年轻健康男性股外侧肌被动剪切模量个体间变异相关的结构和组成因素的阐明

《Scandinavian Journal of Medicine & Science in Sports》：Elucidation of Architectural and Compositional Factors Associated With Inter-Individual Variability in Passive Shear Modulus of the Human Vastus Lateralis in Young Healthy Males

　　

人类骨骼肌在被动力学特性方面表现出显著的个体间异质性，然而这种变异的机制基础仍然知之甚少。研究人员旨在全面检查组成和结构因素如何与人类股外侧肌（VL）被动剪切模量的个体变异相关联。在46名健康年轻男性中，使用超声剪切波弹性成像（ultrasound shear wave elastography, USWE）以10°递增从0°到110°膝关节屈曲测量VL的剪切模量，以确定松弛角（剪切模量首次开始增加的角度）、松弛区域的剪切模量（松弛角之前的值）以及延长位置（从松弛区域+35°）的Δ剪切模量。肌肉肌肽浓度（作为肌纤维类型组成的替代指标）、肌内脂肪分数、3D肌肉结构（肌束长度和羽状角）以及膝关节伸肌力臂使用磁共振（MR）扫描仪进行量化。延长位置的Δ剪切模量（变异系数54.5%）的个体间变异大于松弛区域剪切模量（16.4%）。松弛区域的剪切模量与任何测量变量均无关联，而延长位置的Δ剪切模量仅与羽状角相关（校正后p=0.004，r=-0.488），解释了约20%的方差。这些发现表明，在给定关节角度变化下肌肉被拉长时，羽状角是相关的；然而即使这一因素也仅解释了VL被动剪切模量个体间变异的一小部分。

**研究背景与问题**
人类骨骼肌在被动力学特性（如剪切模量）上存在显著的个体间差异，变异系数最高可达80%。这种差异与爆发力产量和肌肉组织损伤易感性等生理及临床指标相关，但其机制基础尚不明确。以往研究提出，肌纤维类型组成（快肌与慢肌纤维比例）、肌内脂肪含量等组成因素，以及力臂（moment arm, MA）、羽状角（pennation angle, PA）、肌束长度（fascicle length, FL）等结构因素可能影响被动剪切模量的大小及长度依赖性变化。然而，这些因素如何在人体内共同作用、各自对个体间变异的贡献程度，仍缺乏系统性研究。为此，研究人员开展了本项横断面研究，旨在综合评估组成与结构因素与股外侧肌（vastus lateralis, VL）被动剪切模量个体间变异的关联。

**研究内容与结论**
研究人员招募了46名健康年轻男性（年龄22.8±4.2岁，身高172.2±4.8 cm，体重64.3±9.0 kg，无规律抗阻训练史及股四头肌损伤史，排除素食及近期服用β-丙氨酸者）。在第一次实验日中，使用超声剪切波弹性成像（USWE）从0°至110°膝关节屈曲（10°递增）测量VL的剪切模量，确定松弛角（shear modulus首次显著增加的角度）、松弛区域剪切模量（松弛角前平均值）和延长位置Δ剪切模量（从松弛区+35°）。第二次实验日，利用3T磁共振（MR）扫描仪，通过质子磁共振波谱（¹H-MRS）测定肌肽浓度（carnosine concentration, Carn，替代肌纤维类型组成），使用DIXON MR成像计算肌内脂肪分数（fat fraction, FF），通过扩散张量成像（DTI）与纤维追踪技术获取3D肌肉结构（肌束长度FL和3D羽状角PA），并基于T1加权MR图像计算膝关节伸肌力臂MA。研究发现，延长位置Δ剪切模量的个体间变异（变异系数54.5%）远大于松弛区域剪切模量（16.4%）。松弛区域剪切模量与任何测量变量均无显著相关。延长位置Δ剪切模量与羽状角显著负相关（r=-0.488，校正p=0.004），与肌束长度/力臂比（FL/MA）显著正相关（r=0.406，校正p=0.010），但与肌肽浓度及肌内脂肪分数无关。多元回归分析仅保留羽状角为显著预测因子，解释了约20%的方差（调整R²=0.221）。该研究首次在体证明：被动剪切模量的决定因素依赖于肌肉长度，在肌肉被拉长时羽状角与变异相关，但仅能解释一小部分个体间差异。论文发表在《Scandinavian Journal of Medicine》。

**关键技术方法**（≤250字）
- 样本队列：46名健康年轻男性（无规律抗阻训练≥1年，无股四头肌损伤史，非素食/未服用β-丙氨酸）
- 使用**超声剪切波弹性成像（USWE）** 测量VL被动剪切模量（0°–110°膝屈曲，10°递增），计算松弛角、松弛区剪切模量及延长位置Δ剪切模量
- 使用**质子磁共振波谱（¹H-MRS）** 量化肌肽浓度（肌纤维类型替代指标）
- 使用**DIXON MR成像**计算肌内脂肪分数
- 使用**扩散张量成像（DTI）与纤维追踪**获取3D肌束长度与3D羽状角
- 使用**T1加权MR图像**计算膝关节伸肌3D力臂（MA）
- 所有MR测量均在松弛角对应的关节位置进行（保证与USWE测量区域一致）
- 同步记录肌电图（EMG）确保测量时处于完全放松状态（平均%RMS-EMG=0.4%）

**研究结果**
**1. 测量可靠性**：所有主要变量的日内重复测量信度良好（ICC 0.80–0.99，CV 2.2%–6.5%）。
**2. 个体间变异**：松弛区域剪切模量CV为16.4%，延长位置Δ剪切模量CV达54.5%，差异超过3倍。松弛角CV为51.1%，与两个剪切模量变量均显著正相关（r=0.446和0.766）。
**3. 松弛区域剪切模量的相关性**：与肌肽浓度、肌内脂肪分数、FL/MA、羽状角均无显著相关（校正p均>0.05）。
**4. 延长位置Δ剪切模量的相关性**：与羽状角呈显著负相关（r=-0.488，校正p=0.004），与FL/MA呈显著正相关（r=0.406，校正p=0.010），与肌肽浓度和肌内脂肪分数无相关。
**5. 多元回归分析**：羽状角是Δ剪切模量的唯一显著预测因子（调整R²=0.221），FL/MA因与羽状角高度共线性（r=-0.482）而不被保留。
**6. 额外分析**：半偏相关分析显示，羽状角与不同关节角度下的Δ剪切模量（+15°至+55°）仍显著负相关（r=-0.421至-0.353），而FL/MA始终无显著关系，表明羽状角的关联性在较大伸长范围内可能持续。

**讨论与结论**
**讨论总结**：研究结果表明，在非拉长（松弛）状态下，所测组成的和结构因素均不能解释被动剪切模量的个体差异；在拉长状态下，羽状角通过“齿轮效应”（fascicle rotation）减弱肌束伸长，从而与较小的剪切模量增加相关。但与假设相反，肌纤维类型组成（通过肌肽浓度）和肌内脂肪分数未显示出显著关联，可能与在体测量中结缔组织的掩盖作用以及方法学差异（如既往研究对象为腓肠肌或样本量较小）有关。研究人员指出，仅凭这些因素不足以全面解释剪切模量的个体间变异，未来需关注更微观的肌小节内结构（如肌联蛋白titin、肌动-肌球蛋白横桥连接）和肌内结缔组织（如内膜、束膜）的贡献。
**翻译研究结论**：研究人员发现松弛区域的剪切模量与任何测量变量均无关联。同时，延长位置的Δ剪切模量与羽状角呈显著负相关，与肌束长度与力臂之比呈正相关，而与肌肽浓度或肌内脂肪分数无关联。然而，多元回归分析将羽状角确定为延长位置Δ剪切模量的唯一显著预测因子，仅解释了约20%的方差。这些发现表明：（1）被动剪切模量的决定因素取决于肌肉长度；（2）在给定关节角度变化下肌肉被拉长时，羽状角是相关的；（3）仅羽状角本身只能解释个体间变异的一小部分。总体而言，研究结果表明，所测量的组成因素和结构因素不足以完全解释观察到的VL被动剪切模量的个体变异，至少在本研究的关节角度范围内如此，强调了需要探索剪切模量变异背后的其他相关因素。