尤田 袁樹芳 白露 張新濤 李燦鋒 江小成 許鴻德 王霜 張文濤

（北京大學(xué)深圳醫(yī)院運動醫(yī)學(xué)科，廣東深圳 518000）

跟腱斷裂（Achilles tendon rupture）是一種常見的運動損傷，由于跟腱局部血供較差，跟腱斷裂后愈合不良時常發(fā)生，導(dǎo)致運動功能下降、功能殘疾，影響生活質(zhì)量。因此，對跟腱損傷后愈合的研究意義重大。本文將對近年來有關(guān)跟腱愈合機制的研究做一綜述。

1 跟腱的基本結(jié)構(gòu)

研究表明，跟腱實質(zhì)中90%的成分是由Ⅰ型膠原蛋白（含原纖維、纖維和纖維束的層級結(jié)構(gòu)）與小分子基質(zhì)（如蛋白聚糖）組成。雖然彈性蛋白僅占跟腱干重的2%，但它對跟腱的機械性能至關(guān)重要；跟腱損傷后，腱結(jié)構(gòu)受到破壞，載荷機制也隨之消失[1-4]。肌腱中的細胞90%～95%是腱細胞和成肌腱細胞，剩余的5%～10%由軟骨細胞、腱鞘滑膜細胞、毛細血管內(nèi)皮細胞和小動脈的平滑肌細胞構(gòu)成。終末分化的腱細胞呈梭形，細胞核細長，胞質(zhì)突起黏附在膠原纖維上；而成肌腱細胞的形狀更加近似于圓形，核大而圓[5]。目前對于肌腱細胞和成肌腱細胞的鑒別還依賴于細胞形態(tài)學(xué)，缺乏準(zhǔn)確的標(biāo)志物。所以，學(xué)術(shù)界對肌腱細胞的具體分化過程實際上還不清楚，遠遠落后于其他肌肉骨骼譜系。近年來，有研究試圖通過敲除小鼠的部分基因來探尋有關(guān)肌腱形成或成熟的關(guān)鍵基因[6]，但也只是重復(fù)了一些肌腱分化級聯(lián)的離散分子步驟，仍未找到能夠準(zhǔn)確區(qū)分肌腱細胞群的特異性表面標(biāo)志物。

2 跟腱的生物力學(xué)

跟腱的排列結(jié)構(gòu)與其力學(xué)性能直接相關(guān)[7]。因此，只有了解正常跟腱的基本結(jié)構(gòu)，才能對跟腱損傷和不愈合的病理機制進行研究。一般情況下，跟腱可以被視為一種不均勻的非線性纖維的復(fù)合體[8]，主要由膠原細胞外基質(zhì)和非膠原分子組成[9]。脫水后的肌腱主要是由縱向的膠原纖維組成，在成熟的肌腱中最主要起著承擔(dān)負荷的作用；在肌腱最基本的結(jié)構(gòu)中，高度一致的膠原纖維結(jié)構(gòu)在其纖維走行方向上有著很高的強度；由于肌腱纖維呈卷曲波浪形，偏光顯微鏡下可觀察到肌腱表現(xiàn)為周期條帶狀，這種特性從宏觀到納米層面都得到體現(xiàn)[10]。

跟腱的機械特性決定了其生物力學(xué)性能，除了外傷，跟腱以及其他肌腱/韌帶的機械性能還受到發(fā)育[11]、衰老[12]等因素的影響。在低負荷的情況下，跟腱的應(yīng)力應(yīng)變曲線呈非線性[13]。而在高負荷但跟腱尚未斷裂之前，其應(yīng)力應(yīng)變曲線呈線性。雖然跟腱作為具有黏性和彈性的復(fù)合材料，可以存儲和釋放能量，但實際上其彈性特性占主導(dǎo)地位[14]。這些彈性結(jié)構(gòu)在斷裂之前最大可承受89 MPa 的負荷，這使得跟腱能夠提供強大的爆發(fā)力[15]。

3 跟腱損傷后的病理學(xué)改變

跟腱損傷后，腱細胞和細胞外基質(zhì)都出現(xiàn)生物學(xué)改變[16]。與對照組跟腱相比，跟腱斷裂部位應(yīng)力傳導(dǎo)障礙、膠原蛋白含量下降[17]。在發(fā)生損傷的最初幾天，腱細胞大量凋亡，其標(biāo)志物Scleraxis（Scx）的表達明顯下調(diào)[18]。愈合早期到中期的過程中，Ⅲ型膠原蛋白和谷氨酸表達上調(diào)[19]。而到了愈合中晚期，Ⅰ型膠原蛋白的表達上調(diào)，基質(zhì)金屬蛋白酶（matrix metalloproteinases,MMPs）和組織抑制金屬蛋白酶（tissue inhibitor of metalloproteinases,TIMPs）起著關(guān)鍵作用，其中TIMP表達不會隨時間變化而發(fā)生顯著改變[20]。說明此時發(fā)生了進一步的組織重塑，細胞數(shù)量和密度都逐漸接近損傷前的水平。綜上所述，在愈合的不同時間段，跟腱的組織特性是不斷變化的，相應(yīng)的基本結(jié)構(gòu)和機械性能也隨之發(fā)生改變。

除了外傷因素，跟腱反復(fù)經(jīng)受高強度負荷也會影響跟腱的組織結(jié)構(gòu)，說明機械性刺激也是跟腱損傷的重要因素[21,22]。動物實驗發(fā)現(xiàn)，適當(dāng)?shù)倪\動負荷可以增加小鼠肌腱修復(fù)過程中生長因子的水平，促進肌腱干細胞（tendon stem cells,TSCs）增殖，上調(diào)Ⅰ型膠原蛋白和腱調(diào)蛋白（tenomodulin）的表達，從而促進肌腱的愈合[21]。該研究還發(fā)現(xiàn)，雖然適當(dāng)?shù)呐懿截摵刹⒉挥绊戃浌呛凸潜硇偷幕虮磉_，但如果繼續(xù)增加跑步時間，則會導(dǎo)致肌腱、軟骨和骨表型的基因表達增加，說明過度的機械負荷可能會導(dǎo)致代謝改變，并且促使TSCs 向非肌腱譜系分化[21]。進一步的研究發(fā)現(xiàn)，機械負荷的下游信號主要由TGF-β 發(fā)揮作用，反復(fù)的高負荷刺激會導(dǎo)致TGF-β高表達，提高Ⅰ型膠原蛋白、Scx和3種機械敏感性miRNAs的表達水平，從而促進肌腱愈合[23]。

跟腱組織成分的變化直接影響其機械結(jié)構(gòu)和生物力學(xué)性能。在跟腱斷裂的動物模型中，一開始跟腱的殘端仍清晰可見，但隨著愈合的進行，肌腱的外觀開始變得更粗、更致密且不透明，這種情況與新生的、短而粗的膠原蛋白沉積有關(guān)[9]。在愈合過程中，新生纖維逐漸重塑、對齊，肌腱也逐漸延長，但跟腱過度延長往往與預(yù)后不良相關(guān)；這種現(xiàn)象可能是因為即便新生膠原纖維排列整齊，但瘢痕部分仍是雜亂無章的，從而影響跟腱的機械性能[24]。跟腱損傷后還會出現(xiàn)黏彈性的下降，這是因為膠原結(jié)構(gòu)的改變會影響膠原纖維和細胞外基質(zhì)之間的摩擦力，細胞外基質(zhì)之間的液體流速，以及分子間的相互交聯(lián)[25]。因此，有研究認為，肌腱愈合后的機械性能只能部分恢復(fù)，不能完全愈合[16]。

4 跟腱的愈合機制

由于生化學(xué)、組織病理學(xué)和生物力學(xué)的研究不多，現(xiàn)有的動物實驗也存在物種差異[26]，而人體相關(guān)的研究分析的是肌腱斷裂的樣本，所以，人類跟腱愈合的確切機制尚不明確。在跟腱病方面，現(xiàn)有的動物實驗?zāi)Ｐ鸵膊簧趵硐?。原因有二，首先，國?nèi)外對跟腱病的發(fā)病機制認識不足。其次，由于人類的特殊性，沒有哪種動物的跟腱與人類完全相同，因此找到一種代表性的實驗動物也很困難。目前，嚙齒類小動物是最為常見的動物模型，由于這些動物的肌腱受力方式的不同，導(dǎo)致它們在斜坡上進行長時間跑臺運動時，肌腱常沒有明顯的變化，與人類有很大差異；而如果想用化學(xué)方法如膠原酶、糖皮質(zhì)激素或細胞因子造模，要么出現(xiàn)不同于人體的病理變化，要么出現(xiàn)過度炎癥反應(yīng)，然后出現(xiàn)進行性肌腱修復(fù)[27]。

4.1 愈合的分期

一般認為肌腱的愈合分為三個階段，這三個階段并不是截然分開，而是相互重疊，各階段持續(xù)的時間取決于損傷部位和嚴重程度[28]。第一階段為炎癥期，從損傷即刻開始，大約持續(xù)3 d。肌腱損傷后，血管破裂出血產(chǎn)生血凝塊，細胞以此為支架爬行。血凝塊同時激活活化血小板釋放化學(xué)趨化物，吸引炎癥細胞（如中性粒細胞和單核細胞）遷移到損傷部位。單核細胞再分化為巨噬細胞，吞噬消化壞死物質(zhì)，并增加血管活性和趨化因子來招募和激活腱細胞[28]。本階段通過血管出芽形式生成血管網(wǎng)，這對改善跟腱的愈合質(zhì)量至關(guān)重要[29]。

第二階段為增殖期，持續(xù)約數(shù)周。本階段巨噬細胞釋放生長因子以指導(dǎo)細胞招募和活化[7]。此后，來源于腱鞘和滑膜鞘的肌腱成纖維細胞，同來自腱內(nèi)膜的內(nèi)源性腱細胞一起被招募到損傷部位，共同合成纖連蛋白、Ⅲ型膠原蛋白和初始無定形的細胞外基質(zhì)（extracellular matrix,ECM）成分（如蛋白聚糖）[30]。然后，Ⅲ型膠原蛋白逐漸被更牢固的Ⅰ型膠原蛋白替代。增殖期的特點是具有很高的細胞性（多孔性）和吸水性。

第三階段為重塑期，從損傷后6～8 周開始，持續(xù)時間因年齡和個體差異而不同，通常持續(xù)1～2 年，可細分為鞏固期和成熟期。鞏固期長達10 周，本周期內(nèi)肌腱組織的細胞性（多孔性）逐漸向纖維性轉(zhuǎn)變；此時腱細胞的新陳代謝依然很旺盛，而且腱細胞和膠原纖維開始沿應(yīng)力方向排列以恢復(fù)抗拉強度和肌腱剛度。此外，Ⅲ型膠原蛋白繼續(xù)轉(zhuǎn)化為Ⅰ型膠原蛋白；肌腱成纖維細胞逐漸分化為成肌纖維細胞，后者可以將大的肉芽組織收縮成小的永久性瘢痕組織。最后的成熟期可能需要1～2年，在此期間纖維組織轉(zhuǎn)變?yōu)轳：蹣咏M織，腱細胞的代謝和肌腱血管分布逐漸減少[27]。

一般認為，肌腱的愈合包括外源性愈合機制和內(nèi)源性愈合機制。外源性機制是指在愈合早期，來自外周和血液的成纖維細胞和炎癥細胞遷移到損傷部位，發(fā)生增殖和形成粘連。之后發(fā)生的內(nèi)源性愈合機制是指來源于腱內(nèi)膜的細胞活化并遷移到損傷部位增殖，產(chǎn)生并重組ECM，從而給新生的血管網(wǎng)提供支持[30]。實際上，細胞到底是外源性還是內(nèi)源性，相關(guān)研究并不多。研究表明，骨髓間充質(zhì)干細胞可進入肌腱損傷部位，激活局部細胞，使其參與增殖和重塑活動，這一結(jié)果提示外源性和內(nèi)源性愈合機制存在協(xié)同作用[31]。

4.2 促進愈合的分子機制

在跟腱愈合的不同階段，有各種生長因子參與細胞的激活與協(xié)調(diào)[32]。生長因子的釋放首先由活化的血小板直接啟動；另外，本身組織內(nèi)固有的無活性的生長因子在損傷后也被激活。激活的生長因子可以啟動炎癥級聯(lián)反應(yīng)，并在數(shù)小時內(nèi)招募大量的炎癥細胞聚集到損傷部位；與此同時，炎癥細胞本身也可以分泌大量生長因子從而擴增炎癥反應(yīng)[32]。除外上述機制，肌腱損傷部位旁的細胞在激活后也可產(chǎn)生生長因子，機械刺激則可以加速這一過程[32]。

現(xiàn)代再生醫(yī)學(xué)中有一個重要的概念就是無瘢痕愈合，又稱無瘢痕胎兒愈合（scarless fetal healing），這種再生能力存在于所有的哺乳動物中[33,34]。Wilgus 等發(fā)現(xiàn)，胎兒傷口內(nèi)血管內(nèi)皮生長因子（vascular endothelial growth factor,VEGF）的水平較低，新生血管的密度明顯低于比成年人；給予外源性VEGF 將促進瘢痕的產(chǎn)生，而如果引入抗體，中和VEGF 則可以減少成年人傷口的血管密度和瘢痕的形成，獲得高質(zhì)量的無瘢痕愈合[35]。有關(guān)跟腱愈合中新生血管的研究比較少，目前可以明確的是在肌腱病中，新生血管持續(xù)的生成和血管密度增加其實是修復(fù)失敗的一種表現(xiàn)[1]。研究發(fā)現(xiàn)，新生血管不具備灌注功能且通透性很高，無法將氧氣和營養(yǎng)物質(zhì)運送到組織中，其周圍的組織仍會持續(xù)地缺氧[35]。單純用藥物消除新生血管、降低血管密度往往效果不佳，這種缺血狀態(tài)會通過替代的分子機制繼續(xù)誘導(dǎo)新生血管的形成[36]。

總體而言，肌腱的愈合能力有限，愈合后肌腱的生物力學(xué)性能幾乎不可能恢復(fù)到受損前的水平，肌腱強度的降低導(dǎo)致肌腱增厚和僵硬，使其更容易再次斷裂。

5 跟腱損傷相關(guān)的臨床探索

跟腱過度使用造成的各種損傷的分類和命名尚無統(tǒng)一的規(guī)范，通常肌腱病被定義為肌腱過度使用后發(fā)生疼痛但未出現(xiàn)自發(fā)斷裂的疾病[37]。普遍認為，雖然肌腱炎伴有炎癥細胞的浸潤，但人的肌腱中幾乎不存在真正的肌腱炎，反而在腱鞘和肌腱周圍的疏松結(jié)締組織中可以觀察到腫脹等急性炎性反應(yīng)[4]。過度使用后，肌腱本身發(fā)生的病理變化往往是變性。目前比較成熟的理論是，肌腱病是由于肌腱缺氧造成的，細胞為了在缺氧環(huán)境下存活，會誘導(dǎo)血管增生，并且分泌可溶性生長因子和細胞因子以招募炎癥細胞[37]。迄今為止，在肌腱束中還檢測不到炎性滲出物或炎性細胞，因此，臨床上廣泛認為慢性肌腱病是由無炎癥的退化過程引起的[38]。但Millar等[39]認為即使沒有急性炎癥浸潤的證據(jù)，也不能否認炎癥在肌腱病的病因?qū)W中的作用，炎癥可能發(fā)生在臨床癥狀之前，最終導(dǎo)致肌腱病或自發(fā)性肌腱斷裂?？傊?，肌腱病是一種多因素疾病，炎癥在其中所起的作用還存在爭議，需要進一步研究。

由于細胞數(shù)和血管網(wǎng)均較少，正常肌腱的代謝率幾乎可以忽略不計，而導(dǎo)致愈合能力低下[40]。但只要斷裂部位沒有分離或缺損且腱鞘完整，即使不做手術(shù)也有愈合的可能。因此，肌腱斷裂后是否需要手術(shù)一直存在爭論，一些隨機隨照試驗中也并未發(fā)現(xiàn)手術(shù)和非手術(shù)的療效差異[41]。對于跟腱斷裂而言，手術(shù)可降低再次斷裂的風(fēng)險，但同時也具有傷口感染等并發(fā)癥的可能[42,43]?？p線直接縫合是最常用和最簡單的手術(shù)方法，肌腱止點撕脫時需要使用錨釘技術(shù)。但如果肌腱斷端有明顯的分離或缺損，則需要使用移植物重建肌腱，常用的是自體肌腱和同種異體肌腱[44]?？傊?，現(xiàn)有的方法并不能完全修復(fù)肌腱，很多病例會出現(xiàn)愈合不良或慢性肌腱病[45]。

肌腱疾病除了與年齡和過度使用相關(guān)，最近的研究還發(fā)現(xiàn)COL1A1，COL3A1，COL5A1，MIR608，MMP3，TIMP2，VEGFA，NID1和COLGALT1與橄欖球運動中肌腱損傷的發(fā)生率和嚴重程度相關(guān)，值得進一步研究[46]。

6 總結(jié)與展望

跟腱的急性斷裂和慢性病變影響的人群越來越多，不僅影響患者的生活質(zhì)量和運動能力，而且大大增加醫(yī)療支出。因此，開發(fā)新的更有效的治療方法，如基于干細胞的組織工程技術(shù)、生長因子混合物或其他藥物，具有重要的臨床意義和社會價值。由于跟腱的愈合質(zhì)量直接受新生血管功能的影響，愈合早期需提高新生血管的灌注功能、改善局部微循環(huán)營養(yǎng)，愈合中晚期要促進新生血管的退化，以利于膠原纖維的結(jié)構(gòu)重塑，這可能是促進跟腱無瘢痕愈合、改善愈合質(zhì)量、提高生物力學(xué)性能的關(guān)鍵，值得深入研究。