运动性肌腱损伤研究进展

杨金娟 谢敏豪 黄伟平 严翊

1北京体育大学（北京 100084）

2国家体育总局运动医学研究所（北京 100061）

3西安体育学院（西安710068）

运动性肌腱损伤是与运动相关的肌腱损伤，包括肌腱炎和肌腱病变等慢性损伤，以及肌腱部分撕裂或完全断裂等急性损伤[1]。该损伤影响运动员的正常训练，严重者甚至提前结束职业生涯。随着体育事业的发展，积极参与体育运动的人数猛增，我国腱病的发病率逐年增加。据相关研究报道，因肌腱过度使用造成的腱病占各种职业病总和的48%，肌腱损伤占运动损伤的30%～60%[2]。肌腱损伤发病率在足球、篮球、排球、网球等球类和跑步项目中较高[3]。

以往关于肌腱损伤发病机制的研究存在较多困难，因为在肌腱部分撕裂或完全断裂之前很少进行肌腱活检，且动物模型不能准确地反映人类肌腱损伤的愈合情况。但目前随着生物化学和分子生物学技术的大量应用，肌腱损伤发病机理和临床治疗受到越来越多的关注，对运动性肌腱损伤有了更深层的了解，但对其生理机制的探讨仍有较多争议。本文分别以中文检索词肌腱损伤、运动、病理机制、损伤修复、治疗和英文检索词 tendon injury、tendinopathy、pathogenesis、treatment、exercise等为关键词，检索Pubmed数据库和CNKI期刊全文数据库收录的相关文献，同时辅以手工检索和文献追溯，就肌腱损伤及其病理机制和治疗方法等进行综述。

1 运动性肌腱损伤的分类及生理病理变化

肌腱是连接骨骼和肌肉的特殊结缔组织，这种机械敏感组织具有特殊的机械特性，能够对肌肉传递的负荷做出反应和适应，支配关节活动、身体运动或维持身体姿势。在运动过程中，高龄、性别、肥胖、糖尿病、高血压、氟喹诺酮和皮质类固醇的使用、既往肌腱疾病史和遗传性疾病史等内在危险因素，以及如机械负荷过大、错误训练、运动设备以及重复性运动等外部危险因素，均可能导致肌腱发生理病理的改变[4]，这种改变可由急性和慢性创伤共同造成[5]。运动性肌腱损伤根据损伤发生的进程可以分为急性和慢性。

1.1 急性肌腱损伤及愈合机制

急性肌腱损伤在急速降速、着地或变换方向并伴随中等或大强度牵拉负荷的肢体活动中较为常见，是壁球、网球、足球和其他需要反复突然跳跃或冲刺的运动项目中最常见的伤病类型[6]，常导致肌腱部分撕裂或完全断裂。体育锻炼和运动训练使肌腱抗拉强度及硬度增加，伴随肌腱组织内超微结构和力学性能的改变，同时由于肌腱组织血液供应较少，高强度运动训练往往导致肌腱疲劳性损伤积累[7]，肌腱弹性降低、力学性能变弱，在大负荷强度甚至生理负荷强度下导致肌腱断裂。

肌腱发生急性损伤后通常表现出典型的愈合反应并伴随疤痕形成。愈合过程是肌腱内各种不同细胞和生长因子协同作用产生一个联级反应的过程，历经组织炎症期、细胞增殖期和重建期，损伤后8周左右形成纤维疤痕。根据参与细胞来源不同，肌腱愈合有内源性和外源性两种机制。内源性愈合机制认为，位于腱鞘和腱内膜的腱细胞控制肌腱愈合，由于肌腱内归巢细胞的活性和修复能力弱，内源性机制被激活参与损伤修复。外源性机制认为，肌腱的愈合主要是由纤维母细胞和炎症细胞从肌腱外周和血管迁移到病变部位，导致细胞浸润和粘连形成，随后细胞在损伤部位迁移和增殖，重组肌腱基质（extracellular matrixc，ECM）并引发肌腱修复。Kajikawa[8]等将肌腱损伤模型应用于两种嵌合大鼠，一种在循环间充质干细胞（mesenchymal stem cell，MSCs）中表达绿色荧光蛋白（green fluorescent protein，GFP），另一种在髌腱中表达GFP，实验结果显示，循环MSCs最先浸入损伤部位，激活参与增殖并进行长时间修复重构局部细胞，表明循环MSCs参与了肌腱修复。事实上，修复细胞的起源仍有争议，两种愈合机制可能同时参与损伤肌腱的修复，两种机制在修复过程中的功能可能取决于损伤程度、损伤类型以及肌腱解剖位置等情况。

1.2 慢性肌腱损伤及病理机制

慢性肌腱损伤是生理负荷范围内发生的重复性微损伤（肌腱变性，tendinosis）。肌腱炎（tendinitis）通常是指由于肌肉纤维过度使用，反复强烈牵拉而引起肌腱胶原纤维退行性病变，除了累及肌腱本身，还可以累及腱鞘。以往诊断常用肌腱炎，但事实上并非单一的炎症，大多数情况下常合并受累肌腱胶原组织变性，因此现在通称为肌腱病。此外，肌腱、韧带和肌肉起止点部位，由于损伤引起局部充血、渗出、水肿，继而由于未能完全吸收，代谢产物在局部滞留，形成粘连、增厚，引发纤维化、骨化乃至钙化等一系列病理变化，导致慢性发作性疾病，如冈上肌肌腱炎、网球肘、跟腱损伤等腱损伤均属于末端病。

生理病理学研究表明，发生慢性损伤的肌腱组织内胶原纤维退化，胶原结构排列紊乱，黏液、蛋白聚糖和过氧化物还原酶增多，基质金属蛋白酶1（matrix metalloproteinase 1，MMP1）增多，腱细胞凋亡，肌腱软骨样化生，胰岛素样生长因子1（insulin-like growth factor 1，IGF-1），骨形态发生蛋白（bone morphogenetic protein，BMP）和一氧化氮合成酶（nitric oxide synthase，NOS）增多[9]。此外，局部缺氧还会导致其无法维持三磷酸腺苷（adenosine triphosphate，ATP）水平，导致肌腱组织代谢功能障碍[10]。最初认为，肌腱慢性损伤过程伴随肌腱的组织修复过程，但分子水平的研究否认了这一观点。目前认为，随着慢性损伤的积累，肌腱组织内部的分解代谢大于合成代谢，肌腱内部自我修复过程其实是减少的[11]，同时肌腱内分子损伤反应包括炎症细胞调节因子、胶原和MMPs等改变，导致肌腱愈合失败，引起胶原组织退行性病变，形成临床症状明显的肌腱病，最终导致肌腱完整性丧失，甚至引发肌腱部分或完全断裂。

慢性肌腱损伤的发病机制尚不清楚。目前主要有两种观点，其一认为：肌腱在频繁或过度使用过程中，若不能适应反复出现的极限生理负荷，就会出现胶原纤维微损伤，微损伤导致细胞因子的释放，进而引起炎症反应导致广泛性肌腱退变，故断定炎症反应导致肌腱损伤[12]。随后研究者从病理学和超微病变特征分析认为，肌腱病患者的腱周组织虽伴有一定的炎性细胞浸润，可能与ECM被破坏或肌腱细胞凋亡的愈合过程有关，不能说明炎症反应与肌腱病发病有直接关系[13]；重复机械负荷被认为是肌腱病变的重要原因，导致损伤肌腱组织中腱细胞内源性表达多种炎症介质，包括促炎、抗炎细胞因子和一些生长因子，如肿瘤坏死因子α（tumor necrosis factor-α，TNF-α）、白细胞介素1b（interleukin 1b，IL-1b），白细胞介素6（interleukin 6，IL-6）和白细胞介素10（interleukin10，IL-10），血管内皮生长因子（vascular endothelial growth factor，VEGF），转化生长因子β（transforming growth fact-β，TGF-β）等，导致水肿、充血、缺氧，进而产生自由基，引发慢性肌腱损伤[14]。有研究通过局部给予细胞因子和前列腺素2（prostaglandin 2，PEG2）等炎症因子导致肌腱病变，重新提出肌腱病与炎症反应有关，进一步阐述了慢性肌腱退行性变与炎症反应的关系[15，16]。肌腱损伤的生理过程和病理过程是不断过渡的，过度使用等因素会导致肌腱损伤，炎症因子促进愈合或引发进一步的损伤，两者相互作用导致慢性肌腱损伤的发生。

有研究认为，钙化性肌腱炎的典型病理特征是肌腱钙化和脂肪化[17]，可能是肌腱干细胞（tendon stem/progenitor cell，TSPCs）异常分化的结果。Rui等[18]从细胞生物学角度提出“TSPCs的错误分化是钙化性肌腱病潜在的病理机制”的观点，肌腱内TSPCs在适宜机械负荷作用下增殖分化为腱细胞，维持肌腱的合成代谢和分解代谢的稳态，但过度负荷可能会导致肌腱内胶原纤维和细胞因子的比例改变，使腱细胞和TSPCs生长微环境发生变化，诱导TSPCs错误分化成脂肪细胞、成软骨细胞和骨细胞等非腱系细胞，导致ECM减少，黏液变性，肌腱变硬，力学性能减弱，形成脂质沉积、多变软骨和异位骨，最终导致慢性肌腱疾病。TSPCs在炎症因子作用下可分化为骨细胞，进一步验证了TSPCs错误分化的病理机制。研究者从肌腱组织中分离出CD105+和 CD105-两种 TSPCs亚群，CD105-细胞具有自发性软骨分化潜能，可能是导致肌腱软骨样退化的主要原因[19]。此外，随着年龄的增长，肌腱内TSPCs数量减少，自我更新能力下降、功能异常，引发I型胶原蛋白合成减少，Ⅲ型胶原比例升高，肌腱力学性能下降，也会引发肌腱病变[20]。

慢性肌腱损伤的发病原因仍有争议，过度重复机械负荷、内源性炎性因子、TSPCs微环境的改变等均可能导致肌腱微损伤的发生，肌腱机械性能下降，频繁的微损伤积累和愈合失败导致肌腱退行性改变，引发肌腱病变。

2 运动性肌腱损伤的治疗

由于肌腱损伤的发病机制十分复杂，涉及到多种生物学现象，肌腱愈合机制的研究相对较少，无论是急性肌腱撕裂或断裂，还是慢性肌腱损伤，治疗方法都十分有限，主要有保守疗法，新的治疗方法，运动疗法和手术疗法等。

2.1 保守疗法

主要有药物治疗和物理治疗。临床多采用皮质类固醇、非甾体类消炎药（（nonsteroidal anti-inflammatory medications，NSAIDs）[21]和富血小板血浆（plateletrich plasma，PRP）[22]等。但皮质类固醇药物和NSAIDs仅限于短期缓解疼痛，目前尚无研究证明其可长期缓解临床症状或有效解决病理性变化。PRP由于生长因子高度集中，已经被临床应用于骨骼肌肉疾病。根据已有研究，PRP主要通过调节组织对损伤的反应，刺激有愈合潜能的再生组织，进而促进损伤肌腱的修复[23]。

物理治疗主要有体外冲击波疗法（extracorporeal shock wave therapy，ESWT）[24，25]、低能量激光疗法（lowenergy laser therapy，LLLT）[26]和经皮神经电刺激（electricalpercutaneous nerve stimulation，TENS）[27]等 。LLLT通过产生ATP、增加蛋白质合成和血管生成刺激胶原蛋白生成促进修复。ESWT能够诱导肌腱细胞增殖和胶原代谢，增强损伤肌腱的血管生成。

保守治疗复发风险较高，治疗时间较长并伴随肌肉萎缩，且治疗过程中腱细胞对维持肌腱功能的作用并没有被充分发挥；优势在于缓解病痛的效果明显，可避免手术治疗后伤口感染等术后并发症，比较推荐用于肌腱部分撕裂并可能发生伤口并发症的老年患者。

2.2 外科手术疗法

肌腱急性撕裂或断裂后，手术治疗主要是清创和缝合。慢性损伤的手术治疗主要通过切除纤维化粘连、缝合撕裂的肌腱组织从而恢复血管，刺激活跃的肌腱细胞，重启蛋白合成促进其修复。手术治疗的优势在于成功率较高约85%，复发率不超过6%[63]，术后机体动员早、恢复快。但手术缝合是一个侵入性过程，手术伤口处皮肤坏死、切口感染、积液、血肿、非吸收性缝线等会引发炎症及复杂并发症，且术后并发症发生率高达21%[64]。术后制动容易引起纤维粘连，导致愈合肌腱的生物力学及机械性能明显弱于正常肌腱。因此，手术治疗一般作为急性肌腱断裂和保守治疗超过6个月且疗效欠佳患者的备选治疗手段。

2.3 运动疗法

适当的运动负荷能够拉伸肌腱，激活蛋白激酶和各种化学反应，促进胶原合成，改善肌腱结构和功能，有利于损伤肌腱的重建。运动负荷过大或过小均会使肌腱异化反应明显，导致肌腱机械性能下降。此外，炎症因子和细胞生长因子随着运动方式和强度等不同表现出差异化修复作用。离心运动一直被认为是治疗慢性肌腱损伤的最佳治疗方案，有利于损伤部位早期血管形成，胶原蛋白合成，缓解疼痛，促进肌腱的微循环[56]，尤其对髌腱、跟腱、肘部和肩部肌腱损伤治疗效果明显[57-59]。通过离心运动强化肌腱性能的方法应用时间已久，但对其减少疼痛和促进肌腱恢复的作用机制了解相对较少。Stanish等[60]提出离心运动比向心运动使肌腱承受更大的负荷进而加强肌腱功能。离心运动会导致肌腱新陈代谢的变化，改变疼痛的感知能力，肌腱内血管的血流也会暂时中断[59]。离心训练12周后彩色多普勒超声显示新生血管减少，异常肌腱的血管旁毛细血管血流减少45%，并且疼痛水平降低[61]。离心运动增加肌肉力量的同时，肌腱长度和肌腱力的峰值并没有显著性差异，但肌腱受到反复的正弦型负荷加载和卸载并出现高频振荡，表明肌腱所承受应力的大小不是离心运动促进肌腱修复的主要原因。相反，肌腱加载和卸载模式及所受力的波动，为肌腱重塑提供重要的刺激[62]。这类似于骨骼对高频载荷和机械信号的反应导致骨密度增加。

尽管上述研究证明了离心运动对肌腱病有效，但有效促进肌腱损伤修复的最佳负荷、重复次数、运动频率和时间仍未知。离心运动对肌腱损伤治疗的积极作用，包括对肌腱组织结构、TSPCs和ECM生物学特性和功能的影响等还有待深入研究。

2.4 治疗方法研究新进展

2.4.1 干细胞疗法

干细胞具有自我更新、多分化等功能，基于干细胞的再生疗法是当今生物医学和再生医学领域的研究热点。近年来，通过动物模型研究了不同来源干细胞促进损伤肌腱修复和再生的潜力，从多能干细胞，如胚胎干细胞（embryonic stem cells，ESCs）和诱导多干细胞（induced pluripotent stem cells，iPS cells），到广泛研究的多潜能干细胞，如骨髓间充质干细胞（bone marrow mesenchymal stem cells，BMSCs）、脂肪间充质干细胞（adipose-derived mesenchymal stem cells，ADMSCs）、滑膜间充质干细胞（synovial mesenchymal stem cells，SMSCs）和TSPCs等。通过构建肌腱损伤模型，在病变部位植入自体或异体来源干细胞，调控干细胞的分化方向达到促进肌腱再生修复的作用[37，38]。

ESCs和iPS细胞在控制其分化途径后，可用于损伤肌腱再生修复。Chen等[39]率先将人ESCs通过MSCs中间步骤逐步分化为腱细胞，用于修复髌腱缺损。通过大鼠髌腱原位修复实验研究发现，与对照组相比，经ESC-MSCs处理的肌腱具有更好的结构和力学性能。Xu[40]首次研究了iPS细胞来源的神经嵴干细胞联合纤维蛋白凝胶对大鼠肌腱缺损愈合的积极作用。

MSCs具有分化为多种结缔组织细胞类型的潜能，可从骨髓、脂肪、滑膜和肌腱中获得。Mazzocca等[41]从肩袖手术患者的病理组织中分离出BMSCs，在细胞扩增和胰岛素干预后发现其生物学特性与腱细胞相似；对14例肩袖撕裂患者进行细胞注射治疗，12个月后肌腱愈合和完整性有所改善。欧阳等[42]建立了关节内肌腱愈合兔模型，BMSCs移植4周后肌腱愈合良好，但BMSCs对肌腱强度、功能质量和性能或损伤恢复的长期影响尚不清楚。SMSCs具有比BMSCs更高的增殖和分化潜能，并被证实具有促进骨腱结合部愈合的作用。Ju等[43]将Dil标记的SMSCs植入骨腱结合部位表面，加速胶原纤维结构的形成，有效改善肌腱愈合，但由于没有纤维软骨的插入，不能达到重建肌腱的目的。AD-MSCs在IGF-1，TGF-β和生长分化因子5（growth and differentiation factor 5，GDF-5）诱导下能够上调肌腱相关基因如scleraxis（Scx）和tenomodulin（Tnmd）的表达，将AD-MSCs注射到胶原酶诱导的肌腱炎模型中，可改善胶原纤维的组织结构[44]。当前利用AD-MSCs进行肌腱治疗的研究很少，主要难点是在肌腱缺损部位将AD-MSC诱导分化为腱细胞较为困难。

Bi等[45]证明了人和小鼠肌腱组织中有一群独特的细胞群，这种细胞既有干细胞体外增殖和多向分化潜能，又具有肌腱特异性，并被命名为TSPCs。TSPCs高表达Scx、软骨寡聚基质蛋白（cartilage oligomeric matrix protein，COMP），tenascin-C（TNC）和Tnmd等肌腱相关因子。异体和自体来源的TSPCs可促进肌腱缺损模型中受损肌腱的早期改善和组织修复[37，38]，但TSPCs在退行性肌腱微环境中有向软骨和骨系细胞错误分化的潜能，所以TSPCs在损伤肌腱中的治疗作用还需进一步研究和探索。

近些年来，干细胞治疗肌腱损伤的研究取得了显著进展，但干细胞促进肌腱愈合的生物学机制尚不清楚，干细胞治疗仍有很大的局限性。干细胞疗法的短期效果已被证明相对有效，但也有研究报道了干细胞移植后畸胎瘤和异位骨的形成。基于人体实验的长期效应或数据仍然缺乏，哪些干细胞来源最具修复潜力，在临床应用中需要植入干细胞的运动性肌腱损伤程度是多少，以及干细胞治疗达到最佳效果的剂量和频率，尚未形成共识。另外，多数研究都基于小型动物模型，此类模型的肌腱愈合速度比人类更快，因此还需在大型动物模型中测试干细胞疗法的有效性，而且在临床阶段前还应对干细胞疗法的风险和副作用进行评估，如致癌性和畸胎瘤等。

2.4.2 基因疗法

基因治疗是将外源正常基因导入靶细胞，纠正或补偿致病基因造成的缺陷，从而达到治疗疾病的目的[46]。自1992年发现基因治疗在受损组织的修复和再生中的作用[47，48]，到目前为止，研究人员借助动物肌腱损伤模型，通过病毒性载体或非病毒性载体分别转染了BMP-12、BMP-13、GDF-6和GDF-7等促进干细胞向腱细胞分化的生长因子[49，50]，VEGF、TGF-β、bFGF和血小板源生长因子-β（platelet-derived growth factorβ，PDGF-β）等促进细胞增殖、血管生成和ECM沉积的生长因子[51，52]，转染的基因显著提高了肌腱的愈合强度。上述的研究主要是体内直接转染作用于肌腱，在体内基因载体与组织细胞结合较难，转染效率较低。体外培养细胞，尤其是干细胞，作为基因治疗载体移植进入损伤部位，可提高转染效率并持续稳定表达目的基因。BMP-2基因和PDGF-β分别转染BMSCs后用于治疗骨腱结合部位病变，可积极促进骨腱愈合[53，54]；TGF-β1基因转染BMSCs使I型胶原在肌腱愈合中生成速度增快，ECM重建更快，肌腱的最大负荷能力和弹性增强[51]。此外，腺病毒介导Scx转染MSCs改善急性肩袖损伤的愈合[55]，表明基因治疗在损伤肌腱治疗中的潜能。

与给予损伤部位抗炎药物和皮质类激素等传统治疗相比，基因治疗可使病灶及病灶周围持续性地生成具有治疗作用的蛋白质来改善组织修复，基因产物经过翻译修饰后具有更大的生物活性和更低的免疫反应风险。但基因治疗在肌腱损伤修复中的研究仅限于小动物急性损伤模型，其在大型动物模型中的有效性和安全性、最佳载体的选择、基因传递机制问题等尚待进一步确定。

2.4.3 生长因子疗法

肌腱损伤愈合过程的多个阶段刺激多种生长因子的产生，导致细胞数量和组织体积增加。生长因子表达的增加在愈合的早期阶段尤为显著[56]。重组生长因子和生长因子联合疗法成为肌腱愈合的潜在研究领域，目前虽还没此类人体研究发表，但体内和体外动物实验证明了bFGF、BMP-12、BMP-13、BMP-14、结缔组织生长因子（connective tissue growth factor，CTGF）、IGF-1、PDGF、TGF-β和VEGF等生长因子在肌腱病治疗中作用[57-59]，如在损伤部位注射TGF-β能够明显增加髌腱的加载负荷[60]；在保留兔足底肌腱的情况下，VEGF注射也取得了相同的效果，同时肌腱愈合早期TGF-β的表达明显增加，但无法确认是VEGF本身还是TGF-β的增加，或是两者共同促进了肌腱的修复[61]；PDGF和bFGF也能促进细胞增殖和胶原生成，两者联合治疗可增加纤维连接蛋白（fibronectin）沉积，刺激蛋白多糖、胶原蛋白、非胶原蛋白和DNA的合成[62]；IGF-1能够刺激基质合成和细胞增殖[63]。生长因子可以通过局部注射、经皮或手术、植入支架甚至含有生长因子的缝合材料等方式参与受损肌腱的修复。此外，生长因子低剂量的组合比单个生长因子更能促进受损肌腱的修复[1]，如在兔屈指肌腱细胞体外模型中，结合bFGF、IGF-1和PDGF，细胞增殖率最高[64]。

细胞生长因子作为一种生物修复剂，主要通过刺激机体的内在修复潜能进而调控修复过程，但其下游通路的确切机制尚不清楚，其临床应用需要进一步的基础研究。

3 总结和展望

近年来，虽然人们对肌腱愈合有关的细胞和分子基础有了深入了解，但运动性肌腱损伤发病机制的系统研究较缺乏，肌腱损伤的预防和治疗仍然是运动医学和康复医学亟待解决的问题。肌腱病理状态下细胞、分子、信号转导、机械力转导等基础研究需要进一步加强。探讨干细胞疗法、基因疗法和运动疗法促进肌腱再生修复的生物学机制，在促进修复的基础上预防运动性肌腱损伤的发生，可为今后运动促进肌腱损伤修复提供理论基础。