運動對肌腱以及止點部位ECM的影響及相關指標的變化綜述

肌腱作為連接骨骼肌和骨的重要元件，可儲存和釋放能量，并在力量傳遞和促進運動方面具有非常關鍵的作用。但在20世紀60年代以前，肌腱一直被認為是不活躍的組織結構。最近十來年里，ECM備受人們關注，肌腱和骨骼肌中ECM的活躍性質也開始被認識。此外，運動員和鍛煉者的一些肌腱勞損的發生，如跟腱和髕韌帶，大都認為是負載導致ECM的病理變化，而不僅僅是簡單的機械破裂。肌腱勞損這一現象提示，肌腱的代謝過程控制其對機械負荷的生理和病理適應之間的平衡。

1、細胞外基質

ECM是由細胞分泌到細胞外間質中的大分子物質所構成的復雜的網架結構，不屬于任何細胞但決定結締組織的特性。ECM不僅具有連接、支持、保水、抗壓及保護等物理學作用，而且對細胞的形狀、結構、功能、存活、增殖、分化、遷移等一切生命現象具有全面的影響，因而無論在胚胎發育的形態發生、器官形成過程中，或在維持成體結構與功能完善以及創傷修復等一切生理活動中均具有不可忽視的重要作用。ECM的組成可分為三大類：一是氨基聚糖及蛋白聚糖，它們能夠形成水性的膠狀物，其中包埋許多其他的基質成分；二是結構蛋白，如膠原和彈性蛋白，它們賦予ECM一定的強度和韌性；三是粘著蛋白，如纖粘連蛋白和層粘聯蛋白，它們促使細胞同基質結合。其中，以膠原和蛋白聚糖為基本骨架在細胞表面形成纖維網狀復合物，這種復合物通過纖粘連蛋白或層粘連蛋白以及其他的連接分直接與細胞表面受體連接，或附著到受體上。由于受體多數是膜整合蛋白，并與細胞內的骨架蛋白相連，所以ECM 通過膜整合蛋白將細胞外與細胞內連成一個整體。

2、肌腱膠原代謝

由于氨基酸穩定同位素的應用，人們可以對人體組織的蛋白質合成速率進行測定。肌腱的膠原合成在一輪60min 急性運動中約上升100%，而且這種增高趨勢一直維持到運動后第3 天。通過對腱周間質組織的微透析分析，急性運動后基質金屬蛋白酶活性立即增加。因此，肌腱的蛋白質更新模式似乎是在模仿肌原纖維蛋白，急性運動造成膠原和其他蛋白質的酶水解立即增加，而在運動后1 ～ 3天再出現膠原合成顯著增加。結締組織的細胞外基質（ECM）能夠連接到其他組織，并在力量中發揮關鍵作用傳導和組織結構維護在肌腱，韌帶，骨和肌肉。 ECM周轉通過物理活性受影響，膠原合成和金屬蛋白酶活性隨機械負荷增加。這可以通過微透析確定前肽和蛋白酶活性以及通過驗證來證明在活組織檢查中并入輸注的穩定同位素氨基酸。局部組織表達和生長釋放運動后增強了諸如IGF-1，TGF-β和IL-6的ECM的因子。對于腱，代謝活性（例如，通過正電子發射斷層掃描檢測），循環反應（例如通過近紅外測量光譜和染料稀釋）和膠原蛋白轉換在運動后顯著增加。肌腱血流量受環氧合酶-2（COX-2）介導的途徑調節，葡萄糖攝取受特定途徑調節在肌腱中與骨骼肌不同。身體訓練形式的慢性負荷導致增加膠原蛋白轉換以及一定程度的凈膠原蛋白合成。這些變化修改機械特性和組織的粘彈性特性，降低其應力敏感性并可能使其更耐負荷。肌腱束的力學性質在給定的人肌腱內變化，甚至顯示性別差異。后者得到性別相關的激活的差異的結果支持膠原合成與運動。這些發現可以為理解組織過載提供基礎損傷在肌腱和骨骼肌中。有實驗評估了大鼠跟骨腱經受拉伸程序的組成和結構的變化。動物將其肌肉伸展30秒，休息30秒，重復10次，每周三次和五次，持續21天。對于形態學分析，切片用蘇木精 - 曙紅和甲苯胺藍染色。對于生化分析，用4M鹽酸胍處理腱，并在SDS-PAGE中分析。還測量了總蛋白和糖胺聚糖的含量。在用甲苯胺藍染色的切片中，觀察到圓形細胞的增加，特別是在插入區域。在鄰近該假體的區域中是異色性區域，其在拉伸的組中更強烈地染色。在張力區域，細胞看起來更對齊。兩個區域的細胞增加。SDS-PAGE分析顯示拉伸組中膠原含量較多。在拉伸的腱中蛋白質和糖胺聚糖的量也較大。瓊脂糖凝膠電泳證實在張力和壓縮區域存在硫酸皮膚素，并且在后者中僅存在硫酸軟骨素。我們的研究結果表明，拉伸刺激改變細胞和細胞外基質化合物的數量，確認腱是動態結構，具有檢測其負載變化的能力。

3、基質金屬蛋白酶

微透析研究表明，在運動或訓練期間人類腱組織的機械負載可以影響I型膠原的局部合成和降解。膠原和其他細胞外基質蛋白的降解由基質金屬蛋白酶（MMP）和它們的組織抑制劑（TIMP）之間的相互作用控制。Pro-MMP-9在運動后顯著增加，并在運動后保持3天。 Pro-MMP-2在運動后立即從基礎水平下降并且在運動后1天保持低，但在運動后3天略微升高。運動后1天和3天，TIMP-1的MMP-2抑制活性明顯升高，并且TIMP-2的MMP-2抑制活性在加載后1天升高。本發現證明在體內人類周圍組織中運動后MMP和TIMP的間質量增加，并且這些變化的大小和時間模式可以很好地表明MMP和TIMP在細胞外基質適應中在肌腱組織中運動起作用。MMP-2水平在男性和女性中增加至相似程度（?2-3倍）（p <0.05）。相反，MMP-9隨運動而增加，但僅在男性中增加（p <0.05）。最后，TIMP-1水平也隨著男性和女性的運動而增加（p <0.05），但是女性的增加更長。[5]為了更好地了解大鼠腱的合成代謝雄激素類固醇（AAS）效應，在機械性的腓骨肌腱（CT）和近端，中間和遠端區域（SFT）和深屈肌腱（DFT）的近端和遠端區域中的MMP-2活性研究了與AAS相關的負荷運動。將動物分成四組：久坐動物（S）；具有ASS補充的久坐動物（S + A）；訓練的動物（T）和訓練的動物用AAS補充（T + A）。通過明膠酶譜分析肌腱提取物中的MMP活性。 肌腱的近端和遠端區域顯示最低的MMP-2濃度和最高比例的MMP-2活性形式。 SFT的中間區域與近端和遠端區域不同（P <0.01），在久坐組中具有更高%的活性MMP-2。活動性MMP-2的比例在CT的近端區域降低。 AAS治療在SFT的三個區域和CT的近端區域強烈降低MMP-2濃度和活性形式，但不強烈降低DFT。對運動和AAS治療的反應的差異是在本研究中使用的運動程序中不同的代謝和招募這些肌腱區域的結果。

4、相關因子變化

生長因子和激素參與了ECM的合成調節，但很少知道它們在運動負載下如何調節膠原合成的作用。胰島素樣生長因子-1（IGF-1）、轉化生長因子-β（TGF-β）和白介素-6存在于人類肌腱組織，并且在腱周組織間質中的濃度隨運動而提高。此外，動物實驗中對跟腱施以負載，

隨著負載增大IGF-1和TGF-β的表達也隨之增加。由此表明，這些激素和生長因子在運動過程中促使肌腱膠原的合成是十分重要的。體外試驗顯示，雌激素抑制膠原合成。運動實踐中，一些結締組織受傷如前交叉韌帶斷裂在女性發生更為頻繁。有趣的是，肌腱膠原的合成女性也比男性低，而且它隨著運動上升的幅度也較小，這正好與髕腱束力學特征的研究資料相吻合，女性的失效應力小于男性。

有目的為評估TGF-β1在急性運動后調節腱細胞外基質（ECM）中的作用的實驗， Wistar大鼠在跑步機上連續四天（60分鐘/天）運動（n = 15）或維持正常的籠活動。每次運動后，每個跟腱的周圍空間注射TGF-β1受體抑制劑或假手術。獨立于組，與假手術相比（p <0.05），注射抑制劑的肌腱顯示?50%的Smad 3（Ser423 / 425）（p <0.05）和2.5倍的更大的ERK1 / 2磷酸化（p <0.05）抑制劑的注射沒有改變任一組中的膠原含量（p> 0.05）。在鍛煉的大鼠中，當與假手術相比時，用抑制劑注射的腱中羥基吡啶啉（HP）含量和膠原III表達較低（p <0.05）。在非運動大鼠中，當與假手術相比時，用抑制劑注射的腱中的膠原I和賴氨酰氧化酶（LOX）表達較低（p <0.05）。裝飾蛋白表達沒有被任一組中的抑制劑改變（p> 0.05）?；趯μK木精和曙紅（H&E）染色的橫截面的評估，在任一組中通過抑制劑處理細胞數目沒有改變（p> 0.05）。 H&E染色切片的評價顯示抑制劑對膠原原纖維形態沒有影響。相比之下，運動大鼠細胞的區域變化的分數下降（p <0.05）。在任一組中沒有觀察到纖維排列，結構和核形式的差異（p> 0.05）。研究結果表明TGF-1信號是調節肌腱交聯形成以及膠原和LOX基因轉錄以運動依賴的方式所必需的。在運動3小時后，IGF-1水平在男性和女性中升高（p <0.05）至相似程度，但在僅有婦女中保持在4小時時升高。在男性和女性中，運動后IL-6水平是?4倍（p <0.05）。

參考文獻：

[1]王鴻翔. 運動對肌腱及骨骼肌細胞外基質的影響研究[J]. 運動， 2011， （09）： 66-67.

[2]Kjaer M， Magnusson P， Krogsgaard M， et al. Extracellular matrix adaptation of tendon and skeletal muscle to exercise[J]. J Anat， 2006， 208（4）： 445-50.

[3]De Almeida F M， Tomiosso T C， Biancalana A， et al. Effects of stretching on morphological and biochemical aspects of the extracellular matrix of the rat calcaneal tendon[J]. Cell Tissue Res， 2010， 342（1）： 97-105.

[4]Koskinen S O， Heinemeier K M， Olesen J L， et al. Physical exercise can influence local levels of matrix metalloproteinases and their inhibitors in tendon-related connective tissue[J]. J Appl Physiol （1985）， 2004， 96（3）： 861-4.

[5]Astill B D， Katsma M S， Cauthon D J， et al. Sex-based difference in Achilles peritendinous levels of matrix metalloproteinases and growth factors after acute resistance exercise[J]. J Appl Physiol （1985）， 2016： jap.00878.2016.

[6]Marqueti R C， Prestes J， Paschoal M， et al. Matrix metallopeptidase 2 activity in tendon regions： effects of mechanical loading exercise associated to anabolic-androgenic steroids[J]. Eur J Appl Physiol， 2008， 104（6）： 1087-93.

[7]Potter R M， Huynh R T， Volper B D， et al. The impact of TGF-beta inhibition during acute exercise on Achilles tendon extracellular matrix[J]. Am J Physiol Regul Integr Comp Physiol， 2016： ajpregu 00439 2016.

作者簡介：陳一言（1994），女，漢族，江蘇連云港人，北京體育大學運動醫學與康復學院碩士研究生，研究方向：運動醫學。