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過度使用性損傷發(fā)生機(jī)制:骨骼肌張力整合復(fù)合體失衡學(xué)說

2013-08-15 00:51張學(xué)林王瑞元
關(guān)鍵詞:超微結(jié)構(gòu)復(fù)合體骨骼肌

張學(xué)林王瑞元

1曲阜師范大學(xué)體育科學(xué)學(xué)院(山東曲阜273165)

2北京體育大學(xué)運(yùn)動人體科學(xué)學(xué)院

過度使用性損傷(overuse injuries)是一種常見的運(yùn)動和/或職業(yè)骨骼-肌肉系統(tǒng)疾病,源于組織長期受到重復(fù)應(yīng)力、沒有足夠時(shí)間恢復(fù)造成慢性損傷(chronic injuries)的結(jié)果[1-4]。 患者通常存在疼痛、麻木、無力等疾病癥狀[1],嚴(yán)重干擾了日常生活與工作。因此,如何預(yù)防和治療過度使用性損傷一直是醫(yī)學(xué)界的研究重點(diǎn)、難點(diǎn)。普遍認(rèn)為過度使用性損傷是組織重復(fù)性微損傷的結(jié)果,但其形成機(jī)制仍不十分清楚。依據(jù)近年來骨骼肌組織結(jié)構(gòu)與功能的研究成果[5-9],本研究把骨骼-肌肉系統(tǒng)作為一個(gè)張力整合復(fù)合體研究過度使用性損傷的成因,從整體上探討過度使用性損傷的發(fā)病機(jī)制。

1 過度使用性損傷概念

“過度使用性損傷”概念最早由澳大利亞的Fry提出,試圖用“過度使用癥候群”(overuse syndrome)一詞解釋音樂人手臂無力和疼痛癥狀的原因[10]。但過度使用性損傷癥狀不僅發(fā)生在音樂人身上,它是一種常見的職業(yè)疾病,過度使用身體任何部位都會誘發(fā)過度使用性損傷的不適癥狀。鑒于過度使用性損傷對職業(yè)勞動者的危害性,美國勞工部職業(yè)安全和健康管理局 (The Occupational Safety and Health Administration)于2000年把由職業(yè)勞動引起的肌肉、神經(jīng)、肌腱、韌帶、關(guān)節(jié)、軟骨、血管和椎間盤疾病定義為工作性骨骼-肌肉疾病 (work-related musculoskeletal disorders,MSD),其風(fēng)險(xiǎn)因素包括重復(fù)性工作、長久單一的固定姿勢工作[11]。過度使用性損傷也是常見的運(yùn)動性損傷,最早采用“過度使用癥候群”解釋運(yùn)動性損傷的研究可以追溯到1967年[12]。鑒于過度使用性損傷對運(yùn)動員的危害性,國際足球聯(lián)合會醫(yī)學(xué)評價(jià)和研究中心于2006年發(fā)表了運(yùn)動損傷評價(jià)“共識文件(consensus statement)”,首次明確提出競技運(yùn)動“overuse injuries”概念,定義為重復(fù)性微損傷(repeated microtrauma)造成的損傷[13]。

綜上所述,過度使用性損傷是競技運(yùn)動和職業(yè)勞動共有的現(xiàn)象。目前,過度使用性損傷已經(jīng)被定性為病理性變化,包括骨骼肌細(xì)胞周圍過度的膠原纖維沉積、纖維化、細(xì)胞死亡、炎癥因子浸潤、增加的細(xì)胞因子表達(dá),以及肌腱和神經(jīng)損傷、慢性炎癥反應(yīng)、殘余性纖維化(residual fibrosis,是指不可吸收的纖維化組織或瘢痕組織)等癥狀[14],普遍認(rèn)為是組織重復(fù)性微損傷累積的結(jié)果。

2 過度使用性損傷的發(fā)生機(jī)制

目前,過度使用性損傷發(fā)病機(jī)制仍不十分清楚,主要學(xué)說包括組織重復(fù)性微損傷學(xué)說[15,16]、慢性炎癥反應(yīng)學(xué)說[1,16]。

2.1 組織重復(fù)性微損傷學(xué)說

組織重復(fù)性微損傷導(dǎo)致了過度使用性損傷癥狀。諸多學(xué)者從研究過度使用性損傷患者的組織結(jié)構(gòu)變化入手,探討其發(fā)生機(jī)制[15,16]。 Dennett和Fry[17]研究手腕部骨骼肌過度使用性損傷癥狀組織結(jié)構(gòu)變化,募集了29名患有手腕部慢性疼痛勞損癥狀的女性,并對第一骨間背側(cè)肌進(jìn)行活檢采樣,發(fā)現(xiàn)Ⅰ型肌纖維增加而Ⅱ型肌纖維減少、肥大,肌纖維內(nèi)側(cè)核增加,肌纖維內(nèi)線粒體異常、肌膜下線粒體聚積,定性為嚴(yán)重的臨床病理性變化。Kadi等[18]募集了10名患有肩頸部不適癥狀的男性做肌肉活檢檢查,研究結(jié)果支持了Dennett和Fry[17]的觀點(diǎn)。 Glazebrook等[19]采用過度使用性損傷動物模型,研究了跟腱過度使用性損傷組織結(jié)構(gòu)變化,讓大鼠在10°的跑臺上以17m/min、每周5次的上坡跑運(yùn)動負(fù)荷訓(xùn)練12周(選擇上坡跑運(yùn)動的原因是:與下坡跑運(yùn)動相比較,上坡跑運(yùn)動更能造成跟腱離心運(yùn)動性微損傷),發(fā)現(xiàn)跟腱結(jié)構(gòu)出現(xiàn)病理性變化,膠原纖維排列次序紊亂、膠原纖維增生。Clark等[20]研究了過度使用性損傷對神經(jīng)的影響,采用過度使用性損傷動物模型研究神經(jīng)炎癥反應(yīng),通過特殊的設(shè)計(jì),讓大鼠獲取食物時(shí)前肢做重復(fù)性抓握動作,訓(xùn)練12周,發(fā)現(xiàn)其正中神經(jīng)傳導(dǎo)速度下降,且正中神經(jīng)組織周圍出現(xiàn)大量ED1巨噬細(xì)胞,表明神經(jīng)組織受到損傷。Larsson等[21]研究了組織重復(fù)性微損傷與疼痛的關(guān)系,試圖尋找過度使用性損傷疼痛機(jī)制,募集了17名患有慢性斜方肌疼痛的患者(16名女性,1名男性),發(fā)現(xiàn)肌疼與減少的肌肉內(nèi)血流、破碎的紅細(xì)胞 (也稱蓬毛樣紅纖維,ragged red fibers,是指線粒體功能異常后,在大多數(shù)情況下出現(xiàn)線粒體數(shù)量增加和形態(tài)學(xué)改變,冷凍切片的HE染色呈青紫色,用改良的Gomori染色技術(shù)顯色最好,是紅色,有時(shí)異常的線粒體內(nèi)含有大量脂肪滴或糖原,在冷凍切片時(shí)成破裂狀,形成小空泡,給人以破碎的感覺,所以命名為“ragged”,即破碎的,因是染成紅色,定義為破碎的紅色細(xì)胞)有關(guān)。這提示組織重復(fù)性微損傷導(dǎo)致了過度使用性損傷癥狀。然而,這些研究僅關(guān)注組織病變本身,而忽視病變組織發(fā)病機(jī)制與周圍組織的關(guān)系,即沒有從整體角度探討過度使用性損傷發(fā)病機(jī)制,具有一定的局限性。

2.2 慢性炎癥反應(yīng)學(xué)說

骨骼肌病理性變化必然造成慢性炎癥反應(yīng)。Barbe等[1]認(rèn)為這些慢性炎癥反應(yīng)進(jìn)而會形成殘余性瘢痕(residual scarring,是指不可吸收的瘢痕組織或纖維化組織),造成肌肉、神經(jīng)功能障礙,其試圖以慢性炎癥反應(yīng)作為主線,把骨骼-肌肉系統(tǒng)作為整體,解釋過度使用性損傷的成因。隨后,Barbe等[1]圍繞此觀點(diǎn)展開了研究,采用過度使用性損傷動物模型(特殊的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì),讓大鼠獲取食物時(shí)前肢作重復(fù)性抓握動作,訓(xùn)練8周),發(fā)現(xiàn)ED1巨噬細(xì)胞在前肢肌肉、肌腱尤其是疏松結(jié)締組織部位數(shù)量增加,在第5、6周達(dá)到峰值,第8周數(shù)量減少;ED2巨噬細(xì)胞在疏松結(jié)締組織、肌腱、肌腱-肌肉接頭部位8周內(nèi)數(shù)量持續(xù)增加,而在肌腹部位沒有增加。研究者認(rèn)為,組織持續(xù)增加巨噬細(xì)胞數(shù)量是慢性炎癥反應(yīng)的標(biāo)志,慢性炎癥反應(yīng)阻礙了組織損傷修復(fù),即過度使用性損傷機(jī)制是慢性炎癥反應(yīng)的結(jié)果。研究者試圖用慢性炎癥反應(yīng)解釋過度使用性損傷發(fā)生機(jī)制。然而,Barbe等[1]的研究仍存在局限性,原因是ED2吞噬細(xì)胞在過度使用性損傷的骨骼肌肌腹數(shù)量沒有變化,Glazebrook等[19]發(fā)現(xiàn)過度使用性損傷的跟腱也沒有炎癥因子浸潤,與Barbe等[1]的觀點(diǎn)相矛盾。提示慢性炎癥反應(yīng)學(xué)說同組織重復(fù)性微損傷學(xué)說一樣,具有一定的局限性。

雖然慢性炎癥反應(yīng)學(xué)說存在一定局限性,但其研究理念給我們很大啟發(fā),即從眾多的勞損因素中找出一條主線,尋找過度使用性損傷的成因。盧鼎厚[22]研究發(fā)現(xiàn),骨骼肌結(jié)構(gòu)變化形成的硬條索能導(dǎo)致腰部、膝關(guān)節(jié)疼痛,硬條索軟化后,附帶的腰疼、膝關(guān)節(jié)疼痛癥狀消失。這表明在骨骼-肌肉系統(tǒng)中,一種組織結(jié)構(gòu)的變化可以誘發(fā)另一組織結(jié)構(gòu)變化,這支持了在眾多的過度使用損傷因素中存在一條主線的觀點(diǎn),這為研究過度使用性損傷機(jī)制提供了新的思路。以往對過度使用損傷的機(jī)制研究僅關(guān)注損傷部位本身而忽視損傷部位與周圍其他組織結(jié)構(gòu)的關(guān)系,這可能掩蓋了過勞性損傷發(fā)病起因。故提示應(yīng)該從骨骼-肌肉系統(tǒng)整體的角度研究過度使用性損傷成因的主線,打破孤立研究某一局部問題的常規(guī)思維方法。依據(jù)近來骨骼肌組織結(jié)構(gòu)與功能的研究結(jié)果[5-9],骨骼肌細(xì)胞的超微結(jié)構(gòu)變化可能是骨骼-肌肉系統(tǒng)過度使用性損傷的成因主線。

3 骨骼肌組織結(jié)構(gòu)變化與骨骼-肌肉系統(tǒng)過度使用性損傷的關(guān)系

Bolgla等[23]研究了髕骨疼痛癥候群(patello femoral pain syndrome)的發(fā)生機(jī)制,認(rèn)為其與股四頭肌無力、膝關(guān)節(jié)軟組織過分僵硬等原因有關(guān)。Brown等[24]研究了多裂肌超微結(jié)構(gòu)損傷與椎間盤退變的關(guān)系,發(fā)現(xiàn)椎間盤退變與多裂肌硬度增加有關(guān),推測是多裂肌的膠原纖維增生所致。Carpenter等[25]研究表明,肌腱周圍的組織結(jié)構(gòu)張力變化等因素能導(dǎo)致肌腱勞損。Langevin等[26]通過超聲成像觀察腰痛患者背部結(jié)締組織結(jié)構(gòu)變化,發(fā)現(xiàn)腰痛患者背部結(jié)締組織結(jié)構(gòu)不正常、厚度增加。這提示骨骼肌組織結(jié)構(gòu)變化能造成遠(yuǎn)端的肌腱、關(guān)節(jié)、韌帶、骨等組織結(jié)構(gòu)發(fā)生變化。Barbe等[1]的研究結(jié)果在某種意義上支持了此觀點(diǎn),采用8周過度使用性損傷動物模型研究炎癥反應(yīng),發(fā)現(xiàn)ED2巨噬細(xì)胞在肌腹部位沒有增加,而在疏松結(jié)締組織、肌腱、肌腱-肌肉接頭部位持續(xù)增加。ED2巨噬細(xì)胞在肌腹部位沒有增加,有兩種可能性:(1)過度使用性損傷沒有導(dǎo)致骨骼肌細(xì)胞損傷;(2)取材時(shí)間是在3~6周,猜測錯(cuò)過了ED2巨噬細(xì)胞增加高峰的1~2周,很可能在3~6周ED2巨噬細(xì)胞數(shù)量已經(jīng)下降。第一種可能性不大,因?yàn)榇罅垦芯勘砻?,過度使用性損傷導(dǎo)致骨骼肌損傷。僅有第2種可能性存在,ED2巨噬細(xì)胞在1~2周數(shù)量增加,3~6周ED2巨噬細(xì)胞由于某種原因數(shù)量減少。表明肌腹與疏松結(jié)締組織、肌腱、肌腱-肌肉接頭部位過度使用性損傷發(fā)生時(shí)間存在先后。假性軟骨發(fā)育不全(Pseudoachondroplasia:PSACH)和多發(fā)性骨骺發(fā)育不良(multiple epiphyseal dysplasia:MED)均為骨發(fā)育不良性疾病的家族成員之一。這些病人經(jīng)常存在血清肌酸激酶增加、肌纖維大小不一,并伴隨少量肌萎縮。懷疑骨發(fā)育不良與骨骼肌結(jié)構(gòu)變化有關(guān)。Piróg等[27]采用PSACH基因突變小鼠證實(shí)了此觀點(diǎn),發(fā)現(xiàn)基因突變小鼠肌肉力量逐漸減弱,肌束膜和肌肉-肌腱接頭周圍肌細(xì)胞出現(xiàn)內(nèi)側(cè)核(損傷指標(biāo)),肌腱和韌帶膠原纖維直徑增加。其作者認(rèn)為骨發(fā)育不良癥與肌腱傳遞力量變化有關(guān),直接造成韌帶結(jié)構(gòu)損傷,誘發(fā)了骨疾病。Piróg等[27]研究結(jié)果證明骨骼-肌肉系統(tǒng)疾病與張力傳遞變化有關(guān),間接支持了過度使用性損傷源于骨骼肌結(jié)構(gòu)變化的觀點(diǎn),即骨骼肌組織結(jié)構(gòu)變化能造成遠(yuǎn)端的肌腱、關(guān)節(jié)、韌帶、骨等組織結(jié)構(gòu)發(fā)生變化。近來研究表明,骨骼肌肌節(jié)存在張力感受器,而肌束膜是骨骼肌張力傳遞的樞紐[6]。結(jié)合以上研究結(jié)果,提示骨骼肌組織結(jié)構(gòu)變化是張力變化的結(jié)果,過度使用性損傷與骨骼肌組織張力變化有關(guān)。

4 骨骼肌張力整合復(fù)合體學(xué)說

4.1 骨骼肌具有感受機(jī)械張力的功能

骨骼肌肌節(jié)正常狀態(tài)呈非常規(guī)律的橫紋狀。然而,離心運(yùn)動極易導(dǎo)致骨骼肌肌節(jié)結(jié)構(gòu)改變,如Z線呈水紋狀變化,Z線斷裂、消失等。通常認(rèn)為這些超微結(jié)構(gòu)變化是肌節(jié)損傷的結(jié)果,近來研究表明,這不是損傷而是骨骼肌細(xì)胞超微結(jié)構(gòu)適應(yīng)機(jī)械張力的結(jié)果[6]。大量研究表明,骨骼肌肌節(jié)存在許多機(jī)械感受器,能感受外來機(jī)械應(yīng)激,使骨架蛋白結(jié)構(gòu)發(fā)生變化以抵消外來機(jī)械張力,如Z線上的蛋白依據(jù)機(jī)械應(yīng)激、細(xì)胞外信號,有時(shí)錨靠在Z線上,有時(shí)出現(xiàn)在胞漿中,具有驚人的動態(tài)交換能力,這些蛋白包括以前被稱為Z線靜態(tài)結(jié)構(gòu)成分的α-actinin或myotilin蛋白;不僅如此,Z盤、M帶上許多蛋白及肌聯(lián)蛋白titin具有機(jī)械感受器功能,能感受肌節(jié)、M帶的張力變化,及時(shí)調(diào)節(jié)肌節(jié)的結(jié)構(gòu)形狀以適應(yīng)環(huán)境的要求[6];肌膜外基質(zhì)膜同樣存在機(jī)械感受器,Urso等[28]發(fā)現(xiàn)離心運(yùn)動導(dǎo)致了骨骼肌IV型膠原纖維蛋白合成增加,而骨骼肌制動(Immobilization)僅48 h造成IV型膠原纖維蛋白降解。另外,跨膜(肌膜)蛋白整合素α7β1 integrin一方面與細(xì)胞外基質(zhì)成分成纖維細(xì)胞結(jié)合,使成纖維細(xì)胞黏附于基質(zhì);另一方面把肌膜內(nèi)外機(jī)械信號轉(zhuǎn)換為化學(xué)信號的雙向調(diào)節(jié)作用,起到穩(wěn)定肌膜、肌節(jié)結(jié)構(gòu)的作用[29]。近來的實(shí)證研究支持了骨骼肌機(jī)械張力受體對肌細(xì)胞的保護(hù)作用。Costa等[30]采用免疫組化染色骨骼肌纖連蛋白 (fibronectin)和結(jié)蛋白(desmin),分析肌膜損傷程度,研究長期離心運(yùn)動對人體骨骼肌肌膜完整性的影響,結(jié)果發(fā)現(xiàn)肌膜的完整性不受影響。Piitulainen等[31]讓受試者在特殊的雪橇功率儀上做單腿SSC (stretch-shortening cycle)跳躍運(yùn)動至力竭,同樣發(fā)現(xiàn)肌膜完整性沒有破壞。通常認(rèn)為離心運(yùn)動高機(jī)械張力導(dǎo)致骨骼肌細(xì)胞超微結(jié)構(gòu)損傷,但高機(jī)械張力在使肌細(xì)胞內(nèi)超微結(jié)構(gòu)受到損傷的同時(shí),也應(yīng)該撕裂肌膜和基質(zhì)膜,但事實(shí)并非如此。這提示單獨(dú)的機(jī)械張力學(xué)說不能解釋骨骼肌細(xì)胞超微結(jié)構(gòu)損傷而肌膜沒有損傷的矛盾現(xiàn)象。這支持了骨骼肌具有機(jī)械張力受體的觀點(diǎn),骨骼肌細(xì)胞內(nèi)超微結(jié)構(gòu)與細(xì)胞外基質(zhì)膜是動態(tài)結(jié)構(gòu),通過肌膜上的機(jī)械張力受體交換細(xì)胞內(nèi)外機(jī)械張力變化信息,使得肌節(jié)、肌膜與基質(zhì)膜形成一個(gè)整體,當(dāng)骨骼肌受到機(jī)械應(yīng)激時(shí),肌細(xì)胞骨架蛋白作為機(jī)械受體,感受細(xì)胞內(nèi)外張力變化,骨架蛋白結(jié)構(gòu)改變,避免骨骼肌細(xì)胞遭受機(jī)械性損害。

4.2 肌束膜是骨骼肌組織機(jī)械張力的傳遞樞紐

Passerieux等[32,33]采用NaOH 6N消化肌肉技術(shù),部分地除去包裹鄰近肌纖維的肌內(nèi)膜,以便能直接觀察肌束膜的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和與肌纖維表面接合的部位,發(fā)現(xiàn)肌束膜由相互纏繞的膠原纖維構(gòu)成,相互纏繞的膠原纖維網(wǎng)絡(luò)由與肌細(xì)胞平行的部分和與肌細(xì)胞呈60°角方向的末端彎曲部分組成的許多分枝叢(a plexus of thin branches)構(gòu)成,分枝叢再分成若干小枝。平行部分結(jié)合在一起形成蜂窩狀(honeycomb structures)管狀結(jié)構(gòu)包裹肌纖維,管狀結(jié)構(gòu)末端與肌腱銜接在一起,而末端彎曲部分于空間任何方位通過肌束膜連接板(perimysial junctional plate)與肌細(xì)胞大概成60°的角度附著于肌細(xì)胞表面。歸納肌束膜結(jié)構(gòu)有4個(gè)部分:(1)肌束膜連接板(把每個(gè)肌束膜分枝附著于肌細(xì)胞表面的部位稱為肌束膜連接板),構(gòu)成了肌束膜與肌內(nèi)膜之間的粘附點(diǎn);(2)粘附相鄰肌細(xì)胞的膠原纖維分枝叢;(3)交互纏繞的疏松膠原纖維網(wǎng)絡(luò);(4)連接肌腱的蜂窩管。依據(jù)肌束膜的空間排列結(jié)構(gòu),骨骼肌是由肌束膜為樞紐的從肌細(xì)胞到肌腱、相鄰肌纖維之間的橫向張力傳導(dǎo)復(fù)合體。這提示肌束膜通過連接板與肌內(nèi)膜結(jié)合、通過管狀結(jié)構(gòu)與肌腱結(jié)合,把骨骼肌組織連結(jié)為一個(gè)整體,是機(jī)械張力傳遞的樞紐。近來的研究結(jié)果支持了此觀點(diǎn)。Ramaswamy等[34]研究了骨骼肌結(jié)締組織傳遞張力的機(jī)制,發(fā)現(xiàn)肌節(jié)收縮產(chǎn)生的張力能通過位于肋狀體(costameres) 的 DGC (the dystrophin-associated glycoprotein complex)橫向傳遞至肌內(nèi)膜,進(jìn)而通過肌內(nèi)膜、肌束膜、肌外膜把張力傳遞至肌腱。另有研究發(fā)現(xiàn),骨骼肌受到不習(xí)慣的機(jī)械張力應(yīng)激時(shí),在骨骼肌超微結(jié)構(gòu)變化的同時(shí),DGC復(fù)合體dystrophin丟失[35],致使骨骼肌橫向傳遞張力的機(jī)制受到限制[34];與此同時(shí),骨骼肌α7 integrin表達(dá)增加,且過表達(dá)α7β1 integrin轉(zhuǎn)基因小鼠骨骼肌較野生型肌膜結(jié)構(gòu)完整性更好[36]。依據(jù)骨骼肌肌節(jié)長度不均一理論,離心運(yùn)動時(shí),由于肌節(jié)被動拉長的長度不均一,極易導(dǎo)致較弱肌節(jié)被撕裂或撕斷[6]。然而,離心運(yùn)動時(shí),dystrophin丟失,切斷了DGC橫向傳遞肌節(jié)收縮張力的通道,進(jìn)而增加了肌膜的順應(yīng)性,起到防止肌膜撕裂的作用。為了加強(qiáng)保護(hù)順應(yīng)性增強(qiáng)的肌膜,α7β1 integrin表達(dá)增加,用于保持肌膜內(nèi)外信號轉(zhuǎn)導(dǎo)通路。這解釋了為何離心運(yùn)動極易導(dǎo)致dystrophin丟失,而α7β1 integrin表達(dá)增加的研究結(jié)果,也證實(shí)了骨骼肌可以橫向傳遞肌節(jié)收縮張力的觀點(diǎn)。Heinemeier等[37]采用電刺激(50 Hz)大鼠坐骨神經(jīng)方式,讓大鼠做離心運(yùn)動、等長運(yùn)動和向心運(yùn)動,取腓腸肌內(nèi)側(cè)和跟腱,發(fā)現(xiàn)三種類型訓(xùn)練導(dǎo)致了腓腸肌內(nèi)側(cè)和跟腱TGF-β1(transforming growth factor-β1,轉(zhuǎn)化生長因子-β1),Ⅰ、Ⅲ型膠原纖維蛋白基因表達(dá)增加,但與等長運(yùn)動和向心運(yùn)動相比,離心運(yùn)動(不習(xí)慣的骨骼肌機(jī)械張力應(yīng)激)組腓腸肌內(nèi)側(cè)基因表達(dá)量最大。這表明骨骼肌遭受機(jī)械張力應(yīng)激時(shí),肌內(nèi)膜、肌束膜、肌腱由于承擔(dān)機(jī)械張力導(dǎo)致Ⅰ、Ⅲ型膠原纖維蛋白濃度增加,證實(shí)肌束膜銜接肌內(nèi)膜、肌外膜和肌腱,是骨骼肌組織機(jī)械張力傳遞樞紐。骨骼肌受到不習(xí)慣的機(jī)械張力應(yīng)激時(shí),肌腹的肌內(nèi)膜、肌束膜和肌外膜首先承受張力,以減輕肌膜高機(jī)械張力的應(yīng)激,避免肌膜遭受機(jī)械撕裂損傷。

歸納4.1和4.2研究結(jié)果,骨骼肌以肌束膜為主線構(gòu)成了一個(gè)張力整合復(fù)合體,把骨骼肌細(xì)胞內(nèi)骨架蛋白、肌膜、肌內(nèi)膜、肌束膜、肌外膜和肌腱緊密連接成為一個(gè)整體,肌束膜是傳遞骨骼肌細(xì)胞與肌腱之間張力的橋梁[32,33],而整合素integrin是維持張力整合復(fù)合體的跨膜機(jī)械信號轉(zhuǎn)導(dǎo)受體。在這個(gè)體系中,骨骼肌細(xì)胞內(nèi)骨架蛋白產(chǎn)生的預(yù)張力是唯一產(chǎn)生內(nèi)在張力的因素,骨骼肌受到機(jī)械張力應(yīng)激時(shí),肌細(xì)胞內(nèi)骨架蛋白結(jié)構(gòu)改變,輔之以dystrophin丟失,切斷DGC橫向傳遞肌節(jié)收縮張力的通道,二者共同作用,以維持骨骼肌張力整合復(fù)合體的穩(wěn)定性。如果連續(xù)的機(jī)械張力導(dǎo)致骨骼肌細(xì)胞骨架蛋白結(jié)構(gòu)長期處于變化之中,將導(dǎo)致骨骼肌張力整合復(fù)合體失衡,過度使用性損傷發(fā)生。這提示過度使用性損傷與骨骼肌張力整合復(fù)合體失衡有關(guān)。

5 骨骼肌張力整合復(fù)合體失衡導(dǎo)致過度使用性損傷發(fā)生

5.1 機(jī)械張力應(yīng)激性骨骼肌超微結(jié)構(gòu)變化對骨骼肌張力整合復(fù)合體穩(wěn)態(tài)的影響

骨骼肌組織是一個(gè)張力整合復(fù)合體。在這個(gè)張力整合復(fù)合體中,肌束膜通過連接板(perimysial junctional plate)與肌內(nèi)膜結(jié)合,通過蜂窩管(管狀結(jié)構(gòu))與肌腱結(jié)合,而后通過位于肌膜肋狀體(costameres) 的 DGC (the dystrophin-associated glycoprotein complex)把肌節(jié)收縮產(chǎn)生的張力橫向傳遞至肌內(nèi)膜、肌束膜、肌外膜,最后把肌節(jié)收縮的張力傳遞至肌腱,即肌束膜在肌腹銜接每一孔肌內(nèi)膜,在兩末端與肌腱銜接,是骨骼肌張力傳遞的樞紐。骨骼肌受到機(jī)械應(yīng)激時(shí),肌節(jié)機(jī)械感受器把肌膜外機(jī)械信號轉(zhuǎn)換為化學(xué)信號,及時(shí)調(diào)節(jié)肌節(jié)的結(jié)構(gòu)形狀以適應(yīng)環(huán)境的要求,同時(shí)骨骼肌DGC復(fù)合體dystrophin丟失,肌節(jié)順應(yīng)性增加,進(jìn)而防止肌膜撕裂,而肌膜α7β1 integrin代償性表達(dá)增加,進(jìn)一步保護(hù)dystrophin丟失后肌膜的完整性。這解釋了不習(xí)慣運(yùn)動尤其是離心運(yùn)動極易造成骨骼肌超微結(jié)構(gòu)變化的原因。

然而,骨骼肌細(xì)胞內(nèi)骨架蛋白變化后,由于細(xì)胞內(nèi)部對抗應(yīng)激能力不能匹配外界的應(yīng)激,導(dǎo)致細(xì)胞對外界刺激的敏感性下降[38]。這提示如果骨骼肌長期受到不習(xí)慣的姿勢或機(jī)械張力應(yīng)激時(shí),變化的肌細(xì)胞內(nèi)骨架蛋白由于不能重新組裝而會降解,由結(jié)構(gòu)主動變化的良性適應(yīng)階段轉(zhuǎn)變?yōu)榻Y(jié)構(gòu)損傷累積的不良適應(yīng)階段。 Dennett和Fry[17]研究了過度使用性損傷的骨骼肌細(xì)胞超微結(jié)構(gòu)變化,發(fā)現(xiàn)患有骨骼肌慢性疼痛勞損癥狀的患者,骨骼肌肌原纖維降解,出現(xiàn)肌原纖維降解的電子密度小體 (降解的肌原纖維被溶酶體自噬后的產(chǎn)物)和線粒體異常,出現(xiàn)肌膜下線粒體聚集、肌原纖維內(nèi)晶格狀樣線粒體?;加袊?yán)重疲勞癥狀(嚴(yán)重疲勞癥狀表現(xiàn)為肌肉僵硬、無力、酸痛、獲得性耐力耐受能力下降、慢性疲勞等癥狀)的耐力項(xiàng)目運(yùn)動員骨骼肌出現(xiàn)了同樣的病理性變化,Z線水紋狀、肌原纖維降解、線粒體腫脹且橫跨兩個(gè)Z線、肌膜下線粒體聚積[39]。以上的研究結(jié)果表明,過度使用性骨骼肌出現(xiàn)了超微結(jié)構(gòu)損傷累積的不良性適應(yīng)現(xiàn)象。另有研究發(fā)現(xiàn),膝關(guān)節(jié)炎患者股外肌p65 NF-κB(nuclear factor κB,核因子κB)濃度大幅度增加[40],且NF-κB上調(diào)了泛素-蛋白酶體系統(tǒng) (the ubiquitinproteasome system)、下調(diào)了生肌調(diào)節(jié)因子MyoD[41]。這提示過度使用性損傷患者肌細(xì)胞超微結(jié)構(gòu)損傷累積,其機(jī)制可能與肌膜內(nèi)外信號轉(zhuǎn)導(dǎo)通路紊亂,造成NF-κB過度激活,使得分解代謝增強(qiáng)。 Crane等[42]間接研究了骨骼肌受到不習(xí)慣的機(jī)械應(yīng)激后NF-κB過度激活的機(jī)制,讓受試者進(jìn)行功率自行車運(yùn)動,采用85%VO2peak峰值有氧工作能力(peak aerobic capacity)運(yùn)動2 min,間歇期采用60%VO2peak峰值有氧工作能力運(yùn)動2 min,交替進(jìn)行直至力竭。運(yùn)動后即刻,一條腿股四頭肌按摩10 min,另一條腿作為對照。按摩后在股外肌活檢取樣,發(fā)現(xiàn)被按摩的股外肌與對照組比較,p65 NF-κB濃度顯著下調(diào),但機(jī)械轉(zhuǎn)導(dǎo)信號通路粘著斑激酶 (focal adhesion kinase,F(xiàn)AK)和細(xì)胞外調(diào)節(jié)激酶1/2(extracellular signal–regulated kinase 1/2,ERK1/2)酶活性(磷酸化程度)顯著增加。另有研究表明,骨骼肌肌膜跨膜蛋白α7β1 integrin能被機(jī)械應(yīng)激激活,激活的α7β1 integrin反過來又激活其下游信號通路FAK和ERK1/2[43]。依據(jù)Crane等[42]研究結(jié)果,沒有按摩的運(yùn)動腿股外肌FAK和ERK1/2酶活性顯著下調(diào),而p65 NF-κB濃度顯著上調(diào)。這提示骨骼肌受到一次不習(xí)慣的機(jī)械張力應(yīng)激后,其跨膜蛋白α7β1 integrin活性部分受到抑制。這解釋了急性離心運(yùn)動后骨骼肌跨膜蛋白α7β1 integrin表達(dá)增加的原因,一方面是代償性彌補(bǔ)dystrophin丟失;另一方面是為了彌補(bǔ)其活性部分受到抑制,意欲恢復(fù)肌膜內(nèi)外正常的信號轉(zhuǎn)導(dǎo)通路。然而,骨骼肌長期受到機(jī)械張力應(yīng)激時(shí),代償性增加的α7β1 integrin表達(dá)量可能不能匹配活性抑制的α7β1 integrin,導(dǎo)致NF-κB過度激活,結(jié)構(gòu)改變的肌細(xì)胞內(nèi)骨架蛋白降解速度加快,由結(jié)構(gòu)主動變化的良性適應(yīng)階段轉(zhuǎn)變?yōu)榻Y(jié)構(gòu)損傷累積的不良適應(yīng)階段,骨骼肌張力復(fù)合體的內(nèi)在調(diào)節(jié)因素受到限制,這將影響張力復(fù)合體的穩(wěn)態(tài)。

5.2 骨骼肌結(jié)締組織結(jié)構(gòu)變化對骨骼肌張力整合復(fù)合體穩(wěn)態(tài)的影響

骨骼肌每受到一次機(jī)械張力應(yīng)激,dystrophin丟失,切斷傳遞肌節(jié)的收縮力至肌內(nèi)膜的中間通路,起到減輕肌膜的機(jī)械張力的作用。然而,骨骼肌是一張力整合復(fù)合體。推測骨骼肌每受到一次機(jī)械張力應(yīng)激,都會調(diào)整一次張力復(fù)合體,以維持張力整合復(fù)合體平衡。 Koskinen等[44]讓W(xué)istar大鼠單側(cè)腿脛骨前肌進(jìn)行240次離心運(yùn)動,發(fā)現(xiàn)運(yùn)動后腫脹和再生的肌細(xì)胞周圍collagenⅠ、Ⅲ、Ⅳ濃度增加;Mackey等[45]電刺激受試者腓腸肌30 min(60 Hz刺激、300 μs脈寬),發(fā)現(xiàn)刺激后48 h collagenⅠ、Ⅲ的mRNA濃度增加,30 d后達(dá)到最大值。該研究者認(rèn)為,骨骼肌受到不習(xí)慣的機(jī)械張力應(yīng)激后,結(jié)締組織濃度增加是為了保護(hù)骨骼肌,避免其進(jìn)一步受到損傷。這提示骨骼肌每受到一次機(jī)械張力應(yīng)激后,為了維持由于肌細(xì)胞超微結(jié)構(gòu)變化導(dǎo)致的張力整合復(fù)合體失衡,需增加骨骼肌結(jié)締組織濃度重新調(diào)整張力整合復(fù)合體穩(wěn)態(tài)。

Maas等[46]研究了骨骼肌在不同機(jī)械張力應(yīng)激環(huán)境中結(jié)締組織傳遞張力的作用,發(fā)現(xiàn)強(qiáng)直性收縮的骨骼肌中,結(jié)締組織在張力傳遞中占有主要地位,而在隨意收縮骨骼肌中,結(jié)締組織在張力傳遞中作用較小。這表明在特定的機(jī)械張力環(huán)境中,骨骼肌結(jié)締組織在傳遞張力過程中占有主要地位,目的可能是為了維持張力整合復(fù)合體穩(wěn)態(tài)。近來的研究支持了此觀點(diǎn)。Stauber等[47]讓大鼠在麻醉狀態(tài)下、電刺激踝跖肌的同時(shí),在大鼠踝關(guān)節(jié)正常的移動范圍內(nèi),強(qiáng)行牽拉大鼠后肢背側(cè)的主動收縮肌,4周后肌內(nèi)膜、肌束膜厚度增加,膠原纖維沉積,肌細(xì)胞死亡被膠原纖維替代,呈纖維化癥狀,這與Willems等[48]研究結(jié)果類似。 Willems等[48]采用電刺激(70 Hz,0.2 ms串長)雌性大鼠跖屈肌,讓踝關(guān)節(jié)在40°~140°范圍內(nèi)做離心運(yùn)動,每天1次,每次50次,訓(xùn)練6周,發(fā)現(xiàn)跖屈肌肌纖維面積減少,而結(jié)締組織包括肌束膜面積增加。Langevin等[26]通過超聲成像觀察腰疼患者背部結(jié)締組織結(jié)構(gòu)變化,發(fā)現(xiàn)腰疼患者背部結(jié)締組織結(jié)構(gòu)不正常、厚度增加。Brown等[24]研究了多裂肌超微結(jié)構(gòu)損傷與椎間盤退變的關(guān)系,發(fā)現(xiàn)椎間盤退變與多裂肌硬度增加有關(guān),推測是多裂肌的膠原纖維增生所致。張學(xué)林等[49]研究了長期離心運(yùn)動對骨骼肌結(jié)締組織結(jié)構(gòu)的影響,讓大鼠進(jìn)行4周下坡跑離心運(yùn)動(動物跑臺、-16°、16~20 m/min、60~90 min/d,5 d/wk),結(jié)果發(fā)現(xiàn)4周離心運(yùn)動造成骨骼肌肌束膜厚度大幅度增加、膠原纖維沉積,呈纖維化癥狀。這表明骨骼肌連續(xù)受到不習(xí)慣的機(jī)械張力應(yīng)激時(shí),骨骼肌結(jié)締組織濃度增加用于維持張力整合復(fù)合體穩(wěn)態(tài)。然而,骨骼肌結(jié)締組織尤其是肌束膜含有高密度的肌成纖維細(xì)胞(myofibroblasts),其具有平滑肌樣蛋白收縮特性,能夠進(jìn)行主動收縮,其收縮力量足以能夠影響骨骼肌的收縮能力,且肌束膜能匹配機(jī)械張力應(yīng)激程度使其硬度逐漸增加[50]。如果不習(xí)慣的機(jī)械張力應(yīng)激過分地施加于骨骼肌結(jié)締組織 (肌束膜),將使骨骼肌結(jié)締組織(肌束膜)硬度過度增加,導(dǎo)致其主動收縮能力增加,由于兩側(cè)末端與肌腱銜接,造成肌肉-肌腱接頭、肌腱反復(fù)被強(qiáng)力牽拉,進(jìn)而造成肌腱附著的關(guān)節(jié)、韌帶微損傷累積;與此同時(shí),由于結(jié)締組織(肌束膜)包埋豐富的神經(jīng)束和血管[46],硬度增加的結(jié)締組織(肌束膜)反復(fù)擠壓、牽拉神經(jīng)和血管,造成神經(jīng)、血管微損傷累積。張學(xué)林等[49]研究支持了此觀點(diǎn),讓大鼠進(jìn)行4周下坡跑離心運(yùn)動后,發(fā)現(xiàn)骨骼肌肌束膜纖維化的同時(shí),骨骼肌內(nèi)神經(jīng)束膜被破壞,膠原纖維增生、纖維化,神經(jīng)纖維圓柱體形狀變形,軸突和髓鞘結(jié)構(gòu)改變;骨骼肌組織內(nèi)血管閉鎖,血管壁皺縮,厚度增加,管腔變小,被紅細(xì)胞堵塞,血管壁周圍被膠原纖維包裹、纖維化。這提示骨骼肌結(jié)締組織濃度增加到一定程度時(shí),張力復(fù)合體的自調(diào)節(jié)能力喪失,骨骼-肌肉組織微損傷累積。

5.3 骨骼肌結(jié)締組織形態(tài)結(jié)構(gòu)變化對骨骼肌先天免疫系統(tǒng)調(diào)節(jié)的影響

大量研究表明,巨噬細(xì)胞對骨骼肌損傷修復(fù)至關(guān)重要。通常認(rèn)為,骨骼肌損傷后,ED1巨噬細(xì)胞首先吞噬死亡的肌細(xì)胞,之后ED2巨噬細(xì)胞移位至損傷部位進(jìn)行修復(fù)。協(xié)調(diào)這一過程的是內(nèi)血管監(jiān)控單核細(xì)胞機(jī)制(endovascular-patrolling monocytes)。 然而,Brigitte等[51]的研究結(jié)果出乎意料,巨噬細(xì)胞的調(diào)控機(jī)制是由肌外膜和肌束膜協(xié)調(diào)調(diào)控。Brigitte等[51]對C57BL/6小鼠脛骨前肌和豎脊肌注射虎蛇毒素notexin,誘發(fā)肌肉損傷,觀察髓系細(xì)胞反應(yīng),并采用骨髓移植方法(Bone marrow transplantation)辨別常駐巨噬細(xì)胞(resident macrophages,源于骨骼?。┖蜐B出巨噬細(xì)胞(exudate macrophages,源于循環(huán)血中單核細(xì)胞)。研究發(fā)現(xiàn),虎蛇毒素誘發(fā)肌肉損傷后,肌外膜和肌束膜顯示了強(qiáng)大的常駐巨噬細(xì)胞群,包括CD11b+F4/80+CD11c-Ly-6C-CX3CR1。這些常駐巨噬細(xì)胞是趨化循環(huán)血中白細(xì)胞的向心遷移通路,選擇性釋放兩種趨化因子:細(xì)胞因子誘導(dǎo)的中性粒細(xì)胞趨化蛋白和單核細(xì)胞趨化蛋白1,從循環(huán)血中募集中性粒細(xì)胞和單核細(xì)胞。中性粒細(xì)胞首先出現(xiàn)在肌外膜和肌束膜中靜脈血管周圍 (損傷后約30 min),單核/巨噬細(xì)胞內(nèi)流稍微滯后,損傷后90 min首先出現(xiàn)在肌外膜和肌束膜,損傷后6 h才出現(xiàn)在肌內(nèi)膜中,損傷后12 h,深層損傷部位出現(xiàn)大量巨噬細(xì)胞聚積。這提示骨骼肌肌外膜和肌束膜常駐巨噬細(xì)胞協(xié)調(diào)了骨骼肌損傷后的先天免疫反應(yīng)。骨骼肌損傷后巨噬細(xì)胞到達(dá)損傷部位具有嚴(yán)格的秩序性,首先出現(xiàn)在肌外膜和肌束膜,而后出現(xiàn)在肌內(nèi)膜,最后大量出現(xiàn)在深層損傷部位,結(jié)合骨骼肌結(jié)締組織構(gòu)成情況,肌束膜銜接每一肌內(nèi)膜,而肌內(nèi)膜銜接基質(zhì)膜和肌膜,表明巨噬細(xì)胞可能是首先通過肌束膜與肌內(nèi)膜的連接板銜接點(diǎn)把巨噬細(xì)胞輸送到肌內(nèi)膜,之后肌內(nèi)膜再通過與基質(zhì)膜的銜接點(diǎn)將其輸送到基質(zhì)膜,最后到達(dá)肌細(xì)胞。如果環(huán)節(jié)銜接點(diǎn)出現(xiàn)問題,那么巨噬細(xì)胞的輸送通路將受到妨礙,意味著骨骼肌損傷修復(fù)能力下降,損傷加劇。

歸納5.1、5.2和5.3的研究結(jié)果,過度使用性損傷與骨骼肌張力整合復(fù)合體失衡有關(guān)。如果骨骼肌長期受到不習(xí)慣機(jī)械張力應(yīng)激,變化的骨骼肌超微結(jié)構(gòu)沒有足夠的時(shí)間重塑,勢必造成肌束膜承受更大的機(jī)械張力應(yīng)激,導(dǎo)致膠原纖維沉積。肌束膜膠原纖維沉積導(dǎo)致兩方面負(fù)面影響,一方面是肌束膜硬度增加、彈性減少,使遠(yuǎn)端的肌腱及附帶的韌帶、關(guān)節(jié)、骨受力改變,機(jī)械微損傷累積;另一方面是肌束膜膠原纖維增生影響了骨骼肌先天免疫調(diào)節(jié)系統(tǒng),妨礙了骨骼肌超微結(jié)構(gòu)損傷修復(fù)過程,這更加重了肌束膜的受力程度,進(jìn)而形成骨骼肌細(xì)胞超微結(jié)構(gòu)損傷→肌束膜微損傷→肌束膜膠原纖維沉積→骨骼肌先天免疫系統(tǒng)調(diào)節(jié)能力下降→骨骼肌超微結(jié)構(gòu)損傷修復(fù)能力減弱→肌束膜微損傷加重→骨骼肌細(xì)胞超微結(jié)構(gòu)損傷加劇的惡性循環(huán),最終形成骨骼-肌肉系統(tǒng)過度使用性損傷癥狀。

6 結(jié)論與建議

骨骼肌以肌束膜為主線構(gòu)成了一個(gè)張力整合復(fù)合體,把骨骼肌細(xì)胞內(nèi)骨架蛋白、肌膜、肌內(nèi)膜、肌束膜、肌外膜和肌腱緊密連接成為一體,其中肌束膜是傳遞骨骼肌細(xì)胞與肌腱之間張力的橋梁,而整合素是維持張力整合復(fù)合體的跨膜機(jī)械信號轉(zhuǎn)導(dǎo)受體。在這個(gè)體系中,骨骼肌細(xì)胞內(nèi)骨架蛋白產(chǎn)生的預(yù)張力是唯一的產(chǎn)生內(nèi)在張力的因素,骨骼肌受到機(jī)械應(yīng)激時(shí),肌細(xì)胞內(nèi)骨架蛋白結(jié)構(gòu)改變,用以維持張力整合復(fù)合體的穩(wěn)態(tài)。連續(xù)的機(jī)械張力應(yīng)激導(dǎo)致骨骼肌細(xì)胞骨架蛋白結(jié)構(gòu)長期處于變化之中,致使肌束膜承受更大的張力,進(jìn)而導(dǎo)致肌束膜膠原纖維沉積、硬度增加,其主動收縮能力增加,由于兩側(cè)末端與肌腱銜接,造成肌肉-肌腱接頭、肌腱反復(fù)被強(qiáng)力牽拉,進(jìn)而造成肌腱附著的關(guān)節(jié)、韌帶微損傷累積。肌束膜也包埋豐富的神經(jīng)束和血管,硬度增加的肌束膜也造成神經(jīng)、血管反復(fù)被擠壓、牽拉,進(jìn)而造成神經(jīng)、血管微損傷累積,最終形成骨骼-肌肉系統(tǒng)過度使用性損傷癥狀。過度使用性損傷與骨骼肌張力整合復(fù)合體失衡有關(guān)。

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