体外牛肌腱模型中胶原酶注射与机械超负荷对肌腱力学特性的差异性影响研究

推荐：本研究针对肌腱病(tendinopathy)治疗模型选择的关键问题，比较了胶原酶注射(collagenase injection)与机械超负荷(mechanical overload)两种体外模型的力学特性差异。宾夕法尼亚州立大学生物医学工程团队通过单轴拉伸测试发现，机械超负荷组最大载荷(402.1±232.3 N)和极限拉伸强度(9.1±5.3 MPa)显著低于未损伤组和胶原酶组(p<0.001)，证实机械超负荷能更好模拟肌腱病的力学损伤特征，为体外模型选择提供了重要依据。

　　

肌腱作为人体运动系统的重要组成部分，其损伤问题困扰着全球17亿成年人，其中肌腱病(tendinopathy)占所有肌肉骨骼损伤的30%。这种因重复高负荷导致的微损伤疾病，常发生在跟腱(Achilles tendon)和肩袖肌腱(rotator cuff tendon)等高负荷肌腱中，导致患者活动能力下降和持续疼痛。当前临床治疗手段如物理治疗、干针疗法(dry needling)和冲击波治疗(shockwave therapy)效果参差不齐，有效率在0-85%之间波动，近半数患者对治疗无响应。这种治疗困境背后，隐藏着一个关键科学问题：用于开发新疗法的肌腱病模型是否能真实模拟损伤的力学效应？

针对这一难题，美国宾夕法尼亚州立大学(Pennsylvania State University)生物医学工程系的Zoe M. Moore等研究人员开展了一项创新性研究。他们选择牛肌腱作为人类跟腱的替代模型，系统比较了胶原酶注射与机械超负荷这两种常用肌腱病模型的力学特性差异，相关成果发表在《Journal of Endodontics》上。

研究团队采用了三项关键技术：1) 建立体外损伤模型，包括胶原酶注射(0.5 mL胶原酶+0.5 mL纤维蛋白凝胶)和机械超负荷(5次拉伸-卸载循环)；2) 单轴拉伸测试系统(MTS-858 Mini Bionix)进行力学性能检测；3) 通过应力-应变曲线计算刚度(stiffness)、最大破坏载荷(maximum force at failure)和极限拉伸强度(ultimate tensile stress, UTS)等关键参数。所有样本来自当地屠宰场提供的18根牛浅表屈肌腱。

【结果】

3.1 力学参数比较

机械超负荷组表现出显著的力学性能下降：最大载荷(402.1±232.3 N)仅为未损伤组(1222.9±270.8 N)的32.9%和胶原酶组(1309.0±242.1 N)的30.7%(p<0.0001)。UTS呈现相同趋势：机械超负荷组(9.1±5.3 MPa)显著低于未损伤组(28.9±4.6 MPa)和胶原酶组(25.0±8.2 MPa)。值得注意的是，刚度参数在组间无统计学差异(p>0.33)。

3.2 损伤特征分析

超声成像显示两种模型均造成组织损伤，但机械超负荷组的损伤范围更显著。胶原酶注射24小时后，其力学特性仍与健康肌腱无显著差异(p=0.8226)，而机械超负荷则成功模拟了肌腱病典型的力学性能下降特征。

【讨论与结论】

这项研究首次系统比较了两种肌腱病体外模型的力学效应，得出三个重要结论：首先，机械超负荷能更准确地模拟肌腱病的力学特征，其最大载荷和UTS的下降幅度与临床报道的肌腱病患者数据一致；其次，短期(24小时)胶原酶注射在体外环境中无法复制肌腱病的力学改变，这可能与缺乏体内生物响应有关；最后，两种模型不能互相替代，研究者需根据实验目的谨慎选择。

该研究的创新价值体现在三个方面：1) 为肌腱病研究提供了标准化的体外模型选择依据；2) 揭示了体外胶原酶模型的局限性，提示可能需要调整剂量或作用时间；3) 建立的机械超负荷方案(5次拉伸循环)可作为体外肌腱病研究的参考标准。未来研究将聚焦于胶原酶剂量优化和体内外模型对比，这些发现对推动肌腱病治疗开发具有重要指导意义。