人子宫骶韧带的解剖组织学特征和相关生物力学研究进展

薛凤琴，赵书睿，赵烨

盆腔器官脱垂（pelvic organ prolapse，POP）是一种常见于中老年女性的良性疾病，临床上多表现为子宫和邻近的阴道壁脱出阴道口，可伴粪尿失禁和性交障碍。组织学水平上POP 表现为盆底支撑结构的生化成分含量、比例以及生物力学性能发生改变[1]。该病虽不致死，却严重影响女性的身心健康。据统计，全世界约有40%的女性会经历POP，而且这一比例随着人口老龄化的加剧还在不断攀升[2]。POP 的危险因素很多，主要包括阴道分娩尤其是产钳助产、多胎妊娠、衰老和绝经。肥胖、便秘和慢性咳嗽等一些导致腹内压长期增加的疾病也被认为是POP 的危险因素[3]。手术是治疗中重度POP 最有效的方法之一，而良好的顶端修复是手术成功的关键[4]。宫骶韧带高位悬吊术（high uterosacral ligament suspension，HUS）作为原生组织根尖悬吊最常用的方法之一[5]，不仅可以恢复顶端支撑，维持正常的阴道轴向，而且还避免了网片植入的风险。HUS 成功率虽然很高[6]，但术后复发和并发症的发生风险仍然存在[7]。现对子宫骶韧带（uterosacral ligament，USL）的解剖组织学和生物力学研究的最新进展以及面临的挑战进行综述，为探讨POP 的发病机制、手术的个性化制定和规避再手术风险提供新思路。

1 USL 的解剖组织学研究

1.1 USL 的解剖学研究及临床意义女性盆底支持系统主要由韧带、筋膜和盆底多层肌肉组成，负责维持盆腔器官的正常生理位置[8]。一旦以上结构的支撑功能发生损伤或退化，便会导致子宫、阴道等生殖器官位置下移，引发脱垂[9]。而USL 作为Delancey 提出的阴道Ⅰ水平支持结构之一，是阴道顶端和子宫的主要支撑结构[10]。HUS 是采用天然组织修补技术恢复中重度POP 患者顶端支撑的重要术式之一[11]，其手术成功率高。据报道传统的阴式HUS 治疗前盆腔脱垂的成功率为81.2%～87.1%，治疗中盆腔脱垂的成功率为89.7%～98.3%，且术后的主客观长期结果同样令人满意[12]。但阴式HUS 由于手术视野暴露困难、术者对解剖位置的识别不准确和缝合不当等原因，导致输尿管损伤的风险较高。随着腹腔镜技术在妇科领域的广泛应用，以上原因造成的输尿管损伤率有所下降[13]。因此准确识别USL 的解剖位置对减少POP 术后并发症的发生意义重大。

USL 又称直肠子宫韧带，从骶骨端开始呈扇形逐渐缩窄至最小宽度插入宫颈，并在宫颈两侧与主韧带融合形成主骶韧带复合体（uterosacral-cardinal ligament）结构。USL 由浅部和深部组成，浅部被覆腹膜，深部为纤维结缔组织，其远端插入宫颈的后外侧和阴道外侧穹窿。关于USL 近端起源点学者们持有不同观点，大多数学者认为其源于S2-S4 骶椎区域的组织，没有直接插入骶骨[14]。但也有学者发现USL广泛地附着在S1-S3，偶与S4 连接[15]。2019 年袁浩淼[16]测量了10 具经防腐处理过的我国成年女性尸体，得到了盆腔支持结构的解剖学数据，发现USL在起始位置包绕了宫颈后部，然后绕过直肠两端向后止于骶骨，全长（20.17±4.58）mm，从前向后分为三部分，分别是颈部、中间部和骶骨端，但尸体因为长时间的防腐保存，组织弹性丧失，得到的解剖学数据可能会与活体组织存在差异。而磁共振成像（magnetic resonance imaging，MRI）作为一种无创的影像学检查方法，软组织分辨率高，可为研究者提供全面、直观、清晰的活体女性盆腔器官以及盆底支持结构的影像资料[17]。梁诗琪等[18]用MRI 三维重建技术研究了USL 与输尿管、直肠的空间解剖关系，提出从坐骨棘到骶骨，双侧输尿管并不是逐渐远离USL，而是先靠近再远离，最近的距离位于坐骨棘向骶骨方向移动1 cm 的水平面处，左侧输尿管与USL远离范围较大，右侧输尿管变化不明显；此外，该研究还观察到直肠更靠近右侧USL，所以提示术中对这些与USL 最接近的结构操作要慎重。明确USL 的解剖特征对减少POP 术后并发症，如输尿管损伤、扭转及直肠损伤等具有重要意义。

1.2 USL 的组织学研究及临床意义USL 主要由纤维结缔组织、平滑肌细胞和少量的血管、神经等组成，其中结缔组织占主要地位[19]。结缔组织主要由成纤维细胞和细胞外基质构成，其正常形态和结构完整性对维持USL 正常的生理功能和生物力学性能十分重要。目前关于POP 的病理生理机制尚不清楚，但细胞外基质相关蛋白的丢失被认为是POP 病理过程中的重要分子基础[20]。胶原蛋白是结缔组织中含量最高的蛋白[21]，其含量占结缔组织的70%～80%。一项荟萃分析显示，Ⅰ型胶原蛋白的表达水平与POP 的发生率存在相关性。POP 患者的Ⅰ型胶原蛋白表达水平低于非POP 女性，且USL 中Ⅰ型胶原蛋白低表达的女性患POP 的风险是非POP 女性的3.23 倍（OR=3.23，95%CI：1.52～6.87）[22]。Ⅰ型胶原蛋白具有强抗张和抗拉伸能力，在维持骨盆结构完整性方面具有重要作用[23]。Ⅰ型胶原蛋白含量的下降可能会降低结缔组织的支持和抗拉伸能力，进而导致POP 的发生。Saputra 等[22]的荟萃分析纳入的文献类型虽然仅为病例对照研究，但其提供了一些临床治疗的新数据，该数据表明未来Ⅰ型胶原蛋白可能成为POP 的潜在治疗靶点。基质金属蛋白酶（matrix metalloproteinase，MMP）家族中的MMP-2 和MMP-9可以把退化的胶原蛋白分解成小片段，它们是细胞外基质重塑的重要因素。Ying 等[24]对USL 进行免疫组织化学染色分析的结果显示，POP 患者USL 中MMP-2 和MMP-9 的含量显著高于非POP 女性，提示MMP-2 和MMP-9 的表达增加可以促进USL 细胞外基质的降解，进而导致POP 的发生。跨膜糖蛋白CD44 与诸多附着黏附过程的调节有关，如细胞的增殖、迁移和分化。此外，CD44 可以与细胞外基质的许多成分（如胶原蛋白和层粘连蛋白）相互作用。因此研究者又增加了对CD44 的研究[24]，结果显示POP 患者USL 的CD44 含量显著低于非POP 女性，提示CD44 低表达可能是POP 的危险因素之一，CD44 分子可能成为诊治POP 的新的生物标志物之一。既往关于细胞外基质在POP 发病机制中的研究主要集中在胶原蛋白及其调节分子的差异性表达上，而Ben-Zvi 等[25]研究则探讨了乙酰肝素酶（heparanase）的差异性表达与POP 发生之间的相关性。硫酸乙酰肝素蛋白多糖也是细胞外基质的主要成分，其可以通过调节细胞和基质之间的相互作用来维持细胞外基质和基底膜的完整性。而乙酰肝素酶是一种降解肝素硫酸盐的内糖苷酶，是细胞外基质代谢的关键成分。Ben-Zvi 等[25]在子宫切除术中离断了POP 和非POP 患者的USL，然后采用免疫组织化学染色检测2 组USL 中乙酰肝素酶的表达，发现与非POP 组相比，POP 组USL 中乙酰肝素酶的表达阳性率更高；在调整年龄、更年期状态和产次等因素后，POP 与乙酰肝素酶的高表达显示出明显相关性，提示乙酰肝素酶在USL 中的高表达可能是细胞外基质损伤进而导致POP 发生的原因之一。对USL 细胞外基质构成及其代谢活动的不断研究，有助于进一步理解POP 的发病机制以及发掘更多、更有效的与POP 相关的生物标志物，为临床上尽早诊治POP提供基础数据。

2 USL 相关的细胞力学研究

目前国内外对盆底成纤维细胞的力学实验主要涉及细胞在力学载荷作用下细胞膜、细胞骨架的变形[26]以及对细胞增殖、衰老和凋亡等的影响及其机制研究[27]。

适量的活性氧（reactive oxygen species，ROS）在生理条件下可以清除内毒素，参与细胞生长调节，但过量ROS 可能会对细胞产生不利影响。近年，氧化应激在POP 发病机制中的作用受到越来越多的关注[28-30]。据报道随着机械负荷的增加，骶韧带成纤维细胞（USL fibroblasts，USLF）的细胞形态萎缩，细胞连接出现松散和弱化，细胞骨架发生解聚和重排，细胞内ROS水平上升，细胞活力下降，凋亡率增加[23]。研究发现，当细胞拉伸仪力学参数设定为4 mm 应变时，POP患者USLF 的凋亡率最高，衰老最严重，细胞内的磷脂酰肌醇3 激酶/蛋白激酶B（phosphatidylinositide 3-kinase/protein kinase B，PI3K/Akt）信号通路被激活，氧化应激增加，Ⅰ型胶原蛋白产生减少，这表明机械应变可以通过激活USLF 中PI3K/Akt 介导的氧化应激信号通路来促进细胞凋亡和衰老，并减少Ⅰ型胶原蛋白的产生，导致盆底支撑力量的减弱，促进POP 的发生[31]。既往研究通过过氧化氢（H2O2）孵育成功建立了USLF 的氧化应激模型，并提出氧化应激可能通过间接调节MMP、金属蛋白酶组织抑制物（tissue inhibitor of metalloproteinase，TIMP）和转化生长因子-β（transforming growth factor-β，TGF-β）导致胶原代谢紊乱，从而参与POP 的病理过程[23]。而TGF-β可以通过刺激TIMP-2 的合成和TGF-β1/Smad3 信号通路，抑制MMP-2 和MMP-9 的活性，减少细胞外基质的降解。

此外，Wang 等[32]提出雌激素可以通过促进前胶原（procollagens）的表达和USLF 的增殖来抑制POP的进展。这一观点在后续研究中得到证实，Xie 等[33]观察到生理浓度的雌激素可以轻微促进USLF 的增殖，逆转因机械应变导致的细胞凋亡。但这种促增殖作用仅表现在USLF 用雌激素处理24 h 时，可能是因为雌激素在培养基中的半衰期约为24 h。此外，研究发现雌激素可以提高多腺苷二磷酸核糖聚合酶1[poly(ADP-ribose)polymerase 1，PARP1]的mRNA 表达水平。PARP1 是一种普遍存在的多功能核酶，催化ADP 核糖单元从NAD+转移到特定靶蛋白，控制着重要的生理过程，在DNA 的修复中起着关键作用。以上研究对象均来自非POP 女性的USLF，为了填补POP 患者USLF 细胞力学数据的空白，Zhu 等[34]利用POP 和非POP 患者的原代USLF，在同一应力水平下观察到POP 组USLF 比非POP 组大且长，肌动蛋白应力纤维变厚，取向单一，平行于细胞的长轴。以上结果表明USLF 在应力诱导下进行了细胞骨架的重塑，这种现象与POP 组静态培养出来的USLF 形态相似，猜测机械拉伸可能会导致正常细胞变成POP 样的细胞。另有对细胞外基质相关蛋白的研究发现，与非POP 组USLF 相比，POP 组USLF 的Ⅰ型（P=0.034）和Ⅲ型（P=0.039）胶原蛋白表达降低，MMP-1 水平稍增加（P=0.042），同时MMP-2 水平略低，MMP-9 表达增加，但差异无统计学意义（均P＞0.05），而TIMP-1 和TIMP-2 无明显变化，表明USLF 拉伸后细胞的代谢功能发生了变化；流式细胞术（flow cytometry）结果显示，POP 组USLF 的凋亡率高于非POP 组，且POP 组与凋亡相关的基因Bad和Bax 的mRNA 表达水平也高于非POP 组（均P＜0.05）[34]。为进一步探索机械拉伸是否激活了USLF中的p38 丝裂原激活的蛋白激酶（p38 mitogenactivated protein kinase，p38 MAPK）通路，Zhu 等[34]检测了拉伸前后MAPK 家族蛋白，包括p38、细胞外信号调节激酶（extracellularsignal-regulatedkinase，ERK）和c-Jun 氨基末端激酶（c-Jun N-terminal kinase，JNK）的磷酸化水平，结果显示拉伸前后p38、ERK 和JNK的蛋白水平没有显著变化，而在拉伸24 h 后磷酸化的p38 表达水平显著增加，表明p38 的激活发生在USLF受力拉伸24 h 后。

以上实验结果表明机械应力可以通过多种途径促进USLF 的细胞凋亡和胶原的分解代谢，进而导致盆底支持功能下降，而雌激素和TGF-β 是盆底支持功能的保护因素。

3 USL 相关的组织力学研究

USL 具有黏弹性体（viscoelastic body）的一般特性，如蠕变、应力松弛和滞后现象等。其组织力学研究方法通常包括对离体和在体的USL 进行单轴拉伸测试（uniaxial testing）或双轴拉伸测试（biaxial testing）以及利用三维有限元建模对USL 的体外模型进行应力分析。测量的力学参数主要有应力、应变、弹性模量/切线模量及组织刚度/硬度等。以上这些力学数据大多来自尸体或因良性疾病切除子宫的患者，且数据测量的精确度高度依赖于受试样本的尺寸。

3.1 USL 的单轴拉伸测试单轴拉伸是最常用也是最重要的拉伸方法，其可以对尺寸较小的组织进行测量。拉伸沿USL 的体内主要受力方向（main in vivo loading direction，MD）进行。2003 年Reay Jones等[35]利用单轴拉伸测量了85 例成年女性USL 的弹性，其中包括4 例POP 女性，样本取材于USL 的宫颈处，数据显示随着阴道分娩、绝经和年龄增长，USL 的弹性下降，提示这些风险因素可能会造成韧带的松弛，减弱对盆腔器官的支撑能力，81 例无阴道子宫脱垂症状的女性USL 的弹性（韧带的弹性描述了韧带在吸收将其拉伸到塑性极限时所施加力做的功）中位数为0.019 J，显著大于4 例POP 女性USL 的弹性中位数0.004 J。2013 年Martins 等[36]通过单轴拉伸试验发现USL 和子宫圆韧带是具有非线性力学行为的组织，2 组韧带在刚度和最大应力的测量上存在着很大变异，USL 中间部分的刚度和最大应力均大于子宫圆韧带。临床观察发现，子宫圆韧带在盆底支撑方面几乎没有作用，而USL 的中间部分是最厚、最坚韧也是最适合外科手术固定的部分。另外，与经产妇相比，未产妇的USL 硬度和最大应力较低，这一结果显然与大家普遍接受的阴道分娩是POP 最强风险因素相悖，Martins 等[36]认为承受更大的机械负荷所需要的组织硬度也更大。在此基础上，Rivaux 等[37]进一步增加了子宫阔韧带的力学数据，再一次提出骨盆韧带是具有非线性力学行为和超弹性行为（即高变形）的组织，而且在USL、子宫圆韧带和子宫阔韧带中，无论如何变形USL 都是刚度最强的韧带，子宫圆韧带次之，子宫阔韧带最弱，这与Martins 等[36]的研究结果相同，此外也与临床上将USL 的锚定作为重建手术中恢复顶端支撑的关键环节相吻合。上述试验得出的生物力学数据均来源于中老年女性，为弥补年轻女性盆底韧带数据的空白，Chantereau 等[38]对24 具无POP 症状的新鲜女性尸体的骨盆韧带（包括子宫阔韧带、子宫圆韧带和USL）进行了单轴拉伸测试，其中包括6 例年轻女性（平均年龄29 岁）和18 例老年女性（平均年龄83.5岁），基于韧带组织属于非线性弹性组织，为了对实验数据进行比较分析，研究者使用了Mooney-Rivlin材料模型，用最小二乘法在模型拟合曲线上确定了表征生物力学行为的两个参数C0 和C1，C0 表征小变形时的渐进力学行为，C1 表征大变形时的渐进力学行为，C0 和C1 值越大，组织变形越大。实验数据显示，从年轻女性尸体采集的不同韧带的C0 和C1差异均无统计学意义，而比较老年组和年轻组不同韧带的C0 和C1 发现，老年组均大于年轻组，且除子宫阔韧带外，其余韧带之间的C0 和C1 之间差异均有统计学意义。这可能是因为不同韧带会随着阴道分娩、年龄增长、雌激素水平的逐步下降以及重力和腹内压的影响发生不同程度的组织重塑，进而导致组织的生物力学性能发生不同变化。

3.2 USL 的双轴拉伸测试USL 在体内是沿多个方向受力的。尽管单轴拉伸已经为评估USL 的生物力学行为提供了重要信息，但受限于其只能沿一个方向进行测试，无法评估组织受力的各向异性。针对这种情况，有学者将双轴拉伸引入研究，其可以同时沿USL 的MD 和垂直方向（perpendicular direction，PD）进行测量，提供韧带更为生理性的力学数据，这些数据对开发具有类似天然组织力学性能的合成物或生物移植物具有重要意义，可以尽量减少移植物带来的并发症。2020 年Danso 等[39]对24 例绝经后女性的双侧USL 进行了双轴拉伸试验，其中14 例因POP 症状切除子宫的患者作为试验组（POP 组），10例因其他良性疾病切除子宫的患者作为对照组（非POP 组），POP 组中经盆腔器官脱垂定量（POP-Q）分度法诊断为Ⅰ/Ⅱ度者8 例，Ⅲ/Ⅳ度者6 例，结果显示所有USL 在MD 和PD 方向上均表现出非线性行为。与非POP 或Ⅰ/Ⅱ度POP 患者的USL 相比，无论双轴拉伸的负载率如何，Ⅲ/Ⅳ度POP 患者的USL在MD 方向上的峰值拉伸均增加，切线模量均降低，但在PD 方向上并无明显差异，表明USL 的延展性随着POP 的进展不断增加，抵抗体内负荷的能力不断下降，且这种变化具有方向依赖性。但在非POP和Ⅰ/Ⅱ度POP 患者之间却并没有观察到峰值拉伸和切线模量的显著差异，而与非POP 患者的USL 相比，Ⅰ/Ⅱ度POP 患者的USL 方向依赖性的非线性模型参数值（用来描述USL 在MD 和PD 方向上胶原纤维排列方向对抵抗组织变形的能力）增加，这表明细胞外基质的重塑可能发生在POP 发作时。由于基质重塑主要发生在低应变状态下，而切线模量主要描述高应变状态下的负载阻力，所以基质重塑这种变化并没有在切线模量值中体现出来。

3.3 USL 的在体测量USL 的在体测量可以保留与其相连的邻近器官和组织，更符合整体理论的要求。与离体测量相比，在体测量得到的生物力学数据更符合USL 的真实情况，也更加具有临床指导意义。

主骶韧带复合体构成了阴道Ⅰ水平的支撑结构或顶端支撑，在抵抗POP 发生、发展的过程中发挥着重要作用。如果POP 术中没有进行良好的顶端支撑复位，则术后复发率较高[40]。Smith 等[41]2013 年开创了一种用计算机控制的活体测量子宫韧带生物力学特性的技术，将17 例有不同程度POP 症状的女性诱导麻醉后取截石位，用计算机控制的传动装置牵拉宫颈，记录宫颈和其支持韧带的应力位移值，计算韧带硬度，结果所有受试者悬吊韧带都表现出了超弹性行为，且硬度随着宫颈部位移的增加而增加。2014 年Luo 等[42]用相同的技术进一步量化了14 例不同程度POP 女性子宫悬吊组织（包括子宫主韧带和USL）的硬度和能量吸收随时间变化的特性，得到了韧带的在体时间依赖性生物力学数据。该试验评估了子宫悬吊组织在受控条件下的体内力学性能和原位黏弹性特征，为新型植入物的研究、模仿子宫悬吊组织治疗POP 等提供了重要的数据。2023 年Luo等[43]对13 例POP 女性（POP 组）和4 例非POP 女性（对照组）子宫悬吊组织的黏超弹性行为进行了在体测定，2 组子宫悬吊组织的硬度和能量吸收均表现出非线性超弹性行为和时间依赖性行为，POP 组子宫悬吊组织的硬度低于对照组，能量吸收高于对照组，意味着POP 女性USL 的延展性大于非POP 女性，非POP 女性更能抵抗宫颈下移。

3.4 USL 的有限元建模分析有限元分析（finite element analysis，FEA）最早应用于心血管和骨骼，近些年随着医学影像技术和计算机科学的发展，其适用范围逐渐扩展到了妇产科领域。将盆底结构的MRI 三维重建模型与FEA 结合在体外分析其应力应变等生物力学行为已经成为妇产科领域的热点。FEA 有许多传统生物力学研究方法所没有的优势，如可以分析各类生理、病理状态下的活体女性盆底支持组织的力学性能，不再受限于受试组织的来源，而且研究周期短，成本低廉。2022 年Liu 等[44]建立了正常女性全骨盆支持系统的FEA 模型，重点研究了高腹内压与骨盆支持系统顺应性的关系，因为宫颈C 点由主骶韧带复合体支撑，所以观察到其顺应性低于阴道壁，而阴道前壁的顺应性高于阴道后壁，这与临床上阴道前壁脱垂较为常见一致；此外，研究还发现肛提肌与主骶韧带复合体承受着较高的张力和剪切力，说明二者对维持盆腔器官正常的生理解剖位置具有重要作用。2023 年Xu 等[45]使用薄层高分辨率解剖图像（源自Chinese Visible Human）创建了1 例健康年轻女性骨盆支撑结构的详细三维有限元模型，通过对子宫和膀胱施加0～10 kPa 的压力来模拟Valsalva 动作，然后计算不同压力条件下盆底支持结构的应力和位移，结果显示子宫下降时，主韧带、USL 和肛提肌受力较大，最大应力分别为0.267 MPa、1.51 MPa 和0.065 MPa，最大位移分别可达1.786 cm、1.946 cm 和0.567 cm。同一应力条件下，USL 和主韧带承担了较大的应力和位移，而且USL的最大应力值和最大位移值均大于主韧带，这表明USL 提供了最佳的子宫支撑悬吊。该研究方法既能详细显示女性盆底的解剖结构，又能准确进行力学模拟分析，在准确性、分辨率和切片厚度上远优于MRI 和CT 成像，能够以更高的精度显示和重建盆底的细微结构，且在力学的模拟计算上也更为准确。然而以上研究并未建立POP 女性的FEA 模型，下一步可增加POP 模型进行补充研究。

理论上FEA 可以通过建模分析任何状态下盆底支持结构的机械行为，但由于人体的盆底解剖结构复杂，目前的成像技术仍不能完整清晰地分辨各组韧带和肌肉的走向和边界。此外，就USL 而言，同一韧带的不同部分组织学差异较大，材料特性参数难以准确描述，所以通过理想化的简化模型和从已有的尸体上获取的软组织材料特性参数进行FEA得到的结果与实际情况有所偏差。但随着技术的不断发展和成熟，FEA 会是研究盆底支持结构机械行为的有力工具。

4 结语

综上所述，POP 是一种因盆底支持结构生物力学性能减退引发的常见疾病，所以对盆底结构解剖组织学和生物力学的深入认识将有助于更好地了解POP 的发病机制。USL 作为阴道Ⅰ水平的重要支撑结构之一，其生物力学性能对研究POP 的发生发展和预防诊治意义重大。此外，USL 的锚定作为重建术中恢复顶端支持的重要一环，其生物力学性能也是良好预后的保障。近些年随着影像技术与计算机科学相结合，对盆底支持结构的力学性能探索已不再局限于大体解剖。将这些理论研究成果与临床实践相结合有望为POP 的预防以及个性化诊治提供新的思路和解决办法。