股二头肌急性拉伤动物模型的建立

刘明燕 王大安

1 南方医科大学体育部（广州 510515） 2 广州体育学院

运动训练中股二头肌急性拉伤较常见[1，2]，其具有发病率高，复发率高等特点，会影响运动员的运动功能，并造成运动员运动成绩下降。因此，深入研究股二头肌急性拉伤机制，并有效地进行预防、治疗和康复都是亟待解决的问题。解决这些问题，要借助动物实验基础研究，特别是建立动物模型阐明其病因、病理及其内在机制，进而找到正确的解决方法。因此，本研究模拟运动状态下股二头肌的急性拉伤，建立一种反映运动实践特点的股二头肌急性拉伤动物模型，提供深入研究的依据。

1 材料与方法

1.1 实验动物与分组

雄性SD大鼠30只，8～12周龄，体重（340±20）克，由香港理工大学实验动物中心提供。先按体重分层，再用随机数字表法随机分为5组:正常对照组，伤后当天的D0组，以及伤后第3、7、14天的D3、D7和D14组，每组6只，实验操作遵循实验动物保护和使用准则。

1.2 确立扭矩－频率关系和角速度的控制

通过测量股二头肌抽搐以及肌强直收缩确定合适的关节扭矩。刺激频率选择30、40、50、60、70、80、90以及100Hz，刺激持续时间为750毫秒[3]，确立扭矩与频率的关系，并确认扭矩峰值出现的频率。经测试，所有大鼠股二头肌扭矩峰值均出现在80 Hz至100 Hz，故本实验选择100 Hz的频率刺激股二头肌发生强直收缩。本实验选择最大模拟伸膝摆腿角速度960°•s-1（仪器带动腿部摆动）为肌肉拉伸角速度值。实验分别利用NATIONAL INSTRUMENTS LabVIEW 8.2系统和Measurement＆Automation Explorer Version 4.3系统控制角速度和角度。

1.3 动物模型建立方法

以每公斤体重50毫克氯胺酮和5毫克赛拉嗪的麻醉混合剂，腹腔注射麻醉大鼠。将大鼠仰卧固定于大鼠固定架上，随机选取一侧小腿固定于固定板上，固定板与集流环动态扭矩传感器一端连接，传感器另一端与发动机轴连接，保持大鼠膝关节屈伸运动轴心与发动机轴在同一水平。用生理刺激仪的针电极解剖定位并刺激坐骨神经，使固定侧股二头肌产生强直收缩，膝关节屈曲。同时，发动机带动大鼠固定板，迫使膝关节迅速做角速度为960°·s-1的伸膝运动，范围从屈膝70°到完全伸直位180°。在此过程中，股二头肌离心收缩，造成急性拉伤。

1.4 实验指标测试

1.4.1 超声诊断观察

股二头肌拉伤后3小时，利用UIDM-550A超声诊断系统（日本Toshiba Medical Systems公司）PLM-1 202S线性诊断探头观察，主要了解损伤部位、损伤程度、局部出血位置及范围等。具体操作时，先扫描肌肉纵切面，确定拉伤位置，后将探头在垂直位旋转90°，扫描横切面，使用超声诊断仪器标尺功能确定损伤直径与肌肉横径大小，两者相除即得到损伤比例。

1.4.2 在体力矩的测定

D0、D3、D7和D14组分别于实验当天和第3、7、14天进行力矩测定。将麻醉后的动物仰卧固定于大鼠固定架上，小腿固定于固定板，固定板与集流环动态扭矩传感器一端连接，传感器另一端与发动机轴联接，保持大鼠膝关节屈伸运动轴心与发动机轴同一水平。通过运动控制器调整角度，测定膝关节屈伸不同角度时的力矩值。起始角度为90°，每次测试后角度增加5°，逐渐增至170°。在各个角度时，用生理刺激仪针电极刺激固定侧肢体坐骨神经，使股二头肌强直收缩，膝关节屈曲压迫固定扳，通过扭矩传感器测定力矩大小，确定最大等长力矩值，以及各组股二头肌的最优角度，即最大力矩值所处的角度。

1.4.3 病理组织观察

测量力矩后，处死动物分离股二头肌，液氮固定，OCT（冷冻包埋剂）包埋后，在冷冻切片机内，于肌腹中央部以及肌腱结合处选取连续切片，厚度为6 µm，将切片进行洗涤、HE染色、脱水、透明、封片，显微镜下观察细胞核呈蓝色，细胞浆呈粉红色或红色。

1.5 统计学分析

采用SPSS16.0统计软件分析实验结果。数据均以均数±标准差（±s）表示，组间比较，方差齐时采用方差分析，方差不齐时用秩和检验。P<0.05或P< 0.01时，组间比较差异具有统计学意义。

2 结果

2.1 超声诊断结果

股二头肌肌肉拉伤后，受累肌肉局部回声减低，部分撕裂声像图显示肌纤维部分或完全不连续，裂口出现血肿，或表现为肌纤维束之间距离异常。损伤位置处于远端肌腱结合部靠近肌肉端。表1显示，拉伤3小时后，D0组、D3组、D7组和D14组的损伤比例组间比较无显著性差异（P> 0.05）。

表1 各组股二头肌拉伤后超声诊断损伤比例

2.2 力矩测试结果

2.2.1 不同时刻最大等长力矩指标的变化

表2显示，正常对照组股二头肌最大等长力矩值为（0.337±0.025）Nm。D0组关节最大等长力矩下降至（0.246±0.026）Nm，D3组为（0.268±0.028）Nm，D7组为（0.303±0.024）Nm，三组与正常对照组比较均有显著性差异（P< 0.05），D14组基本恢复正常。

2.2.2 股二头肌最优角度

正常对照组最优角度出现在（130.00±3.54）°。D0组关节最优角度变大，为（144.50±3.71）°，与正常对照组比较有显著性差异（P< 0.01，图1）。D14组最优角度变小，为（120.00±3.53）°，与正常对照组比较有显著性差异（P< 0.05，图2）。

表2 各组最大等长力矩测试结果

2.3 光镜观察

镜下可见，正常股二头肌肌纤维横切面呈多角形，细胞核位于外周，肌间隙及肌浆内未见炎细胞浸润，肌浆染色均匀，间隙内无出血，肌纤维无坏死（图3A）。D0组可见肌纤维内有肌纤维崩解、坏死，肌肉组织结构紊乱，肌纤维水肿变性，肌肉间隙大小不一，部分肌纤维间隙明显加大，并可见血管扩张充血（图3B）。D3组可见肌纤维内有大量炎性细胞浸润以及肌纤维坏死，肌肉组织结构紊乱，肌纤维水肿变性，肌肉间隙大小不一（图3C）。D7组肌纤维出现修复，但是肌纤维形态表现不成熟，明显可见肌纤维完全分裂的小肌纤维或成簇状紧贴于成熟肌纤维外周的小肌纤维，肌肉组织结构紊乱，肌肉间隙大小不一。肌纤维具有中央核或近中央核。肌纤维成簇分布，圆形，体积小（图3D）。D14组肌纤维基本修复（图3E）。

3 讨论

3.1 股二头肌急性拉伤动物模型的建立方法

肌肉拉伤是肌肉承受的负荷超过其本身承受能力而导致的损伤，肌肉拉伤动物模型均基于这一理论构建。主动收缩或被动牵拉都可导致肌肉损伤，但两者引起的肌肉组织损伤性质不一，其中包括损伤位置和病理改变等的差异[4-6]，而且，这两种状态下参与收缩的肌肉成分有所不同。有实验研究[7]为此提供了直接依据，发现主动收缩造成的肌肉损伤以肌纤维（即收缩成分）为主，只有加载到肌组织上的负荷足够大时才会造成连接组织（即弹性成分）的损伤。也有实验[8，9]证实，不同运动状态下骨骼肌的生物力学特征不相同，被动牵拉与主动收缩造成的肌肉病理改变有些不同。因此，肌肉拉伤时的不同状态造成拉伤后肌肉特性的差异。在高速度运动或需快速加速的运动中，股二头肌拉伤最常见，如短跑、足球、橄榄球和篮球等最多见[10，11]，其中尤以短跑发病率最高。据测量，100米跑时，运动员膝关节伸膝角速度在 860°•s-1～ 1146°•s-1[12]，足球运动员优势腿最大伸膝摆腿角速度为960°•s-1～ 1135°•s-1[13]。因此，本实验选择最大伸膝摆腿角速度960°•s-1为肌肉拉伸角速度值。

此外，肌肉拉伤时的运动方式也是建立动物模型的一个重要的影响因素。临床上，肌肉拉伤可由对肌肉的多次反复牵拉或者一次性拉伸引起，因此，很多学者采用反复多次牵拉[9、14]或者一次性拉伸[15]方法建立动物模型，这为本实验提供了很好的参考。肌肉拉伤动物模型必须符合本身的损伤特点。研究观察到，采用一次性牵拉造成的肌肉拉伤特性与临床急性拉伤特点符合，而反复牵拉造成的肌肉损伤则更反映临床慢性肌肉损伤特点[16，17]。运动实践中，股二头肌拉伤最常见于需要高速度或迅速加速的运动项目，属于较常见的急性拉伤。其次，股二头肌损伤时，肌肉一般处于离心收缩状态，单纯被动牵拉并不多见。在收缩速度相同的情况下，同一块肌肉做离心收缩时可产生最大的张力。这种情况下，肌肉承受的负荷更容易超过其最大承受能力，从而也容易引起肌肉损伤[18，19]。建立股二头肌急性拉伤动物模型应符合上述运动实践特点，不仅选择肌肉主动的离心收缩状态与拉伤方式，还要选择符合人体在运动实践中的拉伸速率。因此，本研究采用针电刺激坐骨神经，使固定侧肢体的股二头肌发生强直收缩，膝关节发生屈曲趋势。同时，发动机带动大鼠固定板，迫使膝关节迅速做角速度960°•s-1伸膝运动，构建在体股二头肌急性拉伤动物模型，客观反映股二头肌急性拉伤的运动特点。

3.2 股二头肌急性拉伤组织病理改变及组织修复

以往研究[20]中，骨骼肌组织损伤之后，光镜下可见肌纤维崩解、坏死，肌肉组织结构紊乱，肌纤维水肿变性，肌肉间隙大小不一，部分肌纤维间隙明显加大，并可见血管扩张充血。随后，组织发生炎症反应，表现为肌纤维坏死、出血、肿胀和炎细胞聚集与浸润。然后，骨骼肌损伤后的修复过程始于炎症，炎症细胞渗出处理坏死的细胞、组织碎片。损伤发生之后1周左右，水肿与炎症反应逐渐被吸收，损伤组织肌纤维再生和肌管形成，成纤维细胞十分活跃[21]。这种病理改变过程与本实验观察结果相符，说明本实验造成的股二头肌拉伤能够反映肌肉损伤的一般规律。

临床上，股二头肌拉伤部位多见于肌腱结合部附近，因此位置力量比较集中[22]。本研究采用组织学及诊断超声方法同样观察到肌纤维断裂发生在靠近肌肉－肌腱连接处的肌肉端。这说明本实验所造成的股二头肌损伤能反映损伤部位的临床特点。本实验还发现肌肉急性拉伤后当天，超声影像表现为受累股二头肌局部回声减低，部分撕裂声像图显示肌纤维部分或完全不连续，裂口间出现血肿。但半腱肌与半膜肌的诊断超声影像无明显改变。这也与运动实践中大腿后肌群拉伤时观测的结果一致[1，2]，故本动物模型在这方面也体现了运动实践中股二头肌拉伤的特点。之所以有此特点，可能与股二头肌的解剖特点有关。股二头肌位于股后部外侧，由长、短两个头组成。从坐骨神经内侧发出的肌支支配股二头肌长头，腓总神经支配短头。由于长、短头受不同神经支配，从而导致不同步刺激，降低了股二头肌控制肌肉负荷而产生有效张力的能力，因此股二头肌较容易损伤。另外，各组损伤后的股二头肌损伤比例无差异，说明本方法建立的动物模型有较好的可重复性。

3.3 股二头肌拉伤后力学变化

肌肉组织损伤后，肌肉力量下降。在骨骼肌肉系统中，肌肉收缩产生力矩，从而使关节产生活动。因此，力矩是常用的评价测试肌肉功能的指标，在临床和实验研究中都广泛应用[23]。本研究结果显示，大鼠肌肉拉伤后即刻（D0组）关节最大等长力矩下降至（0.246±0.026）Nm，说明损伤导致功能下降。另外，肌肉损伤后，力量－长度关系曲线右移被认为是评价肌肉损伤程度的一个指标，偏移越大则肌肉损伤程度越重。反之，则肌肉损伤程度轻[24]。肌肉损伤后，在关节角度和力矩方面，表现为角度－力矩关系曲线右移和力矩值下降[25]。本实验结果也显示，损伤后在力矩下降的同时，角度－力矩关系曲线右移，这主要是损伤肌纤维被过度牵拉出现损伤和断裂造成的。随着损伤肌肉组织的修复，肌纤维断端被肉芽组织填充，并有疤痕形成。该部位失去原有的肌纤维弹性，从而最优角度下降。

本实验成功建立了股二头肌急性拉伤动物模型，反映了肌肉拉伤的特点，并有可重复性。可采用本实验建立的股二头肌拉伤动物模型进一步分析和探讨大腿后群其它肌肉在运动实践中的损伤特点和规律，加强肌肉损伤机制的研究，为有效预防和治疗运动损伤提供依据。

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