肌内膜完整性对骨骼肌纤维束力学的关键作用：被动与主动应力机制研究

本研究针对肌内膜(Endomysium)在骨骼肌纤维束力学中的具体作用机制尚不明确的问题，通过对比肌内膜完整性与选择性解剖后的纤维束力学性能，发现肌内膜连接中断导致被动应力降低26.5%、主动应力降低21.9%，并使最优纤维长度(Lopt)右移6.2%。该研究揭示了细胞外基质(ECM)完整性在肌纤维间力传递中的核心作用，对理解肌肉力学特性及临床骨科干预策略具有重要指导意义。

　　

在人体运动系统中，骨骼肌通过精妙的力学传导机制实现力量输出与运动控制。肌肉组织具有显著的分级结构特征：最小的收缩单位肌节(sarcomere)串联形成肌原纤维，多个肌原纤维组成肌纤维(muscle fiber)，肌纤维又被肌内膜(endomysium)包裹形成纤维束(fiber bundle)，最终构成完整的肌肉器官。这种多级结构决定了力量不仅通过肌腱连接纵向传递，还通过细胞外基质(extracellular matrix, ECM)的结缔组织网络进行横向传输。

在ECM的三层结构中，肌内膜作为最内层直接包裹单个肌纤维，其完整性对力传导的重要性日益受到关注。然而，当前研究对肌内膜在纤维束层面的具体力学贡献，特别是其对被动与主动应力产生的影响机制，仍缺乏深入认识。同时，肌内膜完整性是否会影响肌节长度分布及其异质性(heterogeneity)，进而影响肌肉功能，也成为亟待解答的科学问题。

为探究这些问题，来自德国斯图加特大学航空航天工程研究所结构力学与动力学系的Paolo Carlo Danesini、André Tomalka、Tobias Siebert和Filiz Ates研究团队，在《Journal of Biomedical Informatics》上发表了最新研究成果。研究人员通过精巧的实验设计，系统评估了肌内膜连接中断对骨骼肌纤维束力学特性的影响，为理解肌肉微观力学提供了重要证据。

研究采用12个取自大鼠趾长伸肌(extensor digitorum longus, EDL)的五纤维束样本，通过化学皮肤处理(1% Triton X-30)保持ECM结构完整性。实验设置两种条件：肌内膜完整状态(Condition 1)和选择性解剖两个相邻外周纤维间肌内膜连接后的状态(Condition 2)。研究使用拉伸强度测定系统(Aurora Scientific 802A)结合倒置显微镜(Nikon Eclipse Ti-S)监测力学参数与肌节长度变化，在12°C控制温度下测量不同纤维长度(0.7-1.3 L_opt)的被动与主动应力-长度关系，并在三个位点(a、b、c)测量肌节长度以评估异质性。

3. Results部分的研究结果显示：

纤维束力学特性方面，肌内膜中断显著影响被动与主动应力产生。双因素重复测量方差分析表明，条件(完整vs解剖)和纤维长度均对被动应力有显著影响(p<0.01)。在所有测试长度范围内，钝性解剖使绝对被动应力降低37.8%，归一化被动应力降低26.5%(p<0.01)。主动应力同样显著降低，绝对值和归一化值分别减少18.6%和21.9%(p<0.001)。值得注意的是，肌内膜解剖使最优纤维长度(L_opt)向更长值移动6.2%(p=0.009, Cohen's d=1.05)，表明力学性能的显著改变。

肌节长度分析显示，无论是在束周边纤维(Fiber I)还是保持连接的纤维(Fiber II)中，肌内膜解剖前后的平均肌节长度在被动状态(p=0.37和p=0.56)和主动状态(p=0.58和p=0.14)均无显著差异。在L_opt时，被动状态平均肌节长度分别为2.55±0.02μm(完整)和2.49±0.03μm(解剖)，主动状态为2.20±0.06μm(完整)和2.23±0.11μm(解剖)。

肌节长度异质性评估发现，仅在被动状态1.3 L_opt长度下，解剖前存在显著的肌节长度异质性(Fiber I: p=0.01, η2=0.28; Fiber II: p=0.04, η2=0.20)。事后检验显示特定测量位点间存在差异(a-c和b-c, p<0.001)。主动状态或解剖后任一状态均未检测到显著异质性。

4. Discussion部分对研究结果进行了深入讨论：

纤维束被动行为方面，肌内膜连接中断导致的被动应力降低与ECM在纤维、双纤维和纤维束水平的已有证据一致。研究者指出，这种降低可能源于几何效应——连续胶原鞘的破坏可能改变纤维几何形状，根据泊松效应(Poisson effect)，缺乏完整肌内膜连接的约束可能使纤维更易横向膨出，减少纵向阻力与结构稳定性。肌内膜的纤维网络通常以斜角取向，在拉伸时重新取向以抵抗剪切和传递力，破坏这些通路可能移除了关键的剪切载荷分担机制。

纤维束主动行为方面，肌内膜破坏显著降低主动应力(η2_norm=0.20)并改变最优长度，控制分析确认这些减少并非纤维损伤所致。立即性的12.14%主动应力下降最能解释为失去肌内膜连接的直接机械后果。与主要关注肌外膜(epimysium)和肌束膜(perimysium)的先前研究不同，本研究直接证明了肌内膜完整性对维持主动应力和保存收缩行为的重要性。

未观察到肌节长度异质性的显著变化可能表明，在纤维束尺度上，完整的跨纤维连接和残余ECM连接仍提供足够约束来限制局部肌节变异。或者，肌节变异可能太小或区域特异性太强，无法通过三部位测量方法捕获。尽管如此，研究者首次报告靶向性肌内膜破坏产生最优纤维长度的右移，表明增加的顺应性改变了力-长度关系的形状。

在微观结构水平，未检测到肌节长度变化的主动力降低提示替代机制。一个合理解释是肌内膜破坏通过受损的形状稳定性改变了粗和细丝之间的晶格间距(lattice spacing)，进而影响横桥形成。这种形状稳定性可能由肌内膜的螺旋胶原结构支持，该结构以斜角包裹纤维并在拉伸期间帮助维持最佳晶格几何结构。

研究意义与局限性方面，这些发现与先前显示结缔组织连续性影响肌肉功能的肌肉水平研究一致。骨科干预如肌腱转移、筋膜切开术(fasciotomy)、腱膜切开术(aponeurotomy)和肌腱切断术(tenotomy)通过干扰肌内和肌外结缔组织连续性改变肌肉相互作用，可能影响目标关节以外的功能。超越外科应用，神经肌肉疾病中肌内ECM组成和硬度的变化影响肌肉和关节功能。

研究存在一定局限性：测量肌节长度异质性仍具有技术挑战性；化学皮肤处理可能改变了肌内膜结构，尽管在严格控制的条件下对完整和解剖束进行相同处理确保了相对比较的有效性；三部位方法可能无法捕获全长分布，异质性可能存在但未被检测到。

该研究通过精确的微观力学实验证明，肌内膜连接的连续性对维持骨骼肌纤维束的结构完整性和力传递能力具有关键作用。肌内膜中断导致的被动和主动应力降低及最优长度移位，强调了ECM完整性在肌肉力学中的核心地位。这些发现不仅增进了对肌肉微观力学的理解，也为临床骨科干预策略提供了重要参考，特别是在需要保持结缔组织连续性的治疗场景中。未来采用更高分辨率成像技术的研究将能更好地评估肌节长度变异性，进一步阐明肌内膜在肌肉功能中的精细调控机制。