肩袖损伤后肌肉脂肪浸润的研究进展

文 乐,贺 权,刑昱祺综述,杨自权审校

肩袖损伤是造成患者肩关节不适、活动受限的常见病因,严重降低患者生活质量。研究[1]发现,肩袖损伤后的肌肉脂肪浸润极大程度影响患者预后,具有不可逆性,常导致肌腱组织功能减弱、弹性降低,从而影响患者预后及手术修复效果。因此,准确评估肩袖脂肪浸润程度,对于明确病情、指导治疗方案、评估预后意义重大。本文针对肩袖损伤后脂肪浸润的诊断技术、易发因素、脂肪细胞来源及信号传导通路进行综述和分析,旨在提高临床医师对肩袖损伤后脂肪浸润现象的认识及重视。

1 脂肪浸润及其诊断技术

Goutallier 于1989年首次描述了肩袖肌群脂肪浸润现象,并基于肩关节CT轴位图像对脂肪浸润进行量化,分为5级:0级为无脂肪浸润,1级为少量脂肪浸润,2级为肌肉量大于脂肪浸润量,3级为肌肉量等于脂肪浸润量,4级为肌肉量小于脂肪浸润量。由于MRI能够更好地区分肌肉纤维脂肪组织,1999年Fuchs对 41 例接受肩袖损伤手术的患者分别行CT和MRI检查后进行对比评估,证实Goutallier分级同样适用于MRI,并提出了一个与Goutallier分级相匹配的3个等级评价系统。虽然Goutallier分级已被广泛使用,但这种分级高度依赖于观察者的主观性,导致评级可信度较低[2-3]。鉴于脂肪浸润程度对治疗方案的重大影响,定量检测测量脂肪含量的技术十分必要。随着现代医学影像的高速发展,现有的肌肉内脂肪定量方法主要包括定量CT、MRI和超声。然而,由于各项技术在临床应用中的方便性及实用性的限制,目前还没有建立起肌肉脂肪浸润量化检测的金标准。

1.1 定量CT定量CT目前国内外报道多为其在肝脏脂肪浸润方面的应用,而对于肌肉内脂肪浸润程度的评估仍处于研究阶段。双能CT系统是一种新的定量评价脂肪浸润的方法,该系统通过两种不同能量的X线对物体进行成像,利用不同物质能量吸收曲线的差异,精确推算出目标物体的成分构成。Baillargeon et al[4]用双能CT定量技术测量肩袖肌肉的平均脂肪分数,并与Goutallier评分进行对比研究后认为,双能CT定量技术作为评价脂肪变性的方法与临床公认的Goutallier评分标准有很好的相关性。近期,Werthel et al[5]提出了CT三维定量评估方法,通过软件人工识别肩袖肌群的边界,进而检测出每个肌肉的整体肌肉纤维及脂肪体积,利用特定算法及公式计算出脂肪含量。该方法综合考虑了肌肉萎缩和脂肪浸润,从而可以更加可靠地评估患者肩部肌肉功能,为临床医师提供更加精准的影像学诊断,但是该检测方法需要影像学医师前期的定位操作,这限制了其临床应用。

1.2 MRI目前基于MRI的肩袖脂肪浸润量化系统已经被应用于临床测量,如磁共振波谱分析、基于磁共振化学位移成像的水脂分离技术、MRI纵向弛豫时间(T1)和横向弛豫时间(T2)值测量以及模糊C均值T1(Fuzzy C-means T1)加权序列和T1加权像阈值量化法。

1.2.1磁共振波谱分析 磁共振波谱分析是MRI和磁共振波谱技术的结合产物,该技术允许通过其特定的光谱信号对目标区域中的脂肪组织进行量化。单体素质子磁共振波谱被证明可以通过比较MRI中脂肪和水信号的频率强弱,从而准确地测量肩袖肌肉中的脂肪含量,并被认为是肌肉脂肪定量的参考标准[6]。然而,单个目标区域的光谱数据不能充分描述整个肌肉的状况。一种新的光谱快速低角度拍摄技术将单体素质子磁共振波谱方法扩展为多体素测量,通过收集全肌横截面内脂肪分子和水分子的磁信号来准确描述全肌的脂肪浸润程度。Gilbert et al[7]通过结合Goutallier分级与磁共振波普分析技术定量测量肩袖损伤后的肌肉脂肪浸润情况,他发现,磁共振波普分析技术可提高Goutallier分级的准确性。随后Gilber et al[8]又使用光谱快速低角度拍摄技术对冈上肌全层撕裂后的肌肉脂肪分数进行了测量,数据分析发现,随着肌腱收缩程度增加、症状持续时间延长和肌腱厚度降低,肌肉内脂肪量显著增加。然而,光谱快速低角度拍摄技术目前仅局限于实验室研究,并未在临床中广泛应用。

1.2.2水脂分离技术 Dixon在1984年首次提出的水脂分离技术因其能同时重建脂肪图像和水图像而被广泛应用。随着技术的不断革新,衍生出了基于单点、两点和多点的Dixon技术,其中两点Dixon技术因其扫描效率较高,且可灵活选择回波时间而在临床中广泛应用。与半定量Goutallier分级相比,在3.0T MRI上使用两点Dixon技术对肩袖肌肉的脂肪定量已被证明具有高度的临床可行性[9-12]。多年来,研究者们通过对两点Dixon技术进行革新,提出了通过采用快速自旋回波序列采集回波信号的三点Dixon技术,但其运动伪影较多,影响了测量准确度。Trevino et al[13]使用两点与三点Dixon MRI技术扫描17具尸体肩部的冈上肌,并进行了肩部肌肉组织学分析及Goutallier分级,将这4种方法的结果互相比较发现,两点与三点Dixon MRI技术与通过组织学分析获得的脂肪测量值有良好的相关性,可作为目前Goutallier诊断系统的替代方案。六点Dixon MRI技术通过相对降低T1效应和T2衰减以及更有效地分离脂肪和水信号,提高了脂肪浸润估计的准确性。一些研究[14-15]通过六点 Dixon MRI技术测定冈上肌脂肪分数,结果显示得到的冈上肌脂肪分数较半定量的Goutallier分级法更为可靠,且能观测到肌肉内脂肪的分布情况。

1.2.3MRI T1、T2值测量 T1直接反映了组织内在特性的变化,大分子物质(蛋白质)及小分子物质(液体)的T1值长(MRI信号强度低),中等分子(脂肪)的T1值短(MRI信号强度高);而T2是一个具有组织特异性的时间常数,不同组织以及正常组织和病理组织之间有不同的T2值,大分子物质(蛋白质)T2值短(MRI信号强度低),而小分子物质(液体)T2值长(MRI信号强度高)。根据这种特性,T1及T2的测量值对定量评估肌肉的脂肪浸润提供了潜在帮助。Yang et al[16]对小鼠的肩袖组织进行了T1值测量,并与组织学分析结果进行了对比分析,结果显示肩袖组织的T1测量值与组织学结果有较好的相关性,能够成为临床中定量监测肩袖脂肪浸润的检测手段。Iijima et al[17]在2017年通过在肩关节核磁斜矢状位以及斜矢状位内侧15 mm的图像上测量冈上肌和冈下肌的T2值,对肩袖肌肉不同部位的脂肪浸润进行了定量测量评估。2019年他们通过对比肩袖再撕裂患者与未撕裂患者的术前冈上肌和冈下肌的T2值发现,肩袖再撕裂组术前T2值明显高于未撕裂组,从而认为核磁T2值能够预测肩袖术后再撕裂风险[18]。然而由于这种方法不能直接得到脂肪组织的比例,且数据后续处理较复杂,故尚未在临床中广泛使用。

1.2.4Fuzzy C-means T1加权序列 Fuzzy C-means T1加权序列是一种数学聚类算法,通过迭代优化的过程和模式识别对脂肪浸润进行评估,该方法是在肩袖核磁T1加权像上评估脂肪浸润的一种替代方法,与半定量的Goutallier分级相比,该方法可提供更大的可靠性[19]。Davis et al[20]通过对比Fuzzy C-means T1加权序列与六点Dixon MRI 技术定量评估肩袖脂肪浸润的结果发现,Fuzzy C-means T1加权序列定量评估肌肉脂肪浸润具有良好的可靠性,是一种替代半定量Goutallier分级的可行方法。

1.2.5T1加权像阈值量化法 该方法通过应用图像阈值技术,在现有的T1加权MRI图像上量化冈上肌的脂肪含量。Lee et al[21]回顾性分析了38例有症状的肩袖撕裂患者,将基于阈值的定量结果与半定量的Goutallier分级和MRI光谱学测量的肩袖脂肪含量进行比较,认为在核磁T1加权图像上基于阈值的脂肪定量法是高度可靠的,可以作为一种准确定量检测肩袖肌肉脂肪的方法。

1.3 超声肌肉骨骼超声因具有经济实惠、可实时评估等优点在临床中广泛应用。利用超声技术对肩袖脂肪浸润的检测近年来也被快速研究与发展,但检测结果多依赖于超声医师的临床经验与操作技能,这限制了临床医师对其的选择。超声通过比较冈上肌和冈下肌与相邻的三角肌或斜方肌的回声信号以及肌肉内部羽状结构来辨别脂肪浸润程度。超声中的剪切波弹性成像技术在冈上肌脂肪变性的检测中与磁共振检测结果相近,剪切波的速度会因脂肪含量的增多而降低,检测者通过这个特性来辨别肌肉中的脂肪含量,但在肌腱撕裂患者的检测中,肌腱的回缩程度会影响剪切波的速度,这可能会影响剪切波超声弹性成像测量肌肉脂肪浸润结果的准确性。Park et al[22]对108例肩部有症状的患者进行了肩袖脂肪浸润的核磁及超声评估,以验证超声在肩袖肌肉脂肪浸润中的诊断性能,结果认为,超声是评估与检测肌肉脂肪变性的有效方法,其对冈下肌的脂肪浸润检测较冈上肌更加准确。

由于脂肪浸润的定性检测方法多样且各有优势,目前临床中对其的定量检测还没有形成统一方案,临床医师应根据患者病情及各自医院影像科情况,与影像医师沟通合作,选择合适的检测技术对肩袖损伤患者进行脂肪浸润的定性测量,以更好地评估肩袖肌群脂肪浸润程度,从而制定更加精准的治疗方案。

2 脂肪浸润的易发因素

目前关于脂肪浸润的易发因素报道不一。临床研究普遍认为,年龄、性别、肥胖、糖尿病等非损伤类因素,以及肌腱撕裂的位置、大小及回缩程度和去神经支配等损伤类因素与脂肪浸润的发生和严重程度有关。

2.1 非损伤类因素越来越多的研究表明,年龄、性别、肥胖和糖尿病与脂肪浸润密切相关。Gueniche et al[23]对210例肩袖损伤患者的肩关节造影进行回顾性分析发现,脂肪浸润程度随年龄增加而加重,尤其在40岁以后,其中70岁以上患者的平均脂肪浸润程度为Goutallier 2级。动物模型研究[24]也揭示了相似的结论,在小鼠肩袖撕裂模型中,衰老小鼠肩袖撕裂后的肌肉脂肪浸润程度较幼龄鼠严重,并且随着时间的推移,衰老小鼠的肌肉脂肪浸润也会加重。除年龄因素以外,最近的多组研究[25-26]发现,肥胖人群无论有无肩袖撕裂,发生脂肪浸润的可能性明显更高。性别也与脂肪浸润显著相关,女性发生脂肪浸润的概率显著高于男性患者[25]。Dow et al[27]回顾性研究了143名健康人群的肩袖Goutallier 分级与体重指数(BMI),认为BMI是肩袖肌肉脂肪含量较高的重要独立预测因子。Acar et al[28]通过构建糖尿病小鼠肩袖撕裂模型发现,糖尿病会加速冈上肌撕裂后的肌肉脂肪浸润,其建议对有肩袖撕裂的糖尿病患者应密切监测肩袖脂肪浸润,并应考虑早期手术治疗。

2.2 肌腱撕裂的位置、大小及回缩程度临床工作发现,肩袖裂口较大和回缩较重的患者,脂肪浸润更加严重。冈上肌撕裂的位置对其脂肪浸润程度的影响比肩袖撕裂的大小或回缩更显著。撕裂距离二头肌腱越远,发生脂肪变性的概率越低。其中冈下肌的脂肪变性与其撕裂大小和回缩的关系更为密切。Bureau et al[29]的研究结果表明,冈上肌回缩的程度及冈下肌撕裂的宽度对各自肌肉脂肪浸润的影响极大,冈上肌回缩每增加5 mm或冈下肌撕裂宽度每增加5 mm,肩袖脂肪浸润发生的概率就会加倍。对于巨大肩袖撕裂及冈上肌撕裂位置距二头肌腱较近的患者,我们应该在行肩袖修补术后密切随访患者肩袖情况,防止因脂肪浸润导致的肩袖再次撕裂的发生。

2.3 肌腱的去神经化冈上肌撕裂收缩可能会增加肩胛上神经在肩胛上切迹的张力,这种增加的神经张力可能导致神经损伤,并导致肩袖肌群脂肪浸润。即使在冈下肌没有撕裂的情况下,冈下肌也会发生脂肪渗透,这可能是由于冈上肌回缩引起的肩胛上神经牵拉损伤所致。Kong et al[30]的研究发现,巨大肩袖损伤患者冈下肌的脂肪变性比冈上肌严重,这可能与肩袖撕裂后肩胛上神经在肩胛切迹处的卡压有关。然而,现在普遍认为肩袖撕裂患者中肩胛上神经病变的发生率极低,并不是导致肩袖撕裂后脂肪浸润的主要原因[31]。有趣的是,与肩袖撕裂导致肩胛上神经损伤的病因相反,Sun et al[32]的研究发现,肩胛上神经近端的早期病变可导致肩袖变性甚至撕裂,并且认为神经功能障碍可能是肩袖撕裂的重要病因。因此,肩袖撕裂及脂肪浸润与肩袖组织的神经病变密切相关,甚至互为因果。在临床工作中,患侧肩部的肌电图检查被认为有临床意义,这有助于我们更好地了解患者病情。

3 脂肪细胞来源

骨骼肌由于肌源性卫星细胞(MuSCs)的存在而表现出显著的再生能力,而脂肪浸润发生过程中脂肪细胞的来源尚不清楚,目前主要考虑肌肉脂肪的产生可能与已有脂肪细胞的增殖、肌肉周围脂肪细胞的浸润或与具有分化为脂肪细胞的成脂纤维祖细胞(FAPs)有关。FAPs为驻留在肌肉中的独特干细胞群,与表达Pax7的MuSCs不同,FAPs表达血小板源性生长因子受体,并具有分化为肌成纤维细胞、成骨细胞和脂肪细胞的潜能,被认为是肌肉内稳态和完整性的关键调节器[33-34]。肌肉拉伤后FAPs快速增殖和分泌糖蛋白家族(Wnt)、胰岛素样生长因子1和白细胞介素6等因子,以支持MuSCs再生为骨骼肌细胞。在正常的肌肉再生条件下,激活的FAPs最终通过巨噬细胞分泌的肿瘤坏死因子α依赖机制发生凋亡,然而,如果不及时凋亡,FAPs可能是肌肉组织中脂肪生成和纤维化的主要来源。

由于FAPs在肌细胞再生和肌肉脂肪浸润中具有重要意义,平衡FAPs的活性对于促进有效的肌肉再生而不诱导肌肉脂肪浸润至关重要。目前FAPs参与肩袖脂肪浸润及肌肉再生的确切机制尚不明确,但分子机制方面的研究提示其可能与局部信号传导、基因表达以及炎症介质的相互作用有关[35-36]。在最近的一项研究[37]中,药物阻断组蛋白H3K9甲基化后,FAPs直接触发肌肉细胞生成。而在肌肉损伤模型中,通过阻断维甲酸信号传导通路,则会阻断FAPs的增值从而减少脂肪细胞的生成。Wosczyna et al[38]发现,缺乏miR-206的小鼠在肌肉损伤后脂肪浸润增加,并通过转录组学分析证明,miR-206在FAPs细胞中表达增加,在诱导脂肪形成后表达显著降低,从而证实了FAPs在成脂转化过程中的重要作用。Lee et al[39]发现,小鼠肩袖肌肉(即冈上肌和冈下肌)比胫前肌和腓肠肌有更高的FAPs数量,且肩袖肌肉的FAPs表现出更高的增殖能力和脂肪生成倾向,这可能与不同肌肉组织中的基因表达有关。最近的研究[1,40]也强调了FAPs与免疫细胞的相互作用,以及受伤肌肉内的炎症环境如何影响FAPs分化。此外,一些物理因素方面的改变可能会触发FAPs影响脂肪形成的机制,如去神经损伤、机械负荷变化、年龄以及肌腱撕裂大小及类型。Madaro et al[41]发现,去神经化的后肢肌肉具有更高的FAPs占比。此外,Shirasawa et al[42]通过建立小鼠肩胛上肌脂肪浸润模型,表明抑制FAPs的增殖可减少脂肪浸润,并且完全失去机械应力会触发FAPs的增殖。而年龄和肌肉撕裂大小对肩袖FAPs浸润的影响已得到证实,患者年龄和肩袖撕裂大小独立调节FAPs数量、分化和基因表达[43]。年龄和撕裂大小与FAPs数量增加和脂肪分化呈正相关。肩袖全层撕裂组的FAPs较部分撕裂组更多,且具有更强的成脂和成纤维潜能,在全层撕裂组中,撕裂较大患者的组织中FAPs明显高于撕裂较小的患者[43-44]。

4 信号传导通路

研究[45]认为,肩袖脂肪浸润受Wnt、骨形态蛋白(BMP)、雷帕霉素靶蛋白(mTOR)等多条信号通路的调控,它们协同参与肩袖脂肪浸润的调节。但目前对有关信号通路在调控作用中确切的分子机制及相互作用仍不十分明确。

4.1 Wnt通路有研究[45]发现,在受损肌肉中FAPs的Wnt基因和蛋白表达显著增加。Wnt10b是Wnt基因家族的一个成员,是在人类乳腺癌中发现的一种分泌信号因子,具有使前体脂肪细胞处于未分化状态的功能,而Wnt10b信号的中断会导致成肌细胞向脂肪细胞分化。之前关于肌腱切除后肩袖肌肉的基因表达图谱的研究[46]发现,冈上肌中Wnt10b表达减少后,过氧化物酶体增殖物激活受体(PPAR)g和CCAAT增强子结合蛋白(C/EBP) a表达升高,提示冈上肌中Wnt10b表达减少,继而提示PPARg和C/EBPa表达升高是撕裂肩袖肌脂肪变性的分子机制。在此研究基础上,Kuwahara et al[45]发现,一旦增殖转录因子PPARg和C/EBPa升高,肩袖撕裂后的修复手术并不能阻止冈上肌中脂肪的出现。除此之外,Shah et al[47]在肩袖修复术时对肩袖肌肉活检发现,肩袖撕裂越大的组织中Wnt10b的表达量越少。并且Reggio et al[48]的最近研究发现,通过抑制糖原合成酶激酶(GSK)-3可稳定β-连接蛋白和抑制PPARγ表达来消除FAPs的脂肪形成,从而证实,典型的Wnt、GSK、β-连接蛋白信号通路确实与FAPs脂肪生成的发生有关。

4.2 BMP通路BMP是转化生长因子β(TGF-β)超家族的一个亚群,在干细胞成脂中发挥重要作用。有研究[49]发现,在慢性肌肉疾病中TGF-β的活性升高,通过抑制TGF-β信号可以阻断FAPs的聚集从而减少肌肉退行性变。并且肩袖撕裂后肌肉脂肪浸润的发展过程中TGF-β和BMP-7显著增加[50]。BMP信号通过SMAD家族介导的标准通路和独立的非标准通路激活下游效应器,以细胞和环境依赖的方式控制基因表达[51]。Saini et al[52]报道BMP-7 能够诱导PPARγ以及PPARγ共激活因子α表达导致脂肪细胞的产生。总之,BMP 信号通路是参与调控肌肉脂肪浸润重要信号通路之一,其作用机制复杂,目前关于此通路的调控机制及传导通路的研究尚未明确。

4.3 蛋白激酶(Akt)和mTOR信号通路Akt和mTOR在肌肉稳态中起重要作用[53]。FoxO3是激活溶酶体依赖蛋白分解所必需的,是肌肉自噬控制的关键调节因子。肌细胞中Akt、mTOR通路的激活通过抑制FoxO3介导的自噬体的形成和蛋白质降解,从而抑制肩袖撕裂后的肌肉萎缩[54]。抑制PPARc可阻止前脂肪细胞向成熟细胞的分化,因此Akt、mTOR通路和PPARc之间的联系被认为是肩袖撕裂后脂肪浸润发展的关键[55]。研究[56]发现,Akt、mTOR通路的改变导致肌环脂蛋白-1和肌萎缩 F-box蛋白基因上调,这些基因在启动胆固醇调节元件结合蛋白 (SREBP) -1介导的脂肪生成途径中发挥作用。

简言之,核受体PPARg是脂肪生成的主要调节因子,各种促脂肪生成刺激(如去神经损伤、机械去负荷化、年龄增长、肌腱撕裂大小及类型)通过多条通路激活多种转录因子(如SREBP-1c、C/EBPd和C/EBPb)触发前脂肪细胞的分化,并最终诱导核受体PPARg的表达。PPARg反过来诱导转录因子C/EBPa 的表达,这是脂肪生成的另一个主要调节因子,这两种脂肪生成因子位于脂肪分化转录网络的中心,并调节最终的分化过程。

5 总结

肩袖损伤后的脂肪浸润是一个复杂的病理生理现象,极大地困扰患者并影响临床医师决策。因此临床工作中对于肩袖损伤患者,我们应该更加关注其脂肪浸润程度,并常规进行评估分级。关于肌肉脂肪浸润的临床评估,除了目前临床医师较多采用的半定量Goutallier分级方法外,新的影像学技术如磁共振波谱分析、水脂分离技术及剪切波超声弹性成像等可以提高评估的精确度且各具优势。临床工作中,如果条件允许,采用影像学的定性检测手段进行脂肪浸润评估将更具科学性及精确性。而就肌肉脂肪浸润的细胞机制而言,FAPs已成为一种重要的常驻干细胞来源,其特点是在肌肉损伤后的双重作用,今后的研究可以侧重于调控FAPs的平衡,以减少肩袖损伤后的肌肉成分丢失及脂肪细胞的生成,从而试图解决这些细胞引起的病理改变以改善患者的治疗结果。目前有关肩袖脂肪浸润的传导通路已经成为近几年运动医学肩袖损伤后脂肪浸润的研究热点,然而其确切传导机制尚未清楚,相信随着对脂肪浸润自然病程的深入研究,这一难题终将得到逐步解决。在临床工作中,临床医师应在进行肩袖损伤的诊治过程中高度重视肌肉的脂肪浸润现象,综合考虑各种治疗方案,以延缓肩袖脂肪浸润达到最理想的治疗结果。