-
骨骼肌是人体中最丰富的组织之一，约占体重的40%，在运动、大分子周转和储存、能量代谢和耗氧等多种活动中发挥着核心作用[1]，经常遭受各种类型的损伤。在体育运动中，肌肉损伤占所有损伤的10％～55％[2]，受伤最常见的原因是机械创伤，通常分为3类：挫伤、拉伤和撕裂伤。骨骼肌组织由呈现稳定特征的肌纤维细胞和结缔组织组成，肌纤维细胞死亡相对罕见，通常与肌肉损伤有关，且肌纤维具有中等的再生能力和强大的适应能力（尤其是适应锻炼的能力）。肌神经控制肌原纤维收缩，结缔组织对抗肌原纤维产生的力，并将其传递给肌腱和骨结构，从而产生物理运动[3]。当骨骼肌受损时，肌纤维和组成部分中的任何一个都可能受损。
-
骨骼肌损伤是一种常见的病症，尤其是在进行体育运动时，骨骼肌损伤会减少运动员训练时长和比赛时间，影响运动员的表现。骨骼肌损伤中，机械性损伤是最常见的，分为挫伤、拉伤和撕裂伤。运动中大约90%的肌肉损伤是由挫伤和拉伤引起的[4]。机械性损伤造成结缔组织破裂并导致肌纤维坏死、血肿和炎症[5]。肌肉炎症和再生取决于损伤的性质和程度。肌肉损伤和修复的一般过程在大多数情况下是相似的，并遵循典型的炎症过程，目前治疗肌肉损伤的方法取决于损伤的严重程度，而不是损伤的类型[6]。然而，由于损伤模型的可变性，再生过程也存在差异。于是，许多研究对肌肉损伤动物模型中肌肉再生的实验进行了评估；也有一些研究评估了促进再生过程的治疗方法。然而，这些研究的主要难点在于模拟人体肌肉损伤的各种造模技术和动物模型的选择，这使得研究中模拟病理过程和治疗过程变得困难[7]。因此，本文旨在介绍用于模拟人类机械性骨骼肌损伤的动物实验方法，为骨骼肌损伤的研究提供模型基础。
-
1 不同类型机械性骨骼肌损伤
-
1.1 挫伤
-
肌肉挫伤是最常见的肌肉损伤类型之一[8]。当肌肉组织被快速而强大的力压缩时，就会发生肌肉挫伤。例如，对肌肉的直接和非穿透性打击通常会导致肌肉内形成血肿[9]。这种现象经常发生在运动员之间，在需要肢体接触的团队运动中，如足球、篮球、橄榄球等。这种受伤的症状多种多样，并不遵循典型的模式，但通常会出现酸痛、运动疼痛、运动范围受限或这些症状的组合[10]。
-
为了研究挫伤和肌肉再生的机制并研究其治疗方法，研究者设计了模拟人类肌肉损伤的实验动物模型。表1列出了模拟人类挫伤的主要损伤模型所选择的肌肉。动物后肢是实验选择最多的造模部位，因为挫伤在人体下肢发生的几率相对较高[8]，位于后肢的腓肠肌是模型中最常用的肌肉，原因是它所处的位置较低，并且纤维类型混合[11]。
-
Ambrosio 等[12]、吴安林等[13]、Filippin 等[14]、Puntel 等[15]和 Minamoto 等[16]使用钝性非穿透性的造模方法，由一个金属圆球或圆柱体通过一个导管下降，下落砸到需要造模的肌肉区域。在选择钝性非穿透损伤挫伤模型时，要考虑的一个重要因素是用于造成创伤的重物的形状。这些实验有的使用球形重物，还有一些使用圆柱形物体，用来制造肌肉损伤。造成肌肉损伤时，重物的形状和撞击面积是决定损伤严重程度的重要因素。使用接触面积为平面的重物，造成的肌肉损伤比使用球形重物造成的损伤更均匀；而球形下落物与肌肉碰撞面积较小，并在肌肉受到冲击区域的中心会增加损伤。因此，在选择肌肉挫伤模型时，必须考虑重物的不同形状，以使损伤区域更适合各种类型的研究。重物坠落技术作为常规的骨骼肌挫伤模型，具有无创、可调节、操作简便等特点。但此造模方法存在设备装置较复杂不易获得、拟致伤骨骼肌部位固定欠佳、致伤程度不均匀、容易导致皮肤破损和骨折等问题。
-
Minamoto等[16]和Takagi[18]等使用了挤压造模的方法，这种方法是一种更具侵入性的损伤造模方法，使用外科手术暴露肌肉，然后挤压肌肉造模。但这种损伤与发生在人类身上的损伤不完全相同。首先，大多数人类发生的肌肉挫伤是由于肌肉受到突然的、沉重的压力而发生的[6]，也就是说，没有穿透伤。在挤压伤模型中，皮肤和邻近组织由于外科手术干预，会造成一定破坏，这可能导致某些与挫伤无关的细胞因子水平增加，并且可能影响结果。第二，测试的可靠性是有缺陷的，对每只动物挤压造模使用的力很难做到大小一致[19]。
-
1.2 拉伤
-
当肌肉受到过大的拉伸强度时，就会因拉伸而导致肌肉损伤。通常，肌肉张力发生在远端肌腱连接处，在那里，比一般肌肉受到的相对更大的力，被集中并转移到骨骼肌。通常，当肌肉发生离心收缩的同时，存在相反的张力，就会产生应变，容易使肌肉撕裂[20]。与多个关节相连的肌肉最常受到应变的影响，这些肌肉包括腓肠肌、股直肌和腘绳肌。因为它们必须处理较大的内力以及肌肉长度和收缩模式的快速变化，所以，这些多关节肌肉通常受到的影响更大。由于快速抽搐的肌纤维比例高，以及两个关节都需要双重作用，容易使肌肉疲劳，可能会使离心收缩过程中的肌肉过度收缩，以至肌肉撕裂，从而导致肌肉损伤[21]。
-
动物拉伤模型的造模方案，可分为两大类。第一类是使用电刺激肌肉，来模拟肌肉的离心收缩的动物拉伤模型。第二类是利用肌腱牵引，从而对肌肉造成伤害。
-
第一类中的大多数研究旨在复制人类的肌肉劳损，从而造成拉伤。根据电刺激肌肉收缩的类型可分为两组：一组使用电刺激特定的肌肉神经，使关节移动和肌肉离心收缩[22-23]；另一组则使用放置在皮肤表面或皮下的电极来刺激肌肉等[24-25]。虽然这两组都表现出肌肉拉伤的共同特征，但第一组（电刺激神经组）在激活特定肌肉方面往往更有效，因为通过皮肤进行肌肉电刺激的影响受到皮肤的限制，并且刺激程度取决于电流的类型以及所使用的频率和电压，不能保证最大限度地刺激肌肉，尤其是离皮肤较远的单位。而第二组造模方式的优点是创伤性较小，不需要任何形式的手术。
-
第二类使用肌腱牵引的拉伤型造模方法：Ramos等[26]将肌腱连接一个拉力计，根据预定的伸长率与应变，将肌腱/肌肉拉到一个点，方法为：将每只大鼠的后肢定位，膝盖伸展，脚踝背屈90°。将相当于动物体重150%的分级重量，连接到右脚20 min，2次，间隔3 min。受伤后，在不同时间点进行功能分析。这种方法不进行侵入性手术，但这种方式不是动物自主的肌肉收缩，而是由于肌肉被迫拉伸造成的。因此，该模型不能被定性为离心收缩引起的拉伤。
-
与人类研究相比，这些用于动物的拉伤模型具有一定优势。首先，因为可以取出整个肌肉进行功能和形态学研究，所以，可以精确控制实验中的使用参数，例如，速度、加速度和运动范围等。然而，在动物模型中，肌肉损伤是因电刺激而激诱发的，这与人类大多数情况下，发生拉伤的原因不同。在人类中，通常是低负荷、高重复或者高负荷运动时导致的拉伤。
-
1.3 撕裂伤
-
与挫伤性肌肉损伤类似，撕裂伤也是对肌肉直接打击的创伤。当肌肉组织暴露在挤压力或尖锐物体下时，就会发生撕裂性创伤，导致肌肉组织结构的局部破坏，甚至肌肉组织的体积损失。撕裂伤是运动创伤中最不常见的一种，其通常发生在碰撞等事故中。撕裂伤的病理生理学包括典型的炎症过程，其中，肌原纤维断裂成两部分。特别是与拉伤和挫伤相比，撕裂伤更有可能涉及肌肉神经支配，这可能导致肌肉组织恢复困难。
-
撕裂伤模型主要用于评估肌肉纤维化和它的治疗方式。与拉伤和挫伤模型相比，撕裂伤模型的造模方法相对一致。所有关于撕裂模型的造模方式，都使用了肌腹横断，只是选择的动物、横断所选的肌肉和横断深度不同。Pereira等[27]选择完全横断小鼠的腓肠肌来建立撕裂伤模型；Vaittinen等[28]和Aarimaa等[29]选择SD大鼠，完全横断它们的比目鱼肌来建立模型。而Hwang等[30]在实验中选择部分横断小鼠的腓肠肌；Freitas等[31]选择SD大鼠，部分横断它们的腓肠肌来建立模型。与其他机械损伤模型一样，啮齿动物的后肢肌肉是实验研究造模的主要选择。该造模方式相对简单，不需要借助大型仪器设备，方便模型复制，且损伤后的病理生理变化与人类相对一致。
-
2 小结
-
机械性骨骼肌损伤是生活中常见的一种损伤，给广大人民群众，尤其是从事运动相关职业的人群，带来了严重不便。所以，建立理想的动物模型，可以有效地研究损伤的原因、治疗的方法以及再生过程。根据不同的损伤类型，选择建立不同的动物模型是研究的基础。为了研究挫伤及挫伤后肌肉再生的机制，可以建立挫伤模型；拉伤模型的损伤过程有多种形式进行复制，但离心收缩是其中最常用的形式，常用于研究骨骼肌运动治疗临床疗效、骨骼肌再生机制等；撕裂伤模型的重点在于评估肌肉纤维化程度及其治疗方式，并且比前两种损伤（挫伤和拉伤）更具可重复性。根据研究目的和研究内容，选择适合的造模方式，能够更准确地模拟人类骨骼肌机械性损伤，从而借助动物模型，实现实验研究的突破，造福广大患者。
-
多年来，机械性骨骼肌损伤的动物模型已经用于相关研究，确实提高了对此类骨科疾病的理解和研究。但是，目前机械性骨骼肌损伤的相关研究仍然需要进一步深入探索，本文总结的各造模方法仍然有各自的不足之处，比如，动物本身与人类生活的行为方式存在差别，不能完全模拟人类的骨骼肌损伤。所以，建立更理想、更完善的动物模型仍需要人们不断深入地研究探索。
-
参考文献
-
[1] Xia QH,Huang XB,Huang JR,et al.The role of autophagy in skeletal muscle diseases[J].Front Physiol,2021,12:638983.
-
[2] Kääriäinen M,Järvinen T,Järvinen M,et al.Relation between myofibers and connective tissue during muscle injury repair[J].Scand J Med Sci Sports,2000,10(6):332-337.
-
[3] Svensson K,LaBarge SA,Sathe A,et al.p300 and cAMP response element-binding protein-binding protein in skeletal muscle homeostasis,contractile function,and survival[J].J Cachexia Sarcopenia Muscle,2020,11(2):464-477.
-
[4] Järvinen TA,Kääriäinen M,Järvinen M,et al.Muscle strain injuries[J].Curr Opin Rheumatol,2000,12(2):155-161.
-
[5] Corona BT,Wenke JC,Ward CL.Pathophysiology of volumetric muscle loss injury[J].Cells Tissues Organs,2016,202(3/4):180-188.
-
[6] Järvinen TA,Järvinen TL,Kääriäinen M,et al.Muscle injuries:optimising recovery[J].Best Pract Res Clin Rheumatol,2007,21(2):317-331.
-
[7] Toumi H,F’Guyer S,Best TM.The role of neutrophils in injury and repair following muscle stretch[J].J Anat,2006,208(4):459-470.
-
[8] Khattak MJ,Ahmad T,Rehman R,et al.Muscle healing and nerve regeneration in a muscle contusion model in the rat[J].J Bone Joint Surg Br,2010,92(6):894-899.
-
[9] Kary JM.Diagnosis and management of quadriceps strains and contusions[J].Curr Rev Musculoskelet Med,2010,3(1/2/3/4):26-31.
-
[10] Järvinen TAH,Järvinen TLN,Kääriäinen M,et al.Muscle injuries:biology and treatment[J].Am J Sports Med,2005,33(5):745-764.
-
[11] Wang LC,Kernell D.Proximo-distal organization and fibre type regionalization in rat hindlimb muscles[J].J Muscle Res Cell Motil,2000,21(6):587-598.
-
[12] 吴安林,艾珏萍,谢秀惠,等.兔急性骨骼肌损伤模型的建立及分期确定[J].山西中医药大学学报,2020,21(4):257-259.
-
[13] Ambrosio F,Ferrari RJ,Distefano G,et al.The synergistic effect of treadmill running on stem-cell transplantation to heal injured skeletal muscle[J].Tissue Eng Part A,2010,16(3):839-849.
-
[14] Minamoto VB,Grazziano CR,Salvini TF.Effect of single and periodic contusion on the rat soleus muscle at different stages of regeneration[J].Anat Rec,1999,254(2):281-287.
-
[15] Filippin LI,Cuevas MJ,Lima E,et al.Nitric oxide regulates the repair of injured skeletal muscle[J].Nitric Oxide,2011,24(1):43-49.
-
[16] Puntel GO,Carvalho NR,Amaral GP,et al.Therapeutic cold:an effective kind to modulate the oxidative damage resulting of a skeletal muscle contusion[J].Free Radic Res,2011,45(2):125-138.
-
[17] Ghaly A,Marsh DR.Aging-associated oxidative stress modulates the acute inflammatory response in skeletal muscle after contusion injury[J].Exp Gerontol,2010,45(5):381-388.
-
[18] Takagi R,Fujita N,Arakawa T,et al.Influence of icing on muscle regeneration after crush injury to skeletal muscles in rats[J].J Appl Physiol,2011,110(2):382-388.
-
[19] Smith C,Kruger MJ,Smith RM,et al.The inflammatory response to skeletal muscle injury:illuminating complexities[J].Sports Med,2008,38(11):947-969.
-
[20] Beltran L,Ghazikhanian V,Padron M,et al.The proximal hamstring muscle-tendon-bone unit:a review of the normal anatomy,biomechanics,and pathophysiology[J].Eur J Radiol,2012,81(12):3772-3779.
-
[21] Almekinders LC.Anti-inflammatory treatment of muscular injuries in sport.An update of recent studies[J].Sports Med,1999,28(6):383-388.
-
[22] Warren GL,Summan M,Gao X,et al.Mechanisms of skeletal muscle injury and repair revealed by gene expression studies in mouse models[J].J Physiol,2007,582(Pt 2):825-841.
-
[23] Hammond JW,Hinton RY,Curl LA,et al.Use of autologous platelet-rich plasma to treat muscle strain injuries[J].Am J Sports Med,2009,37(6):1135-1142.
-
[24] Smith CA,Stauber F,Waters C,et al.Transforming growth factor-beta following skeletal muscle strain injury in rats[J].J Appl Physiol,2007,102(2):755-761.
-
[25] Song HS,Nakazato K,Nakajima H.Effect of increased excursion of the ankle on the severity of acute eccentric contraction-induced strain injury in the gastrocnemius:an in vivo rat study[J].Am J Sports Med,2004,32(5):1263-1269.
-
[26] Ramos L,Leal Junior EC,Pallotta RC,et al.Infrared(810 nm)low-level laser therapy in experimental model of strain-induced skeletal muscle injury in rats:effects on functional outcomes[J].Photochem Photobiol,2012,88(1):154-160.
-
[27] Pereira BP,Tan BL,Han HC,et al.Intramuscular nerve damage in lacerated skeletal muscles may direct the inflammatory cytokine response during recovery[J].J Cell Biochem,2012,113(7):2330-2345.
-
[28] Vaittinen S,Hurme T,Rantanen J,et al.Transected myofibres may remain permanently divided in two parts[J].Neuromuscul Disord,2002,12(6):584-587.
-
[29] Aärimaa V,Kääriäinen M,Vaittinen S,et al.Restoration of myofiber continuity after transection injury in the rat soleus[J].Neuromuscul Disord,2004,14(7):421-428.
-
[30] Hwang JH,Kim IG,Piao SY,et al.Combination therapy of human adipose-derived stem cells and basic fibroblast growth factor hydrogel in muscle regeneration[J].Biomaterials,2013,34(25):6037-6045.
-
[31] Freitas LS,Freitas TP,Silveira PC,et al.Effect of therapeutic pulsed ultrasound on parameters of oxidative stress in skeletal muscle after injury[J].Cell Biol Int,2007,31(5):482-488.
-
摘要
骨骼肌是人体中最丰富的组织，经常受到各种类型的损伤。机械性损伤是最常见的骨骼肌损伤类型，通常分为3类：挫伤、拉伤和撕裂伤。损伤模型是骨骼肌损伤发病机制实验研究的基础，不同的实验研究，动物模型的制造方法不同。所以，在为实验选择最合适的造模方式时，必须考虑一些具体的特征。挫伤模型主要是为了研究挫伤和肌肉再生的机制；拉伤模型可以使用不同的形式来复制损伤过程，其中离心收缩是最常用的方法；撕裂伤模型主要用于评估肌肉纤维化和它的治疗方式，并且比其他损伤过程（挫伤和拉伤）更具可重复性。根据不同的损伤类型和研究目的，选择建立不同的动物模型是研究的基础。本综述的目的是分析和比较用于模拟人类机械性骨骼肌损伤的动物实验方法。
