不同的運動介入對大鼠阿基里斯肌腱修復的影響

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(1)國立台灣師範大學體育學系博士學位論文. 不同的運動介入對大鼠阿基里斯肌腱修復的影響. 研究生：楊昌斌指導教授：謝伸裕. 中華民國九十七年六月中華民國台北市.

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(4) 不同的運動介入對大鼠阿基里斯肌腱修復的影響研究生：楊昌斌指導教授：謝伸裕. 2008 年 6 月. 摘. 要. 目的：比較『跑步』與『游泳』運動介入對阿基里斯肌腱修復的差異。方法：本實驗以 81 隻 Spraque Dawley 大鼠為實驗對象，隨機分為控制組、跑步組、游泳組。先將大鼠的阿基里斯肌腱以手術做橫向割斷，受傷後第 5 天進行運動介入，其中，跑步運動每天 1 次，每次 15 分鐘，前 2 天速度為 4 公尺/分鐘，之後為 12 公尺/分鐘；游泳運動每天 1 次，每次 15 分鐘，每次 6 隻同時進行，尾巴沒有負重。觀察受傷組織的外觀、發炎情形、膠原蛋白的生長與排列和肌腱的最大抗拉強度。結果：（一）受傷後第 7 天，跑步組的發炎細胞比游泳組多，且新、舊組織接合較差。（二）受傷後第 28 天，阿基里斯肌腱功能指數（Achilles Functional Index；AFI）分別為控制組（-3.76 ± 13.68）、跑步組（-14.23 ± 12.01）、游泳組（-12.2 ± 10.67），均與受傷前未達顯著差異（p＝.277）；最大抗拉強度分別為控制組 (53.51 ± 3.68N)、跑步組 (62.9 ± 7.68N)、游泳組 (58.19 ± 8.15N)，均與受傷前未達顯著差異（p＝.184）；跑步組與游泳組的第一類型膠原蛋白比例較控制組低，但新生膠原蛋白排列較控制組整齊且具緩衝的能力。跑步組的組織切片有微小的波紋結構，最接近正常肌腱組織，其他兩組沒有。結論：由於運動可以促進新生膠原蛋白的排列更整齊，因此受傷後第 5 天應選擇運動介入，但為了避免造成新、舊組織接合較差，且發炎較嚴重的現象，應以游泳為優先考量；由於跑步可使新生膠原蛋白產生波紋結構，因此建議受傷後第 14 天即可取代游泳方式介入。. 關鍵詞：肌腱修復、游泳、膠原蛋白 I.

(5) The Effects of Different Exercises Intervention on the Achilles Tendon Recovery in Rats June, 2008. Student: Chang-Bin Yang Advisor: Sandy Shen-Yu Hsieh. Abstract Purpose: To compare the intervention of different exercises – running or swimming on the recovery of injured Achilles tendon. Methods: Eighty-one Spraque Dawley rats were randomly assigned to three groups; control, running and swimming. The rats’ Achilles tendon were cut first and then intervened by different exercises after the 5th day of Achilles injury. The running was once each day, 15 minutes each time, at the speed of 4 meters / minute for the first two days, then the speed was increased to 12 meters / min. In swimming, six rats swam at the same time, 15 minutes each time, once a day, and their tails was free of weight. The control group did not do either running or swimming. The tissue inflammation, arrangement and growth of collagen and ultimate tensile strength of tendon were observed and measured during the recovery period. Results: (1) On the 7th day, running group have more inflammation cells than the swimming group. In addition, the adhesion of new growth and previous tissues was worse in the running group. (2) On the 28th day, the AFI of control, running, and swimming group was -3.76±13.68, -14.23±12.01, and -12.2±10.67, respectively. There was no significant difference between pre- and post-injury in each group (p＝.277); The ultimate tensile strength of tendon for control, running, and swimming group was 53.51±3.68N, 62.9±7.68N, and 58.19±8.15N, respectively. No significant difference was found between pre- and post-injury in each group (p＝.184). The proportion of type I collagen was lower in the running and the swimming group than in the control group. However, arrangement of new growth collagen and the ability of cushion were observed in running and swimming groups. Moreover, the tendon biopsy of running group had a minute crimp structure, and, the other groups did not have this characteristic. Conclusion: Exercise should be intervened after the 5th day of Achilles injury, because exercise could enhance tidier arrangement in collagen. Nevertheless, swimming should be the first exercise intervention for better adhesion of new growth and the old tissues and to avoid inflammation. Also, it is suggested that swimming should be replaced by running after the 14th day of injury, because running can lead to a microscopic crimp structure in new collagen.. Key words: tendon recovery, swimming, collagen II.

(6) 謝. 誌. 感謝謝伸裕先生擔任我碩、博班的指導教授，共七年的用心費時指導，除了讓我得以具備獨立研究的能力，更讓此論文可以順利完成，更教我許多為人處世的道理。也要感謝口試委員，文化大學運動教練所林正常教授，在研究計畫方面給予諸多建議；台灣師範大學學務長方進隆教授，提供運動處方的相關重要資訊；國泰診所陳俊興醫師在臨床上的意見提供；海洋大學洪良邦教授提醒相關論文寫作方法與邏輯，更提供經費補助，讓本論文得以順利進行。實驗技術方面，感謝海洋大學食科系吳彰哲教授提供實驗室進行實驗；博士生邱雅凰同學，指導組織切片及染色方法；台灣大學牙醫系李伯訓教授、王法人醫師提供拉力測試儀器及技術；海洋大學應地所陳惠芬教授提供偏振光顯微鏡的器材與技術；海洋大學機械系劉倫偉教授提供影像擷取軟體與技術；海洋大學蔡欣翰、湯正旺、陳進南同學協助辦理實驗相關事宜。感謝母親莊淑錦女士，教導我處理難題的智慧，讓我克服寫作的困難；父親楊志忠先生，對我期望與關懷，讓我有動力完成學業，更花費許多時間校閱此論文。岳父、岳母多方面支持，妻子林祐如，天天為我禱告，讓我的心靈更平順，同時煮很多健康的食品給我補充體力，得以應付工作，更體諒我長期工作在外，較少時間分擔家務。楊昌斌 2008.7. 於海洋大學 III.

(7) 目. 次. 第壹章緒論一、前言…………………………………………………………………1 二、研究目的……………………………………………………………4 三、研究假設……………………………………………………………4 四、名詞操作性定義……………………………………………………5. 第貳章文獻探討一、肌腱的結構…………………………………………………………6 二、肌腱的組成…………………………………………………………9 三、肌腱的血流調解……………………………………………………13 四、肌腱的生物力學特性………………………………………………13 五、肌腱的相關疾病……………………………………………………16 六、肌腱的復原過程……………………………………………………17 七、肌腱損傷分類與處裡………………………………………………21 八、身體活動對肌腱的相關研究………………………………………26. 第參章研究方法與步驟一、實驗流程……………………………………………………………35 二、實驗方法……………………………………………………………36. IV.

(8) 第肆章結果一、體重…………………………………………………………………43 二、阿基里斯肌腱功能…………………………………………………44 三、肌腱組織觀察………………………………………………………47 四、肌腱最大抗拉強度…………………………………………………62. 第伍章討論一、阿基里斯肌腱功能…………………………………………………67 二、組織觀察……………………………………………………………69 三、肌腱最大抗拉強度…………………………………………………79 四、『跑步』與『游泳』對阿基里斯肌腱修復影響比較………………82 五、結論…………………………………………………………………82. 引用文獻………………………………………………………………84. V.

(9) 附. 錄. 附錄一組織固定、冷凍切片 …………………………………………95 附錄二紫木蘇及伊紅（haematoxylin-eosin stained）……………96 附錄三膠原蛋白染色（Picro-Sirius Red for Collagen）…………97 附錄四免疫化學染色（Immunohistochemistry）……………………98 附錄五藥品與試劑 …………………………………………………100 附錄六原始資料 ……………………………………………………101 附錄七動物實驗管理小組審查同意書 ……………………………105. VI.

(10) 表. 次. 表 2-1 肌腱的復原過程 ………………………………………………21 表 2-2 臨床上不同修復期的處理原則 ………………………………23 表 2-3 人類阿基里斯肌腱傷害分類與處裡 …………………………25 表 4-1 不同處理組別與天數的體重變化表 …………………………43 表4-2 第0天體重變異數摘要表………………………………………43 表4-3 第28天體重變異數摘要表 ……………………………………44 表 4-4 第 28 天體重事後比較摘要表…………………………………44 表 4-5 不同處理組別間 AFI 值變異數摘要表 ………………………45 表 4-6 不同天數間 AFI 值事後比較摘要表 …………………………46 表 4-7 不同處理組別膠原蛋白比例變異數摘要表 …………………57 表 4-8 不同處理組別膠原蛋白比例事後比較摘要表 ………………57 表 4-9 不同處理組別與天數的最大抗張強度值 ……………………63 表 4-10 不同處理組別第 7 天最大抗拉強度變異數摘要表…………63 表4-11 不同處理組別第7天最大抗拉強度事後比較摘要表 ………64 表4-12 不同處理組別第28天最大抗拉強度變異數摘要表…………64. VII.

(11) 圖. 次. 圖 2-1 肌腱結構圖………………………………………………………7 圖 2-2 膠原蛋白間的橫向連結…………………………………………9 圖 2-3 應力-應變曲線…………………………………………………15 圖 2-4 抗拉強度－位移曲線 …………………………………………16 圖 3-1 實驗流程圖 ……………………………………………………35 圖 3-2 阿基里斯肌腱的手術方式 ……………………………………37 圖 3-3 老鼠阿基里斯肌腱功能測量模式圖 …………………………39 圖 3-4 圖像採集分析 …………………………………………………41 圖 3-5 Instron 萬能材料試驗機夾具 ………………………………42 圖 4-1 不同處理組別阿基里斯肌腱功能曲線圖 ……………………45 圖 4-2 控制組第 14 天左、右腳肌腱…………………………………47 圖 4-3 控制組受傷後第 2 天 …………………………………………48 圖 4-4 控制組受傷後第 5 天 …………………………………………48 圖 4-5 控制組受傷後第 14 天…………………………………………48 圖 4-6 控制組受傷後第 28 天…………………………………………48 圖 4-7 控制組正常腳肌腱 ×200………………………………………49 圖 4-8 控制組受傷後第 2 天 ×200……………………………………49 圖 4-9 控制組受傷後第 5 天 ×200……………………………………49 圖 4-10a 控制組受傷後第 7 天 ×200…………………………………50 VIII.

(12) 圖 4-10b 跑步組受傷後第 7 天 ×200…………………………………50 圖 4-10c 游泳組受傷後第 7 天 ×200…………………………………50 圖 4-11a 控制組受傷後第 14 天 ×200 ………………………………51 圖 4-11b 跑步組受傷後第 14 天 ×200 ………………………………51 圖 4-11c 游泳組受傷後第 14 天 ×200 ………………………………51 圖 4-12 控制組正常腳肌腱 ×200 ……………………………………52 圖 4-13 控制組受傷後第 2 天 ×200 …………………………………52 圖 4-14 控制組受傷後第 5 天 ×200 …………………………………52 圖 4-15a 控制組受傷後第 7 天 ×200…………………………………53 圖 4-15b 跑步組受傷後第 7 天 ×200…………………………………53 圖 4-15c 游泳組受傷後第 7 天 ×200…………………………………53 圖 4-16 控制組正常腳肌腱 ×200 ……………………………………54 圖 4-17 控制組受傷後第 2 天 ×200 …………………………………54 圖 4-18a 控制組受傷後第 7 天 ×200…………………………………55 圖 4-18b 跑步組受傷後第 7 天 ×200…………………………………55 圖 4-18c 游泳組受傷後第 7 天 ×200…………………………………55 圖 4-19 控制組正常腳肌腱 ×100 ……………………………………58 圖 4-20 控制組受傷後第 2 天 ×100 …………………………………58 圖 4-21 控制組受傷後第 5 天 ×100 …………………………………58 圖 4-22a 控制組受傷後第 7 天 ×100…………………………………59 IX.

(13) 圖 4-22b 跑步組受傷後第 7 天 ×100…………………………………59 圖 4-22c 游泳組受傷後第 7 天 ×100…………………………………59 圖 4-23a 控制組受傷後第 14 天 ×100 ………………………………60 圖 4-23b 跑步組受傷後第 14 天 ×100 ………………………………60 圖 4-23c 游泳組受傷後第 14 天 ×100 ………………………………60 圖 4-24a 控制組受傷後第 28 天 ×100 ………………………………61 圖 4-24b 跑步組受傷後第 28 天 ×100 ………………………………61 圖 4-24c 游泳組受傷後第 28 天 ×100 ………………………………61 圖 4-25a 第 7 天控制組未受傷 ………………………………………65 圖 4-25b 第 7 天控制組受傷 …………………………………………65 圖 4-25c 第 7 天跑步組受傷 …………………………………………65 圖 4-25d 第 7 天游泳組受傷 …………………………………………65 圖 4-26a 第 28 天控制組未受傷………………………………………66 圖 4-26b 第 28 天控制組受傷…………………………………………66 圖 4-26c 第 28 天跑步組受傷…………………………………………66 圖 4-26d 第 28 天游泳組受傷…………………………………………66. X.

(14) 不同的運動介入對大鼠阿基里斯肌腱修復的影響. 第壹章緒論一、前言對運動員而言，阿基里斯肌腱 (Achilles tendon) 損傷是很常見，儘管發生率很高，但對於阿基里斯肌腱斷裂的原因卻所知不多。從流行病學 (epidemiology) 的研究發現，在阿基里斯肌腱斷裂的患者中，男性多於女性；左腳斷裂多於右腳；年齡在 30-40 歲最多；血型 O 型者最多。病源學的觀點認為肌腱的斷裂與發炎、自體免疫、感染等有關 (Maffulli, 1999)。Carr 與 Norris (1989) 研究發現阿基里斯肌腱距離跟骨附着點 (calcaneal insertion) 2-7 公分處的血管總量及單位面積相對量均明顯較少，相對血流量也較其他部位少。Mazzone 與 Mccue (2002) 則證實由跟骨附著點向上 2-6 公分處是阿基里斯肌腱最容易受傷的部位。目前所知造成運動中急性或慢性肌腱傷害的重要原因，除了不斷的因外力受到微小傷害外，血流不足 (insufficient blood flow) (Langberg, Bulow, ＆Kjaer, 1998) 是一個關鍵因素。現在治療的方法中，除了降低發炎反應及疼痛外，就是增加患處的血流以促進復原，如熱療法、按摩、電刺激、超音波療法 (0.75-3.0MHz) 等 (Riley,. 1.

(15) 2008)。可見提供肌腱充足血流的重要性。此外，肌腱斷裂後通常需要一段時間固定，但固定會造成一些負面的影響，如肌肉萎縮 (muscle atrophy)、關節僵硬 (joint stiffness)、組織粘黏 (adhesion)、血栓性靜脈炎 (thrombophlebitis) 等 (Enwemeka, Spielholz, ＆Nelson, 1988)，因此如何有效的提早受傷後的活動是復健醫療上的一個重要方向。肢體的運動不但可以使肌腱血管增生，而且可以提高阿基里斯肌腱本體的血流供給 2.5-4 倍，血流量可從每 100g 組織，每分鐘 2.4±0.6mL，增加到 9.7±3.7mL (Backman, Friden, ＆WidmarK, 1991； Langberg 等)，而且運動也是提高肌腱血流的最簡單可行方式。除了提升患部的血流供應外，運動也可提升肌腱代謝能力及增強機械特性。機械負荷會作用在細胞膜上的一種稱為 integrin 的受體，以及增加轉化成長因子 (transforming growth factor-b, TGF-b)、細胞激素 IL-1、細胞激素 IL-6、纖維母細胞生長因子 ( fibroblast growth factor, FGF)、前列腺素 (prostaglandin, PG)、血管內皮細胞生長因子 ( vascular endothelial growth factor, VEGF) 等，透過有絲裂原活化蛋白激酶 (mitogen-activated protein kinase, MAPK)、轉錄因子 NF-kB、磷酸果醣激酶 (phosphofructokinase, PFK) 等作用後，改變細胞核中的膠原蛋白基因表現，進而促進粗面內質網 (rough endoplasmic. 2.

(16) reticulum, RER) 分泌原膠原 (procollagen) 分子，進一步產生膠原蛋白纖維 (Kjaer, 2004)。因此，對健康的肌腱而言，耐力訓練會增加肌腱最後的斷裂強度 (ultimate failure) 及剛性 (stiffness) ( Simonsen, Klitgaard, ＆Bojsen-Moller, 1995) ；長期的跑步運動會增加肌腱的剛性 (Buchanan and Marsh, 2001)；身體訓練 (phyaical training) 可以增加膠原蛋白、橫斷面積、最大抗拉強度等 (Simonsen 等)。對不健康的肌腱而言，低負荷的阻力訓練 (low-load resistance training) 可以增加中年及老年婦女肌腱的彈性 (elasticity) 及最大張力 (maximal strain) (Kubo, Kanehisa, Miyatani, Tachi, ＆Fukunaga, 2003)；跑步運動可以改善部份斷裂的阿基里斯肌腱的最大抗拉強度 (See, Ng, Ng, ＆ Fung, 2004)；離心的復健運動會增加退化 (tendinosis) 的阿基里斯肌腱周圍的第一類型膠原蛋白合成 (type 1 collagen synthesis) 並減少疼痛 (Langberg 等, 2007)。由此可知運動可以改變肌腱結構並增強肌腱的生物力學特性，減少受傷的機會及促進受傷後的復原。比較不同運動介入的相關論文很少，結果也不一致。其中， Simonsen 等 (1995) 探討力量訓練與游泳訓練對肌腱的影響發現，對 29 週大的大鼠進行游泳訓練後，發現平均肌腱最大抗拉強度為 56.8N，明顯高於不運動組 (45.0N)，而力量訓練未達顯著效果，認為這樣的效果與『肢體活動的次數』有關，而非『肢體活動的張力』；. 3.

(17) 並指出游泳訓練比力量訓練增加更多的肌腱血流。但 See 等 (2004) 以大鼠為研究對象探討跑步與游泳運動對阿基里斯肌腱斷裂修復的影響，卻發現以跑步運動介入可以顯著的改善肌腱復原過程中的斷裂強度，而游泳運動沒有顯著效果，推論：「可能是游泳較少運用到阿基里斯肌腱的部位所致…」。此外 Murrell 等 (1998) 只針對游泳運動介入對阿基里斯肌腱復原的情形做研究，結果發現游泳對復原並無益處，推論可能因實驗只為期 15 天。雖然這兩篇研究發現游泳對肌腱修復並沒有正面效果，但均對游泳運動的介入的效果仍持有正面的期待，不過這些研究沒有做組織切片觀察，均以『運動量不足』做為推論。因此本研究主要以組織切片及力學測試兩部分來觀察比較『跑步』與『游泳』運動介入對阿基里斯肌腱修復的影響，並尋求較合適的傷後運動介入方式。. 二、研究目的比較『跑步』與『游泳』運動介入對阿基里斯肌腱損傷後修復的影響。. 三、研究假設『游泳』比『跑步』對阿基里斯肌腱修復後，新、舊組織接合較好，最大抗拉強度較高。. 4.

(18) 四、名詞操作性定義（一）跑步運動本研究的跑步運動是手術後第 5 天開始，在大鼠跑步機上進行跑步運動，每天進行 15 分鐘，前 2 天速度為 4.0 公尺/分鐘；之後速度為 12.0 公尺/分鐘 (See 等, 2004；Ng, Ng, ＆See, 2004)。運動開始時間為每天晚上 8 點，因此時段為老鼠活動期。（二）游泳運動本研究的游泳運動是手術後第 5 天開始進行游泳運動 (See 等, 2004；Godbout, Ang, ＆Frenette, 2006；楊昌斌，2002)，於 25℃水溫之泳槽 (深度 45 公分、長 100 公分、寬 60 公分)，每天進行 15 分鐘的游泳運動一次，每次共 6 隻同時在一槽內進行游泳，大鼠尾巴均沒有掛重物。運動開始時間為每天晚上 8 點，因此時段為老鼠活動期。（三）阿基里斯肌腱損傷本研究的阿基里斯肌腱損傷是參照 Murrell 與 Phil (1993) 的方法，以手術將老鼠的阿基里斯肌腱橫向切斷。為了促進皮膚傷口的瘉合，本實驗橫向切斷肌腱後，立即將表皮縫合，縫合針數為 1 針。. 5.

(19) 第貳章文獻探討一、肌腱的結構（一）肌腱的纖維排列肌腱損傷在運動醫學與復健醫療上均是一個很重要的課題。肌腱纖維因為包含很高比例的膠原蛋白，且順著力的方向緊密排列，所以它的抗張能力是所有結締組織中最強的。人體肌腱的抗張能力為 50 N/mm 2 至 100 N/mm 2；橫斷面積 (cross-section area) 1 平方公分的肌腱可承受 500-1000 公斤的重量。肌腱抗張能力會隨著年齡而改變， 25-35 歲之間達到最強，之後則隨年齡慢慢衰退。肌腱包含了一些獨特的細胞，如腱細胞 (tenocytes)、纖維母細胞 (fibroblasts)、星狀細胞 (star shaped cell) 等，均有其特殊的生理作用。細纖維 (fibril) 是肌腱的最小結構單位。由棒狀的 (rod-like) 膠原蛋白分子 (collagen molecules) 排列組成。其直徑為 10-500nm，依所取樣的位置、種類、年齡的不同而有所差異。許多的細纖維聚集成纖維 (fiber)，被肌腱內膜 (endotenon) 包圍成束 (bundle)，稱為纖維束 (fibre bundles；fascicles)。而一束束的纖維束為腱外衣 (epitenon) 所圍繞形成肌腱 (圖 2-1)。纖維束幾乎都呈縱向排列，可幫助肌腱強大的抗張力能力。有少部分的纖維是成橫向的，有些甚至是呈螺旋形或摺疊形，這些複雜的超顯微結構可以提供肌腱對於橫向力、剪力、. 6.

(20) 扭力的抵抗，使肌腱的韌性更強。纖維束的大小與肌腱的功能是有相關的，小的纖維束位於指部的肌腱，而阿基里斯肌腱的纖維束則較大，原因是因為阿基里斯腱需承受較大的張力。肌腱中的纖維束是屬於叢生結構，此可以提供作為一種故障安全防護裝置 (fail-safe) 的機制，當有部分纖維束斷裂時才不會顯著的降低原有的肌腱功能。以偏振光顯微鏡 (polarized light microscopy) 觀察肌腱，可以觀察到膠原蛋白纖維呈現週期性的波紋結構，通常是呈現「平面 Z 字形」或是波紋形 (crimp) (圖 2-1)，這具有緩衝張力的效果，進而降低肌腱的傷害機會。. 圖 2-1 肌腱結構圖 (修改自 Screen, Bader, Lee, ＆Shelton, 2004). 7.

(21) （二）橫向連結 (cross-link) (圖 2-2) 橫向連結的形成使膠原蛋白成為穩定結構，有些橫向連結是經由離胺基氧化酶 (lysyl oxidase) 修飾而形成在鄰近的胺基酸之間，最初是形成在兩個胺基酸之間，當組織老化，會在與另一個鄰近胺基酸形成成熟有三叉的橫向連結 (trifunctional cross-link)。成熟的橫向連結有很多種，較特別的有 hydroxylysylpyridinoline (HP) 和 lysylpyridinoline (LP)。肌腱的 HP 比其他軟組織多；不同部位的肌腱也有差異，如棘上肌 (supraspinatus) 肌腱比二頭肌肌腱多三倍以上，這差異是與組織的不同應力需求有關，通常受力較大的肌腱含有較多的 HP。當膠原蛋白橫向連結異常時，就會對人體造成負面的影響，如俗稱鬆皮症 (Ehlers Danlos syndrome)，患者膠原蛋白橫向連結的形成受到抑制，是罕見的先天結締組織異常疾病，特徵為皮膚的高度伸展性，以及關節活動範圍的過度增加，所以又被稱為橡皮人症候群 (rubber man syndrome)。另一種形式的橫向連結的產生是經由非酵素的糖化作用 (glycation)。如 pendosidine，它會隨著年齡的增加而逐漸堆積在膠原蛋白分子上，與組織老化有關。. 8.

(22) 圖 2-2 膠原蛋白間的橫向連結 (修改自 Mooren and Volker, 2005). 二、肌腱的組成肌腱主要是由膠原蛋白 (collagen) 組成。膠原蛋白是結締組織中含量最豐富的蛋白質，也是細胞間質中主要的組成份子。其特殊的三股螺旋結構使其不僅提供一個組織構成的骨架，也提供細胞一個良好的生長環境。由於膠原蛋白的免疫反應很低，目前已有許多以膠原蛋白為基礎的生物醫學材料，廣泛的運用在各種組織的修復治療之中，如心臟瓣膜、燙傷敷料等。. 9.

(23) （ㄧ）膠原蛋白膠原蛋白是一種普遍存在動物組織中的蛋白質。在脊椎動物體內，膠原蛋白可佔體總蛋白的 30％。為結締組織中基質的主要成分，所以在軟骨、硬骨、肌腱、血管與皮膚的基質中，都可發現高量的膠原蛋白。膠原蛋白分子的長度約為 300nm，直徑約為 1.5nm，其結構中的基本單元是三條聚鍊 (polypeptide chain) 所組成。這些被稱為 α 鏈的聚鏈，會相互纏繞而形成三股螺旋的特殊結構。α 鏈的胺基酸序列為一種獨有的順序： (Gly-X-Y) n；其中 Gly 代表甘氨酸 (glycine)，而在大部分的情況下，X 為脯胺酸 (praline)，Y 代表蹡基脯胺酸 (hydroxyproline) (吳昌至，2002)。膠原蛋白至少可分為 12 類型，肌腱組織中含量最多的為第一類型和第三類型的膠原蛋白。在乾的 ( dry) 肌腱組織中，約有 97﹪的成分是膠原蛋白，其中最多數第一型的膠原蛋白佔總組織的 60﹪。第一類型膠原蛋白分子間彼此所形成的橫向連結非常緊密，所以聚集而成的膠原蛋白纖維非常強韌；其次是第三型膠原蛋白位於肌腱內膜和腱外衣，約佔總量 1.5％，與第一類型膠原蛋白共同存在於組織中，而提供組織一定的彈力。第五型膠原蛋白位於第一類型膠原蛋白纖維的中間，佔不到 0.2% 。第六型的膠原蛋白是成摺疊狀分散在第一型膠原蛋白纖維中。. 10.

(24) （二）蛋白多醣 (proteoglycan) 除了膠原蛋白外，肌腱也包含少量的蛋白多醣，不同位置的含量會有所差異，須依機械性負荷條件而定。如牛的屈指深肌肌腱壓縮性較強，含量為 3.5％的乾肌腱重；牛的遠端的屈肌肌腱(distal flexor tendon)張力較強含量約為 0.2-0.5％的乾肌腱重 (Koob and Vogel, 1989；Vogel and Koob, 1987)。有很多的蛋白多醣包含 aggrecan 及 decorin，aggrecan 會留住纖維軟骨 (fibrocartilage) 內的水分及抵抗壓縮力。Decorin 是小型且富含白胺酸 ( leucine ) 的蛋白多醣，位於膠原蛋白纖維的表面，可促進受力時纖維的滑動。有多種的蛋白多醣存在於肌腱的細胞內基質，包含 tenascin-C 及纖維黏蛋白 (fibronectin)。其中，Tenascin-C 與膠原纖維作用提供細胞內基質穩定的效果。纖維黏蛋白位於膠原蛋白表面，它的合成可以促進傷口的修復。此外肌腱也包含彈力蛋白 (elastin)，約佔乾肌腱重的 2％，彈性纖維 (elastic fiber) 包含彈力蛋白及 microfibrillar 提供膠原蛋白纖維受力後波紋結構恢復的作用 (Butler, Grood, Noyes, ＆ Zernicke, 1978)。（三）腱母細胞 (tenoblasts) 與腱細胞 (tenocytes) 肌腱的細胞中，腱母細胞和腱細胞占約 90-95％，腱母細胞是未成熟的肌腱細胞，成梭狀，有很多的細胞器，具有高的新陳代謝能力。. 11.

(25) 當這些細胞成熟時，即轉變為瘦長型的腱細胞。腱細胞的核質比 (nucleus-to-cytoplasm) 較腱母細胞低，新陳代謝的能力較低。腱細胞的能量來源是由檸檬酸環 (citric acid cycle)、無氧醣解 (anaerobic glycolysis)、磷酸五碳糖途徑 (pentose phosphate shunt) 所獲得。會合成膠原蛋白及所有細胞外基質的組成物。隨著年齡的增加，代謝的途徑會由有氧轉變到較多的無氧 (Sharma and Maffulli, 2005)。其他 5-10 ％為位於附著點的軟骨細胞 ( chondrocytes)、位於腱鞘及肌腱表面的滑液 (synovial) 細胞、及血管細胞與位於肌腱內膜及腱外衣的平滑肌細胞。在病理的情狀下，會有許多其他種類的細胞出現在肌腱組織中，如發炎細胞、巨噬細胞及肌纖維細胞 (myofibroblasts)。新生肌腱組織會有很高的細胞與基質比 (cell to matrix ratio)。這些細胞具有不同的形狀和大小，有些是細長型的、有些是圓形的、也有些是多邊形的。在年輕的個體中，細胞與基質的比例會漸漸降低，腱母細胞的形狀會越來越接近，形成梭狀 (spindle shaped)。成人的細胞與基質的比例會進一步降低，此時細胞稱為腱細胞，呈細長型狀。 (Jozsa and Kannus, 1997) 腱母細胞的長度由 20-70μm，寬度由 8-20μm。腱母細胞會轉變成腱細胞，長度變成 80-300μm。核質比 (nucleus-to-cytoplasm ratio) 增加，細胞變得較長較細。肌腱纖維母細胞排列在膠原蛋白纖維束。纖維母細胞會合成細胞. 12.

(26) 內基質蛋白 (如：膠原蛋白、纖維黏蛋白及蛋白多醣)，產生組織膠原基礎。肌腱的纖維母細胞溝通經由間隙通道 (gap junction) 和 connexin32 及 connexin43。Ralphs 等 (2002) 研究發現對肌腱纖維母細胞給予機械性張力，會增加間隙的組成 (N-cadherin 及 vinculin)。. 三、肌腱的血流調解肌腱內膜與腱外膜相接觸，包含著血管、淋巴管和神經。肌腱的血管分佈比肌肉少很多，主要是分佈在腱外膜和肌腱內膜。Clark 等 (2000) 指出，肌腱獲得血液主要是藉由三個部位 (1) 血管從肌腱與肌肉接點處的肌束衣 (2) 血管從肌腱外膜 (3) 血管從肌腱與骨頭的交接處。阿基里斯肌腱的血流與年齡有關，年齡越低的個體，肌腱血流越多 (Maffulli, 1999)。在安靜不運動的情況下，肌腱的血流大約只有肌肉血流的三分之一；在運動狀態下，肌腱的血流量會增加，可增加到七倍之多，但還是不如肌肉增加的多，運動時肌肉的血流可以增加 20 倍。雖然肌腱的血流增加沒有肌肉部位多，但這已可以符合正常的生理運作。. 四、肌腱的生物力學特性（一）應力-應變曲線 (圖 2-3) PA 線段為一直線在此區域內應力與應變成正比關係，亦即材料屬線性 (linear) 性質。因此 A 點之應力稱為比例極限 (proportional 13.

(27) limit)。PA 線段斜率稱為彈性係數 E (modulus of elasticity)。應力-應變圖上，自 A 點後拉力並未明顯增加，但會產生相當大拉伸量，此現象稱為材料之降伏 (yielding)。A 點的應力稱降伏點 (yield point) 或降伏應力 (yield stress)。當荷重達到最大值，相對應的應力 (B 點) 稱極限應力 (ultimate stress)。肌腱扮演傳遞肌肉力量到骨骼的角色，可以緩衝力量減少肌肉的受傷，是兼具有黏著性及伸縮性的組織。一般認為肌腱的慢性損傷是由於反覆的較高強度負荷所造成的，其負荷強度在於應力-應變曲線 (stress-strain curve) 較高直線區域 (第Ⅲ區) 會導致肌腱纖維細微的斷裂，這樣的損傷會減少肌腱的抗拉強度 (圖 2-3)。生物力學研究已證實當肌腱受牽張時，肌腱的波紋會漸漸消失，是緩衝張力的機制 (Jozsa & Kannus, 1997; Hansen, Weiss, ＆Barton, 2002) 認為在肌腱的應力-應變曲線開始的非線性區段 (initial non-linear toe region) 就是由於波紋對於力量的反應表現(Atkinson, Ewers, ＆Haut, 1999)，在靜止時，膠原纖維呈波紋結構 (crimped configuration)，為曲線的最初部分 (第Ⅰ區)。肌腱伸張 2％時，波紋結構即消失。超過此負荷，肌腱被拉成直線狀，膠原纖維排列變的更平行。假如伸張小於 4％，肌腱是屬於有彈性的，且在力量消失後肌腱會恢復原狀。當伸張超過 4％，. 14.

(28) 肌腱的細微結構會發生斷裂。當伸張超過 8％-10％，肌腱結構會有明顯的斷裂。. 圖 2-3 應力-應變曲線 (修改自 Sharma and Maffulli, 2005) （二）抗拉強度-位移曲線 (圖 2-4) (1) 抗拉強度 (tensile strength)：Y 軸是紀錄肌腱伸長過程中所承受的張力負荷，A 點所對應到 Y 軸的量即為肌腱最大抗拉強度時的負荷。 (2) 位移 (deflection)：X 軸是紀錄肌腱受到張力時的伸長量，A 點所對應到 X 軸的量即為肌腱斷裂時的伸長量。 (3) 剛性 (stiffness)：圖中曲線的 BA 線段之斜率代表肌腱的剛性。 (4) 形變的能量：曲線下的面積即為改變肌腱伸長所需的能量。. 15.

(29) 圖 2-4 抗拉強度-位移曲線 (修改自 Palmes 等, 2002). 五、肌腱相關的疾病對於運動員而言，下肢肌腱的傷害往往是因為從事大量運動或離心收縮所產生的較大張力造成的。跑步的運動員常發生阿基里斯肌腱的傷害；而膝關節肌腱傷害則常發生於籃球員及排球員。上肢肌腱的傷害，常發生於游泳、舉重、投擲項目的運動員，如棘上肌 (Supraspinatus) 肌腱的疾病 (Benjamin and Ralphs, 1996)。略舉肌腱相關疾病如下：（一）腱鞘炎 (tenosynovitis) 是指 synovial sheath 發炎。（二）狹窄性肌腱滑膜炎 (stenosing tenosynovitis)，或稱為狄奎凡氏症 (DeQuervain's syndrome)，影響肌腱的外展姆短肌 (abductor pollicis longus) 和屈姆短肌 (flexor pollicis brevis) 是在手腕大 16.

(30) 拇指側疼痛，局部腫脹，影響手部的活動，一般是因長時間重複使用拇指工作，造成局部肌腱發炎，無法施力。（三）鈣化性肌腱炎 (calcifying tendonitis)：當氫氧基磷灰石 (hydroxyapatite) 沉澱在肌腱或腱鞘內，稱為鈣化性肌腱炎 (calcifying tendonitis)，發生在肩部的旋轉帶 (rotator cuff) 肌腱。（四）Peritendinitis 是肌肉肌腱接點的疼痛，指肌肉的疲勞或直接外傷導致肌肉、肌束膜 (perimysium)、paratenon 的循環不佳或水腫現象。. 六、肌腱復原的過程肌腱的復原包含外在的 (extrinsic) 和內在的 (intrinsic) 復原。內在的復原主要為滲出 (exudative) 與形成 (formative) 兩階段，一般而言，肌腱復原與傷口復原 (wound healing) 類似。外在的復原 (extrinsic healing) 主要是經由纖維母細胞的化學趨化作用 (chemotaxis)，由肌腱鞘進入受傷處。慢性肌腱退化是很難觀察到與急性傷害相同，具有修復期的劃分，因為這種肌腱疾病沒有發炎反應 (el Hawary 等, 1997)。當肌腱受到急性的傷害時，復原過程包含三期: 發炎期 (inflammatory)、增生期 (proliferation)、重塑期 (remodeling)。其中，發炎期發生在受傷後 3 至 7 天內，細胞由外在環繞肌腱的組織 (如：腱鞘、皮下組織) 及. 17.

(31) 從腱外衣和肌腱內膜遷移。初期外在的復原反應比內在復原反應明顯。這是由粗糙組織 (granulation tissue)、破碎組織及血腫 (haematoma) 等，共同迅速填充受傷組織。在發炎期初期 (約 24 小時內)，紅血球、血小板、及發炎細胞 (如：中性球、單核球、巨噬細胞等) 會遷移到受傷位置，並清除壞死的物質。這些細胞會釋放血管活化 (vasoactive) 及化學趨化 (chemotactic) 因子，進而徵募肌腱纖維母細胞來開始合成膠原蛋白。大約第 5 天左右纖維母細胞開始合成膠原蛋白，及其他的細胞基質組成物，如蛋白多醣，並將這些物質存放在受傷處，但此時的膠原蛋白沒有分子內的橫向連結 (intermolecular cross-links) 產生 (el Hawary 等, 1997)。持續超過五週，最初是隨機方式排列。在這四週之間，內在的組織會明顯增生，主要是從肌腱內膜開始發生。新生組織形成後，新生膠原蛋白漸漸的順著力量的方向排列，逐漸成熟，這樣的修補持續兩個月。此外橫向連結形成會增加肌腱的抗拉強度。在修補期間，機械性較強的第三類型膠原蛋白優先於第一類型膠原蛋白的產生。此外，水分及葡萄胺聚糖 (glycosaminoglycan) 的含量會較高。重塑期約在第三個禮拜到一年之間，主要特徵是細胞數目減少、膠原蛋白及葡萄胺聚糖合成減少，修補的組織轉變成纖維化的組織，再轉成疤痕似的 (scar-like) 肌腱組織，新組織逐漸成熟，重塑成正常的肌腱，重塑後期腱細胞的代. 18.

(32) 謝及肌腱的血管減少，膠原蛋白纖維間的共價鍵 (covalent) 形成增加，使肌腱修復的剛性和抗拉強度增加 (表 2-1)，但是受傷過的肌腱復原後的功能會較差於原來健康的肌腱，永遠不會與原組織再相同 (Maffulli, Moller,＆ Evans, 2002)。在組織修復過程中，生長因子扮演重要的角色，如類胰島素生長因子第一型 (insulin-like growth factor-1, IGF-1) ；轉化成長因子；血管內皮細胞生長因子；血小板衍生生長因子 (platelet-derived growth factor, PDGF) ；鹼性纖維母細胞生長因子 (basic fibroblast growth factor, bFGF) 等。其中，在發炎期時產生較多的 IGF-1，會促進增生及纖維母細胞的遷移，及刺激膠原蛋白及醣蛋白的生成 (Abrahamsson and Lohmander, 1996 ; Murphy and Nixon, 1997)。Kurtz, Loebig, Anderson, DeMeo, Campbell 等 (1999) 注射 IGF-1 到大鼠的阿基里斯肌腱，結果發現可以加速肌腱功能的恢復。在肌腱受傷後，短時間內即產生 PDGF 並且刺激其他生長因子的產生，在鳥類屈肌腱的纖維母細胞培養的實驗中發現，PDGF 可以刺激有絲分裂 (mitogenic) 的反應 (Banes 等, 1995)。VEGF 會刺激內皮細胞的增生，促進血管新生，也會增加微血管的滲透性。在狗的屈肌肌腱實驗中發現，在受傷後 7 天有很高的 VEGF mRNA 表現，第 10 天達到最高峰。bFGF 會調節細胞的遷移及增生，並促進血管新生。Chan 等 (2000) 研究大. 19.

(33) 鼠膝蓋肌腱纖維母細胞，發現給予 bFGF，會促進使纖維母細胞增生，及增加膠原蛋白基因表現。ㄧ氧化氮合成酶 (nitric oxide synthase) 在肌腱的修復上也是重要的因子。一氧化氮合成酶共有三種不同類型 (神經型一氧化氮合成酶，nNOS；誘導型一氧化氮合成酶，iNOS；內皮型一氧化氮合成酶， eNOS)，在肌腱修復的三個不同時期各有其不同的作用。Murrell 等 (1997) 研究發現，抑制一氧化氮合成酶會減少阿基里斯肌腱的橫斷面積及最大抗拉強度。. 20.

(34) 表 2-1 肌腱傷害後的復原過程過程 (process). 時間 (天) 階段 (phase) 0. 受傷當下. 0-1. 發炎期. 生長因子和發炎分子的產生。. 1-2. 發炎期. 外在細胞滲入並進行吞噬作用。. 2-4. 再生期. 4-7. 修補期. 7-14. 修補期. 14-21. 重塑期. 在傷處凝結形成。. 1.外在細胞持續滲入。 2.生長因子刺激纖維母細胞增生。 1.膠原蛋白、粗糙組織形成。 2.血管再生。組織較成熟，細胞基質大量產生。 1.降低細胞和血管的含量。 2.增加第一類型膠原蛋白。 1.新生組織更成熟且與周邊健康組織連結更好。. 21-. 重塑期. 2.膠原蛋白比例漸漸與正常組織相同。 3.新組織的水分的比例漸漸與正常組織相同。 (資料引自 Molloy, Wang,＆Murrell, 2003). 七、肌腱損傷分類與處理肌腱受傷可分為急性 (acute) 與慢性 (chronic) 兩種。急性肌腱傷害是指單一次內發性或外因性的刺激，使肌腱組織破壞的現象。受傷者可以清楚的記住傷害發生的時間，如肌腱拉傷 (tendon strain)、肌腱斷裂即是屬於急性的肌腱傷害。慢性肌腱傷害是指累積多次微小傷害，使肌腱產生慢性發炎的病態現象。患者往往無法肯定何時何地. 21.

(35) 發生的，如慢性肌腱炎 (tendonitis)、肌腱腱鞘炎 (tendosynovitis) 就是屬於慢性的肌腱傷害。肌腱病理的術語以字尾有「itis」表示發炎，字尾有「osis」表示肌腱退化 (Glazebrook, Wright, Langman, Stanish, ＆Lee, 2007)。如肌腱變性 (tendinosis) 並沒有發炎反應，主要是因為反覆受力所引起，如長距離跑步。這種損傷是很難預防的，改善運動技術及運用合適的器材是較有效的避免方式。導致肌腱的斷裂的情況有兩種：第一種情況是突然的張力超過肌腱的彈性閾值，一般認為在高強度運動前，充分熱身及進行週期性的牽引肌肉和肌腱，是可以預防肌腱的斷裂；另一種情況就是慢性的肌腱過度使用，導致肌腱內許多微小組織斷裂。一般而言，肌腱損傷在治療上須要分期規劃：（一）急性期時，依循「RICE」原則處理 (R=rest；I=ice； C=compression；E=elevation)，可以減少受傷的範圍再擴大，也利於日後的恢復。（二）慢性期要分中、長程治療： 1. 中程治療：主要控制發炎，改善攣縮、防止肌肉的萎縮、恢復關節活動度、肌肉彈性及柔軟度等。 2. 長程治療：包括肌力訓練。（三）除了治療外需分析患者工作或姿勢上的負荷點，必要時需. 22.

(36) 更換工作內容或姿勢，避免再度傷害。「急性」和「慢性」的傷害，形成原因及治療上均有差異，以阿基里斯肌腱說明其傷害分類與處裡原則，如表 2-2。此外，針灸、推拿、水療、電療、紅外線照射、體外震波治療 (extracorporeal shock wave therapy) 等方法也常用於治療慢性肌腱傷害，普遍被認為有利於治療的成效。在給藥方面，除了使用非類固醇的抗發炎藥物及皮質類固醇 (corticosteroid) 注射外，目前也有一些新藥可以使用，如卡脈噴靜脈注射液 (aprotinin)、管立疏注射液 (glyceryl trinitrate)。實驗證明卡脈噴靜脈注射液比皮質類固醇注射更有止痛的效果，但並沒有實驗支持使用肉毒桿菌 (botulinum toxin) 及葡萄糖胺 (glucosamine) (Paoloni ＆ Orchard, 2005)。. 表 2-2 臨床上肌腱傷害後不同修復期的處裡原則發炎期. 增生期. 重塑期. 時間 (days). 0-6. 5-21. 21-. 治療的建議. 休息、冰敷、抗發炎、. 漸漸增加應力。. 漸漸增加應力。. (Suggested therapy). 生理的理由 (Physiological rationale) 主要目標 (Main aims). 減少張力。 1.防止較長的發炎。. 1.增加膠原蛋白。. 1.增加橫向連結。. 2.防止新生血管及. 2.增加橫向連結。. 2.減少與其他組織. 3.增加纖維半徑及. 的橫向連結。. 膠原纖維再斷裂。. 排列一致。防止新生組織再斷裂。. 3.增加纖維半徑。. 防止肌肉或關節萎縮。較好的組織恢復。. (資料引自 el Hawary 等, 1997) 23.

(37) 組織受傷後有許多的生長因子 (IGF-1、TGFβ、VEGF、PDGF、 bFGF 等) 介入，促進組織復原。因此也有許多研究將焦點放在增加傷處生長因子的量，探討其是否有助於組織的恢復 (Molloy 等, 2003)。介入治療的方法如直接注射生長因子於患處、基因療法等。這些類型的研究大多認為，適時的提升患處相關的生長因子有利於組織的復原。. 24.

(38) 表 2-3 人類阿基里斯肌腱傷害分類與處裡. 引起因素 (factor). 發生年齡 (age of onset). 急性. 慢性. 斷裂 (rupture). 肌腱炎 (tendonitis). 1.爆發性 (explosive) 的運動。. (symptoms). 2.鞋子不合適。 3.過度的旋前。. 2.慢性肌腱炎。. 4.關節柔軟度不足。. 20 歲以後 (30 到 50 歲最多)。 1.感覺腳踝後面被踢到。. 症狀. 1.增加活動量。. 2.感覺或聽到「碰」的聲音。. 任何年齡都會發生。. 1.足跟疼痛 (heel pain)。 2.肌腱僵硬 (stiffness)。 3.肌腱都會疼痛. 3.中等的疼痛。 4.無法持續運動。. (pain over tendon)。 1.使用非類固醇抗發炎藥劑 (NSAID)。. 處裡. 1.手術治療。. (treatment). 2.長期固定。. 2.冰敷 (ice massage)。 3.休息 (rest)。 4.增加熱身與伸展的時間。 5.足跟上提 (heel lifts)。 6.減重 (weight reduction)。. 恢復時間. 半年以上。. 數個禮拜到數個月。. (recovery time) (資料引自 Mazzone ＆ Mccue, 2002). 25.

(39) 八、身體活動與肌腱的相關研究（一）身體活動對肌腱的影響適度運動有利於肌腱組織的生長及應力的特性，Kannus, Jozsa, Natri, 與 Jarvinen (1997) 文中指出 Inglemark 在 1945 年在動物實驗中發現運動會增加阿基里斯肌腱的橫斷面積約 25％；相反的，不適當的運動或訓練往往造成肌腱的損傷，如過度使用、運動姿勢不正確等。Kham 與 Cook (2000) 研究發現，所有運動傷害中有 30-50％是由於過度活動造成的肌腱損傷。Glazebrook 等 (2008) 研究發現，大鼠每天連續上坡跑 1 小時，速度每分鐘 17 公尺，每周 5 天，每隔 4 天運動時間增加 15 分鐘，這樣的運動負荷會造成大鼠阿基里斯肌腱因過度使用而受傷。結果發現膠原蛋白纖維組織減少、增強膠原蛋白染色的強度及增加細胞核數目，但沒有明顯的發炎反應，認為這種組織學上的表現，可能是過度的跑步造成生物體需要自行修復的結果。 Viidik 在 1967 年、 1969 年分別研究指出，兔子經過 40 周的運動，腓骨短肌肌腱 (peroneus brevis tendon) 的最大抗拉強度及能量吸收 (energy absorbed) 比無運動者大。Woo 等 (1981) 也指出跑步運動 12 個月可以增加猪的肌腱附著處的強度。此外，老鼠在跑步機上運動 1 週後，其指部屈肌肌腱 (digital flexor tendon) 的膠原蛋白纖維數量、大小及橫斷面積都有增加。. 26.

(40) 運動訓練也會導致肌腱的力學特性改變。Curwin, Vailas, 與 Wood (1988) 對雄性雞在跑步機上進行運動強度為 70-80％的最大攝氧量的耐力訓練每週五天，共 8 周，發現膠原蛋白沉積 (collagen deposition) 增加 46％，而且膠原蛋白的 pyridinoline 橫向連結減少，證實較強的耐力訓練會增加膠原蛋白更新 (turnover)，但減少肌腱中成熟的膠原蛋白。根據 Hansson, Engstrom, Holm, 與 Rosenqvist (1988) 的研究發現，每天進行 20-60 分鐘的運動，為期 5 天，會刺激大鼠阿基里斯肌腱中的腱細胞，而增加 IGF-1 的表現，而 IGF-1 進而會刺激膠原蛋白的合成及細胞的增生 (Simmons 等, 2002)。在人體研究方面，Langberg, Rosendal, 與 Kjaer (2001) 研究發現，訓練可以增加阿基里斯肌腱周圍第一類型膠原蛋白的更新，顯示運動訓練可以促進膠原蛋白的合成與降解 (degradation)。任洪峰、黃昌林與薛剛 (2005) 針對 120 隻 8 周大的大鼠，以不同强度方式分組訓練，觀察大鼠阿基里斯肌腱在不同應力作用模式下發生的適應性變化，結果發現生物力學性特性出現由下降到上升的動。. 態性變化，循環訓練 8 周組 (跑步運動：坡度 5 、速度為 16 公尺/ 分鐘、每次 40 分鐘；休息 15 分鐘；游泳運動：自由游泳 40 分鐘) 的大鼠阿基里斯肌腱各項力學數值有明顯的提升。認為肌腱力學性質的變化是對重複應力刺激的一種反應，是肌腱對抗力學疲勞的機制，訓. 27.

(41) 練的負荷重複的次數比單次負荷本身的大小對肌腱影響更大。身體活動會影響細胞外基質的更新。機械負荷會增加血流、氧的需求、膠原蛋白合成的速率及基質金屬蛋白酵素 (matrix metalloproteinases, MMPs)。運動後會增加細胞外基質的蛋白質的基因轉錄 (gene transcription) 及尤其後轉譯調控 (post-translational modifications)。相反的，不運動會明顯減少膠原蛋白的更新。訓練會使膠原蛋白漸漸的更新，進而影響肌腱的生物力學特性 (如黏彈性) (Kjaer 等, 2005)。在動物的實驗研究發現改變肌腱的受力，會導致基質的質 (quality) 與量 (quantity) 的改變。 (Woo 等, 1981; Woo, Gomez,＆ Woo, 1982; Tipton, Valas, ＆Matthes, 1986; Hannafin, Arnoczky, Hoonjan, ＆Torzilli,1995; Yasuda and Hayashi, 1999)。固定不動或是應力遮避 (stress shielding) 會使肌腱的橫斷面積減少，及增加未成熟纖維的數目 (Yasuda and Hayashi, 1999)，減少膠原蛋白的量，使肌腱力量快速的流失。 (Tipton 等, 1986 ; Yasuda and Hayashi, 1999)。在活體 (in vivo) 研究中發現肌腱重新受力，肌腱會慢慢的恢復到正常情況，中間部位的反應會比附著點部位快。機械負荷是改善肌腱損傷後修復的一個重要因子，但是對於正常肌腱的研究結果就不一定相同。有研究認為在基質部分會有小量的增加，但這些研究對象是相對較未. 28.

(42) 成熟 (relatively immature) 的動物，在成熟動物的肌腱 (adult tendon) 上，可能就不會有影響。對於成熟馬的肌腱而言，運動可能是有害的，只有在未成熟的肌腱可能產生適應性的反應 (Woo等, 1981; Curwin 等, 1988)。然而在人類肌腱的研究中發現，健康自願者參與急性運動 (acute exercise) 會刺激膠原蛋白合成的反應，也會增加肌腱血流及代謝的活性及釋放某些發炎的調節物質與MMPs (Langberg 等, 1998, 2001; Langberg, Skovgaard, Karamouzis, Bulow, ＆Kjaer, 1999; Heinemeier, Langberg, Olesen, ＆Kjaer, 2003 )。從離體的肌腱細胞研究發現，機械負荷可刺激產生間白素 1β (Interleukin-1β)，環氧化酵素 -2 (Cyclooxygenase-2, COX-2) 及MMP (MMP-1 and MMP-3)。這些影響可能來自於細胞外腺甘三磷酸 (adenosine 5′- triphospate, ATP) 的負回饋調解作用 (negative feedback)，這可提供作為反覆循環低於受傷閾值 (injury threshold) 的負荷會誘發肌腱病變的理論基礎 (Archambault, Tsuzaki, Herzog, ＆Banes, 2002; Tsuzaki, Brigman,＆ Xiao, 2003)。其他有關運動對肌腱的研究發現如下： 1. 可增加 TGF-β1 生長因子：Heinemeier, Langberg, Olesen, 與 Kjaer (2003) 研究指出，在跑步機上進行慢跑 (1 h, 12 km/h, 3% uphill)，運動後血漿 TGF-. 1. 濃度比運動前上升 30%，認為運動可以使肌腱. 29.

(43) 纖維母細胞釋放 TGF- 1 增加。而 TGF-β1 被認為可以促進肌腱損傷後，增生期膠原蛋白及蛋白聚糖的增生，進而促進肌腱損傷的修復 (Letson and Dahners, 1994；Tsuzaki 等, 1994)。 2. 可增加 IGF-1 的濃度，而增加第一類型膠原蛋白的合成 (Simonsen 等, 1995; Heinemeier 等, 2003)。且研究發現急性運動後的一天內，第一類型和第三類型膠原蛋白的 mRNA 表現增加；急性運動後的六小時，第四型膠原蛋白的 mRNA 表現增加，均有利於膠原蛋白的合成。 3. 可以增加肌腱的橫斷面積 (Woo 等, 1982；Madnusson 等, 2007)， Rosager 等 (2002) 研究發現有跑步習慣的人，阿基里斯肌腱的橫斷面積比沒有跑步習慣的人大。因此運動可以改善肌腱的受力特性，即可承受的抗拉強度 (tensile strength) 越大。然而 Hansen, Aagaard, Kjaer, Larsson, 與 Magnusson (2003) 研究發現經過 9 個月跑步訓練後人體阿基里斯肌腱的橫斷面積並沒有因此改變。雖然過去研究有結果上的差異，但大多數研究仍認為運動會使肌腱有適應性的改變。 4. 可提升肌腱的代謝能力，Bojsen-Møller, Kalliokoski, Seppanen, Kjaer, 與 Magnusson (2006) 研究發現低強度的張力負荷會增加肌腱葡萄糖的攝取及氧的消耗。 5. 跑步能促進部分斷裂的阿基里斯肌腱復原 (See 等, 2004)。. 30.

(44) 綜合上述研究可知，運動是改善肌腱力學性能的重要因素，合理的運動方式可以提升肌腱的生物力學特性並促進肌腱損傷後的修復。. （二）過度使用對肌腱的影響肌腱過度使用是指肌腱反覆的牽張及無法再承受進一步的張力。一般認為過度的負荷被認為是主要的成因，並相信受力較小且反覆性高的特性，導致肌腱受到細微的傷害及發炎反應。肌腱的發炎會產生前列腺素 E2 (prostaglandin- E2, PGE2) 及白三烯 B4 (leukotriene B4, LTB4)，進一步使肌腱退化 (Khan ＆ Maffuli,1998)。 Langberg 等 (1999) 研究也證實經過反覆的負荷後可發現肌腱中的 PGE2 量增加。此外，反覆負荷所造成的肌腱損傷會產生大量的 LTB4 及嗜中性白血球的產生與活化。在對大鼠的研究中可發現白三烯素 (leukotrienes)，增加，而大量的白三烯素產生進一步使組織水腫 (edema)。在組織培養的研究中也發現經過反覆的機械性負荷後，會使人類的肌腱纖維母細胞產生 PGE2 及 LTB4 增加 (Almekinders, Banes, ＆ Ballenger,1993; Wang, 2003; Li 等 , 2004)。 Sullo, Maffulli, Capasso, 與 Teata (2001) 注射前列腺. 31.

(45) 素-E1 (prostaglandin-E1, PGE1) 到大鼠阿基里斯肌腱周圍，發現會導致肌腱退化且發炎。 Khan, Li, 與 Wang (2005) 注射 PGE2，結果導致肌腱基質退化。 Langberg 等 (1999) 研究發現急性運動會改變 paratenon 的代謝並增加發炎反應。（三）身體活動對肌腱修復的影響在發炎期，應盡量避免訓練或牽張以減少進一步的傷害。在發炎期過後，有條件控制身體的活動會提升肌腱修復的品質。 Wada 等 (2001) 以手術方式使狗的屈指深肌 (flexor digitorum profundus) 肌腱受傷，比較受傷後主動活動 (active mobilization) 與固定 (immobilized) 對肌腱修復的影響，結果發現參與活動的肌腱最大抗拉強度比被固定的肌腱大，分別為 61.6N 及 41N。此外，受傷後「活動」會增加狗的屈指深肌肌腱修復時的抗拉強度及恢復肌腱表面的滑動 (gliding) 特性 (Gelberman 等 , 1986)。一般而言，無論是實驗室研究或臨床研究都認為肌腱受傷後，提早進行活動者會比不活動者增加肌腱的抗拉強度、減少粘黏 (adhesions) (Amiel, Woo, Harwood, ＆ Akeson, 1982; Gelberman 等 , 1986; Jozsa and Kannus, 1997)，是有利的。應用機械負荷在肌腱上，可以舒緩慢性肌腱病變. 32.

(46) (chronic tendinopathy) 的症狀 (Alfredson, Pietila, Jonsson, ＆ Lorentzon, 1998)，且會刺激纖維母細胞的活性，增加膠原蛋白合成，有利於肌腱的修復 (Kunnus 等 , 1997)。Davidson 等 (1997) 以注射膠原蛋白酶使肌腱受傷的研究發現，身體活動會促進大鼠阿基里斯肌腱纖維母細胞的增生及膠原蛋白的重新排列 (realignment)。（四）不用或固定不動對肌腱的影響有關固定 (immobilization) 或不用 (disuse) 對肌腱影響的研究很少，因為肌腱的代謝較慢、血管較少，所以固定或不用對肌腱受影響的程度較低於骨骼肌。一般認為，固定會減少肌腱的總重量、鋼性及最大的抗拉強度。對兔子的實驗中，固定膝關節 4 周後，阿基里斯肌腱的修復情形較控制組差，其最大抗拉強度及鋼性都低於控制組。也發現固定會形成不規則的膠原蛋白纖維、靜脈及微血管擴張。因為固定而損失應力作用導致肌腱退化的改變。 Yamamoto 等 (1993) 研究發現固定 3 週後，會明顯減少兔子膝關節肌腱的楊氏模數 (Young’s modulus) 及抗拉強度。 Hannafin 等 (1995) 利用狗的屈指深肌肌腱組織培養的方法，研究損失應力及機械負荷對狗的屈指深肌肌腱的組織及. 33.

(47) 機械參數的影響，結果發現應力損失 8 週後，會導致細胞形狀、數量及膠原蛋白纖維排列明顯改變，及楊氏模數顯減少。給予週期性的機械負荷 4 周會增加楊氏模數。此外肌腱接受週期性的機械負荷可維持正常的組織型態。. 34.

(48) 第參章. 研究方法與步驟. 一、實驗流程本研究計畫因以動物做實驗，經國立台灣海洋大學動物試驗委員會審查通過，才開始進行本實驗，証書如附錄七。先橫向割斷大鼠右後腳的阿基里斯肌腱，再隨機分控制組、跑步組、游泳組，每組共 27 隻。傷後第 5 天開始運動介入。手術前當天 (第 0 天) 及手術後第 28 天測量體重；手術後第 2、5、7、14、28 天進行阿基里斯肌腱功能評估並觀察肌腱外觀，再將組織切片染色，用光學顯微鏡觀察及偏振光顯微鏡觀察發炎細胞的增生及膠原蛋白增生和排列情形，並測試肌腱最大抗拉強度，進行分析討論，如圖 3-1。割斷老鼠之阿基里斯肌腱. 控制組. 跑步組. 游泳組. 1.手術後第 2、5、7、14、28 天，評估阿基里斯肌腱功能。 2.手術後第 5 天開始運動介入。 3.手術後第 2、5、7、14、28 天進行肌腱組織觀察 4.手術後第 7、28 天進行肌腱最大抗拉強度測試. 資料收集與分析討論結論. 圖 3-1 實驗流程圖 35.

(49) 二、實驗方法（一）動物模式（1）以 8 週大體重 200-250 g 之 Spraque-Dawley 品系公鼠 (平均壽命為 2.5-3 年) 81 隻為實驗動物，光亮週期 00:00 am-12:00 pm，光暗週期為 12:00 pm -00:00 am，飲食內容是用福壽飼料餵食，自由食用 (ad libitum)。（2）大鼠剛被運到實驗動物中心後，第 2 天即依組別分別給予游泳或跑步機上跑步練習，適應 1 週後，實驗即開始進行。（二）肌腱割斷手術將棉花以適量之乙醚沾濕，用特殊固定老鼠之麻醉盒將老鼠麻醉。手術時，將老鼠之口鼻以含少量乙醚之 50 C.C 之燒杯罩住，避免老鼠中途清醒。以手術刀將老鼠之右後腳之皮膚剪開 0.3cm，然後將其阿基里斯腱全部切斷 (圖 3-2)。為了促進皮膚傷口的瘉合，本實驗橫向切斷肌腱後，立即以 PC-1 針及細尼龍線 (5-0 ethilon monofilament nylon) 將表皮縫合，然後使用碘酒塗抹手術部位。由於傷口很小，所以縫合針數為 1 針，左腳沒有任何切割手術，以作為控制比較。. （三）實驗分組將 81 隻大鼠分為三組，每組 27 隻，分別為控制組、跑步組、游泳組。 36.

(50) 肌腱割斷手術圖 3-2 阿基里斯肌腱的手術方式 (修改自 Murrell 等, 1992) （四）運動介入 1. 跑步運動：手術後第 5 天開始進行跑步運動，每天進行 15 分鐘，前 2 天速度為 4.0 公尺/分鐘；之後速度為 12.0 公尺/分鐘 (See 等, 2004)。 2. 游泳運動：於 25℃水溫之泳槽 (深度 45 公分、長 100 公分、寬 60 公分)，為了避免游泳時做韻律呼吸或漂浮不動，每次共 6 隻同時在一個泳槽內進行，每天進行 15 分鐘的游泳運動一次，大鼠尾巴沒有加掛重物。開始進行游泳時間為每天晚上八點。 37.

(51) （五）體重測量於手術前當天 (第 0 天) 及最後一天 (第 28 天) 將老鼠麻醉測量老鼠體重，紀錄並加以比較。. （六）肌腱外觀分析於手術後第 2、5、7、14、28 天，分別將老鼠麻醉犧牲，觀察大鼠左、右後腳之肌腱生長變化。. （七）腳步測量與肌腱功能評估在第 0 天及手術後第 2、5、7、14、28 天，分別將老鼠的腳掌沾上油墨，以 3A 之影印紙讓其行走，紀錄腳印。將所紀錄的腳印，以量尺紀錄每隻老鼠之健康腳及受傷腳之腳長、腳掌寬及二、四趾間寬度數值，依 Murrell 等 (1992) 的肌腱功能評估參數 AFI (Achilles Functional Index, AFI) 公式計算出其肌腱功能數值，其測量模式圖如圖 3-3。AFI 的計算公式如下：. AFI = 74 (PLF) + 161 (TSF) + 48 (ITF) – 5. 38.

(52) 圖 3-3 老鼠阿基里斯肌腱功能測量模式圖 (Murrell 等, 1993) 說明：N＝正常腳 (normal side) ； E＝實驗腳或手術腳 (experimental side) TS＝1、5 趾間距離 (totol spreading) ； PL＝腳掌印長 (print length) IT＝2、4 趾間距離 (distance between intermediate toes) NTS＝正常腳的 1、5 趾間距離；NIT：正常腳的 2、4 趾間距離 NPL：正常腳掌印長； ETS：手術腳的 1、5 趾間距離 EIT：手術腳的 2、4 趾間距離； EPL：手術腳的腳掌印長 PLF (腳掌長因子,Medinaceli′s print length factor) ＝ (NPL-EPL) /EPL TSF (1、5 趾間距離因子,toe spread factor) ＝ (ETS-NTS) /NTS ITF (2、4 趾間距離因子,intermediary toe spread factor) ＝ (EIT-NIT) /NIT. （八）肌腱組織觀察在手術後第 2、5、7、14、28 天，給予吸入過量的乙醚，將各組 3 隻老鼠犧牲解剖觀察其雙腳肌腱組織形態，並取其肌腱做組織冷凍切片。染色觀察發炎期的細胞反應及增生期的膠原蛋白增生情 39.

(53) 形。方法：將組織置於含 30 % sucrose (Sigma, USA) 的 4 % Paraformaldehyde (Sigma, U.S.A) 溶液 (2 hr, 4℃)，再換置成 30 % sucrose in 0.1M PBS 的溶液 (4℃) 待一星期後組織沉降至底部，即可準備切片，利用 optimum cutting temperature (O.C.T.) (Sakura Finetek, USA) compound 包埋組織，冷凍切片機設定為－20 ℃，切片厚度為 5μm，切下的組織直接使用載玻片黏起，在室溫風乾，存放於 -20℃ 冰箱。染色：分別以紫木蘇及伊紅染色 (haematoxylin-eosin stained；H & E stained) 及 CD163 的巨噬細胞抗體染色，以光學顯微鏡觀察肌腱組織與發炎細胞 (inflammatory cells) (如巨噬細胞) 的分布；並以苦味酸-天狼猩紅 (Puchtler’s Picro-Sirius red) (Sigma, USA) 染色，以偏振光顯微鏡 (polarized light microscope) 觀察第一類型及第三類型膠原蛋白的增生及排列情形。其中，本研究觀察膠原蛋白增生情形是以圖像採集分析軟體分析 (圖 3-4)，以不同色彩的像數 pixels 值表示，計算第三類型膠原蛋白 (綠色或藍綠色) 與第一類型膠原蛋白 (紅色或紅黃色) 所佔的像數比，以 4 片新生膠原蛋白切片圖所得之平均像數值，作為膠原蛋白比例之依據 (Palmes 等, 2002；艾進偉、黃昌林、呂榮、王軍，2005)。. 40.

(54) 圖 3-4 圖像採集分析註：(1) 白色箭頭：原始切片圖 (2) 綠色箭頭：擷取原始切片圖綠色區域後。 (3) 紅色箭頭：擷取原始切片圖紅色區域後。. （九）肌腱最大抗拉強度測試在第 7、28 天時，每組共 6 隻老鼠接受肌腱抗拉強度測試。本研究參考黃昌林、張建黨與薛剛 (2004) 的方法，樣本取下後，用浸有 PBS 溶液的紗布包裹，再用鋁箔包裹一次後，放置在-20℃冰箱中冷凍保存。測試時，將肌腱樣本在實驗室常溫下自動解凍，以夾具將肌腱兩個游離端夾住，安裝到萬能材料試驗機 (Instron 5566, USA) 的上、下夾點處 (上夾點為跟骨；下夾點肌腱) (圖 3-5)，以游標尺測定. 41.

(55) 夾具兩端的肌腱初始長度為 0.5 公分，以 5mm/min 的速度，拉伸至肌腱斷裂為止，並紀錄最大的抗拉強度。測試結果由儀器自動繪圖，且每測試 5 次後，以 10 公克法碼掛重校正。. 圖 3-5. Instron 萬能材料試驗機夾具. 註：(1) 紅色箭頭：夾具。 (2) 白色箭頭：阿基里斯肌腱。 (3) 橘色箭頭：普通夾子（防止肌腱滑脫）。. （十）統計分析 1.所得結果均以平均數、標準差表示。 2.以 SPSS 統計軟體做重複量數變異數分析 (repeated measures ANOVA)、F 考驗分析進行檢定，若達顯著水準則以杜凱氏法 (Tukey′s methed) 進行事後比較。 3.定α＝ .05 為顯著差異水準。. 42.

(56) 第肆章結果一、體重由表 4-1，4-2 可知，第 0 天各組體重分別為：控制組 (244.2±15.0g)、跑步組 (245±17.3g)、游泳組 (255±8.4g)，三組均無達顯著差異 (p＝.358) ；由表 4-1，4-3，4-4 可知，第 28 天分別為控制組 (415±12.5g)、跑步組 (380±11.0g)、游泳組 (388.33±15.1g)，三組達顯著差異 (p＝.001)，經事後比較後發現控制組體重顯著高於跑步組及游泳組，跑步組與游泳組間無顯著差異。. 表 4-1 不同處理組別與天數的體重變化表組別. 第0天. 第 28 天. 控制組. 244.2 ± 15.0g. 415.0 ± 12.5g. 跑步組. 245.0 ± 17.3g. 380.0 ± 11.0g. 游泳組. 255.0 ±0 8.4g. 388.3 ± 15.1g. 表4-2 第0天體重變異數摘要表平方和. 自由度. 平均平方和. F 檢定. P值. 組間. 436.111. 2. 218.056. 1.101. 0.358. 組內. 2970.833. 15. 198.056. 總和. 3406.944. 17. 43.

(57) 表4-3 第28天體重變異數摘要表. *. 平方和. 自由度. 平均平方和. F 檢定. p值. 組間. 4011.111. 2. 2005.556. 12.114. .001＊. 組內. 2483.333. 15. 165.556. 總和. 6494.444. 17. p < .05 , 達顯著差異。. 表4-4 第28天體重事後比較摘要表組別. 控制組. 游泳組. 跑步組. (415±12.5g). (388.33±15.1g). (380±11.0g). -----. 26.667＊. 35.000＊. -26.667＊. -----. -8.333. -35.000＊. 8.333. -----. 控制組 (415±12.5g). 游泳組 (388.33±15.1g). 跑步組 (380±11.0g). *. p < .05 , 達顯著差異。. 二、阿基里斯肌腱功能由表 4-5 可知，三組間均未達顯著差異 (p＝.272)。其中，由表 4-6 可知第 0 天 (受傷前) 各組 AFI 值分別為：控制組 (-1.69±12.47)、跑步組 (4.49±15.44)、游泳組 (5.66±16.46)，三組間未達顯著差異。本研究 AFI 值是一個數值，沒有單位；當 AFI 負值 (-) 越大時，表示阿基里斯肌腱功能越差；當 AFI 值為 0 時，表示正常；第 28 天各組 AFI 值分別為：控制組 (-3.76±13.68)、跑步組 (-14.23±12.01)、游. 44.

(58) 泳組 (-12.2±10.67)，結果發現：受傷後第 28 天，三組間的 AFI 值均未達顯著差異；且第 0 天與第 28 天均無顯著差異。. 圖 4-1 不同處理組別與天數的阿基里斯肌腱功能指數 (AFI) 曲線圖. 表 4-5 不同處理組別間 AFI 值變異數摘要表. *. 平方和. 自由度. 平均平方和. F檢定. p值. 截距. 343494.638. 1. 343494.638. 788.272. .000＊. 組別. 1202.349. 2. 601.175. 1.380. .272. 誤差. 10022.401. 23. 435.757. p < .05 , 達顯著差異。. 45.

(59) 表4-6. 不同天數間AFI值事後比較摘要表. 第0天第0天. *. -----. 第2天. 第5天. 第7天. 第14天. 第28天. 93.9298*. 80.5642*. 69.6021*. 34.5633*. 12.7215. -13.3656. 第2天. -93.9298*. -----. 第5天. -80.5642*. 13.3656. -----. -10.9622. -46.0009*. -67.8427*. 第7天. -69.6021*. 24.3277*. 10.9622. -----. -35.0387*. -56.8806*. 第14天. -34.5633*. 59.3665*. 46.0009*. 35.0387*. -----. -21.8418*. 第28天. -12.7215. 81.2083*. 67.8427*. 56.8806*. p < .05 , 達顯著差異。. 46. -24.3277* -59.3665*. 21.8418*. -81.2083*. -----.