Science Advances：探究跑步后跟腱膠原蛋白變性與跟腱病的關系

研究背景：
跟腱病在人群中日益常見，其發病機制尚不明晰，現有研究多為體外實驗，體內研究有限，且缺乏有效診斷方法。本研究旨在探究跑步后跟腱膠原蛋白的體內變化，明確跟腱病的發病機制，并開發新的成像診斷方法。

中山大學附屬第五醫院李旸研究員、李紹林教授、李曼研究員團隊合作在《Science Advances》發表文章“Collagen denaturation in post-run Achilles tendons and Achilles tendinopathy: In vivo mechanophysiology and magnetic resonance imaging”，為我們理解和檢測運動對跟腱膠原纖維和分子結構的影響提供了新的視角和關鍵證據。 論文探究了跑步后跟腱膠原蛋白變性與跟腱病的關系，為跟腱病的診療提供了新方向。

實驗設計：
用不同跑步方案處理大鼠，檢測跟腱變化；構建小鼠跟腱損傷模型，用探針檢測體內膠原蛋白變性，開發對比劑進行MRI成像。

實驗結果:
1,  體內膠原蛋白變性：體外實驗顯示機械加載可使膠原蛋白變性；體內實驗表明，運動時跟腱膠原蛋白分子未展開，運動后12小時變性增加，7天恢復，與MMPs濃度相關。

 
2,  膠原纖維組織恢復：運動后膠原纖維紊亂，2 - 7天逐漸恢復正常排列。


 3,   細胞形態和基因表達改變：跟腱細胞形態在運動后改變，MMPs和α - SMA表達上調，基因表達變化涉及多種生物過程。


 4,  長期跑步的影響：長期跑步使大鼠跟腱變性膠原蛋白積累，出現跟腱病特征。 


 5,  體內檢測和MRI成像：CHP能在體內靶向變性膠原蛋白，Gd - Cy5 - CHP對比劑可實現跟腱損傷的MRI成像。

 
實驗中使用跑步訓練設備：
一次性跑步機跑步實驗：
30只SD大鼠隨機分為五組（每組n = 6）：運動后0小時組、運動后0小時（3小時跑步）組、運動后12小時組、運動后7天組和籠養對照組。除運動后0小時（3小時跑步）組的大鼠在跑步機上以相同速度跑3小時外，其他跑步組的大鼠均在跑步機（KW-PT，南京卡爾文生物科技有限公司）上以10°坡度、20m/min的速度跑1小時。跑步前，大鼠先以12 - 20m/min的速度逐漸增加進行10分鐘的適應性訓練。跑步過程中，通過氣流和跑步機后部的輕微電刺激促使大鼠持續運動，實驗全程使用氣流催促所有大鼠跑步。對于跑離皮帶的大鼠，在跑步機后端施加輕微電刺激使其返回跑步。在運動后0小時（立即）、12小時或7天，對大鼠實施安樂死并采集跟腱（圖1D以及表S1和S2）。籠養對照組的大鼠在整個研究期間保持正常活動，不進行跑步，與運動后12小時組的大鼠同時安樂死。為更好地觀察跑步后休息階段跟腱的變化，將16只SD大鼠分為四組（每組n = 4）：運動后12小時組、運動后2天組、運動后4天組和運動后7天組。

長期跑步機跑步實驗：
20只動物隨機分為四組（每組n = 5）：4周跑步組、12周跑步組、4周對照組和12周對照組。跑步組的大鼠每周5天、每天在10°坡度的跑步機上跑1小時，持續4周或12周。在第1周，跑步的時長和速度逐漸增加，直至大鼠能夠以17m/min的速度跑1小時（表S5）。從第2周起，速度設定為20m/min。籠養對照組的大鼠在整個研究期間保持正常的籠內活動。在第4周或12周結束后，對跑步組和對照組的大鼠實施安樂死并采集跟腱（圖5A）。為盡量減少跑步的即時影響，所有大鼠在跑步組完成最后1小時跑步訓練的24小時后同時安樂死。

研究結論：
運動后膠原蛋白變性可能是組織修復的一種機制，而非機械損傷的直接結果；長期疲勞加載會導致跟腱病，跟腱病可能并非由機械誘導的膠原蛋白變性引發，運動后膠原蛋白變性與蛋白酶介導的降解和重塑有關；開發的對比劑為跟腱病診斷帶來新方法。

論文信息：
Collagen denaturation in post-run Achilles tendons and Achilles tendinopathy: In vivo mechanophysiology and magnetic resonance imaging
Yijie Fang*†, Dantian Zhu†, Jingyue Wei†, Lei Qian†, Rongmao Qiu , Taoyu Jia , Kui Huang, Suwen Zhao, Jun Ouyang, Man Li*, Shaolin Li*, Yang Li*
Sci. Adv. 10, eado2015 (2024).
https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.ado2015