肩袖损伤基因表达变化的研究进展

张一翀 寇玉辉, 张晓萌, 王艳华, 陈建海 张殿英, , 姜保国, ,

作者单位：100044 北京大学人民医院创伤骨科1；100044 北京大学人民医院创伤与神经再生研究所2；100044 北京大学创伤医学中心3；300450 天津，北京大学滨海医院骨科4

肩袖是由冈上肌、冈下肌、小圆肌及肩胛下肌肌腱包裹肱骨头所构成的袖套样结构，是维持肩关节稳定的主要解剖结构［1］。肩袖损伤是肩关节疼痛及功能受限的最常见原因，可导致肩关节活动范围减小及肌力减弱，其发病率占肩关节疾患的17% ～ 41%［2］。传统观念认为，肩袖损伤是由直接创伤造成，但随着人们对疾病的深入认识，发现多数肩袖损伤患者并没有明显的外伤史。肩袖损伤在各个年龄段中均可出现，其发病率与年龄有着密切的关系，其中50 岁以上的人群中有30% ～ 50%的患者存在不同程度的肩袖损伤。对于无症状的患者，50 ～ 59 岁年龄组中比例为13%，60 ～ 69 岁年龄组为20%，70 ～ 79 岁年龄组为31%，而80 岁以上患者组中则有51%患者存在肩袖损伤［3］。这可能是由于老龄患者中，肌腱的微血管数量明显减少，使肩袖组织更容易出现纤维血管增生、脂肪化、萎缩及钙化等病变，但对于发生转化及退变的具体原因，目前尚不明确。

在一项针对129 例肩袖损伤患者的研究中，患者兄弟姐妹中发生全层撕裂的概率是配偶的2.42 倍，而肩痛率则是其配偶的5 倍。后续研究表明，兄弟姐妹中肩袖损伤进展的概率更高［4］。在另一项相似的研究中，40 岁之前出现肩袖损伤的患者亲属中有32.3%存在肩袖损伤或手术病史，而正常对照组的亲属仅有18.3%。在兄弟姐妹中，全层撕裂相对危险度（risk ratio,RR）为2.85 （95%CI：1.75, 4.64），撕裂进展RR为2.08 （95%CI：1.58, 2.70），出现有症状撕裂的RR为1.44 （95%CI：2.04, 8.28）［5］。这些都提示了遗传因素在非创伤性肩袖损伤中具有重要作用。因此，肩袖损伤的基因组学变化已成为肩关节领域新的研究热点。

一、肩袖损伤退变的相关变化

（一）代谢及炎症反应的相关基因

年龄相关的代谢变化会影响肩袖损伤，导致损伤进一步加重［6］。有证据表明，老龄化肌腱细胞中蛋白质含量减少，并向厌氧代谢转变［7］。除了年龄，撕裂的大小也会影响代谢和炎症反应。较大撕裂中线粒体数量增加，可反映肌肉纤维中有氧代谢的增加。同样，与大撕裂及对照组相比，炎症细胞在小撕裂及中度撕裂中数量增加，这反映出了一种修复的趋势［8］。目前已证实，许多细胞因子的表达可以调节肩袖肌腱的愈合潜能。已经在肩袖修复部位发现转化生长因子（transforming growth factor，TGF）β1表达增加，同时与细胞数量和细胞增殖存在相关性。TGF-β1可导致撕裂肩袖中平滑肌肌动蛋白的增长，表明可造成肌腱回缩，破坏肌腱愈合［9］。TGF-β3是胚胎期肌腱发育的重要信号。将局部的TGF-β3注入兔的冈上肌修复模型中，可导致血管化和细胞化加重，并导致胶原Ⅰ的表达增加，产生更理想的胶原Ⅰ/Ⅲ比例［10］，而胶原蛋白Ⅰ约占正常肌腱细胞外基质干重的85%［11］。这些因素都可以改善组织的愈合能力，并提升肌腱质量。当肩袖损伤时，损伤处的肌腱可产生IL-1β，并刺激损伤肌腱表达COX-2，从而产生前列腺素E2，导致肩关节疼痛。此外，在受累的肩关节中，远离肩袖损伤部位的盂肱关节软骨，同样可以高表达COX-2，这些都可作为肩袖肌腱病及肩痛发生的可能原因［12］。

（二）滋养血管的相关基因

血管化变异可提示肩袖病变，因为缺乏血供的区域具有更高的撕裂风险，称之为“临界区域”。目前有研究证实，早期血管化增加是对小撕裂的正常反应［13］。但随着损伤程度加重，愈合反应失效，并出现血管化水平降低［8］。在损伤的肌腱中，尤其在肌腱收缩时，缺氧诱导因子1α 及血管内皮生长因子表达水平显著变化［14］。缺氧可能在肌腱病变中起作用，既可以作为一个诱因，也使肌腱更易于损伤。肩袖损伤时，DNA 修复酶Apr/Ref-1 的表达水平增加，代表着缺氧诱导的DNA 或线粒体损伤具有修复趋势［15］。而V 型胶原是血管非纤维性胶原的主要组成成分。当小鼠肌腱愈合10 d 和20 d 时，可在肉芽组织的新生血管中检测到其含量增加［16］。

（三）萎缩的相关基因

目前认为，萎缩相关基因在慢性肩袖撕裂的发生机制中扮演重要作用。巨大肩袖撕裂可导致萎缩调控基因的表达增加，如钙蛋白酶和泛素类UBE2B 和UBE3A［17］。泛素化表现为肌原纤维易受蛋白酶体降解。已证实基因相关的转录因子叉头（transcription factor forkhead，FOX）在肩袖撕裂的通路中发生改变，且与细胞死亡和细胞周期抑制有关。已证实FOXO 改变可通过诱导Atrogin-1 和MURF1 基因而诱发肌肉萎缩。另外，撕裂大小与插头基因存在相关性。人肩袖的聚合酶链反应分析表明，相比于小撕裂及对照组，巨大撕裂组中FOXO1A 表达增加，而FOXO3A 表达减弱［17］。

二、肩袖损伤转化的相关变化

（一）钙化病变的相关基因

许多蛋白质可参与肌腱的钙化或重排过程。Oliva 等［18］从10 例肩袖钙化性肌腱炎患者的钙化和非钙化区域取活检标本，在钙化区域可检测到组织转谷氨酰胺酶2、底物及骨桥蛋白。而在同一钙化区域，骨形态发生蛋白-4（bone-morphogenetic protein-4，BMP-4）和BMP-6 的表达水平降低。这些基因都有可能导致肩袖钙化性肌腱炎的发生，并在肌腱钙化的不同阶段起着不同的作用。钙化性肌腱炎急性发作时患者表现为无明显诱因出现的肩关节持续性剧烈疼痛［19］，严重影响生活质量。

（二）脂肪生成与脂肪浸润的相关基因

脂肪化与肌源性基因均可导致肩袖损伤。Frey 等［20］用绵羊的慢性肩袖损伤模型，研究冈下肌肌腱切断术后的基因表达改变。肌肉退变与脂肪转化因子——过氧化物酶体增生物激活受体（peroxisome proliferator-activated receptor，PPAR）γ 及肌肉转化因子Myf-5 的自发上调相关联。持续牵引冈下肌导致Myf-5 及另一种转化因子C/EBPb （CCAAT/增强子结合蛋白 β）表达增加。但是，修复切断的肌腱可使基因表达发生转变。Wnt 表达可导致肩袖脂肪化，Wnt10b的表达下调与体内成肌肉细胞脂肪化以及PPARγ 和C/EBPα（CCAAT 增强子结合蛋白α）的上调有关［21］。

三、机械负荷后的基因表达改变

肌腱细胞对机械负荷可产生反应［22］。目前发现过量活动的大鼠，其成纤维细胞可出现过度肥大或萎缩，这种机械效果可诱发基因表达改变［23］。大鼠冈上肌肌腱过度使用所致的肌腱病，可导致脂肪化转变及相关应力反应，以及谷氨酸盐相关信号通路［24］。然而，过度使用可导致家兔基因表达的暂时性改变，因为许多家兔上调的基因在过度使用2 ～ 4 周后，可在休息2 周后恢复接近正常的水平［25］。机械负荷的生物学效应可在ECM 通路的调控过程中发生。有研究对过度负荷及应力降低对MMP 调控的影响进行评估，发现肌腱应力减少的区域，与MMP-1、MMP-9、 MMP-14、ADAMTS-1 及蛋白聚糖的表达上调相关［26］。Thornton 等［27］也对大鼠冈上肌应力消失的部位进行研究，发现MMP-3、MMP-13、TIMP-2 表达水平增加。当冈上肌存在间断性静态压力时，MMP-13 的表达水平也会增加。有趣的是，冈上肌肌腱和跟腱相比，对于应力降低更为敏感。相反地，在绵羊冈上肌模型中，肌腱的应力增加可导致MMP-13 及蛋白聚糖水平增加，进一步明确了MMP 与应力水平之间的关系。MMP 对于应力水平较为敏感，在髌腱疲劳负荷后可检测到MMP-13 的上调，且培养的肌腱细胞可承受约1.7%的应力，并可导致微小结构的损伤［28］。而当应力水平低至0.6%时，此时只产生微结构损伤，可导致MMP-13 及IL-1β 下调。某些MMP对大鼠的冈上肌肌腱应力水平增加或降低均较为敏感，伴随肌腱止点撕脱而出现的应力分散后，MMP-3、MMP-13及TIMP-2 表达增加。

四、基因表达的调控

（一）药物引导的基因调控

许多药物可通过调控基因表达，从而改善肩袖的愈合能力。可以在大鼠的肩袖缺损模型中，检测到前列腺素E2及COX-2 存在过度表达［12］。COX-2 抑制剂包括吲哚美辛及塞来昔布，亦可以阻断前列腺素，破坏鼠模型的腱骨愈合［29］。可通过使用维生素C 来调控ERK、Akt 及叉头样信号通路，对糖皮质激素诱发的损伤进行保护［30］。MMP的基因表达可通过系统性用药来改善，如多西环素或氟喹诺酮类［31-32］。Das 等［33］将肉毒素用于出生后小鼠，诱发肩袖组织的肌肉麻痹、萎缩及脂肪浸润。肉毒素诱发的肌肉萎缩，与许多成肌肉基因表达上调有关，包括成肌素、myoD1、myf5、myf6 以及快速Ⅱ型重链同种肌蛋白，而慢速Ⅰ型重链同种肌蛋白则明显下调。他们同时也报道了脂肪相关基因的上调，如C/EBPa、PPARg2、瘦素和脂蛋白脂肪酶。

（二）细胞内的基因调控

细胞内基因表达的直接调控，是调控肩袖愈合生物环境的直接方式。间叶干细胞（mesenchymal stem cells，MSCs）经转化后表达预期的生长因子，引发了人们的关注。MT1-MMP 是一个在胚胎期腱骨愈合处表达的信号，鼠肩袖修复位点的愈合能力随着MSCs 转化表达MT1-MMP 而增加［34］。MT1-MMP 诱发的MSCs 可提升组织形态学及生物力学特性。类肌腱样的细胞形成可由基因改良的细胞强化，并可引发Smad8 表达，伴随BMP-2 的刺激［35］。这为今后肩袖损伤的治疗提供了更多选择。

综上所述，某些患者具有肩袖损伤的基因易感性，且存在进一步加重的风险。肩袖损伤的手术治疗是目前的主要治疗方式，但部分患者仍存在肌腱不愈合或功能欠佳等问题。肩袖损伤修复后，在损伤的位点可能出现肌腱愈合失效，打破愈合或炎症基因及抗炎基因的平衡，具体原因尚无定论。肩袖损伤相关的基因改变是否可逆，以及手术或康复是否可以调节基因改变，仍存在争议。肩袖病变与基因的改变及调控存在密切关系，目前肩袖组织的基因水平研究多停留在初步阶段。因此对肩袖基因表达改变深入分析，可作为今后的研究方向之一。