張翔[1]張學林[2]許壽生[2]
[1]山西省忻州師范學院體育系，忻州034000
[2]北京體育大學研究生院，北京100084
中國運動醫(yī)學雜志2010年1月第29卷第1期
摘要：
近來研究發(fā)現(xiàn)，不習慣的運動或離心運動后骨骼肌細胞內(nèi)沒有炎癥因子出現(xiàn)，僅在肌膜、基質發(fā)生炎癥反應，骨骼肌超微結構變化的損傷和炎癥變化學說及DOMS癥成因學說受到挑戰(zhàn)。這提示運動性骨骼肌超微結構變化機制仍在探討中。
不習慣運動尤其是離心運動導致骨骼肌超微結構變化，通常稱之為運動性肌肉微損傷(exercise-induced muscle damage，EIMD)。運動性骨骼肌結構變化具有延遲性特點，運動后即刻結構變化程度較小，運動后24～72h變化程度逐漸加劇，5～7天恢復正常。以上現(xiàn)象普遍認為是由損傷誘發(fā)炎癥變化所致。伴隨著骨骼肌結構變化，即損傷和炎癥變化，出現(xiàn)肌力下降、肌肉酸痛、腫脹、硬條索以及血液中肌酸激酶(CK)、乳酸脫氫酶(LDH)、肌紅蛋白(Mb)濃度增加等DOMS癥(symptoms of delayed onset musclesoreness，symptoms ofDOMS)，很自然與骨骼肌超微結構變化聯(lián)系在一起，作為起因看待。這表明骨骼肌結構變化加劇與炎癥反應密切相關。然而，近來研究發(fā)現(xiàn)，不習慣的運動或離心運動后骨骼肌細胞內(nèi)沒有炎癥因子出現(xiàn)，僅在肌膜、基質發(fā)生炎癥反應，骨骼肌超微結構變化的損傷和炎癥變化學說及DOMS癥成因學說受到挑戰(zhàn)。這提示運動性骨骼肌超微結構變化機制仍在探討中。迄今為止，肌絲滑行理論僅解釋了骨骼肌在向心收縮時的粗細肌絲收縮與舒張機制問題，而骨骼肌在主動收縮情況下如何被動拉長的機制(離心運動機制)還不清楚，主要體現(xiàn)為：
(1)骨骼肌超微結構變化的起始因素；
(2)骨骼肌超微結構變化后的重塑過程；
(3)基質、肌膜、肌節(jié)三者之間的相互關系。
1運動性骨骼肌超微結構變化的起始因素
1．1機械因素學說
多數(shù)學者達成共識，認為運動性骨骼肌超微結構變化起因于機械因素。機械因素學說主要依據(jù)Morgan和Morgan等提出的離心運動時肌節(jié)長度不均一性學說(sarcomere lengthnon-uniformities)和肌節(jié)爆裂學說(poppingsarcomere hypothesis)，其主要論點是：離心運動時由于肌節(jié)被動拉長的長度不均一，且肌節(jié)長度-張力曲線處于降支狀態(tài)時肌節(jié)結構穩(wěn)定性更差，導致較弱肌節(jié)被過度牽拉。如果這時肌節(jié)反復被牽拉，較弱肌節(jié)的粗細肌絲將牽拉出重疊區(qū)，導致肌節(jié)被撕裂或撕斷，通常稱之為“popping”。隨著損傷程度加重，肌膜被撕裂。研究發(fā)現(xiàn)，牽拉肌纖維致使粗細肌絲重疊區(qū)丟失后不能恢復，肌聯(lián)蛋白(titin)與粗肌絲結合位點脫離(titin是一大分子蛋白，橫跨Z盤至M線半個肌節(jié)，被看作是肌節(jié)的主要被動張力成分，對維持肌節(jié)結構起關鍵作用)；Pan changam等分離大鼠比目魚肌單條肌纖維，采用激光衍射技術，發(fā)現(xiàn)較長的肌節(jié)長度較短肌節(jié)長度更容易被過度牽張。此研究結果似乎支持了popping學說，肌節(jié)受到過度牽張時，收縮成分和被動成分結構均遭破壞。然而，近來也有研究結果不支持popping學說。Rassier等分離大白兔腰肌單條肌原纖維，并采用掃描線性光電二極管陣列圖像技術，發(fā)現(xiàn)肌節(jié)長度在牽張之前、之中、之后均具有長度不均一性的特征，但肌節(jié)長度從不被牽張至超出粗細肌絲重疊區(qū)之外。隨后多位學者證實了此現(xiàn)象。這些研究結果不支持poppmg學說，恰好符合骨骼肌超微結構改變的特征，如果離心運動導致骨骼肌肌節(jié)popping發(fā)生，那么鄰近或周圍肌節(jié)受到被動撕裂的影響，但離心運動導致了骨骼肌肌原纖維局部超微結構變化，周圍區(qū)域肌節(jié)結構完好無損。Panchangam等的另一研究支持了機械因素學說，但做出了區(qū)別于肌節(jié)爆裂學說的解釋，他分離大鼠比目魚肌單條肌纖維，發(fā)現(xiàn)離心運動沒有導致肌節(jié)popping發(fā)生，但肌節(jié)不能恢復初始長度。作者認為，離心運動導致肌節(jié)被動成分尤其是肌聯(lián)蛋白titin被過度拉長，靜息時不能恢復其初始長度，致使肌節(jié)結構改變。這提示機械因素學說受到爭議，不能較好解釋運動性骨骼肌超微結構變化起因，運動性骨骼肌超微結構變化起因仍在探討中。
1．2肌節(jié)機械張力感受器和骨骼肌超微結構變化的關系(肌節(jié)機械張力感受器學說)
迄今為止，肌絲滑行理論較好地解釋了骨骼肌向心運動時粗細肌絲收縮與舒張機制問題，而骨骼肌在主動收縮情況下如何被動拉長的機制(離心運動機制)還不清楚。骨骼肌肌節(jié)是一動態(tài)結構，能依據(jù)環(huán)境變化發(fā)生結構變化，這為研究離心運動導致的骨骼肌結構改變起因帶來新的思路。
普遍認為，骨骼肌肌節(jié)僅是一個收縮單位。但研究發(fā)現(xiàn)，Z線上的蛋白依據(jù)機械應激、細胞外信號，有時錨靠在Z線上，有時出現(xiàn)在胞漿中，具有驚人的動態(tài)交換能力，這些蛋白包括以前被稱為Z線靜態(tài)結構成分的α-actinin或myotilin蛋白。不僅如此，Z盤、M帶上許多蛋白以及肌聯(lián)蛋白titin具有應激感受器功能，能感受肌節(jié)、M帶的張力變化，及時調(diào)節(jié)肌節(jié)的形態(tài)以適應環(huán)境的要求。另有研究發(fā)現(xiàn)，心肌Z盤骨架蛋白telethonin與titin N末端結合非常牢固，呈回文結構(palindromic assembly)，除非某種信號作用，機械張力不能使其結合位點脫離。這提示肌節(jié)受到張力時，Z線、M線或titin能及時調(diào)整結構以免肌節(jié)被撕裂。離心運動易導致Z盤結構改變而肌節(jié)popping沒有發(fā)生，表明離心運動很可能由于某種激酶導致組成骨骼肌肌節(jié)Z線的結構蛋白結合位點脫離而使結構發(fā)生變化，即結構很可能是主動而不是被動改變，骨架蛋白和收縮蛋白不被撕裂。近來的部分研究結果支持了此觀點。Cap通過CapZIP(CapZ-interactingprotein)與Z線α-actinin和nebulin C末端結合，可能為肌動蛋白提供了一個錨靠復合體。研究發(fā)現(xiàn)，骨骼肌肌節(jié)CapZIP能被JNK(c-Jun N-terminal kinase)磷酸化，導致CapZIP與CapZ脫離，致使肌動蛋白錨靠復合體消失。另有研究表明，與向心運動相比，離心運動更能導致骨骼肌JNK濃度增加，且離心運動后α-actinin、nebulin、titin選擇性地從Z線脫離。這表明運動性骨骼肌結構改變可能通過MAPK(mitogen activated protein kinase)磷酸化CapZIP，導致CapZ與α-actinin、nebulin、titin脫離，致使Z盤結構發(fā)生變化。Panchangam等研究發(fā)現(xiàn)，離心運動導致被拉長的肌節(jié)不能恢復至初始長度，而popping沒有發(fā)生，認為可能是肌節(jié)彈性成分titin被過度拉長不能恢復其初始長度，導致肌節(jié)結構改變。這表明肌節(jié)的彈性或被動成分如titin結構也可能發(fā)生了構象變化，像彈簧一樣，受到拉力時結構主動變化以緩沖肌節(jié)受到的外力，避免損傷。這提示離心運動造成的骨骼肌肌節(jié)變化不是損傷，而是肌節(jié)受到過分牽拉導致Z盤結構(或許還包括M線、titin)主動變化時所致，針刺和靜力牽張能快速恢復離心運動導致的骨骼肌超微結構變化，是支持骨骼肌超微結構主動變化論點的有力證據(jù)。肌節(jié)過分牽拉導致肌節(jié)結構主動變化的假設恰好符合肌節(jié)張力整合模型(the tensegrity model)。肌節(jié)張力整合模型主要指通過肌膜骨架蛋白把基質、肌膜、肌節(jié)聯(lián)結成張力復合體，其張力穩(wěn)定性受制于肌節(jié)外骨架蛋白和肌節(jié)內(nèi)骨架蛋白形成的預張力。肌膜外或肌膜內(nèi)張力變化通過肌膜機械化學機制把信號轉導至膜內(nèi)或膜外。離心運動時，基質、肌膜、肌節(jié)均受到很大張力，可能通過整合素把肌膜、基質張力變化以機械信號形式轉導至肌節(jié)，發(fā)生結構改變，以避免更大損傷發(fā)生。Boppart等讓小鼠在跑臺上運動30min(-20°、15m/min)，發(fā)現(xiàn)過表達alpha7beta1-integrin轉基因小鼠骨骼肌EBD(evens blue dye)陽性染色肌纖維較野生型小鼠(wild-type mice)少，提示肌膜整合素受體表達增加加強了肌節(jié)張力整合模型的穩(wěn)固性，防止了肌節(jié)損傷發(fā)生。
肌節(jié)機械張力感受器和肌節(jié)張力整合模型學說為研究骨骼肌被動拉長機制提供了新思路，這對解釋離心運動能否造成骨骼肌損傷/炎癥反應提供了重要的理論依據(jù)。這方面的研究剛剛起步，值得進一步探討，利用肌節(jié)張力整合模型解釋運動導致的骨骼肌結構變化應是未來的研究方向。
2骨骼肌超微結構變化后的重塑過程
運動性骨骼肌結構變化具有延遲性特點，運動后即刻結構變化程度較小，運動后24～72h變化程度逐漸加劇。普遍認為，離心運動性肌膜損傷導致Ca2+不受控制內(nèi)流、急性炎癥發(fā)生以及炎癥過程誘發(fā)的氧化應激等損傷機制加劇了骨骼肌結構改變。然而，近來研究表明，離心運動沒有導致骨骼肌肌膜完整性破壞、Ca2+不受控制內(nèi)流、炎癥變化和蛋白降解，炎癥學說受到質疑。統(tǒng)計結果表明，動物模型和人體實驗中骨骼肌出現(xiàn)炎癥因子的比例分別是85％和55％。目前有三種觀點解釋炎癥爭議：
①動物模型較人骨骼肌承受更大張力所致；
②肌肉活檢很難檢測到損傷部位；
③小樣本造成的統(tǒng)計誤差。
雖然炎癥學說仍有爭議，但值得關注的是Ca2+內(nèi)流、炎癥因子、自由基對骨骼肌起修復作用而不是加劇損傷作用?；诖擞^點，多數(shù)學者達成一致意見：運動后骨骼肌結構變化加劇不是損傷/炎癥造成的嚴重癥狀，而是肌節(jié)重新組裝合成新肌節(jié)的過程。Riley等報道，對大鼠萎縮的長收肌施加負荷，發(fā)現(xiàn)負荷后8～11h骨骼肌內(nèi)有許多核糖體出現(xiàn)，猜測新蛋白合成。Krippendorf和Riley更認為對大鼠萎縮的長收肌施加負荷，負荷后48h紊亂的肌絲尤其是Z線流是新生的肌原纖維重新排序的支架。Matsuura等電刺激大鼠后肢(50Hz、30min)，運動后6h比目魚肌肌節(jié)Z線呈波形(Z線流)，12h時Z線斷裂、肌節(jié)撕裂，24h部分結構變化區(qū)肌絲稀疏出現(xiàn)空白區(qū)。但運動后12h、24h，在紊亂的肌絲中出現(xiàn)成簇核糖體，呈縱向排序。作者得出結論：紊亂的肌絲不是損傷加重而是修復過程。隨后的研究證實了此觀點。Yu等讓受試者下樓跑(從第10層樓跑至一層，坐電梯返回第10層，在下樓跑至一層，如此重復跑15min)，運動后2～3天、7～8天發(fā)現(xiàn)，雖然骨骼肌超微結構變化加劇，結構變化區(qū)域α-actinin、nebulin、titin染色丟失，但是這些區(qū)域仍然保持肌原纖維的基本結構，且包含高濃度的肌動蛋白和結蛋白desmin、縱向電子密度帶，其中desmin優(yōu)先出現(xiàn)在縱向電子密度區(qū)之間，進一步使用游標卡尺檢測出多余的肌節(jié)數(shù)量，表明結構變化區(qū)出現(xiàn)新合成的肌節(jié)。這提示離心運動導致了骨骼肌肌節(jié)重塑。Butterfield等采用離心運動動物模型，通過長期離心運動訓練方案，直接證實了骨骼肌肌節(jié)重塑觀點。對新西蘭大白兔踝背伸肌群進行不同方案的離心運動訓練：
一方案，使跖屈處以較短肌肉位置狀態(tài)(脛跖關節(jié)70°)；
第二方案，預先激活肌肉(100ms)并使跖屈處于較短肌肉位置狀態(tài)(脛跖關節(jié)70°)；
第三方案，預先激活肌肉(100ms)并使跖屈處于較長肌肉位置狀態(tài)(脛跖關節(jié)95°)。
隨后作為一方案、第二方案以70°·s-1的速度反復把踝跖屈從脛跖關節(jié)70°拉長至105°和作為第三方案以100°·s-1的速度反復把踝跖屈從脛跖關節(jié)95°拉長至145°(訓練6周，每周3次，每次5×10重復拉長)。一周后取脛前肌觀察其外側、內(nèi)側、肌肉中深層(central-deep regions)和肌表層(central-superficial regions)的肌節(jié)適應情況，結果發(fā)現(xiàn)三種方案均使肌表層肌節(jié)數(shù)量增加，而三種方案均使肌肉中深層肌節(jié)數(shù)量減少：三種方案均使內(nèi)側區(qū)肌節(jié)數(shù)量減少；一方案、第三方案使外側區(qū)肌節(jié)數(shù)量減少而第二方案使其肌節(jié)數(shù)量增加。相同的肌肉肌腱應力造成同一塊肌肉不同區(qū)域肌節(jié)數(shù)量或增或減，不僅表明離心運動導致了骨骼肌重塑，也表明骨骼肌超微結構變化的原因不是損傷，而是改變肌纖維結構的變化過程。作者認為：
①同一塊肌肉不同區(qū)域存在不同的肌纖維結構，使施加于肌肉肌腱同等強度的張力造成肌肉不同區(qū)域的不同肌纖維受力不同，進而導致不同肌纖維的不同肌節(jié)的不同適應。
②不同肌纖維受到的細胞外基質成分如中間絲和結締組織保護程度不同，也可能造成不同肌纖維的肌節(jié)適應能力不同。這提示離心運動導致的骨骼肌超微結構變化不是損傷，而是肌節(jié)適應過程。依據(jù)肌節(jié)張力整合模型，肌節(jié)張力穩(wěn)定性受制于肌節(jié)外骨架蛋白和肌節(jié)內(nèi)骨架蛋白形成的預張力，離心運動時，骨骼肌肌膜、基質受到較大張力，基質、肌膜結構不適應導致了骨骼肌結構改變，表明骨骼肌超微結構變化促進了骨骼肌機能改善。
目前，炎癥學說爭議雙方均認為離心運動導致的骨骼肌超微結構變化不是損傷而是重塑。然而，如果炎癥沒有發(fā)生，那么變化的結構如何重塑?骨骼肌結構如何重塑仍需要深入研究。
3骨骼肌超微結構變化對DOMS的影響
普遍認為，骨胳肌超微結構變化導致了肌力下降、肌肉酸痛、腫脹以及血液中CK、LDH、Hb增加等DOMS癥狀，但骨骼肌超微結構變化與DOMS之間的確切關系仍在探討中。
3．1骨骼肌超微結構變化對肌膜完整性的影響
離心運動導致了骨骼肌腫脹和血液中CK、LDH、Mb濃度增加。目前兩種觀點解釋此現(xiàn)象，一是肌膜完整性破壞所致：二是肌膜通透性增加所致。多數(shù)學者傾向于前一種觀點，認為離心運動牽拉肌節(jié)的同時撕裂了肌膜，肌膜完整性破壞導致骨骼肌腫脹、胞漿物質如CK、LDH、Mb等外流。然而，Yu等人讓三組受試者進行不同的離心運動，分別是下樓跑(取比目肌)、下坡跑(取股四頭肌)、離心的功率自行車運動(取股四頭肌)，發(fā)現(xiàn)運動后肌細胞中沒有血漿纖連蛋白(fibronectin)出現(xiàn)：Crameri等讓受試者做210次至大股四頭肌離心運動，發(fā)現(xiàn)骨骼肌抗肌營養(yǎng)不良素dystrophin沒有陰性結果；Piitulainen等讓受試者在特殊的雪橇功率儀上作單腿SSC(stretch-shortening cycle)跳躍運動至力竭，同樣發(fā)現(xiàn)肌膜完整性沒有破壞，但肌膜電壓門控Na+離子通道(voltage-gated sodium ionchannel)蛋白mRNA濃度增加。提示，雖然離心運動沒有導致肌膜受損，但是造成了肌膜離子通道重塑，重塑過程誘發(fā)骨骼肌腫脹、胞漿物質外流等現(xiàn)象。這表明離心運動后血液中CK、LDH、Mb濃度增加不是骨骼肌結構損傷的結果，而是骨骼肌結構重塑所致。
3．2骨骼肌超微結構變化對DOMS的影響
DOMS發(fā)生機制有多種學說，而炎癥學說被多數(shù)學者認可。主要觀點是：離心運動導致骨胳肌超微結構改變，誘發(fā)炎癥因子浸潤，炎癥代謝物組胺、5-羥色胺、P物質和前列腺素等致敏了Ⅲ類、Ⅳ類傳入神經(jīng)纖維游離末梢疼痛受體或傷害性受體(nociceptors)，終導致DOMS發(fā)生。然而，Crameri等研究質疑了骨骼肌超微結構變化對DOMS的影響，讓受試者一條腿股四頭肌做210次至大離心收縮(隨意收縮)，另一條腿電刺激(300μs；35Hz：300mA)股四頭肌也做210次至大離心收縮(不隨意收縮)，運動后24h，發(fā)現(xiàn)兩腿發(fā)生同等程度的DOMS以及同等濃度的tenascin C表達，但電刺激腿較隨意收縮腿股四頭肌有較多的Z線斷裂比率。上述提示骨骼肌超微結構改變可能不是誘發(fā)DOMS發(fā)生的主要原因，有待深入研究。
3．3骨骼肌超微結構變化對肌力的影響
離心運動導致骨骼肌肌力下降。研究表明肌力下降是多因素結果，包括中樞機制和外周機制。離心運動導致了骨骼肌Z線流、Z線斷裂、肌節(jié)撕裂，很自然認為這些結構變化是肌力下降的成因，包含在外周機制中，研究也證實了這種關系。Crameri等研究質疑了這種關系，發(fā)現(xiàn)電刺激受試者股四頭肌做離心運動較隨意收縮做離心運動導致了更顯著的骨骼肌超微結構變化，但肌力下降程度與骨骼肌超微結構變化程度不吻合，運動后4h、24h，骨骼肌結構變化程度嚴重的電刺激腿的至大等長收縮力量MVC值(maximal isometric contractionstrength)反而高于隨意收縮腿，違反了常理。Allen等和Crameri等對此現(xiàn)象做出了解釋。Allen等認為，肌節(jié)產(chǎn)生的力量不依賴于同一序列肌節(jié)數(shù)量，且一些肌節(jié)力量下降不會影響整塊肌肉的力量，原因是肌節(jié)結構變化導致依存性(compliance)增加，肌節(jié)張力-長度曲線右移而曲線幅度沒有改變。Crameri等認為，隨意收縮離心運動和電刺激離心運動具有不同的肌纖維募集模式，隨意收縮離心運動是按照Henneman的大小原則理論(size principle)募集肌纖維，而電刺激離心運動是非選擇性募集肌纖維，僅局限于固定地點的肌纖維(空間固定、刺激時間一致性)。如果固定地點單一募集一種肌纖維做離心運動，其造成的骨骼肌結構變化程度較選擇性的募集肌纖維導致的骨骼肌結構變化程度嚴重。隨意收縮離心運動按照大小原則募集肌纖維，雖然避免了單一募集一種肌纖維受到過度損傷的風險，但是也加大了肌纖維參與收縮的數(shù)量和范圍，因此，與電刺激離心運動相比，隨意收縮離心運動對肌肉收縮能力造成的影響更大。這提示骨骼肌超微結構變化與肌力下降的關系仍需深入研究。
綜上所述，骨骼肌超微結構變化與DOMS的關系受到爭議，即骨骼肌超微結構變化可能不是誘發(fā)DOMS的主要原因，這恰好符合肌節(jié)張力整合模型。肌節(jié)張力整合模型把基質、肌膜、肌節(jié)看成一個復合體，三者之間存在相互依存關系，其張力穩(wěn)定性受制于肌節(jié)外骨架蛋白和肌節(jié)內(nèi)骨架蛋白形成的預張力。離心運動時基質較肌膜、肌節(jié)受到更大張力，造成基質損傷以減少肌膜、肌節(jié)所受張力應激，保護骨骼肌免受更大損傷。這提示DOMS的真正原因源于基質或肌膜，而不是骨骼肌超微結構變化。
4結論和建議
目前，多數(shù)學者認為，離心運動導致的骨骼肌超微結構變化不是損傷，而是骨骼肌肌節(jié)重塑過程。然而，骨骼肌超微結構變化重塑過程能否誘發(fā)DOMS癥仍存爭議。這表明對骨骼肌超微結構變化起因、重塑過程機制還不清楚。本人認為以下幾點值得進一步研究：
①骨骼肌超微結構變化與基質、肌膜結構的關系；
②骨骼肌超微結構變化是主動還是被動；
③肌節(jié)被動成分對骨骼肌超微結構變化的影響；
④肌節(jié)重塑過程是否需要炎癥因子參與。