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作者：王鴻翔
作者單位：湖南理工學(xué)院體育學(xué)院，湖南岳陽，414006
期刊：運(yùn)動(dòng)Sport2011，(9)
摘要：
細(xì)胞外基質(zhì)（ECM）在組織連結(jié)力量傳輸和肌腱、韌帶、骨骼及肌肉等并組織結(jié)構(gòu)的維護(hù)中發(fā)揮關(guān)鍵作用。ECM的更新受體力活動(dòng)的影響，膠原蛋白合成和金屬蛋白酶活性隨機(jī)械負(fù)荷增加。局部組織中的生長因子在運(yùn)動(dòng)后的表達(dá)和釋放增強(qiáng)。這些變化使得組織的力學(xué)性能和粘彈性特性發(fā)生改變，降低其應(yīng)力敏感性和可能增強(qiáng)其負(fù)載性。這些發(fā)現(xiàn)可為了解肌腱和骨骼肌組織超載和受傷提供幫助。
肌腱作為連接骨骼肌和骨的重要元件，可儲(chǔ)存和釋放能量，并在力量傳遞和促進(jìn)運(yùn)動(dòng)方面具有非常關(guān)鍵的作用。但在20世紀(jì)60年代以前，肌腱一直被認(rèn)為是不活躍的組織結(jié)構(gòu)。近十來年里，ECM備受人們關(guān)注，肌腱和骨骼肌中ECM的活躍性質(zhì)也開始被認(rèn)識(shí)。此外，運(yùn)動(dòng)員和鍛煉者的一些肌腱勞損的發(fā)生，如跟腱和髕韌帶，人都認(rèn)為是負(fù)載導(dǎo)致ECM的病理變化，而不僅僅是簡單的機(jī)械破裂。肌腱勞損這一現(xiàn)象提示，肌腱的代謝過程控制其對機(jī)械負(fù)荷的生理和病理適應(yīng)之間的平衡。
1細(xì)胞外基質(zhì)
ECM是由細(xì)胞分泌到細(xì)胞外間質(zhì)中的大分子物質(zhì)所構(gòu)成的復(fù)雜的網(wǎng)架結(jié)構(gòu)，不屬于任何細(xì)胞但決定結(jié)締組織的特性。ECM不僅具有連接、支持、保水、抗壓及保護(hù)等物理學(xué)作用，而且對細(xì)胞的形狀、結(jié)構(gòu)、功能、存活、增殖，分化、遷移等一切生命現(xiàn)象具有全面的影響，因而無論在胚胎發(fā)育的形態(tài)發(fā)生、器官形成過程中，或在維持成體結(jié)構(gòu)與功能完善以及創(chuàng)傷修復(fù)等一切生理活動(dòng)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(zhì)成分；
二是結(jié)構(gòu)蛋白，如膠原和彈性蛋白，它們賦予ECM一定的強(qiáng)度和韌性；
三是粘著蛋白，如纖粘連蛋白和層粘聯(lián)蛋白，它們促使細(xì)胞同基質(zhì)結(jié)合。
其中，以膠原和蛋白聚糖為基本骨架在細(xì)胞表面形成纖維網(wǎng)狀復(fù)合物，這種復(fù)合物通過纖粘連蛋白或?qū)诱尺B蛋白以及其他的連接分子直接與細(xì)胞表面受體連接，或附著到受體上。由于受體多數(shù)是膜整合蛋白，并與細(xì)胞內(nèi)的骨架蛋白相連，所以ECM通過膜整合蛋白將細(xì)胞外與細(xì)胞內(nèi)連成一個(gè)整體。
2肌腱血流量
從光學(xué)顯微鏡的研究觀察，肌腱及腱鞘只含有較少數(shù)量的成纖維細(xì)胞。共聚焦顯微鏡的使用顯示腱內(nèi)成纖維細(xì)胞之間存在一個(gè)復(fù)雜精致的網(wǎng)絡(luò)，它為細(xì)胞和ECM之間的互動(dòng)過程提供了基礎(chǔ)。肌腱及其周圍的血流量可隨運(yùn)動(dòng)增加3～7倍，同時(shí)肌腱氧耗也相應(yīng)增加3～6倍。這些數(shù)據(jù)資料表明肌腱在運(yùn)動(dòng)時(shí)并未發(fā)生血流減少或缺血。緩激肽、腺苷等幾種血管擴(kuò)張劑被發(fā)現(xiàn)在肌腱周圍組織中隨著運(yùn)動(dòng)升高。另外，前列腺素(PG)，尤其是環(huán)前列腺素具有擴(kuò)血管效應(yīng)，并連同一氧化氮和內(nèi)皮衍生超極化因子在調(diào)節(jié)運(yùn)動(dòng)時(shí)肌肉血流量的過程中發(fā)揮重要作用。PG單獨(dú)存在時(shí)對活動(dòng)肌肉似乎沒有什么擴(kuò)血管效應(yīng)，但隨著其釋放和組織中濃度的增加，對機(jī)械負(fù)載肌腱有明顯的擴(kuò)血管作用。因?yàn)镻G參與炎癥過程，并在血流調(diào)節(jié)和疼痛感受中發(fā)揮重要作用，由此人們對罹患肌腱病變或腱鞘炎時(shí)采用抗炎藥物抑制PG釋放對機(jī)體是否有利存疑。此外，人體研究表明跟腱和髕韌帶對葡萄糖的攝取隨運(yùn)動(dòng)增加。正電子發(fā)射斷層掃描顯示，肌腱對18氟標(biāo)記脫氧葡萄糖的攝取在輕度負(fù)荷下增加，但這種改變與鄰近的收縮肌肉同時(shí)出現(xiàn)的葡萄糖吸收不存在數(shù)量上的相關(guān)。這表明，肌腱的代謝活動(dòng)、代謝底物的攝取和血流是受一個(gè)專門獨(dú)立的方式調(diào)控，與骨骼肌無關(guān)。
3肌腱膠原代謝
由于氨基酸穩(wěn)定同位素的應(yīng)用，人們可以對人體組織的蛋白質(zhì)合成速率進(jìn)行測定。肌腱的膠原合成在一輪60min急性運(yùn)動(dòng)中約上升100％，而且這種增高趨勢一直維持到運(yùn)動(dòng)后第3天。骨骼肌膠原合成也隨著運(yùn)動(dòng)增加，并在時(shí)間上緊循肌原纖維蛋白合成增加之后。這表明在骨骼肌肌纖維、肌內(nèi)膜、肌束膜和肌外膜之間存在更密切的相互適應(yīng)。劇烈運(yùn)動(dòng)可造成肌肉內(nèi)結(jié)締組織的損傷，進(jìn)而導(dǎo)致衛(wèi)星細(xì)胞的激活。這提示肌內(nèi)ECM和肌纖維之間可能存在某種聯(lián)系。此外，動(dòng)物研究發(fā)現(xiàn)劇烈運(yùn)動(dòng)后肌內(nèi)ECM的膠原表達(dá)增加，用原位雜交可以顯示，膠原表達(dá)增加主要是肌束膜中的Ⅰ型膠原。除了肌腱和骨骼肌ECM膠原合成的增加，也有蛋白質(zhì)降解的增加。通過對腱周間質(zhì)組織的微透析分析，急性運(yùn)動(dòng)后基質(zhì)金屬蛋白酶活性立即增加。因此，肌腱的蛋白質(zhì)更新模式似乎是在模仿肌原纖維蛋白，急性運(yùn)動(dòng)造成膠原和其他蛋白質(zhì)的酶水解立即增加，而在運(yùn)動(dòng)后1～3天再出現(xiàn)膠原合成顯著增加。這有助于我們對肌腱組織為什么會(huì)出現(xiàn)勞損的認(rèn)識(shí)。如果訓(xùn)練密度太大，運(yùn)動(dòng)員可能不會(huì)從刺激膠原合成中獲得至大利益，反而可能會(huì)處在一種膠原分解代謝狀態(tài)。按照這個(gè)假設(shè)，人們注意到，隨著訓(xùn)練周期的開始膠原合成逐步提高，訓(xùn)練開始4周內(nèi)既有蛋白合成的增加又有蛋白分解的增加，蛋白合成在整個(gè)12周的訓(xùn)練期一直很高，而蛋白分解逐漸減少。這表明訓(xùn)練早期肌腱膠原的更新可能是為了重塑和調(diào)整肌腱以應(yīng)對增加的負(fù)載，直到訓(xùn)練期被延長才出現(xiàn)膠原的凈合成。因此，提供了一個(gè)增大肌腱凈截面積和體積的基礎(chǔ)。動(dòng)物研究顯示，長期訓(xùn)練時(shí)出現(xiàn)肌腱增大。同樣，在人類研究中，比較年齡、性別和體重相當(dāng)?shù)呐懿秸吆蜕賱?dòng)者的跟腱截面積，發(fā)現(xiàn)前者明顯增大。短期訓(xùn)練沒能發(fā)現(xiàn)肌腱的增大，這表明肌腱增大發(fā)生前有一定延遲時(shí)間。與此類似的動(dòng)物實(shí)驗(yàn)證實(shí)，短期訓(xùn)練是減小而不是增大肌腱的大小。有趣的是，患有慢性疼痛和病變跡象的肌腱可以增加膠原的合成。也許訓(xùn)練對肌腱產(chǎn)生的部分效果就是有利于膠原的合成，終使肌腱增大加強(qiáng)。相反，老化和廢棄可能會(huì)改變肌腱材料性能，如降低強(qiáng)度，這種情況可通過抗阻運(yùn)動(dòng)有效地加以逆轉(zhuǎn)或阻緩。
生長因子和激素參與了ECM的合成調(diào)節(jié)，但很少知道它們在運(yùn)動(dòng)負(fù)載下如何調(diào)節(jié)膠原合成的作用。胰島素樣生長因子-1(IGF-1)、轉(zhuǎn)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(zhì)中的濃度隨運(yùn)動(dòng)而提高。此外，動(dòng)物實(shí)驗(yàn)中對跟腱施以負(fù)載，隨著負(fù)載增大IGF-1和TGF-β的表達(dá)也隨之增加。由此表明，這些激素和生長因子在運(yùn)動(dòng)過程中促使肌腱膠原的合成是十分重要的。體外試驗(yàn)顯示，雌激素抑制膠原合成。運(yùn)動(dòng)實(shí)踐中，一些結(jié)締組織受傷如前交叉韌帶斷裂在女性發(fā)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(yùn)動(dòng)上升的幅度也較小，這正好與髕腱束力學(xué)特征的研究資料相吻合，女性的失效應(yīng)力小于男性。
無論肌腱沿長度還是寬度方向都具異構(gòu)性。此外，肌腱內(nèi)部還表現(xiàn)出剪應(yīng)力。人類跟腱的異質(zhì)性己被證實(shí)，沿肌腱的長度方向其橫截面積是不相同的，而且肌腱對于負(fù)載刺激的增大反應(yīng)具有部位特異性。肌腱在骨附著部位形成纖維軟骨肌腱端，由致密纖維結(jié)締組織、未鈣化纖維軟骨、鈣化纖維軟骨和骨等組織構(gòu)成。這些專門區(qū)域，有助于消除彎曲、化解壓力和擠壓以及經(jīng)受住剪切。通過對個(gè)別腱束的研究評估人類髕腱的力學(xué)性能時(shí)發(fā)現(xiàn)，無論是來自髕腱的前部還是后部的分束都可至大伸展約8％，但它們的應(yīng)力承受則不一樣，后部腱束的承受應(yīng)力只有前部的一半。這個(gè)肌腱的“弱”位置正好與髕腱病變的病理變化位置相一致。與跟腱形成有關(guān)的腓腸肌和比目魚肌對肌腱具有不同的力學(xué)效應(yīng)。在進(jìn)行等長跖屈運(yùn)動(dòng)時(shí)，不管膝關(guān)節(jié)是直或彎曲，兩者之間的遠(yuǎn)端肌腱膜的移動(dòng)顯示腓腸肌和比目魚肌之間的剪切約4～5mm。這很容易造成跟腱內(nèi)的剪切，從而促進(jìn)損傷。
不論是肌腱還是骨骼肌的ECM對機(jī)械載荷會(huì)進(jìn)行積極的反應(yīng)，并且這會(huì)增加膠原的合成。這種適應(yīng)模式可以幫助我們在運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練和體育鍛煉中獲益，并防止出現(xiàn)過度使用傷害，即勞損。