骨骼肌鈍挫傷的損傷與修復機制研究進展

林建平，王 浩，郭明玲，王詩忠，陳少清

1 福建醫(yī)科大學健康學院，福建 福州 350122；

2 福建省康復養(yǎng)老與產(chǎn)業(yè)促進協(xié)同創(chuàng)新中心，福建 福州 350122；

3 福建醫(yī)科大學附屬第一醫(yī)院，福建 福州 350005；

4 福建中醫(yī)藥大學康復醫(yī)學院，福建 福州 350122

骨骼肌鈍挫傷（skeletal muscle contusions，SMC）是臨床常見的運動損傷疾?。?-2］，在骨骼肌損傷中占比超過60%［3］。盡管SMC 可以自愈，但是損傷后影響骨骼肌的結(jié)構(gòu)和功能，導致肌肉萎縮、痙攣、疼痛及二次損傷［4］。目前國內(nèi)外學者對骨骼肌鈍挫傷的損傷與修復機制尚未定論，但肌衛(wèi)星細胞增殖和分化學說、Ca2+介導的細胞膜修復學說、內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激學說、自噬學說是SMC 損傷與修復研究的重點，且至今未有相關(guān)的SMC 機制研究進展報道，因此有必要圍繞以上學說作一綜述。

1 骨骼肌損傷后修復進程

骨骼肌損傷后的修復大致可分為3 期，分別是損傷期、修復期和組織塑性期。

1.1 損傷期

此期組織處于壞死與炎癥階段，肌纖維、血管、電解質(zhì)和神經(jīng)遭到不同程度的破壞。細胞膜破損，肌漿中大量Ca2+外流，造成損傷局部出現(xiàn)高鈣環(huán)境，激活鈣依賴的各種機體應(yīng)激反應(yīng)。此外，眾多炎癥因子聚集到損傷部位。損傷24 h 后就開始出現(xiàn)新生血管，新生血管將大量的中性粒細胞、巨噬細胞和T 淋巴細胞運送到損傷部位，參與局部的炎癥反應(yīng)。

1.2 修復期

肌細胞的再生出現(xiàn)在骨骼肌損傷后3 d 左右，參與肌細胞再生的是肌衛(wèi)星細胞，肌衛(wèi)星細胞在相關(guān)信號通路的調(diào)控下分化、增殖形成肌纖維。研究表明，肌衛(wèi)星細胞增殖和分化大約可持續(xù)10 d［5］。此階段多種肌再生因子及血管再生因子參與肌肉和血管的再生，其中與SMC 后修復相關(guān)的血管再生因子主要是低氧誘導因子-1a（hypoxia inducible factor-1a，HIF-1a）、血管生成素-1（angiopoietin-1，Ang-1）、血管內(nèi)皮生長因子（vascular endothelial growth fac?tor，VEGF）。劉曉光等［6］研究表明，HIF-1a、Ang-1在SMC 后表達升高，VEGF 表達顯著降低，推測HIF-1a、Ang-1 參與了骨骼肌損傷后血管再生以及骨骼肌再生。

1.3 組織塑性期

傷后14 d～2 個月，細胞外基質(zhì)會加速增殖，發(fā)生纖維化。在這個過程中轉(zhuǎn)化生長因子-β1（trans?forming growth factor-beta 1，TGF-β1）起關(guān)鍵作用，TGF-β1 可直接刺激成纖維細胞產(chǎn)生大量細胞外基質(zhì)蛋白，還可抑制細胞外基質(zhì)蛋白的降解，導致纖維化的發(fā)生［7］，適度的纖維化有利于傷口的愈合，但是過度的纖維化會降低肌肉的收縮功能及運動能力。

以上3個階段不是孤立發(fā)生的，而是重疊交錯，緊密聯(lián)系，每個階段的具體作用機制錯綜復雜。以下分別從肌衛(wèi)星細胞增殖和分化學說、Ca2+介導的細胞膜修復學說、內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激學說以及自噬學說進行闡述。

2 肌衛(wèi)星細胞增殖和分化學說在SMC 方面的相關(guān)研究

肌再生在骨骼肌損傷與修復中至關(guān)重要，肌再生依賴于周圍衛(wèi)星細胞的分化、增殖，促進骨骼肌再生，從而修復受損肌肉的功能［8］。當肌肉受損后，處于靜止狀態(tài)的衛(wèi)星細胞被激活，引起細胞增生、分化，最終融合成多核肌管，并與受損的肌纖維結(jié)合，形成新的肌纖維細胞［9］?？梢?，衛(wèi)星細胞是參與運動損傷后肌肉再生的結(jié)構(gòu)生理學基礎(chǔ)［10］。同時，衛(wèi)星細胞在參與肌肉生長和肌肉再生過程中還受到多條信號通路的調(diào)控。

2.1 RBP-Jκ/Notch 信號通路調(diào)控肌衛(wèi)星細胞分化成肌研究

在成人中，Notch 信號通路對肌肉、腦、皮膚、腸道以及血管等組織的干細胞起重要調(diào)控作用［11-16］，在哺乳動物中，Notch 信號通路受體和配體結(jié)合后，引起一系列的受體蛋白水解，并釋放出命名為NICD（noth intracellular domain）的Notch 胞內(nèi)區(qū)域［17］，NICD 被轉(zhuǎn)移到細胞核，然后與RBP-Jκ（recombina?tion signal binding protein-Jκ）重新結(jié)合［18］，RBP-Jκ是經(jīng)典Notch 信號通路中關(guān)鍵的轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)因子。潘同斌等［19］研究表明，SMC 可以使大鼠骨骼肌的血清中的RBP-Jκ 含量上升，RBP-Jκ 可能在骨骼肌衛(wèi)星細胞激活及損傷與修復中起著正向調(diào)節(jié)的作用。BJORNSON 等［20］研究證實，特異性地敲除骨骼肌RBP-Jκ 基因，將導致衛(wèi)星細胞耗竭，并且肌肉將喪失損傷后修復的能力，而導致衛(wèi)星細胞耗竭的原因不是衛(wèi)星細胞的凋亡，相反，這些RBP-Jκ 基因缺失的衛(wèi)星細胞自發(fā)激活，其中大多數(shù)細胞還沒有進行分裂就異常分化，并與鄰近的肌纖維融合，導致肌衛(wèi)星細胞不斷減少。

以上研究顯示，Notch 信號通過調(diào)控肌衛(wèi)星細胞自我更新和分化來維持肌干細胞的穩(wěn)態(tài)，這一過程對于正常的肌生成與修復是至關(guān)重要的。

2.2 Wnt信號通路調(diào)控肌衛(wèi)星細胞分化成肌研究

已有研究結(jié)果表明，Wnt 信號通路調(diào)控是胚胎成肌過程中必不可少環(huán)節(jié)［21］。那么其在成熟肌纖維再生過程中是否具有同樣重要的作用？潘同斌等［22］研究發(fā)現(xiàn)，大鼠鈍挫傷后骨骼肌衛(wèi)星細胞中AXIN、GSK-3β 的含量的表達下降，而肌衛(wèi)星細胞明顯增殖。GSK-3β、AXIN 屬于Wnt 信號通路負性調(diào)控因子，其表達水平下降，可激活Wnt 信號通路。其研究提示骨骼肌損傷與修復可能與該通路的激活有關(guān)。同樣地，陳宗正等［23］采用Wnt 信號通路的抑制劑EGCG 來抑制豬骨骼肌衛(wèi)星細胞Wnt信號通路，發(fā)現(xiàn)大量細胞停滯在G1 期，表明細胞的增殖被抑制。以上研究表明，Wnt 信號通路可能在骨骼肌損傷與修復中發(fā)揮正向調(diào)控作用。然而，ZHAO等［24］通過一種心臟毒素（cardiotoxin）來誘導肌肉再生，沒有檢測到經(jīng)典Wnt信號通路中關(guān)鍵因子（Wnt-Frizzled-bgr；-catenin-Lef1/Tcf1）的基因表達，僅在某些時間位點上觀察到β-catenin 的表達，但是與對照組比較差異無統(tǒng)計學意義，其研究表明在肌肉再生過程中，Wnt信號通路處于抑制狀態(tài)。

因此，關(guān)于Wnt 信號通路在成熟骨骼肌再生過程中的作用是存在爭議的，激活Wnt 信號通路是否有利于骨骼肌損傷與修復需要更多的研究來進行論證。

2.3 P13K/Akt/mTOR 信號通路調(diào)控肌衛(wèi)星細胞分化成肌研究

P13K/Akt/mTOR 信號通路對肌衛(wèi)星細胞分化、成肌過程具有正向調(diào)控作用［25］。ZHANG 等［26］使用mTORC1 抑制劑-雷帕霉素（rapamycin）來抑制TOR信號通路，結(jié)果發(fā)現(xiàn)肌纖維細胞的分化過程被抑制。張安寧等［27］發(fā)現(xiàn)阻斷該通路后，MyoD1、MyoG和MyHC（成肌分化標志基因）的表達下降。HAN等［28］研究表明，胰島素樣生長因子1 和亮氨酸可以通過mTOR 途徑激活豬的肌衛(wèi)星細胞。PEREIRA等［29］研究表明，亮氨酸通過調(diào)控PI3K/Akt/mTOR 通路促進衛(wèi)星細胞增殖來提高老年大鼠骨骼肌的再生能力。

以上研究表明，P13K/Akt/mTOR 信號通路對肌衛(wèi)星細胞的成肌分化具有正向調(diào)控作用，能夠促進骨骼肌再生。

3 Ca2+介導細胞膜修復與SMC研究

細胞膜損傷后的自我修復能力對細胞的存活至關(guān)重要。當受損時，真核細胞能夠在幾秒鐘內(nèi)恢復細胞膜的完整性，從而避免了細胞質(zhì)泄漏和細胞死亡。這一過程是由細胞外Ca2+流入驅(qū)動的［30-31］，它觸發(fā)了大量的細胞內(nèi)效應(yīng)，參與了質(zhì)膜再密封的過程。細胞膜修復的一個重要標志是細胞內(nèi)囊泡的募集及其在受損部位的胞外分泌［32］。

骨骼肌鈍挫傷后大多數(shù)是完成自我修復的過程，在這一過程中，Ca2+對于介導骨骼肌細胞膜的自我修復能力起著重要的作用。MELLGREN 等［33］研究表明，Ca2+從受損的細胞膜內(nèi)流到細胞內(nèi)，并且大量Ca2+內(nèi)流激活相關(guān)的鈣蛋白酶，從而將Dysferlin水解成mini-dysferlinC72［34］。這一過程在骨骼肌損傷與修復中起關(guān)鍵作用，研究表明Dysferlin 通過調(diào)節(jié)損傷引發(fā)的囊泡融合參與質(zhì)膜修復，被認為是鈣依賴性肌膜修復的關(guān)鍵介質(zhì)［35］。在去極化型電壓門控鈣通道（L-型VGCC）協(xié)調(diào)下，富含mini-dysfer?linC72 的細胞質(zhì)囊泡被迅速募集到膜損傷部位，并與MG53 修飾的質(zhì)膜間隔融合，最終標記并與暴露出來的磷脂相結(jié)合，類似補丁作用，嵌入到膜損傷位點，從而完成修復過程［36］。見圖1。

圖1 Ca2+介導細胞膜修復Figure 1 Calcium-dependent plasma membrane repair

4 內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激與SMC研究

骨骼肌擁有高度發(fā)達的內(nèi)質(zhì)網(wǎng)，內(nèi)質(zhì)網(wǎng)又被稱為肌漿網(wǎng)，不僅可以作為鈣泵完成肌肉的興奮收縮偶聯(lián)反應(yīng)，還可對各種生理或病理性刺激迅速做出反應(yīng)［37］。骨骼肌損傷后引起鈣泵結(jié)構(gòu)受損或功能下降使Ca2+回收受阻，Ca2+失調(diào)通過促進線粒體的活性氧（reactive oxygen species，ROS）的產(chǎn)生和擾亂內(nèi)質(zhì)網(wǎng)腔內(nèi)的蛋白質(zhì)折疊，有助于異常的蛋白質(zhì)生成［38］，內(nèi)質(zhì)網(wǎng)中異常折疊蛋白生成增多，超過其閾值并發(fā)生聚集、滯留，最終誘導內(nèi)質(zhì)網(wǎng)過度應(yīng)激［39］。FERNáNDEZ 等［40］采用離心運動誘導骨骼肌損傷，結(jié)果發(fā)現(xiàn)內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激標志蛋白（GRP78）表達明顯增加。目前關(guān)于內(nèi)質(zhì)網(wǎng)與骨骼肌損傷的研究集中在運動性骨骼肌損傷，其在SMC 中的作用有待進一步研究。

5 內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激-自噬反應(yīng)與SMC研究

內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激在短期內(nèi)可以增強細胞應(yīng)對刺激的能力并促進細胞存活，但持續(xù)的內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激會誘導炎性、自噬反應(yīng)等發(fā)生［37］。內(nèi)質(zhì)網(wǎng)自噬主要以一種選擇性的、受體-蛋白介導的方式存在，哺乳動物以Ca2+穩(wěn)態(tài)失衡與過度未折疊蛋白反應(yīng)（unfolded protein response，UPR）的內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激為關(guān)鍵［41］。當內(nèi)質(zhì)網(wǎng)過度應(yīng)激時，內(nèi)質(zhì)網(wǎng)鈣泵功能和結(jié)構(gòu)受損，將啟動自噬途徑清除滯留的蛋白聚集體和受損內(nèi)質(zhì)網(wǎng)［42］。利用內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激激活物衣霉素（tunicamy?cin，TM）或毒胡蘿卜內(nèi)酯（thapsigargin，TG）誘導成肌細胞劇烈內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激時，可以檢測到自噬通路的激活。研究表明蛋白激酶C（protein kinase C，PKC）可能介導了內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激對自噬的誘導作用，免疫熒光染色可以檢測到PKC 與自噬蛋白-微管相關(guān)蛋白1輕鏈3（LC3）陽性自噬體的共定位，阻斷PKC對TG誘導的內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激無影響，但可以抑制自噬［37］。

除了PKC 介導的內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激對自噬過程有誘導作用［43］，內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激和自噬之間還存在其他途徑。《Nature》報道FAM134B 作為一種受體蛋白，幫助內(nèi)質(zhì)網(wǎng)碎裂成可以輕易納入自噬體中的碎片，當內(nèi)質(zhì)網(wǎng)自噬啟動后，F(xiàn)AM134B 選擇性錨定受損內(nèi)質(zhì)網(wǎng)，幫助其碎裂成片段并與正常結(jié)構(gòu)脫離，隨即招募自噬蛋白LC3，形成自噬體［44］。

6 線粒體自噬與SMC研究

自噬是細胞通過自我降解異常細胞器或錯誤折疊蛋白，以更新并維持細胞內(nèi)環(huán)境穩(wěn)態(tài)［42，45］。羅翱等［46］研究發(fā)現(xiàn)，骨骼肌自噬相關(guān)因子表達，隨骨骼肌損傷與修復的變化而變化，推測骨骼肌急性鈍挫傷的修復速度可能與細胞自噬水平有關(guān)。

關(guān)于自噬在骨骼肌損傷與修復中的作用機制，除了內(nèi)質(zhì)網(wǎng)過度應(yīng)激誘導，有關(guān)報道認為鈍挫傷誘發(fā)的局部組織供氧不足，促使大量的ROS 產(chǎn)生，低氧誘導因子-1（hypoxia-inducible factor 1，HIF-1）被激活［47］，導致線粒體膜外蛋白BNIP3、NIX 的表達升高。過表達的BNIP3 和NIX 誘發(fā)線粒體自噬，通過介導線粒體內(nèi)溶酶體蛋白，消除氧化的線粒體蛋白，維持線粒體的穩(wěn)定［48］，從而達到促進鈍挫傷修復目的［49-50］。

腺苷酸活化蛋白激酶（AMP-activated protein ki?nase，AMPK）是近年來能量代謝研究的熱點，在能量產(chǎn)生不足或機體組織缺氧狀態(tài)下可被激活。SMC后肌組織被破壞，炎細胞浸潤，線粒體腫脹等病理改變，導致組織缺血缺氧，ATP 生長障礙，進而激活AMPK信號通路。溫含等［51］研究證實，骨骼肌鈍挫傷后AMPKa2表達升高。被激活的AMPK 可通過Atg1和ULK 途徑促進線粒體自噬［52］。相關(guān)研究表明，AMPK信號通路激活對SMC后的修復作用主要體現(xiàn)在促進肌細胞能力代謝方面，具體表現(xiàn)為促進線粒體合成［53］，增加肌纖維對糖攝?。?4］，并通過抑制mTOR蛋白，減少蛋白質(zhì)合成，節(jié)約ATP消耗［55］。

7 小 結(jié)

雖然國內(nèi)外對SMC 機制沒有定論，但是目前研究的重點聚集在肌衛(wèi)星細胞，以及調(diào)控肌衛(wèi)星細胞成肌分化的相關(guān)信號通路：RBP-Jκ/Notch信號、Wnt信號、P13K/Akt/mTOR 信號通路，這3條信號通路將有望成為臨床研究治療SMC 的作用靶點，有助于探討SMC 的治療作用機制。但值得注意的是，Wnt信號通路在成熟骨骼肌再生過程中的作用存在爭議，激活Wnt 信號通路是否有利于骨骼肌損傷與修復需要更多的研究來進行論證。

同時，血管新生因子、Ca2+介導的細胞膜修復、內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激、自噬（內(nèi)質(zhì)網(wǎng)和線粒體）也是研究的重點和熱點。影響骨骼肌損傷與修復的因素錯綜復雜，雖然P13K/Akt/mTOR信號是誘導自噬的通路之一［56］。但隨著研究的進展，近年來認為內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激是一種新型的誘導自噬激活途徑［57］。關(guān)于自噬在骨骼肌損傷修復中的作用機制，除了內(nèi)質(zhì)網(wǎng)過度應(yīng)激誘導，有關(guān)報道認為鈍挫傷誘發(fā)的局部組織供氧不足，促使大量的ROS 產(chǎn)生或AMPK 信號通路的激活，均可誘導線粒體自噬維持線粒體的穩(wěn)定，減少能量消耗，從而有利于促進鈍挫傷修復。雖然骨骼肌鈍挫傷的損傷修復的機制錯綜復雜，但上述學說之間有交叉之處。因此對于骨骼肌鈍挫傷的損傷修復機制研究可以圍繞以上學說進一步深入研究，以明確不同學說在骨骼肌損傷修復的不同階段如何發(fā)揮協(xié)同作用。