身体活动对肌腱胶原蛋白代谢的影响

王鸿翔

骨骼肌功能的充分运行需要与骨连接，肌腱是其一个重要的力传递部位。肌腱的纤维排列和能量吸收与其承载相适应，其抗拉强度在于胶原纤维分子内和分子间的交链、方向、长度和密度。然而，有关触发结缔组织响应机械负荷的信号和随后一些特定细胞外基质的表达知之甚少。迄今认为，肌腱结缔组织对负荷的适应规模是有限的，并需要长期刺激以产生缓慢的组织变化。然而，结缔组织网络结构和胶原代谢反应受身体活动水平改变影响，例如，身体活动的减少可导致结缔组织成分的生物合成下降;相反，身体运动加速肌肉和肌腱中结缔组织的降解和形成。这可能是细胞外基质结构的生理适应和损伤修复的反映。

1 肌腱胶原蛋白

胶原蛋白作为细胞外基质的主要成分，约占人体总蛋白质的20% ～25%。I型和III型胶原蛋白是最丰富的肌腱胶原成分，主要由成纤维细胞合成分泌。前胶原蛋白分泌后被特定的蛋白酶裂解，而后自我组装成纤维或其他超分子结构。I型胶原蛋白编码基因转录翻译后，要经过明显的翻译后修饰，由不同的羟化酶将脯氨酸转换成4-羟脯氨酸或3-羟脯氨酸。脯氨酸和4-羟脯氨酸促进分子间的交链形成。脯氨酸4羟化酶(P4H)是重要的修饰酶，催化形成4-羟脯氨酸，而且是仅限于胶原蛋白的活性酶。P4H的活性水平一般随胶原合成相应增减，人们一直将这种酶的活性检测用于估算胶原蛋白的合成速率。芘测定表明，肌腱和韧带中的芘含量特别高，肌腱中芘与胶原蛋白的比例和骨相比也是高的，这些与纤维的交联作用是相匹配的。

过去对肌腱及胶原代谢的了解仅限于体外研究，但对运动中的体内变化了解非常有限。例如，在竞技体育中，长期超负荷导致肌腱的过度使用常伴有炎症和结构改变。虽有一些动物模型可用来评估结缔组织的超载，但这些模型往往要经受极端负荷而导致严重的组织损伤，这与现实生活中的人类相似性不大，人体过劳性损伤是经过一段时间逐渐发展起来的。基于体外研究的另一个缺点是不能在运动过程中进行连续测量。运动时，周围环境的血流、组织的氧合和代谢变化都可能影响运动中的组织超载。

目前一些体外实验系统可以测得细胞的机械拉伸应力反应，然而对个别细胞实际施加的力还不能准确定量，并且对随后发生的应变还不能充分确定。接受机械加载的成纤维细胞往往产生不均匀应变，培养细胞物获得的结果只能代表一个平均值。最近发展起来的在人体模型中允许对身体的某些特定部位进行实时测量，例如，运动期间和运动后肌腱组织的新陈代谢，血流量，抗炎活性和胶原蛋白更新[1]。这些方法与实时超声测定肌肉活动时肌腱的机械性能和磁共振成像方法一起用来研究肌腱组织的新陈代谢与粘弹性特征的耦合是有希望的。输入同位素(13C或15N-脯氨酸)及随后进行人肌腱组织采样可以测定肌腱的胶原合成。基于这些研究表明，肌腱胶原合成率为每24小时2% ～3%。

2 细胞外基质基因表达和肌腱胶原更新的调节

肌腱胶原蛋白随体力活动水平的改变而产生反应。与身体负载相反，固定大鼠后肢导致骨骼肌和肌腱中胶原蛋白合成酶的活性减少，这是肌肉和肌腱活动降低所造成的结果。利用胶原蛋白合成过程中的羟肽裂解可以间接测定Ⅰ型胶原蛋白的形成。Ⅰ型胶原蛋白合成标志物检测包括I型胶原羧基末端前肽(PICP)的测定和I型胶原羧基末端端肽区域(ICTP)的检测。一次运动对血液中这两个标记物水平的影响不大，而长时间运动或进行数周的训练可增加I型胶原蛋白的更新和净合成。血清PICP和ICTP水平的检测还无法确定这些标记物的组织或器官起源，但血液中大多数的I型前胶原标记物起源于骨。通过对一些跑步者使用微透析技术，在他们36公里跑步之前、跑步之后即刻和跑步之后72小时对跟腱周围的生化成分进行微透析分析。结果表明，急性运动可导致肌腱区域的代谢和炎症活动的改变。此外，还刺激恢复过程中I型胶原蛋白的合成。对进行4周和11周高强度体能训练前后的跟腱周围结缔组织中I型胶原蛋白的合成与降解的研究表明，肌腱组织的I型胶原代谢对身体训练产生了适应性反应[2]。组织间液中PICP浓度的增加随着4周的训练即可出现，并在此后的整个训练期间持续升高。这表明I型胶原蛋白的合成速率随着训练而升高。由于血液中PICP在训练期间并没有明显改变，这很可能是I型胶原合成的增加仅发生在肌腱结缔组织而不是整个身体。组织中ICTP浓度对训练也会出现短暂的上升反应，但随着更长时间的训练又恢复到基础水平。如此表明，对于训练的初始反应是I型胶原蛋白的更新增加，随后主要表现为非骨结缔组织如肌腱中I型胶原蛋白合成代谢的净增加。肌腱及相关的结缔组织对于运动刺激出现的更新代谢反应模式与肌肉中发生的事实一致。

急性运动过程中人类胶原蛋白的分解代谢增加，跟腱胶原蛋白的合成在急性运动开始受到抑制，随后其合成率上升，这或许可以解释为什么一些长期训练的运动员具有较高基础水平的PICP。Ⅰ型胶原蛋白的净合成是否表现为可衡量的肌腱增大?动物模型已证明训练造成肌腱直径增大;进行MRI观察也发现经常跑步者的跟腱横截面积与久坐少动的人相比明显增大。根据这些资料推测，训练开始可造成I型胶原更新率增加和胶原组织重组，而长期训练的结果则是肌腱组织的净增加，因此可能会改变组织的力量。有趣的是，与年轻人相比老年人的活动量和最大肌力都较小，但其肌腱组织量是增加的。年长者肌腱截面积的增加可能是一种代偿机制，用以抵消肌腱质量的下降，从而提高安全边际以避免肌腱断裂。

Ⅰ型胶原蛋白形成的一个重要步骤是通过前胶原C-蛋白酶(PCP)对PICP和PINP裂解的酶促调节，以形成不溶性胶原。机械负载可增加PCP基因的表达，并可促进前胶原蛋白的合成与加工，以及增强不溶性胶原的形成过程。这些效应的发生需要某些生长因子的存在，如转化生长因子-β(TGF-β)、血浆衍生生长因子(PDGF)和胰岛素样生长因子(IGF-Ⅰ和Ⅱ)等。实验表明，人类肌腱加载负荷可引起间质中TGF-β、IGF-1和IL-6的浓度上升[3]。虽然人们对负责机械传导反应的信号转导途径进行过一些研究，但很多细节尚未阐明。整合素是介导细胞与细胞外基质成分之间粘接复合物的主要结构部件。就此，整合素建立起一种机械连续体，沿此途径外力可从外部传送到细胞内部，反之亦然。特别是在肌-腱连接部位，缺乏整合素的表达将导致肌肉收缩时的结构损坏。虽然尚未证实，整合素很可能介入细胞表面拉应力的感应。

胶原蛋白的降解主要由基质金属蛋白酶(MMP)启动，在组织中大多以基质金属蛋白酶前体(proMMP)存在。基质金属蛋白酶组织抑制因子(TIMP)抑制 MMP活动。运动后，基质金属蛋白酶-2前体(Pro-MMP-2)无论是在翻译前或翻译后水平出现上调，提示胶原蛋白降解增加。TIMP往往伴随着身体活动的MMP响应激活，表明同时激活了胶原蛋白降解和降解抑制，很可能是MMP激活在前，TIMP作为胶原蛋白降解的抑制物确保调控过程。在人体肌腱周围组织中，60min跑步后可出现MMP-9的早期增加和MMP-2的后期增加，虽然有可能来自于成纤维细胞和白细胞，但其确切的细胞来源仍待探明[4]。制动导致MMP的表达增加，提示胶原蛋白的分解加速，这种现象可以部分地由拉伸运动加以阻止。

3 加载对肌腱结构的血液供应、代谢活性

和炎症反应的作用使用133Xe灌洗跟腱，可以测定肌肉收缩过程中腱周血流量。在提踵运动或间歇性小腿肌肉紧张运动时，腱周血流增加了三至四倍;在剧烈跖屈运动时，腱周血流量上升七倍。这些结果表明腱周血流量随运动而增加。近红外光谱(NIRS)和动静脉血样的同时测定表明，运动中的腱周和肌肉区域氧提取和总血红蛋白量增加，同时伴随血氧饱和度下降。结合这些进行分析，激烈运动时血管扩张是与肌肉和腱周区域的组织氧合连在一起的。很显然，虽然腱血流量的增加有些受限，但没有任何迹象表明在运动中肌腱区域存在严重缺血。但问题是进入肌腱区域的血流量是如何调节的。人们注意到在骨骼肌血流量调节中的血管活性物质有可能与肌腱区域的相似。例如，缓激肽同时具有扩血管和止疼痛性能。因为要通过前列腺素和一氧化氮途径激活，它可能不仅对正常肌腱的血流量进行调节，而且对过度使用、疼痛和高灌肌腱的血流量也有重要的调节功能。微透析技术的使用，在肌肉和肌腱组织中可检测到缓激肽，而且间质中缓激肽浓度随运动增加。其他一些与疼痛相关的物质，如P-物质和谷氨酰胺，在动物和人类肌腱中也分别存在。

跟腱腱鞘和腱包膜中的压力在运动过程中显著下降，在激烈运动中可以降至－150mmHg。这些变化的意义可被推测为此负压(最有可能发生在拉伸过程中)允许体液向腱周区域移动，从而降低局部某些炎症物质的浓度。此外，在动物实验中发现，肌腱生长过程中压迫可诱导细胞外基质基因表达的改变，导致蛋白聚糖和Ⅱ型胶原基因表达的增加。体外模型已经证明人肌腱间质细胞在重复运动时前列腺素的产生增加。而消炎痛阻断这种反应，与反复拉伸所致的任何镜显损伤不相关。这表明，炎症介质在结缔组织一般负载时就可分泌。微透析技术显示，肌肉和腱周组织在运动反应中释放前列腺素和血栓素。在表现出长期过度使用症状的静息肌腱，检测不到前列腺素水平的升高，而在运动时其间质中的前列腺素反应浓度与健康肌腱相比明显增大。这点表明了一种与慢性损伤相关的极脆弱的情况，即受到刺激就可能导致明显的炎症反应。肌肉静力性收缩不足以引起前列腺素的释放，但动态收缩可以。相比之下，肌腱相关组织只需适度等长收缩就可引发这种反应。通过环氧化酶阻断剂阻断前列腺素的分泌可在40%的程度上抑制运动引起的肌腱血流增加。这表明前列腺素在运动过程中对肌腱组织血管舒张发挥了重要的作用[5]。

4 结语

有关身体活动对肌腱相关结缔组织和细胞外基质成分的研究还处于初始阶段。一些研究表明潜在的信号转导通路可能将机械刺激影响到基因的表达和胶原蛋白的合成。这些途径可能涉及到局部释放的生长因子与一些炎症血管活性物质或血管生成物质的相互作用，从而导致细胞骨架组织损伤。

[1]李敏.运动对肌腱中胶原代谢影响研究进展[J].哈尔滨体育学院学报，2010，28(3):11 ～14.

[2]Mackey AL，Heinemeier KM，Koskinen SOA，et al.Dynamic Adaptation of Tendon and Muscle Connective Tissue to Mechanical Loading[J].Connec Tissue Res，2008，49(3—4):165 ～168.

[3]Heinemeier KM，Mackey AL，Doessing S，et al.GH/IGF-I axis and matrix adaptation of the musculotendinous tissue to exercise in humans[J].Scand J Med Sci Sports，2012，22(4):1 ～7.

[4]Koskinen SO，Heinemeier KM，.Olesen JL，et al.Physical exercise can influence local levels of matrix metalloproteinases and their inhibitors in tendon-related connective tissue[J].J Appl Physiol，2004，96:861 ～864.

[5]Langberg H，Boushel R，Skovgaard D，et al.Cyclooxygenase-2 mediated prostaglandin release regulates blood flow in connective tissue during mechanical loading[J].J Physiol 2003，551:683～689.