)，在反復(fù)劇烈的機械負荷作用下，肌腱產(chǎn)生高水平的PGE2，導(dǎo)致肌腱干細胞增殖能力減弱，誘導(dǎo)肌腱干細胞分化為脂肪細胞和骨細胞[43]。肌腱干細胞的力學(xué)生物學(xué)研究支持了機械負荷調(diào)控肌腱干細胞命運這一觀點。

4 運動性肌腱損傷的肌腱力學(xué)生物學(xué)機制探究

運動性肌腱損傷主要包括慢性肌腱損傷和急性肌腱損傷，在運動員和肌腱重復(fù)性勞損的職業(yè)人群中較為常見。慢性肌腱損傷是一種常見的軟組織損傷，是生理負荷范圍內(nèi)發(fā)生的重復(fù)性微損傷（退化性損傷，tendinosis），包括由于肌纖維過度使用或反復(fù)強烈牽拉而引起肌腱膠原纖維退行性病變肌腱炎（tendinitis），除了累及肌腱本身，還會累及腱鞘導(dǎo)致末端病和滑囊炎。此外，肌腱、韌帶和肌肉起止點部位，由于損傷引起局部充血、滲出、水腫，繼而由于未能完全吸收，代謝產(chǎn)物在局部滯留，形成粘連、增厚，引發(fā)纖維化、骨化乃至鈣化等一系列病理變化，也會導(dǎo)致如岡上肌肌腱炎、網(wǎng)球肘、跟腱損傷等末端病，其組織學(xué)特征有膠原纖維紊亂、蛋白多糖（proteoglycan）和糖胺多糖（glycosaminoglycan）含量增加，非膠原ECM 增加和新生血管形成[1]。這些細胞和分子的變化改變了肌腱的力學(xué)性能，并引發(fā)疼痛。由于對其發(fā)病機制尚未完全了解，人們提出退行性變和愈合失敗等假說。急性肌腱損傷是指肌腱部分或全部斷裂，在快速降速、著地或變換方向并伴隨中等強度或大強度牽拉負荷的肢體活動中較為常見。此外，在慢性退行性病變的部位，日常負荷強度下也易發(fā)生肌腱撕裂或斷裂[44]。運動性肌腱損傷是由許多外在和內(nèi)在因素共同導(dǎo)致的。內(nèi)在因素包括性別、年齡、Ⅱ型糖尿病和肥胖癥等疾病以及遺傳等因素；外在因素主要有缺氧、缺血損傷、氧化應(yīng)激、體溫升高、運動和特定的工作特質(zhì)等[45]，其中，重復(fù)的異常機械負荷刺激誘導(dǎo)MMPs、生長因子、PGE2 等生物因子的產(chǎn)生，導(dǎo)致ECM重構(gòu)缺陷，可能會引發(fā)肌腱損傷的發(fā)生。

隨著生物技術(shù)的不斷進步和力學(xué)生物學(xué)研究的發(fā)展，研究人員提出了肌腱干細胞錯誤分化是鈣化性肌腱病的潛在發(fā)病機制的觀點[46]，試圖從肌腱干細胞的力學(xué)生物學(xué)角度闡述肌腱鈣化與機械刺激或過度機械負荷的關(guān)系。該觀點認為，肌腱損傷是一種細胞介導(dǎo)的愈合失敗過程，急性肌腱損傷發(fā)生后，正常肌腱愈合過程中肌腱干細胞增殖并分化為腱細胞參與組織修復(fù)，然而，當(dāng)機械負荷改變導(dǎo)致其對正常運動的愈合能力受損或微損傷積累時，肌腱干細胞向成骨細胞和∕或軟骨細胞的錯誤分化（骨—軟骨發(fā)生），可能是鈣化性肌腱病發(fā)生軟骨發(fā)育不全和異位骨化的原因。研究人員分別對正常肌腱組織和病變組織中的肌腱干細胞生物學(xué)特性進行研究發(fā)現(xiàn)，與健康肌腱組織中分離的肌腱干細胞相比，病變組織中的肌腱干細胞具有更高的成骨分化潛能[47]。Shuji 等[48]在小鼠肌腱病模型的跟腱組織中分離出兩個肌腱干細胞的亞群CD105Pos肌腱干細胞和CD105Neg肌腱干細胞，其中CD105Neg肌腱干細胞被認為是導(dǎo)致肌腱軟骨樣變性的主要原因；過度的機械負荷下肌腱干細胞會異常分化為非腱細胞，如重復(fù)的周期性牽拉增加了大鼠肌腱干細胞中BMP-2 的表達，BMP-2 可誘導(dǎo)體外肌腱干細胞的成骨分化；ECM排列的改變也可能導(dǎo)致肌腱干細胞在肌腱病變中錯誤分化[49]。導(dǎo)致肌腱干細胞錯誤分化的具體機制目前尚不清楚，當(dāng)前研究認為，機械因素[50]、可溶性生物活性因子和ECM的彈性[51，52]等都可能導(dǎo)致肌腱干細胞錯誤分化。

5 結(jié)論

對肌腱和肌腱干細胞的力學(xué)生物學(xué)研究能夠更有助于理解肌腱的穩(wěn)態(tài)、肌腱損傷發(fā)病機制和損傷愈合機制。肌腱干細胞可能通過在過度的機械負荷下進行非腱系分化，從而導(dǎo)致肌腱穩(wěn)態(tài)的破壞，導(dǎo)致肌腱微損傷積累或發(fā)生退行性改變。深入了解干細胞對機械信號的轉(zhuǎn)導(dǎo)機制以及肌腱干細胞與細胞外環(huán)境的相互作用，肌腱干細胞信號轉(zhuǎn)導(dǎo)與分化之間的信號網(wǎng)絡(luò)，有望為肌腱疾病的預(yù)防或治療提供新的治療方法和康復(fù)手段。