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跑台运动对大鼠跟腱的影响及其机制研究 中文摘要 研究目的：肌腱是运动系统中的重要组成部分，是肌肉收缩的第二机制，但 相对于肌肉和骨代谢等研究领域，肌腱的研究相对薄弱，目前尚无运动对肌腱影 响及其变化机制的系统研究。本研究对大鼠进行一次性跑台运动和1 2 周长期跑台 运动训练，从组织形态学、生物力学、生物化学、分子生物学等不同层次和角度， 比较跟腱在不同运动过程中的反应和适应性变化，探讨跑台运动对大鼠跟腱的影 响及其变化机制。 研究方法：本实验采用了两种运动干预方式：一次性跑台运动组：健康雄 性s d 大鼠9 5 只，随机分为大鼠对照组( n - 1 6 ) ，一次性跑台运动后即刻组、1 2 小时组、2 4 小时组和7 2 小时组。长期跑台运动组：健康雄性s d 大鼠4 0 只， 随机分为对照组( n _ 1 6 ) 和长期跑台运动组( n 一2 4 ) ，长期跑台运动大鼠进行1 2 周的跑台耐力训练。测试方法与指标：光镜和透射电镜观察大鼠跟腱内胶原( 原) 纤维结构、腱细胞功能状态。t 霪) i n s t r o n 3 3 6 5 测定跟腱的生物力学性能。( 耍) e l i s a 法测定跟腱内p i n p 、p i l l n p 、i g f i 的含量及血清内i g f i 的含量。实时定量 p c r 方法测定跟腱前胶原1 0 【l 、前胶原i i i a l 、i g f i 、m m p 1 、t i m p 1 的m r n a 表达。 研究结果： ( 1 ) 一次性跑台运动对跟腱的影响。一次性跑台运动后大鼠跟腱的刚度、 最大载荷、应变、能量吸收及滞后百分比没有发生明显变化，但有胶原纤维间隔 增多和排列错乱及胶原原纤维之间纵向间隔增大的现象出现，可见腱细胞代谢活 跃。跟腱p i n p 含量在一次性跑台运动后即刻和1 2 小时时降低明显( p o 0 5 ) ， 7 2 小时增加显著( p o 0 1 ) ；前胶原i a l m r n a 水平在2 4 小时显著降低( p o 0 5 ) ， 其它各时相组无明显变化。运动后即刻p i i i n p 含量降低( p 0 0 1 ) ，1 2 小时和 2 4 小时时无明显变化，而在7 2 小时显著增加( p o 0 1 ) ；前胶原i i i o t l m r n a 水平 在运动后即刻无显著变化，而在1 2 小时升高( p o 0 5 ) ，2 4 小时达到峰值( p o 0 1 ) ，7 2 小时仍呈升高状态( p o 0 5 ) 。运动后血清和跟腱内i g f 4 的含量无 明显变化，在转录水平的表达变化也不明显。运动后即刻m m p 1 m r n a 变化不 显著，1 2 小时其表达升高( p o 0 5 ) ，而在2 4 小时降低( p 0 0 5 ) ，7 2 小时已回 跑台运动对大鼠跟腱的影响及其机制研究中文摘要 复。运动后即刻和1 2 小时t i m p 1 m r n a 表达无较大变化：2 4 小时t i m p 。l m r n a 水平显著升高( p o 0 5 ) 。 ( 2 ) 长期跑台运动对跟腱的影响。长期跑台运动后大鼠跟腱的刚度升高 ( p 0 0 1 ) ，最大载荷增大( p o 0 1 ) ，最大载荷下的能量吸收增加( p 0 0 5 ) ，最 大载荷下的应变和滞后百分比变化不大。长期跑台运动后可见胶原( 原) 纤维 排列相对整齐，腱细胞功能活跃。跟腱重量和胶原总量没有显著变化。跟腱 内p i n p 含量增加( p o 0 1 ) ；前胶原i l m r n a 水平升高( p 0 0 1 ) 。 p i i i n p 含 量和前胶原i i i a l m r n a 的表达无明显变化。血清和跟腱内i g f i 的含量升高 ( p o 0 1 ) ，i g f i m r n a 水平增加( p o 0 1 ) 。m m p 1 和t i m p 1 的m r n a 水 平均升高( p o 0 5 ) ，但前者增加的幅度大于后者。 研究结论：( 1 ) 跟腱的微观结构在一次性跑台运动后会发生一过性改变，而 长期跑台运动后可使微观结构产生适应性变化。( 2 ) 长期跑台运动可使大鼠跟腱 力学性能产生适应性变化，从而减少跟腱损伤发生的几率。( 3 ) 跑台运动提高了 跟腱胶原的合成过程。一次性跑台运动后主要通过提高原纤维的装配过程和可以 快速形成纤维的胶原i i i 的合成来应答负荷，而长期跑台运动后主要通过提高可以 增强跟腱强度的胶原i 合成来适应负荷。( 4 ) 长期跑台运动可通过提高系统和局部 跟腱内i g f i 表达来协同调节跟腱细胞外基质的代谢。( 5 ) 运动适应过程中m m p s 和t i m p s 具有重要的作用，肌腱细胞外基质降解能力的增加影响着肌腱的适应性 变化。 关键词：跑台运动跟腱生物力学机制代谢 i i 作者：李敏 指导老师：张林 e f r e e to f t r e a d m i l ie x e r c i s eo nr a t sa c h i l l e st e n d o na n di t sm e c h a n i s m a b s t r a c t e f f e c to ft r e a d m i l le x e r c i s eo nr a t sa c h i l l e s t e n d o na n di t sm e c h a n i s m a b s t r a c t o b j e e t i v e ：t e n d o ni si m p o r t a n ti nm u s c u l o s k e l e t a ls y s t e mw h i c hi st h es e c o n d m e c h a n i s mo fm u s c l ec o n t r a c t i o n m a n yr e s e a r c h e r sc o n c e m e do nt h em e t a b o l i s mo f m u s c l ea n db o n e ，l i t t l ei so nt h et e n d o n i nt h i se x p e r i m e n t , w ei n v e s t i g a t et h ee f f e c ta n d m e c h a n i s mo fa c h i l l e st e n d o na d a p t a t i o nt oe x e r c i s et h r o u g ht h ea c h i l l e st e n d o n s r e s p o n s et oab o u to ft r e a d m i l le x e r c i s ea n dt h ea d a p t a t i o nt o 12w e e k st r e a d m i l l e x e r c i s eb yb i o m e c h a n i c s ，h i s t o l o g y , b i o c h e m i s t r ya n dm o l e c u l a rb i o l o g yt e c h n i q u e s m e t h o d s ：t h ee x p e r i m e n ta d o p t e dt w ok i n d so fe x e r c i s em o d e l ab o u to f t r e a d m i l le x e r c i s eg r o u p ：9 5m a l er a t sw e r es e l e c t e dr a n d o m l ya sc o n t r o lg r o u p ，o h , 12 l l ， 2 4 ha n d7 2 hg r o u pr u n n i n go nt h et r e a d m i l l ( 窑) l o n g t e r mt r e a d m i l le x e r c i s eg r o u p ：4 0 m a l er a t sw e r eu s e di nt h i sm o d e l ，i n c l u d i n g16r a t ss e l e c t e da sc o n t r o la n d2 4r a t sa s l o n g t e r me x e r c i s eg r o u pr u n n i n gf o r1 2w e e k sn m n i n go nt h et r e a d m i l lr a n d o m l y p a r a m e t e r sa n dm e t h o d so fm e a s u r e ：t h es t r u c t u r eo ff i b e r ，f i b r i la n dt h ea c t i v i t yo f t e n o c y t e sw e r eo b s e r v e dw i t ho p t i c sm i c r o s c o p ea n de l e c t r o n i cm i c r o s c o p e t h e b i o m e c h a n i c s o fa c h i l l e st e n d o nw a sm e a s u r e d b y m a t e r i a l t e s t i n gm a c h i n e ( i n s t r o n 3 3 6 5 ) t h ec o n c e n t r a t i o n so fp i n p , p i i i n p , i g f - io fa c h i l l e st e n d o na n d i g f ii ns e r u mw e r em e a s u r e db ye l i s am e t h o d s ) t h ee x p r e s s i o no fp r o e o l l a g e n i a l ，p r o c o l l a g e ni i i a l ，i g f - i ，m m p - 1a n dt i m p - 1i nm r n a l e v e lw e r ea n a l y z e db y r e a l - t i m eq u a n t i t a t i v ep c r t e c h n i q u e r e s u l t s ： ( 1 ) t h ee f f e c t so fab o u t o ft r e a d m i l le x e r c i s eo nt h er a t sa c h i l l e st e n d o n ：o ) t h e s t i f f n e s s ，t h eu l t i m a t el o a d ，t h ee n e r g ya b s o r b e da n dt h es t r a i nu n d e rt h eu l t i m a t el o a d a n dt h eh y s t e r e s i sd i d n tc h a n g em a r k e d l ya f t e rr u n n i n go nt h et r e a d m i l l t h e d i s a r r a n g e m e n to f 舶e ra n dt h ea u g m e n to fl o n g i t u d i n a ls p a c e sf i b r i lw e r eo b s e r v e d t e n o c y t e sb e c a m ea c t i v e t h ec o n c e n t r a t i o n so fp i n pi na c h i l l e st e n d o nd e c r e a s e d i i i e f r e c to f t r c a d m i ! le x e r c i s eo i lr a t sa c h i l l c st e n d o na n di i sm e c h a n i s ma b s t r a c t s i g n i f i c a n t l yi m m e d i a t e l ya n d12 ha f t e rr u n n i n g ( p 0 0 5 ) w h i l ei tr o s ea t7 2 h ( p 0 0 1 ) t h ee x p r e s s i o no fp r o c o l l a g e nl a li nm r n al e v e ld e c r e a s e ds i g n i c i a n t l ya t2 4 h ( p o 0 5 ) i m m e d i a t e l ya f t e rr u n n i n gt h ec o n t e n t so fp i i i n pd e c r e a s e d ( p o o1 ) w h i l ea t1 2 ha n d2 4 hi td i d n tc h a n g ea n ym o r e a t7 2 hi tr o s es i g n i f i c a n t l y ( p o 0 1 ) t h ep r o c o l l a g e nl l l a lm r n a e x p r e s s i o nw a su p r e g u l a t e da t1 2 h ( p o 0 5 ) ，p e a k e da t 2 4 h ( p o 0 1 ) ，a n ds t i l lr e m a i n e da th i g h e rl e v e la t7 2 h ( p o 0 5 ) 咖t h e rt h e c o n c c n t r a t i o i l so fi g f io ft h ea c h i l l e st e n d o na n di ns e r u mn o rt h el e v e lo fm r n ah a d a n yc h a n g ea f t e rr u n n i n g n et r a n s c r i p t i o no fm m p 一1 w a su p r e g u l a t e da t1 2 h ( p o 0 5 ) ，d o w n r e g u l a t e da t2 4 h ( p o 0 5 ) ，a n dr e t u r nt ob a s e l i n ea t7 2 h t h el e v e l o f t i m p - 1w a su p r e g u l a t e ds i g n i c i f i c a n t l ya t2 4 h ( p 0 0 1 ) a f t e re x e r c i s ea n dr e v e r t e d t ob a s a ll e v e la t7 2 h ( 2 ) t h ee f f e c t so fl o n g - t e r mt r e a d m i l le x e r c i s eo nt h er a t sa c h i l l e st e n d o n ：m s t i f f n e s s ，t h eu l t i m a t e1 0 a da n dt h ee n e r g ya b s o r b e du n d e rt h eu l t i m a t el o a di n c r e a s e d s i g n i f i c a n t l y ( p o 0 5o rp 0 01 ) w h i l et h es t r a i no fu l t i m a t el o a da n dt h eh y s t e r e s i s r e m a i n e du n c h a n g e d t h ea n a n g e m e n to ff i b e ra n dt h ef i b r i lb e c a m em o r er e g u l a r m o r et e n o c y t e sm e t a b o l i s mw a sh i g h n em a s so ft e n d o na n dt h et o t a lc o l l a g e n d i d n tc h a n g e n ec o n c e n t r a t i o n so fp i n pa n dt h ee x p r e s s i o no fp r o c o l l a g e ni a li n m r n al e v e li n c r e a s e d ( p o 01 ) t h ec o n c e n t r a t i o n so fi g f io f a c h i l l e st e n d o na n d i ns e r u r l li n c r e a s e d ( p o 0 1 ) ，a n dt h et r a n s c r i p t i o no fi g f 1w a sa l s ou p r e g u l a t e d ( p 0 01 ) a f t e rl o n g - t e r me x e r c i s et h ee x p r e s s i o no fm m p - 1a n dt i m p 一1i nm r n a l e v e lb o t hu p r e g u l a t e d ( p x5 0 c y c l e s 7 2 5 m i n 最后延伸 5 5 一9 5 ( m e l tc u r v e ) m m p 1 、t n 佃1 ： 9 5 3 m i n 9 5 c2 0 s ，6 3 2 0 s ，7 2 3 0 s 5 0 e y e l e s 7 2 5 m i n 5 5 一9 5 ( m e l tc u r v e ) 为保证实验结果的可靠性，所有检测e d n a 标本均为三管平衡实验。 采用l e y e l e rv e r s i o r t 3 1 7 0 5 0 分析软件进行分析 ( 5 ) 结果校正： 结果采用2 c t 法，c t 一目的基因的c t 值内标基因的c t 值。最终得到的 比值为样品目的基因相对于内标基因的相对含量。 1 5 所用主要仪器 h i t a c h i h 6 0 0 透射电镜 d e n l e yd r a g o nw e l l s e a nm k3 型酶标仪 w e l l w a s h4m k 2 型洗板机 p y x - d h s 数字显示隔水式电热恒温培养箱 t g l - 1 6 8 型离心机 c p s 。2 型超声波粉碎机 d c 5 5 b 冷冻真空干燥箱 p t c 2 0 0p c r 仪 b i or a d i e y c l e r5 色荧光定量p c r 仪 1 6 统计分析 结果采用平均数标准差( x s d ) 表示，所有数据用s p s s l l 5 统计软件包 处理，单因素方差分析和t 检验，显著性水准为0 0 5 。 3 7 跑台运动对大鼠跟腱的影响及其机制研究2 跑台运动对大鼠跟腱生物力学性能的影响 2 跑台运动对大鼠跟腱生物力学性能的影响 运动系统中，肌腱的主要作用是将肌肉产生的力传递给骨骼和维持关节的稳 定性，是肌肉收缩的第二机制，当肌肉收缩时肌腱被拉长，将一部分能量储存起 来，而后以反作用力的形式释放，从而引起肢体的运动。因此，肌腱的生物力学 性能对肌肉肌腱复合体的特性和功能有着重要的作用。在体的肌腱经常承受着多 种类型的机械负载，长期负载可能会导致腱病等损伤，但一些研究表明运动后肌 腱对其所处的力学环境产生适应性变化。本研究采用一次性耐力跑台运动和长期 耐力跑台运动从组织形态学和生物力学角度探讨大鼠跟腱的生物力学性能的反应和 适应。 2 1 实验结果 2 1 1 跟腱h e 染色光镜观察 2 1 1 1 一次性跑台运动后大鼠跟腱光镜下观察结果 光镜下可见跟腱组织主要由顺应力方向排列整齐、结构致密的胶原纤维组 成。胶原纤维中可见细胞核深染的腱细胞( 图2 1 ) 。 一次性跑台运动后即刻( 图2 - 2 ) 可见跟腱局部胶原纤维之间间隔增多，局部排 列错乱。1 2 小时后各时相组( 图2 3 ，2 _ 4 ，2 - 5 ) 可见功能活跃的腱细胞，表现为胞体 大，核清晰，呈椭圆形，染色浅，嗜碱性，表明其分泌合成胶原蛋白并在胞外将其装 配成胶原纤维的功能增大。 跑台运动对大置耀腱的髟响厦其机制研究2 跑白运动对大鼠跟嚏生物力学性能的髟响 囤2 1 一次性跑台运动对照组大鼠跟腱光镜下观察( h e ，4 0 1 0 ) 图2 - 2 一次性跑台运动后即刻太鼠跟腱光镜下观察( h e ，4 0 x1 0 ) 跑台运动对大鼠鼹鞋的影响盐其机静研究2 跑台运动耐大鼠甩臆生物力学性能时影响 图2 - 3 一次性跑台运动后1 2 h 太鼠跟腱光镜下观察( h e ，4 0 x1 0 ) 图2 4 一次性跑台运动后2 4 h 大鼠跟腱光镜下观察( h e ，4 0x 1 0 ) 跑台运动对a 鼠跟胜的影响厦其机制研究2 跑台运动对大鼠躁奠生物力学性能的影响 图2 - 5 一次性跑台运动后7 2 h 大鼠跟腱光镜下观察( h e 。4 0 1 0 ) 21 1 2 长期跑台运动后大鼠跟腱光镜下观察结果 长期跑台运动组( 圈2 - 7 ) 与对照组( 图2 - 6 ) 相比，可见相对整齐致密的胶 原纤维。腱细胞数量较多，呈顺应力方向排列。可见功能活跃的腱细胞，表现为 细胞核清晰，呈椭圆形，染色浅，嗜碱性，表明其分泌合成胶原蛋白并在胞外将 其装配成胶原纤维的功能增大。 图2 6 长期跑台运动对照组大鼠跟睫光镜下观察( h e ，4 0 x 1 0 ) 跑台运动对大豆跟雎的影响厦其机制研究2 瞎台运动对大鼠跟盛生物力学性能的影响 图2 7 长期跑台运动组太鼠跟腱光镜下观察( f i e ，4 0 1 0 ) 212 1 一次性跑台运动后大鼠跟腱电镜下观察 由图可见大鼠跟腱胶原原纤维有典型周期性横纹，对照组胞内空泡状较多( 见 图2 - 8 ) 。一次性跑台运动后即刻可见局部胶原原纤维纵向间隔增大。( 见图2 0 ) 。 一次性跑台运动后1 2 小时、2 4 小时及7 2 小时可见功能活跃的腱细胞，空泡减少， 粗面内质网丰富，内含颗粒状分泌物( 见2 1 0 ，2 - 1 1 ，2 - 1 2 ) 。 图2 - 8 一次性跑台运动对照组大鼠跟腱电镜下表现( t e m ，5 0 ，0 0 0 lfi严“臻 簋，r罐|疆一 f-l 、1 l f pri，； 跑台运动对大鼠跟腱的影响及其机制研究2 跑台运动对大鼠跟t 生物力学性能的影响 图2 - 9 一次跑台运动性对照组大鼠跟腱电镜下表现( t e m ，5 0 ，0 0 0 x ) 图2 1 0 一次性跑台运动后1 2 小时组大鼠跟腱电镜下表现( t e m ，5 0 ，0 0 0 x 跑台运动对大鳓眼雎的髟响厦其机翻研究2 跑台运动对大置雎鞋生物力学性能的彭响 图2 1 1 一- 灰性跑台运动后2 4 小时粗大鼠跟腱电镜下表现( t e m ，5 0 ，0 0 0 x 图2 1 2 一次性跑台运动后7 2 j - 时组大鼠跟腱电镜下表现( t e m ，5 0 ，0 0 0 x 212 2 长期跑台运动后太鼠跟睫电镜下观察 长期跑台运动组( 图2 1 4 ) 与对照组( 图2 - 1 3 ) 相比，可见排列相对整齐、 紧密，粗细均匀，横纹清晰的胶原原纤维。腱细胞胞突相对增多，胞体变大，核 周围深而内浅，核内以常染色质为主，线粒体空泡状比例减少，显出精致体嵴， 粗面内质网丰富，内含颗粒状分泌物( 图2 1 5 ，2 - 1 6 ) 。 4 4 跑台运动对 鼠甩盛的影响厦其机制研究2 跑台运动对大鼠跟腱生物力学性能的髟睛 田2 - 1 3 长期跑台运动时照组大鼠跟腱电镜下肢原原纤维裹现( t e m ，5 0 ，0 0 0 图2 1 4 长期跑台运动组大鼠跟腱电镜下胶原原纤维表现( t e m ，5 0 ，0 0 0 x ) 跑台运动对大置鼹腱的影响及其帆制研究2 跑台运动对太鼠目奠生物力学性姥的髟响 图2 1 5 长期跑台运动对照纽大鼠跟腱电镜下表现( t e m 。1 7 ，0 0 0 x ) 图2 1 6 长期跑台运动大鼠跟腱电镜下袁现( t e m ，1 7 ，0 0 0 x ) 2 13 生物力学指标 由于粘弹性材料内部结构随着加载卸载而发生变化，要多次重复才能达到一 个稳定的状态，因此，每个试件在进行力学测试时都要进行预拉伸，以便获取可 重复的数据。本研究中在一次拉伸前对罪腱进行了2 0 次的加载卸载，可见加载卸 载曲线右移( 见图2 1 ) 。一次拉伸曲线呈典型粘弹性材料的载荷一位移曲线( 见 跑台运动对大鼠跟堕丝墅堕垦基垫垒! 翌塞 ! 望鱼垩垫翌奎塾里望竺望垄堂丝丝盟墅堕 图2 1 ) ，分为趾区、线性区及非线性区。由于在测试前跟腱处于松驰状态，在第 一次拉伸后才被拉伸到正常的状态，因此，第一次循环没有被分析，多次循环拉 伸后循环蠕变和滞后百分比逐渐减小，最终不再发生较明显的变化( 见图2 - 2 ，图 2 3 ) 。 4 5 4 0 3 5 3 0 g2 5 星2 0 1 5 1 0 5 o 位移( - ) 图2 - 1 载荷位移曲线 51 01 5 2 02 5 循环次数 图2 - 2 循环拉伸的蠕交 图2 3 循环拉伸时的滞回 4 7 o衢卫坫j0 o m o m o m o仉 跑台运动对大鼠跟腱的影响及其机制研究2 跑台运动对大鼠跟腱生物力学性能的影响 2 1 3 1 一次性跑台运动对大鼠跟腱力学性能的影响 进行一次性跑台运动后各时相跟腱的各力学指标如刚度、最大载荷、应变、 能量吸收和滞后百分比未见显著性变化( 见表2 1 ) 。 表2 1一次性跑台运动对大鼠跟腱生物力学性能的影响 2 1 3 2 长期跑台运动对大鼠跟腱生物力学性能的影响 长期跑台运动后大鼠跟腱刚度显著升高( p o 0 1 ) ，最大载荷显著升高( p 0 0 1 ) 。能量吸收增加显著( p 0 0 5 ) 。最大载荷下的应变和滞后百分比未见显著 差异( 见表2 2 ) 。 表2 2 长期跑台运动对跟腱生物力学性能的影响 注：长期跑台运动组与自身对照组相比，b ：p 0 0 5 ，b b ：p ( 0 0 1 2 1 4 跟腱水的含量 一次性跑台运动和长期跑台运动后跟腱水的含量没有显著变化( 见表2 3 ) 。 表2 3 跑台运动对大鼠跟腱水的含量的影响 跑台运动对大鼠跟腱的影响及其机制研究 2 跑台运动对大鼠跟腱生物力学性能的影响 2 2 分析与讨论 肌腱是粘弹性组织，在一定速率下进行拉伸可得到载荷位移曲线，初始施加 载荷的区域为趾区，反映的是随着负荷的增加，卷龃的胶原( 原) 纤维被拉直， 在此区较小的力就可以引起卷曲的胶原( 原) 纤维展开，即较小的载荷就会引起 相对较大的肌腱拉伸。随着载荷的增加出现相对线性的区域，主要为胶原原纤维 三螺旋结构的拉直。线性区前的变形在撤消载荷后可回复到原来状态，而线性区 过后随着载荷的增加出现塑性变形，即不可恢复的变形，达到最大载荷后，肌腱 很快就发生断裂。在体时肌腱所受的力大多为拉伸力，在肌腱通过骨突起时会承 受压缩力。 2 2 1 一次性跑台运动对跟腱生物力学性能的影响 研究表明：离体肌腱在一定频率的循环载荷作用下肌腱的刚度和强度持续下 降，能量损失持续增加，而最终导致疲劳断裂【1 9 9 1 。肌腱的断裂可能与微损伤积累 有关【1 5 8 1 。在体和离体不同，在体肌腱在发生微损伤的同时存在着修复过程，当微 损伤过程大于修复过程时损伤才会发生。那么一次性跑台运动时对跟腱多次循环 拉伸会不会造成跟腱力学性能的变化呢? 本研究通过观察一次性跑台运动后肌腱 微结构和力学性能的变化来探讨这个问题。 本研究中大鼠一次性跑台运动后跟腱的刚度和最大载荷等力学指标无明显变 化，这表明大鼠一次性跑台运动后跟腱抗变形和抗应力能力未有较大的变化，跟 腱力学性能具有相对的稳定性。有关一次性运动对致密结缔组织力学性能影响的 研究很少。t i p t o n 等t 2 咖报道大鼠一次耐力性运动和疾跑后韧带一骨连接的刚性未 发生变化。m a r k 等【2 0 1 1 研究中1 2 周龄大鼠以2 6 8 m m i n 、1 0 坡度在跑台上分别运动 0 5 6 h 、1 1 3 h 、2 2 7 h 和3 4 h ，结果发现，运动后各组大鼠胫骨和股骨力学性能未见 变化。本研究的结果同以上这些研究结果一致。 v i i d i k 等【2 0 2 j 报道大鼠尾腱循环伸展后剐度下降。k u b o 等研究发现健康男性在 静力伸展5 分钟口叫和1 0 分钟【2 0 4 、肌肉重复性收缩【2 0 3 1 后内侧腓肠肌肌腱一腱膜复合 体的刚度下降。本研究与上述研究结果不一致，可能有以下几种原因：首先，k u b o 的研究中测试的均为肌腱一腱膜复合体的刚度，而本研究中为游离跟腱。虽然有 学者认为腱膜和游离肌腱具有同样的弹性【2 0 5 1 ，但大多学者认为一定力作用下腱膜 表现为更大的应变【2 0 6 珈引，因此，一次性跑台运动后肌腱一腱膜复合体的刚度显著 下降，而游离肌腱下降的幅度可能相对要小；其次，可能和运动模式、运动负荷 4 9 跑台运动对大鼠跟腱的影响及其机制研究 2 跑台运动对大鼠跟腱生物力学性能的影响 有关，如在k u b o 的研究中，研究对象在每组训练中一直处于背屈状态，而跑台运 动包含背屈和跖屈的运动，而且，本研究中运动时间相对要长，跟腱可能经历了 一个较为复杂的过程；最后，由于本研究属于离体测量，在体测量时力的产生相 对测试者也是一种运动，力学性能的变化可能是由于运动时肌腱组织温度的升高 而受到一定的影响【6 2 , 6 s ，而离体测量则为外力施载。 肌腱属粘弹性组织，在载荷的作用下主要表现为应力松驰、蠕变及滞后性。 滞后性指在载荷作用下应变随时间的变化一直跟不上应力随时间的变化。滞后环 所围面积为加载、卸载过程损失的能量，通常以热的形式损失。滞后性被认为是 组织粘性的标志1 2 0 9 1 。本研究中代表能量损失的滞后百分比没有明显变化，表明一 次性跑台运动后没有增加跟腱的粘性。由于粘性部分反映了胶原原纤维之间彼此 的滑移及胶原与其它细胞外基质如p g s 、水等之间的相互作用，组织内水的含量会 影响肌腱粘弹性。如c h i m i c h 等【6 6 】报道改变兔韧带的含水量后，发现含水量越大 应力松弛越明显。v a n 等【2 l o 】研究发现参加轮椅篮球和肢体缺陷榄球队的运动员参 赛后肱二头肌腱的直径增加，而且肌腱直径的变化与参加运动的时间呈正相关， 作者认为运动后肌腱直径的变化可能是肌腱水肿的原因。本研究中大鼠一次性跑 台运动后跟腱中水的含量未发生变化可能是由于本研究中的负荷为中等负荷，不 会导致跟腱水肿等。因此，大鼠次性跑台运动后不会因为跟腱内水含量的变化 而影响跟腱的粘性。 机械负载下肌腱微观结构可能会出现一定变化。本研究中发现，在一次性跑 台运动后跟腱组织在光镜下可见胶原纤维排列发生错乱，电镜下可见胶原原纤维 有纵向间隔增大的现象出现。肌腱在拉伸负载下胶原( 原) 纤维由波浪形的状态 被拉直，随后回复，多次循环负载下，这种拉伸回复的过程可能受到了一定影响， 从而一定程度上影响了部分胶原( 原) 纤维的重新排列。力学性能未发生变化， 表明较小的微观结构变化在力学性能上未有表现，即力学性能并不能完全表现出 肌腱微观结构的变化。这在刘波等【6 9 】的研究中也有同样的结果，在他的研究中， 加尼福利亚大白兔进行跳跃奔跑运动，形态学检查发现，训练4 天时跟腱腱围明 显水肿，训练2 1 天时腱围肥厚，小血管增多，管腔增厚狭窄，血栓形成，训练4 2 天跟腱变性，腱内钙化，腱旁软骨岛形成，跟腱一跟骨止点呈现出典型的腱止点 劳损，电镜结果显示运动组小直径纤维比例增加，中等直径纤维减少，而力学测 试显示训练4 天后，跟腱的力学性能增加较明显，在2 1 天时最为显著，训练4 2 跑台运动对大鼠跟腱的影响及其机制研究 2 跑台运动对大鼠跟腱生物力学性能的影响 天后线性强度和应力及能量密度增加较大。因此，可以认为肌腱微观结构的变化 可能要超前于力学性能的变化，当力学性能出现下降的时候可能已发生微损伤积 累，此结果也提示预防肌腱损伤要注意肌腱微观结构的早期检查。 腱细胞的结构及其之间的相互连接形成的包绕胶原原纤维的三维网络，这为 细胞与细胞之间的相互影响建立了基础。离体研究表明：在循环机械负载下腱细 胞胶原合成和缝隙连接产生增多【4 ，5 1 。日常状态下腱细胞对细胞外基质产生的力和 细胞外基质对腱细胞产生的力是相等的，在一定的机械负载下这种平衡被打破， 从而通过整合素、离子通道等转导途径而改变腱细胞的功能状态，如蛋白表达的 增加【6 j 。运动后胶原纤维排列的变化进一步表明，细胞外基质对细胞产生的力与细 胞对细胞外基质所产生的力之间的平衡被打破，从而影响腱细胞的功能状态。电 镜下可看到一些腱细胞功能变得活跃，染色质着色变浅，以常染色质为主，粗面 内质网特别丰富，内含颗粒状分泌物。因此，一次性跑台运动时对跟腱的拉伸使 得腱细胞所处的力学环境发生变化而使腱细胞的代谢状态发生改变。最近的研究 也表明运动可使跟腱内血流量增加【2 1 1 ，2 1 2 1 ，氧的利用率提高【2 1 3 1 ，跟腱中葡萄糖的 摄取率提高【2 1 4 1 ， 一次性运动后肌肉的功能可能出现暂时性下降，如v i g r e u x 等 2 2 5 认为肌肉重 复性收缩后肌肉的刚度显著下降。m c n a i r 等 2 1 6 报道1 0 分钟慢跑后趾屈肌刚度下 降了6 。k u b o 等【2 1 7 】也报道肌肉重复性收缩后会导致其收缩力的下降，伴随着电 延迟的增加及力发展速度的降低。肌腱是肌肉收缩中重要的弹性组成部分，是肌 肉收缩的第二机制，因此，肌腱的力学性能的变化可能会影响肌肉的收缩力。本 研究结果提示，一次性的耐力跑台运动不会因跟腱力学性能的变化而影响小腿三 头肌的收缩功能。 2 。2 2 长期跑台运动对跟腱生物力学性能的影响 一些研究表明：运动对肌腱产生影响需要每日3 0 分钟，每周5 天，8 周以上 的运动【1 0 4 2 1 8 】。为了使本研究更具有实践指导意义，本研究采用了中等强度和较长 时间的1 2 周跑台运动。研究表明大鼠长期跑台运动后跟腱的刚度显著增加，即在 一定的力的作用下跟腱的形变降低，对抗变形的能力增强。这同以前的一些研究 结果相一致。如b u c h 觚趾【7 6 j 等对珍珠鸡进行1 2 周耐力跑台训练后跟腱刚度增加。 郭振海等【7 l 】也有同样的研究结果。但也有研究认为耐力训练后肌腱的刚度未变。 如h u a n g 等【2 1 9 】对大鼠进行8 周跑台运动，结果发现跟腱的刚度未发生显著变化。 5 1 跑台运动对大鼠跟腱的影响及其机制研究2 跑台运动对大鼠跟腱生物力学性能的影响 研究结果的不一致可能与运动负荷有关，如h u a n g 等研究中大鼠仅进行了8 周的 运动，而本研究周期长达1 2 周，因此，在相对低的强度跑台运动，需要相对长的 运动时间才能引起肌腱刚度变化。 跟腱刚度在一定程度上的增加会使得在一定的力的作用下跟腱变形减小，在 其它条件相同时，肌腱形变的减小，这将会减小肌小节的缩小，从而减少了肌小 节的损伤几率；在肌肉“等长收缩时，刚性大的肌腱可以减小肌小节的收缩速 度和缩短速率，从而增加收缩力 2 2 0 ；由于肌腱的损伤及断裂通常是由于在一定应 变下肌腱内部结构完整性遭到破坏，因此，在一定力作用下应变的减少，从而使 肌腱应变损伤的几率降低；此外，当刚度升高及顺应性降低时，在一定的力作用 下跟腱变形减小，这样可以较好地保持关节的稳定性从而减少关节损伤的几率； p r o s k c 2 2 1 】在研究肌肉收缩及运动时肌腱的弹性作用时，认为如果肌肉连接于一个 较易伸展的肌腱，那么达到使肌腱伸展的时间会增加，从而会增加下肢位置错误 的几率；长期运动后，刚度的增加会增加在一定时间内力的传递，即会增加力的 传递速度，从而更快地进行关节的运动。已有研究报道刚性大的肌腱会产生较快 的力矩增加口捌。因此，正如c a v a 盟a 等【2 2 3 】所认为，耐力训练可能更适宜于把力有 效地传递给肌腱从而进行精确地运动。此外，肌腱的应变和肌腱长度与肌肉长度 比具有正比关系1 2 2 4 1 。因此，在一定范围内，跟腱刚度的增加可以减少肌肉肌腱复 合体的损伤几率和提高运动的效率。研究发现持续离心收缩可通过串联肌小节来 增加肌纤维的长度【2 2 5 1 ，假设在一定力作用下肌腱的长度不变，肌肉的这种适应性 变化会降低肌腱的应变，而这与长期跑台运动后肌腱的刚度增加的结果一致。 肌腱的力学特性研究表明，肌腱不仅仅是将肌肉产生的力传递到骨，其弹性 能量储存及随后的能量释放可以增强运动的效率。本研究中长期跑台运动后跟腱 的最大能量储存能力增加。这同一些学者的研究结果相一致。v i i d i k t 7 9 j 发现兔子4 0 周训练后肌腱的断裂能量吸收显著增加。任洪峰【7 2 1 和郭振海【7 1 均研究结果发现， 运动训练后肌腱最大能量储存也显著增加。n a k a g a l 【i 等1 2 2 6 j 的研究发现，自由活动 的鸡较圈养鸡的浅趾屈肌腱具有较高的能量吸收。但l e g e r l o t z 等【8 习将大鼠放于自 动转笼中1 2 周，结果发现极限能量储存没有差异，而且跟腱刚度等力学指标也没 有发生显著变化。研究结果的不同可能和运动负荷有关，在他的研究中大鼠于属 于随意运动，而本研究中的运动强度要大于他研究中的运动强度。此外，k u b 0 1 9 l 】 进行在体研究发现长跑运动员0 到1 0 0 最大随意收缩时的能量储存反而降低，可 跑台运动对大鼠跟腱的影响及其机制研究 2 跑台运动对大鼠跟腱生物力学性能的影响 能在线性区域下的能量储存与极限拉伸力下的最大能量储存不同，是否如此，还 需要进一步研究。 一些研究表明长期耐力运动后肌腱的极限载荷增加。如兔子进行4 0 周训练后 的胫骨后肌、腓骨长肌的肌腱与对照组相比具有较高的极限拉伸负载【7 9 1 。猪进行 1 2 个月的跑台耐力运动后，趾伸肌腱极限强度升高鲫。任洪峰【7 2 】艾进伟硎等也有 同样的研究报道。本研究结果与以上学者研究结果相一致。极限载荷的增加可能 增加运动时跟腱最大负载的能力。对于大多数肌腱来说安全因子( 断裂应力除以 运动时的应力) 约为8 ，但对于跟腱更小，在最大等长收缩时约为2 4 【4 5 1 。因此， 在包含肌肉离心收缩的大强度运动中，跟腱的应变和应力会很大而接近其安全因 子。长期耐力跑台运动后跟腱极限载荷的增加，可提高运动时跟腱的安全空间。 肌腱与所有的工程结构材料一样在低于极限应力的载荷持续作用下会发生疲 劳损伤和断裂，肌腱的疲劳性即肌腱抵抗疲劳的能力，可以反映肌腱的质量，通 常以肌腱在一定载荷下达到断裂时的循环次数或时间来衡量【1 7 3 1 。有研究表明，肌 腱的疲劳性与其一生中所经历的应力是相适应的【1 8 6 】。目前，关于长期的耐力运动 是否会增加肌腱的疲劳性的报道较少。w r e n 等【1 7 7 】研究发现，在蠕变实验中，跟腱 达到断裂的时间，随着初始应变( 目标应力达到时的应变) 的增加和断裂应变的 下降而呈指数下降；在循环负载下，达到断裂的时间随着初始应变、应力的增加 和断裂应变的下降也呈指数下降，因此，作者认为，初始应变可以预测肌腱在恒 载下和循环载荷下达到断裂的时间或循环次数，即疲劳寿命。根据这一研究结果， 长期的耐力运动后，大鼠跟腱的刚度增加无疑会使跟腱在一定应力下的应变减少 而使达到断裂的时间增长，即疲劳性增加。此外，另一学者s c h e c h t m a n t m 】在研究 人体的趾长伸肌腱的疲劳性时得出一经验公式：s = 9 6 5 1 5 8 1 0 9 ( n ) ，其中n 为达 到断裂时的循环次数，s 为疲劳实验时作用于肌腱的应力和极限应力的百分比。对 于同样大小的载荷当极限载荷增加时，其百分比减小，n 增大，即达到断裂的循环 次数增加。所以根据以上两个学者的研究结果，可以认为：长期跑台运动后大鼠 跟腱的疲劳性增加，从而降低了疲劳性损伤的发生几率。 长期跑台运动后跟腱最大载荷的增加可能是由于胶原原纤维直径增加，有研 究认为大直径的胶原原纤维由于较多的原纤维间的三价交联而具有较高的拉伸强 度，小直径的原纤维由于单位体积内较大的接触面积可防止原纤维间的滑移，而 这点增加了其与周围基质之间的相互作用。在同样的应变下，小直径的原纤维会 5 3 跑台运动对大鼠跟腱的影响及其机制研究 2 跑台运动对大鼠跟腱生物力学性能的影响 先于大直径原纤维断裂，大直径的胶原原纤维不容易断裂【3 6 , y r l 。但目前一些对肌 腱和自我装配的胶原纤维的研究