应力及细胞外基质与肌腱细胞分化的研究进展

刘云逸

摘  要：近年来，运动所导致的慢性损伤一直是一个大家比较关注的热点研究方向。而这其中运动导致的肌腱退行性改变也一直是此研究领域里面的一个重点和难点。一般相关研究大多是从各细胞因子、炎症因子之间的相互作用来进行研究，缺乏从细胞分化以及细胞外环境改变对分化影响的角度进行的研究。因此，本文对应力、细胞外基质与肌腱细胞分化之间的关系进行综述，以期对相关领域的研究者有所启发。

关键词：运动损伤  分化  细胞外基质  机理研究

中图分类号：G804                                   文献标识码：A                        文章编号：2095-2813（2019）02（a）-0028-03

随着生活水平的日益提高，人们对于自身的健康也越来越重视，而通过运动来获取健康是一个越来越受欢迎的选择。但是，不合理的运动导致的损伤也成为了大家普遍面临的困扰，这其中过度使用性肌腱病（overuse-induced）是发生的最多的运动损伤之一，尤其是跟腱、髌腱和肩袖肌腱是最容易发病的三个部位[1-2]因此，对于过度使用性肌腱病的研究也是当今的研究热点之一。通过相关领域的专家的不懈努力，我们对于过度使用性肌腱病的了解也越来越深。对于过度使用性肌腱病，它的一个比较典型的变化就是其细胞外基质的变化，而细胞外基质的变化会导致肌腱的质量下降，进一步的会慢慢产生慢性疼痛，从而最终会产生临床诊断意义下的腱病，影响患者的生活质量[3-5]而运动所产生的应力变化是这一系列细胞外基质改变的关键物理因素，也因此当前的腱病研究也多着力于应力、细胞外基质及相关细胞因子之间变化的关系[6]。但是，我们不应该仅仅看到细胞外基质及相关细胞因子的变化，我们还应该关注分泌这些因子的本体——细胞的变化。应力会改变细胞外环境，而细胞外环境也会进一步的去影响细胞的分化，分化导致细胞类型的改变进一步影响肌腱质量，从而影响整个腱病的进程[7]。因此，弄清楚应力、细胞外基质与肌腱细胞分化之间的关系将为我们进一步深入的探寻过度使用性肌腱病的治病机理以及治疗手段提供不小的助力。

1  细胞外基质概述

细胞外基质是人体组织的重要组成部分，其能够影响细胞的生长、发育与死亡，细胞的形态，细胞的分化，还有细胞的转移都会受到细胞外基质的调控。细胞外基质利用黏附作用产生的力能够动态地感知细胞外环境的变化。并且由整合素和衔接蛋白介导，细胞外基质会与细胞微丝系统之间形成物理连接和调控的联系团，这一部分也属于细胞骨架的延伸。整合素属于细胞表面分子，其与基质中配体的结合控制着细胞外基质的黏附作用。整合素的胞外区和胞内区分别能够与细胞外基质和细胞骨架相连，当整合素和其配体结合后会迅速与细胞内的骨架结合，之后会聚合在一起形成黏着斑。细胞外基质中相关感应蛋白、黏着斑是细胞感受外环境变化的关键传感器，正是这些结构让细胞能够对外界应力变化产生相应反应[8，9]。

2  力学应力与肌腱细胞外基质

肌腱细胞在机体内的神经-体液调控作用下，可持续地合成和分泌胶原和蛋白多糖，并降解和吸收代谢产物，调节着细胞周围微环境、维持新陈代谢的稳定。力学应力会通过改变肌腱细胞间缝隙连接的通透性从而控制细胞间的信号传递进而影响整体的肌腱细胞代谢情况[10]。不同的应力条件下，肌腱细胞外基质会有不同的反應。

在无应力作用下，与刚取出的肌腱组织细胞进行对比，非受力状态体外培养48h后肌腱细胞的基质金属蛋白酶3＼13的基因表达上调，而Ⅰ型胶原和decorin的基因表达没有显著变化，这提示肌腱在非受力状态下会趋向于降解，胶原变性增加且糖胺聚糖总量减少[11，12]。

在静态应力作用下，组织学染色后会发现胶原纤维的排列相对非受力组会更有序，基质沉积增加;电镜下发现胶原纤维增粗;肌腱组织变细、质地变硬，力学强度增强。但在静态拉力下培养出的胶原纤维排序分布仍不十分理想[13]。

对于动态应力作用，当采用单轴循环拉力系统对肌腱细胞与聚乙醇酸纤维支架复合物施以10周的动态拉力时，与非受力组相比会发现Ⅴ型胶原和MMP-3的表达下调，TIMP-1、3和MMP-1、2表达无显著变化，动态应力组明显提高了Ⅰ型及Ⅳ型胶原以及MMP-14的基因表达量。

此外肌腱细胞长轴方向与拉力一致，且细胞之间相互平行，这表明肌腱细胞分布会被所受应力影响且同时存在胶原的合成和分解代谢[14]。另有研究表明，肌腱细胞的合成与分解代谢的主次与其所受应力大小和时间直接相关。当肌腱细胞所受应力超过自身耐受幅度时就会因结构被破坏而趋于降解[15]。而适当的运动使得肌腱细胞胶原合成和降解平衡，对降低肌腱损伤的发生率并促进肌腱质量有益[16]。

3  细胞外基质与肌腱细胞分化

肌腱细胞最初的来源是胚胎时期的间充质细胞，其由腱细胞和成纤维细胞两种细胞构成，并且这两种细胞之间可互相转换。腱细胞呈纤维状排列，细胞核为梭形;成纤维细胞的形状不规则或为卵圆形，核为圆块状。在HE染色中常难以区分，故统称为肌腱细胞。肌腱组织内还含有一种重要的干细胞，既肌腱干细胞，它拥有较强的增殖及向肌腱分化的能力，能够很好地促进损伤后的肌腱组织的结构及功能的恢复，肌腱干细胞已经成为肌腱损伤后细胞治疗的主要细胞来源[17]。而细胞外基质则对于肌腱干细胞的分化有着非常重要的作用。

相关研究表明，成纤维细胞分泌的细胞外基质能够直接影响干细胞、内皮细胞及肿瘤细胞等细胞的有丝分裂活动，对于促进创伤的愈合起着重要的作用[18]。对于肌腱干细胞，成纤维细胞分泌的细胞外基质会有效的增加肌腱干细胞向腱细胞分化相关基因的表达，其中I型胶原和Scleraxis对于维持肌腱稳态及促进肌腱干细胞向腱细胞分化起着至关重要的作用，也是今后相关研究的重点[19]。

4  結语

肌腱细胞主要由成纤维细胞和腱细胞两种细胞构成，而肌腱干细胞对于肌腱细胞的损伤恢复起着重要作用。无应力作用下胶原趋向于分解，静态应力和动态应力作用下都会使胶原含量增加，且动态应力下胶原整体结构会优于静态应力作用的情况。另外应力的大小和时间也会综合影响细胞外基质的成分和结构。细胞外基质中的I型胶原和Scleraxis会对肌腱干细胞的分化产生影响，在一定程度上会促进肌腱干细胞向肌腱细胞的转化。因此进一步研究腱病进程中I型胶原和Scleraxis对肌腱干细胞的影响非常有必要。

参考文献

[1] Zwerver J，Bredeweg SW，Van Den Akker-Scheek I. Prevalence of Jumper's knee among nonelite athletes from different sports： a cross-sectional survey[J].Am J Sports Med，2011，39（9）：1984-1988.

[2] Tashjian RZ.Epidemiology， natural history， and indications for treatment of rotator cuff tears[J].Clin Sports Med，2012，31（4）：589-604.

[3] Peers KH，Lysens RJ.Patellar tendinopathy in athletes： current diagnostic and therapeutic recommendations[J]. Sports Med，2005，35（1）：71-87.

[4] Gibbon WW，Cooper JR，Radcliffe GS.Distribution of sonographically detected tendon abnormalities in patients with a clinical diagnosis of chronic achilles tendinosis[J].J Clin Ultrasound，2000，28（2）：61-66.

[5] Soslowsky LJ，Thomopoulos S，Tun S，et al.Neer Award 1999. Overuse activity injures the supraspinatus tendon in an animal model： a histologic and biomechanical study[J].J Shoulder Elbow Surg，2000，9（2）：79-84.

[6] Heinemeier KM，Skovgaard D，Bayer M L，et al.Uphill running improves rat Achilles tendon tissue mechanical properties and alters gene expression without inducing pathological changes[J].J Appl Physiol，2012， 113（5）：827-836.

[7] Li HW，Gao WW，Tang YN，et al.Temporal Expression Of VEGF， bFGF And CRP In PBTJ In Vivo Cyclical Loading Model[J].Medicine and Science in Sports and Exercise，2014，46（5）：639.

[8] Yip AK，Iwasaki K，Ursekar C，et al.Cellular Response to Substrate Rigidity Is Governed by Either Stress or Strain[J].Biophysical Journal，2013，104（1）：19-29.

[9] Discher DE，Janmey P，Wang YL.Tissue cells feel and respond to the stiffness of their substrate[J].Science，2005，310（5751）：1139-1143.

[10] Maeda E，Ye SJ，Wang W，et al.Gap junction permeability between tenocytes within tendon fascicles is suppressed by tensile loading[J].Biomechanics and Modeling in Mechanobiology，2012，11（3-4）：439-447.

[11] Abreu EL，Leigh D，Derwin KA.Effect of altered mechanical load conditions on the structure and function of cultured tendon fascicles[J].J Orthop Res，2008，26（3）：364-373.

[12] Ma Y，Yan X，Zhao H，et al.Effects of interleukin-1 receptor antagonist on collagen and matrix metalloproteinases in stress-shielded achilles tendons of rats[J].Orthopedics，2012，35（8）：1238-1244.

[13] Deng D，Liu W，Xu F，et al.Engineering human neo-tendon tissue in vitro with human dermal fibroblasts under static mechanical strain[J].Biomaterials，2009，30（35）：6724-6730.

[14] Masic A，Bertinetti L，Schuetz R，et al.Observations of multiscale， stress-induced changes of collagen orientation in tendon by polarized Raman spectroscopy[J].Biomacromolecules，2011，12（11）：3989-3996.

[15] Legerlotz K，Jones GC，Screen HR，et al.Cyclic loading of tendon fascicles using a novel fatigue loading system increases interleukin-6 expression by tenocytes[J]. Scand J Med Sci Sports，2013，23（1）：31-37.

[16] Kaux J F，Drion P，Libertiaux V，et al.Eccentric training improves tendon biomechanical properties： a rat model[J].J Orthop Res，2013，31（1）：119-124.

[17] Bi Y，Ehirchiou D，Kilts T M，et al.Identification of tendon stem/progenitor cells and the role of the extracellular matrix in their niche[J].Nat Med，2007，13（10）：1219-1227.

[18] Abraham S，Riggs MJ， Nelson K，et al.Characterization of human fibroblast-derived extracellular matrix components for human pluripotent stem cell propagation[J].Acta Biomater，2010，6（12）：4622-4633.

[19] Swiontkowski MF，Tolo VT.Skin-Derived Fibroblasts for the Treatment of Refractory Achilles Tendinosis： Preliminary Short-Term Results[J].Journal of Bone and Joint Surgery-American Volume，2015，97A（12）：1011.