糖尿病影响肌腱修复生物学机制研究范文

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摘要:肌腱病发生的主要原因是肌腱修复异常。糖尿病可能影响损伤肌腱的修复过程，故糖尿病患者是肌腱病高危人群。糖尿病对肌腱修复的影响涉及肌腱细胞、肌腱干细胞、细胞外基质及肌腱中其他组织等多方面。该文分别从细胞、细胞外基质和血管神经3方面对糖尿病影响肌腱修复的分子生物学机制作一综述。

关键词:糖尿病；肌腱修复；细胞；细胞外基质

糖尿病是一种代谢性疾病，随着人口老龄化进程加快，其发病率呈上升趋势［1］。糖尿病可导致骨骼运动系统出现功能紊乱，且与肌腱相关疾病关系密切［2］。糖尿病患者肌腱组织不但运动耐受力会降低，其功能活动也可受到影响。肌腱主要由高度分化的胶原纤维和不同的结构蛋白构成，后者包括蛋白聚糖和糖蛋白等［3］。与非糖尿病人群相比，糖尿病患病人群的肌腱相关疾病（肌腱病、肌腱损伤、腱鞘粘连和肌腱修复障碍等）发生率明显增加［4］，术后感染率也增加，而肌腱修复能力降低［5］。与正常小鼠相比，糖尿病小鼠髌腱组织学表现为更黄、更暗，其肌腱冠状面积和横截面积均增大，组织脆性增加，而生物力学性能及抗拉伸强度降低［6］。除改变肌腱组织学形态及性状外，糖尿病还可减小损伤肌腱愈合的面积［7］，破坏肌腱内环境稳态，从而影响肌腱中的细胞［8－9］。肌腱病发生的关键在于肌腱的异常修复。研究发现，肌腱修复过程分为3个阶段，分别为炎症期、修复期及增殖和重塑期，且这3个阶段存在时间重叠［10］。依据临床表现，肌腱的修复愈合方式可分为外源性愈合和内源性愈合2种。外源性愈合主要是瘢痕愈合，纤维瘢痕形成可导致修复后的肌腱应力弱于原生肌腱，故该方式易致肌腱功能不完整和肌腱损伤复发；内源性愈合主要通过内在的肌腱干细胞分化完成，可实现完全愈合。因此，促进肌腱的内源性愈合，激活肌腱干细胞是修复肌腱并恢复其功能的关键。糖尿病患者患肌腱病的概率高于正常人，且高糖环境会影响损伤和断裂的肌腱修复过程。糖尿病患者的肌腱可能因过多的成肌纤维分化而发生胶原沉积紊乱及瘢痕形成过度［10－11］。

1高糖环境对肌腱组织中细胞的影响

1．1高糖环境对肌腱细胞的作用

肌腱细胞是肌腱组织中主要的细胞类型，对肌腱细胞外基质有调控作用，而高糖环境可使其发生改变。Wu等［8］对鼠肌腱细胞进行体外实验后发现，高糖环境可抑制腺苷酸活化蛋白激酶（AMPK）信号转导通路，降调Egr1表达，并抑制其他成腱相关基因如Mkx、转化生长因子（TGF）－β1、Col1a2及Bgn等表达，从而抑制肌腱细胞修复。Poulsen等［12］通过体外实验发现，低糖环境中的氧化应激可使肌腱细胞保持活力和促进胶原合成增加，高糖环境则会诱导肌腱细胞凋亡，加重肌腱损伤，并延长肌腱修复时间。Wu等［13］通过对大鼠肌腱细胞进行体外实验还发现，高糖环境可激活细胞外调节蛋白激酶（ERK）和蛋白激酶B（Akt）信号转导通路，使成脂转录因子、过氧化物酶体增殖物激活受体（PPAR）γ和CCAAT／增强子结合蛋白（C／EBP）表达上调，从而增加肌腱细胞成脂分化的潜能，且可减少肌腱细胞迁移，促进脂质沉积，导致肌腱细胞向脂肪细胞表型改变。综上所述，高糖环境可使肌腱细胞修复能力下降，并促进肌腱细胞凋亡和非腱向分化。

1．2高糖环境对肌腱干细胞的作用

肌腱组织中还有少量的肌腱干细胞，它们在肌腱组织中发挥着重要作用，其分化对于肌腱损伤后的内源性愈合有着重要的影响，而其衰竭和非腱向分化则可能是导致糖尿病肌腱发生病理改变的关键［14－15］，且肌腱干细胞自身功能紊乱会影响肌腱修复过程。研究表明，糖尿病大鼠肌腱组织的前列腺素（PGE）2表达水平增高［16］，PGE2对肌腱干细胞有双向作用，低浓度的PGE2可增强肌腱干细胞的活力和功能，而高浓度的PGE2则促进肌腱干细胞的非腱向分化并抑制其功能［17］。高表达的PGE2可以通过激活磷脂酰肌醇3－激酶（PI3K）／Akt信号转导通路促进骨形态发生蛋白（BMP）－2的释放，而BMP－2能诱导体外大鼠肌腱干细胞的成骨分化［18］。PGE2还可以通过环腺苷酶（cAMP）／蛋白激酶A（PKA）－C／EBP信号转导通路促进胰岛素样生长因子（IGF）－1的表达上调，而BMP－2和IGF－1可以介导PGE2诱导肌腱干细胞的成脂分化。Lin等［19］研究发现，高糖环境会通过下调Scx和Col1a1基因以及腱调蛋白（TNMD）的表达，抑制肌腱干细胞的增殖能力，促进其凋亡，导致肌腱干细胞分化能力下降，影响肌腱的修复过程。综上所述，高糖环境可促进肌腱干细胞的非腱向分化，并且使得肌腱干细胞自身增殖能力下降，从而影响肌腱修复过程。

1．3高糖环境对炎症细胞的作用

研究表明，在肌腱修复阶段使用抗炎药物会影响修复后的肌腱承受力和肌腱微结构，从而影响肌腱修复［20－22］。肌腱修复过程中，除肌腱细胞和肌腱干细胞参与外，很多炎症细胞及其分泌的细胞因子也可能参与其中。研究证实，肌腱损伤后巨噬细胞会被募集，参与肌腱组织的再生和修复［23］，并通过促进CD206和Fizz1表达激活TGF－β信号转导通路，增加Ⅰ型胶原释放，从而修复损伤的肌腱［24－26］。巨噬细胞在肌腱修复早期的炎症阶段和晚期的重塑阶段可出现聚集，其数量随肌腱的不断修复而增加［27］。Ackerman等［10］研究显示，高糖环境可改变肌腱组织中巨噬细胞的极性，尤其可聚集并过度激活M2型巨噬细胞，促进其表达CD206、Fizzi1等蛋白。而上述蛋白可上调肌腱组织中Col3a1和Col1a1基因的表达，从而导致瘢痕组织体积过大，使得修复后肌腱组织机械性能（承受力、硬度和抗牵张能力）下降，最终影响肌腱修复。

2高糖环境对细胞外基质的作用

肌腱组织的细胞外基质主要由胶原组织构成，还包括蛋白多糖、糖蛋白、弹性蛋白纤维及大量细胞因子等成分。而高糖环境同样会影响肌腱组织中的细胞外基质。Wu等［8］研究发现，糖尿病会破坏大鼠的肌腱纤维组织，使纤维间隙增大。研究表明，高糖环境可阻碍肌腱组织中胶原的产生，使晚期糖基化终末产物（AGE）增多，而AGE与胶原纤维之间形成交叉连接［28］，并且交叉连接逐渐替代原本胶原纤维之间的连接，导致胶原纤维功能紊乱，使得肌腱生物性能（承重、抗牵拉等能力）降低［29－30］，影响肌腱修复效果［31］。Ahmed等［29］通过对糖尿病大鼠的受损肌腱进行研究发现，其细胞外基质内双糖链蛋白多糖（Biglycan）含量下降，而肌腱组织内的肌腱干细胞需要在由Biglycan和人纤调蛋白（Fibromodulin）组成的独特微环境内才能保持稳态，Biglycan含量降低会破坏肌腱干细胞所需的微环境，并且会激活BMP信号转导通路，诱导肌腱干细胞成骨分化［32］，从而影响肌腱修复。另有研究发现，受损的糖尿病肌腱组织中基质金属蛋白酶（MMP），如MMP－3、MMP－9和MMP－13等相关基因表达水平下降会导致修复后的肌腱机械强度降低［29，33］，影响肌腱修复［29，34］。MMP相关基因表达异常可破坏其与组织金属蛋白酶抑制剂（TIMP）之间的平衡［35］，由此导致胶原组织降解，进而破坏肌腱组织的完整性。此外，短期高糖环境的刺激会使修复的肌腱组织出现软骨化现象，这也可能导致肌腱修复后出现长期退化［31］。

3高糖环境对血管和神经的作用

除肌腱细胞、肌腱干细胞和细胞外基质外，肌腱组织中的血管和神经在肌腱修复过程中也具有至关重要的作用。研究报道，充分的血液循环供应和神经元分布有利于肌腱受损部位胶原蛋白的合成［36］。糖尿病的常见并发症包括外周神经和血管损伤。目前有研究发现糖尿病患者及大鼠的肌腱组织内血管生成减少［37］，糖尿病患者肌腱组织的神经生长因子（NGF）和神经激肽（NK）1水平降低，NGF和NK1水平的下调可能导致肌腱干细胞减少及血管发生不充分［38］；高糖环境中MMP的低表达也会抑制血管发生［39］，而早期的血管发生有利于炎症细胞和成纤维细胞的进入，并促进相关生长因子以及细胞因子的释放，因此高糖环境可通过抑制早期血管发生影响肌腱修复［34］。在正常机体内，肌腱损伤后会有大量的神经以及神经元长入，放大和微调炎症，调节肌腱再生过程［40］。但Bring等［36］研究发现，在糖尿病大鼠受损肌腱内长入的神经明显受到抑制，并且神经元的形态发生改变，数量也明显减少，影响受损部位胶原蛋白合成以及肌腱再生调节，从而影响肌腱修复。

4结语

糖尿病影响损伤肌腱修复的相关研究已从形态学和生物力学水平逐渐深入到组织病理学、细胞学和分子生物学水平。糖尿病对肌腱修复过程的影响极大，提示其中可能存在复杂的机制。糖尿病肌腱的产生并非单纯由肌腱组织局部葡萄糖浓度升高所致，可能与机体胰岛素水平、局部炎症反应、肌腱组织周围神经血管改变等多方面因素有关，是局部多种病变的结果，其机制必然是复杂的。了解病理状态下的肌腱修复机制，既有利于预防疾病的发生，也有助于治疗过程中把握其中关键的靶点，通过干预影响疾病进程，并改变疾病的结局或预后。糖尿病患者肌腱组织中肌腱干细胞的非腱向分化及其机制、胰岛素代谢对肌腱修复过程的影响及局部炎症反应和巨噬细胞对糖尿病肌腱的调控机制等问题，有待进一步研究加以明确。

作者：杨仁豪 虞佩 王蕾 单位：上海交通大学医学院附属瑞金医院骨科