肩袖損傷基因表達變化的研究進展

張一翀 寇玉輝, 張曉萌, 王艷華, 陳建海 張殿英, , 姜保國, ,

作者單位：100044 北京大學人民醫(yī)院創(chuàng)傷骨科1；100044 北京大學人民醫(yī)院創(chuàng)傷與神經(jīng)再生研究所2；100044 北京大學創(chuàng)傷醫(yī)學中心3；300450 天津，北京大學濱海醫(yī)院骨科4

肩袖是由岡上肌、岡下肌、小圓肌及肩胛下肌肌腱包裹肱骨頭所構成的袖套樣結構，是維持肩關節(jié)穩(wěn)定的主要解剖結構［1］。肩袖損傷是肩關節(jié)疼痛及功能受限的最常見原因，可導致肩關節(jié)活動范圍減小及肌力減弱，其發(fā)病率占肩關節(jié)疾患的17% ～ 41%［2］。傳統(tǒng)觀念認為，肩袖損傷是由直接創(chuàng)傷造成，但隨著人們對疾病的深入認識，發(fā)現(xiàn)多數(shù)肩袖損傷患者并沒有明顯的外傷史。肩袖損傷在各個年齡段中均可出現(xiàn)，其發(fā)病率與年齡有著密切的關系，其中50 歲以上的人群中有30% ～ 50%的患者存在不同程度的肩袖損傷。對于無癥狀的患者，50 ～ 59 歲年齡組中比例為13%，60 ～ 69 歲年齡組為20%，70 ～ 79 歲年齡組為31%，而80 歲以上患者組中則有51%患者存在肩袖損傷［3］。這可能是由于老齡患者中，肌腱的微血管數(shù)量明顯減少，使肩袖組織更容易出現(xiàn)纖維血管增生、脂肪化、萎縮及鈣化等病變，但對于發(fā)生轉化及退變的具體原因，目前尚不明確。

在一項針對129 例肩袖損傷患者的研究中，患者兄弟姐妹中發(fā)生全層撕裂的概率是配偶的2.42 倍，而肩痛率則是其配偶的5 倍。后續(xù)研究表明，兄弟姐妹中肩袖損傷進展的概率更高［4］。在另一項相似的研究中，40 歲之前出現(xiàn)肩袖損傷的患者親屬中有32.3%存在肩袖損傷或手術病史，而正常對照組的親屬僅有18.3%。在兄弟姐妹中，全層撕裂相對危險度（risk ratio,RR）為2.85 （95%CI：1.75, 4.64），撕裂進展RR為2.08 （95%CI：1.58, 2.70），出現(xiàn)有癥狀撕裂的RR為1.44 （95%CI：2.04, 8.28）［5］。這些都提示了遺傳因素在非創(chuàng)傷性肩袖損傷中具有重要作用。因此，肩袖損傷的基因組學變化已成為肩關節(jié)領域新的研究熱點。

一、肩袖損傷退變的相關變化

（一）代謝及炎癥反應的相關基因

年齡相關的代謝變化會影響肩袖損傷，導致?lián)p傷進一步加重［6］。有證據(jù)表明，老齡化肌腱細胞中蛋白質含量減少，并向厭氧代謝轉變［7］。除了年齡，撕裂的大小也會影響代謝和炎癥反應。較大撕裂中線粒體數(shù)量增加，可反映肌肉纖維中有氧代謝的增加。同樣，與大撕裂及對照組相比，炎癥細胞在小撕裂及中度撕裂中數(shù)量增加，這反映出了一種修復的趨勢［8］。目前已證實，許多細胞因子的表達可以調(diào)節(jié)肩袖肌腱的愈合潛能。已經(jīng)在肩袖修復部位發(fā)現(xiàn)轉化生長因子（transforming growth factor，TGF）β1表達增加，同時與細胞數(shù)量和細胞增殖存在相關性。TGF-β1可導致撕裂肩袖中平滑肌肌動蛋白的增長，表明可造成肌腱回縮，破壞肌腱愈合［9］。TGF-β3是胚胎期肌腱發(fā)育的重要信號。將局部的TGF-β3注入兔的岡上肌修復模型中，可導致血管化和細胞化加重，并導致膠原Ⅰ的表達增加，產(chǎn)生更理想的膠原Ⅰ/Ⅲ比例［10］，而膠原蛋白Ⅰ約占正常肌腱細胞外基質干重的85%［11］。這些因素都可以改善組織的愈合能力，并提升肌腱質量。當肩袖損傷時，損傷處的肌腱可產(chǎn)生IL-1β，并刺激損傷肌腱表達COX-2，從而產(chǎn)生前列腺素E2，導致肩關節(jié)疼痛。此外，在受累的肩關節(jié)中，遠離肩袖損傷部位的盂肱關節(jié)軟骨，同樣可以高表達COX-2，這些都可作為肩袖肌腱病及肩痛發(fā)生的可能原因［12］。

（二）滋養(yǎng)血管的相關基因

血管化變異可提示肩袖病變，因為缺乏血供的區(qū)域具有更高的撕裂風險，稱之為“臨界區(qū)域”。目前有研究證實，早期血管化增加是對小撕裂的正常反應［13］。但隨著損傷程度加重，愈合反應失效，并出現(xiàn)血管化水平降低［8］。在損傷的肌腱中，尤其在肌腱收縮時，缺氧誘導因子1α 及血管內(nèi)皮生長因子表達水平顯著變化［14］。缺氧可能在肌腱病變中起作用，既可以作為一個誘因，也使肌腱更易于損傷。肩袖損傷時，DNA 修復酶Apr/Ref-1 的表達水平增加，代表著缺氧誘導的DNA 或線粒體損傷具有修復趨勢［15］。而V 型膠原是血管非纖維性膠原的主要組成成分。當小鼠肌腱愈合10 d 和20 d 時，可在肉芽組織的新生血管中檢測到其含量增加［16］。

（三）萎縮的相關基因

目前認為，萎縮相關基因在慢性肩袖撕裂的發(fā)生機制中扮演重要作用。巨大肩袖撕裂可導致萎縮調(diào)控基因的表達增加，如鈣蛋白酶和泛素類UBE2B 和UBE3A［17］。泛素化表現(xiàn)為肌原纖維易受蛋白酶體降解。已證實基因相關的轉錄因子叉頭（transcription factor forkhead，F(xiàn)OX）在肩袖撕裂的通路中發(fā)生改變，且與細胞死亡和細胞周期抑制有關。已證實FOXO 改變可通過誘導Atrogin-1 和MURF1 基因而誘發(fā)肌肉萎縮。另外，撕裂大小與插頭基因存在相關性。人肩袖的聚合酶鏈反應分析表明，相比于小撕裂及對照組，巨大撕裂組中FOXO1A 表達增加，而FOXO3A 表達減弱［17］。

二、肩袖損傷轉化的相關變化

（一）鈣化病變的相關基因

許多蛋白質可參與肌腱的鈣化或重排過程。Oliva 等［18］從10 例肩袖鈣化性肌腱炎患者的鈣化和非鈣化區(qū)域取活檢標本，在鈣化區(qū)域可檢測到組織轉谷氨酰胺酶2、底物及骨橋蛋白。而在同一鈣化區(qū)域，骨形態(tài)發(fā)生蛋白-4（bone-morphogenetic protein-4，BMP-4）和BMP-6 的表達水平降低。這些基因都有可能導致肩袖鈣化性肌腱炎的發(fā)生，并在肌腱鈣化的不同階段起著不同的作用。鈣化性肌腱炎急性發(fā)作時患者表現(xiàn)為無明顯誘因出現(xiàn)的肩關節(jié)持續(xù)性劇烈疼痛［19］，嚴重影響生活質量。

（二）脂肪生成與脂肪浸潤的相關基因

脂肪化與肌源性基因均可導致肩袖損傷。Frey 等［20］用綿羊的慢性肩袖損傷模型，研究岡下肌肌腱切斷術后的基因表達改變。肌肉退變與脂肪轉化因子——過氧化物酶體增生物激活受體（peroxisome proliferator-activated receptor，PPAR）γ 及肌肉轉化因子Myf-5 的自發(fā)上調(diào)相關聯(lián)。持續(xù)牽引岡下肌導致Myf-5 及另一種轉化因子C/EBPb （CCAAT/增強子結合蛋白 β）表達增加。但是，修復切斷的肌腱可使基因表達發(fā)生轉變。Wnt 表達可導致肩袖脂肪化，Wnt10b的表達下調(diào)與體內(nèi)成肌肉細胞脂肪化以及PPARγ 和C/EBPα（CCAAT 增強子結合蛋白α）的上調(diào)有關［21］。

三、機械負荷后的基因表達改變

肌腱細胞對機械負荷可產(chǎn)生反應［22］。目前發(fā)現(xiàn)過量活動的大鼠，其成纖維細胞可出現(xiàn)過度肥大或萎縮，這種機械效果可誘發(fā)基因表達改變［23］。大鼠岡上肌肌腱過度使用所致的肌腱病，可導致脂肪化轉變及相關應力反應，以及谷氨酸鹽相關信號通路［24］。然而，過度使用可導致家兔基因表達的暫時性改變，因為許多家兔上調(diào)的基因在過度使用2 ～ 4 周后，可在休息2 周后恢復接近正常的水平［25］。機械負荷的生物學效應可在ECM 通路的調(diào)控過程中發(fā)生。有研究對過度負荷及應力降低對MMP 調(diào)控的影響進行評估，發(fā)現(xiàn)肌腱應力減少的區(qū)域，與MMP-1、MMP-9、 MMP-14、ADAMTS-1 及蛋白聚糖的表達上調(diào)相關［26］。Thornton 等［27］也對大鼠岡上肌應力消失的部位進行研究，發(fā)現(xiàn)MMP-3、MMP-13、TIMP-2 表達水平增加。當岡上肌存在間斷性靜態(tài)壓力時，MMP-13 的表達水平也會增加。有趣的是，岡上肌肌腱和跟腱相比，對于應力降低更為敏感。相反地，在綿羊岡上肌模型中，肌腱的應力增加可導致MMP-13 及蛋白聚糖水平增加，進一步明確了MMP 與應力水平之間的關系。MMP 對于應力水平較為敏感，在髕腱疲勞負荷后可檢測到MMP-13 的上調(diào)，且培養(yǎng)的肌腱細胞可承受約1.7%的應力，并可導致微小結構的損傷［28］。而當應力水平低至0.6%時，此時只產(chǎn)生微結構損傷，可導致MMP-13 及IL-1β 下調(diào)。某些MMP對大鼠的岡上肌肌腱應力水平增加或降低均較為敏感，伴隨肌腱止點撕脫而出現(xiàn)的應力分散后，MMP-3、MMP-13及TIMP-2 表達增加。

四、基因表達的調(diào)控

（一）藥物引導的基因調(diào)控

許多藥物可通過調(diào)控基因表達，從而改善肩袖的愈合能力。可以在大鼠的肩袖缺損模型中，檢測到前列腺素E2及COX-2 存在過度表達［12］。COX-2 抑制劑包括吲哚美辛及塞來昔布，亦可以阻斷前列腺素，破壞鼠模型的腱骨愈合［29］。可通過使用維生素C 來調(diào)控ERK、Akt 及叉頭樣信號通路，對糖皮質激素誘發(fā)的損傷進行保護［30］。MMP的基因表達可通過系統(tǒng)性用藥來改善，如多西環(huán)素或氟喹諾酮類［31-32］。Das 等［33］將肉毒素用于出生后小鼠，誘發(fā)肩袖組織的肌肉麻痹、萎縮及脂肪浸潤。肉毒素誘發(fā)的肌肉萎縮，與許多成肌肉基因表達上調(diào)有關，包括成肌素、myoD1、myf5、myf6 以及快速Ⅱ型重鏈同種肌蛋白，而慢速Ⅰ型重鏈同種肌蛋白則明顯下調(diào)。他們同時也報道了脂肪相關基因的上調(diào)，如C/EBPa、PPARg2、瘦素和脂蛋白脂肪酶。

（二）細胞內(nèi)的基因調(diào)控

細胞內(nèi)基因表達的直接調(diào)控，是調(diào)控肩袖愈合生物環(huán)境的直接方式。間葉干細胞（mesenchymal stem cells，MSCs）經(jīng)轉化后表達預期的生長因子，引發(fā)了人們的關注。MT1-MMP 是一個在胚胎期腱骨愈合處表達的信號，鼠肩袖修復位點的愈合能力隨著MSCs 轉化表達MT1-MMP 而增加［34］。MT1-MMP 誘發(fā)的MSCs 可提升組織形態(tài)學及生物力學特性。類肌腱樣的細胞形成可由基因改良的細胞強化，并可引發(fā)Smad8 表達，伴隨BMP-2 的刺激［35］。這為今后肩袖損傷的治療提供了更多選擇。

綜上所述，某些患者具有肩袖損傷的基因易感性，且存在進一步加重的風險。肩袖損傷的手術治療是目前的主要治療方式，但部分患者仍存在肌腱不愈合或功能欠佳等問題。肩袖損傷修復后，在損傷的位點可能出現(xiàn)肌腱愈合失效，打破愈合或炎癥基因及抗炎基因的平衡，具體原因尚無定論。肩袖損傷相關的基因改變是否可逆，以及手術或康復是否可以調(diào)節(jié)基因改變，仍存在爭議。肩袖病變與基因的改變及調(diào)控存在密切關系，目前肩袖組織的基因水平研究多停留在初步階段。因此對肩袖基因表達改變深入分析，可作為今后的研究方向之一。