胶原蛋白V在发育期敲除导致小鼠冈上肌腱力学性能长期缺陷，但成熟期敲除无显著影响

本研究针对胶原蛋白V（Col V）在肌腱发育与成熟基质维持中的关键作用尚不明确的问题，通过构建条件性和诱导性Col5a1敲除小鼠模型，系统评估了长期Col V缺失对肌腱结构功能的影响。研究发现发育期Col V缺失会导致基因表达异常、纤维结构紊乱和力学性能下降，而成熟期敲除则无明显影响，揭示了Col V在肌腱发育中的不可替代作用及其在基质稳态维持中的有限角色，为经典埃勒斯-当洛综合征（cEDS）的干预策略提供了重要依据。

　　

在人体这个精密复杂的机器中，肌腱犹如坚韧的缆绳，默默承担着将肌肉力量传递至骨骼的重要使命。然而这些看似简单的结缔组织，其实蕴含着极其精细的多层级结构——从纳米级的胶原纤维到宏观的肌腱束，每一级的有序排列都直接影响着肌腱的力学性能。胶原蛋白I（Col I）作为肌腱的主要成分固然重要，但近年来科学家们发现，那些含量甚微的"配角"分子往往在幕后扮演着关键导演的角色。

其中，胶原蛋白V（Col V）就是这样一个看似不起眼却举足轻重的分子。它如同建筑工地上的监理工程师，负责监督胶原纤维的成核和侧向生长过程。当COL5A1或COL5A2基因发生突变时，会导致经典埃勒斯-当洛综合征（cEDS），患者出现关节过度活动、肌腱功能减退等症状，犹如建筑物的钢筋结构存在缺陷。虽然此前研究已发现Col V在肌腱发育和修复中发挥作用，但两个关键问题始终悬而未解：发育期Col V缺失的长期后果究竟如何？成熟肌腱基质中Col V是否同样不可或缺？

为解开这些谜团，宾夕法尼亚大学McKay骨科实验室的研究团队精心设计了一项历时300天的动物实验，相关成果发表在《Journal of Biomechanics》上。他们采用了多学科交叉的研究方法：通过ScxCre和ROSA26-CreER^T2系统分别构建了发育期条件性敲除（T-Het和T-Null）和成熟期诱导性敲除（I-Het和I-Null）小鼠模型；使用96x96微流体阵列进行区域性基因表达谱分析；采用组织学技术量化细胞形态和密度；通过透射电镜（TEM）观察纤维形态；利用力学测试系统评估肌腱粘弹性质；并创新性地应用原子力显微镜（AFM）测量胶原纤维d-period变形模式。

基因表达分析结果显示，发育期Col5a1完全敲除（T-Null）导致肌腱插入部和中部区域分别出现33和17个差异表达基因，主要包括基质重塑相关基因（如Mmp13、Mmp2、Mmp14上调）、弹性纤维成分基因（Eln、Fbn2上调）及其它胶原基因（Col5a2、Col3a1等）。这些变化表明肌腱试图通过基因表达重编程来补偿Col V的缺失。相比之下，成熟期诱导敲除几乎不引起基因表达变化。

组织学研究发现，T-Null肌腱出现区域性细胞形态改变：插入部细胞核纵横比降低（变得更圆），中部细胞密度增加。这种细胞行为与肌腱病特征相似，提示Col V缺失导致了退行性改变。诱导敲除模型则未出现显著组织学差异。

纳米级结构分析揭示了Col V在纤维形态发生中的关键作用。T-Null肌腱两个区域的纤维直径分布均向大直径方向偏移，且出现不规则截面形状，证实Col V缺失导致纤维侧向生长失控。诱导敲除仅引起轻微类似变化。

力学性能测试表明，T-Null肌腱的准静态力学性能显著下降：插入部和中部弹性模量以及最大应力均降低。粘弹性测试显示，在7%应变下，应力松弛率增加，动态模量降低，相位角正切值（tan δ）几乎在所有频率和应变水平下均升高，表明肌腱表现出更明显的粘性行为。值得注意的是，原子力显微镜检测发现，尽管宏观力学性能下降，但胶原纤维本身的变形模式（d-period长度及其局部和全局方差）在应变达6%时均未受影响，说明Col V缺失不影响纤维内部的三股螺旋排列和变形机制。

研究表明，发育期Col V敲除导致的肌腱基质组装失调会持续影响至成年后期，且这种缺陷无法通过内在修复机制自然纠正。然而，在成熟肌腱基质中诱导Col V敲除却不会引起显著的结构功能改变，这一发现与双糖链蛋白聚糖（biglycan）等其它基质成分形成鲜明对比，后者对成熟肌腱的稳态维持至关重要。

该研究不仅揭示了Col V在肌腱发育中的不可替代作用，更重要的是明确了其在成熟肌腱稳态维持中的有限角色，这种发育与稳态机制的区分对理解肌腱生物学具有重要意义。研究结果提示，针对cEDS患者的干预策略可能需要重点关注发育阶段，而非成熟期。此外，研究发现的Col V对纤维直径的调控作用为组织工程肌腱构建提供了新思路——通过时序性调控Col V表达可能有助于复制天然肌腱的纤维形态特征。

这项工作的创新性在于首次系统比较了发育期与成熟期Col V缺失的长期效应，采用了多尺度研究方法（从基因表达到纳米结构再到宏观力学），并发现了Col V在纤维形态发生与力学性能调控中的独特作用。未来研究可进一步探索性别差异、蛋白质组学变化以及其他肌腱类型的响应差异，从而更全面理解Col V在肌腱生物学中的多功能角色。