1 引言
肥胖是一个影响全球数十亿人的健康问题，并且增加了个体罹患2型糖尿病（T2DM）等继发疾病的风险。运动是治疗肥胖和T2DM最有效的策略之一，然而这些人群普遍存在严重的运动不耐受。理解这种运动功能受损的机制有助于设计更好的治疗策略和运动训练方案。本研究利用糖尿病小鼠模型（db/db），探索了肌腱功能的衰退及其对运动功能的后续影响。
T2DM呈现出机械信号与化学信号的有趣矛盾。一方面，体重增加会增大肌肉骨骼系统的负荷；另一方面，长期高血糖、晚期糖基化终末产物（AGEs）的积累以及与T2DM相关的慢性炎症，都被证明会降低肌肉质量、减少肌腱的弹性模量并使骨骼变脆。肌腱在运动过程中充当生物弹簧，储存和释放弹性能量以提高运动表现和效率。然而，关于糖尿病对肌腱材料特性影响的现有文献结论相互矛盾，这种模糊性不仅存在于动物模型中，也存在于T2DM患者群体中。因此，本研究旨在表征糖尿病对肌腱材料特性的影响，并理解这些变化对运动表现的功能性后果。
2 方法
2.1 动物与肌腱材料特性测试
本研究使用了6只雄性对照（C57B6）小鼠和14只雄性糖尿病（BKS.Cg-Dock7m+/+ Leprdb/J）小鼠。首先，测量了对照（wt，n= 6）和糖尿病（db/db，n= 8）小鼠跟腱的直径。然后，使用Instron万能试验系统对离体跟腱进行粘弹性和拉伸力学测试。测试包括不同应变率（10%、100%和1000% min-1）下的循环加载以评估能量耗散（滞后现象），应力松弛测试，以及直至失效的拉伸测试。负载-位移数据被转换为应力和应变，以计算弹性模量。能量损失以百分比形式呈现。
2.2 构建糖尿病肌肉骨骼模型
使用先前发表的小鼠后肢和骨盆肌肉骨骼模型，并将其按比例缩放，以匹配用于获取肌腱材料特性的个体小鼠的体重。同时，根据这些特定小鼠的实验数据（假设等长应力为0.3 MPa），改变了最大肌肉等长力下的肌腱应变百分比。这产生了三个建模组：对照组（n= 6，来自实验对照小鼠的个体特异性体重和肌腱特性）、肥胖组（n= 8，来自实验糖尿病小鼠的个体特异性体重，但使用平均对照肌腱特性）和糖尿病组（n= 8，来自实验糖尿病小鼠的个体特异性体重和肌腱材料特性）。肥胖组的设置是为了分离体重和肌腱特性对肌键功能预测的影响。
使用来自先前研究的小步跑运动数据和外部力量（即地面反作用力），通过OpenSim MOCO及其MocoInverse功能，为每个模型变体生成单步态周期的运动模拟，预测满足此运动期间外部力量所需的肌肉力量和激活。对模型中每块肌肉应用代谢探针以预测个体和总肌肉代谢功率输出。计算了个体肌肉的无量纲功能指数，根据步态周期中力和做功的大小和时序，将肌肉功能分类为支柱、弹簧、马达或制动器。报告了内侧腓肠肌（MG）、外侧腓肠肌（LG）、胫骨前肌（TA）、髂肌（ILI）和股外侧肌（VL）的这些输出。
3 结果
3.1 糖尿病小鼠体重显著增加但肌肉质量与野生型相似
尽管糖尿病小鼠的体重显著更高（40.7 ± 2.8 克 vs. 23.5 ± 2.7 克），但通过跟腱插入的肌肉（比目鱼肌、内侧和外侧腓肠肌，即小腿三头肌组；TRI）以及胫骨前肌（TA）的绝对质量与对照组相比无显著差异。然而，当按体重标准化后，糖尿病小鼠的TRI肌肉组和TA均显著小于对照组。糖尿病小鼠的跟腱横截面积显著大于对照小鼠。
3.2 糖尿病不改变粘弹性特性但导致拉伸-肌腱材料特性改变
在不同应变率下对跟腱进行循环加载以评估其粘弹性特性（滞后现象和应力松弛）。结果显示，在10%、100%和1000% min-1的应变率下，能量耗散比例无显著差异。应力松弛曲线也显示，对照组和糖尿病肌腱之间的力松弛行为速率无统计学显著差异。
当跟腱被拉伸至失效时，糖尿病肌腱表现出显著更低的弹性模量（13.3 ± 5.2 vs. 29.3 ± 9.7 MPa）和显著更低的极限拉伸应力（2.13 ± 1.00 vs. 5.15 ± 1.4 MPa）。然而，糖尿病肌腱的失效应变与对照组相比无显著差异。在应力-应变曲线的较低范围（即“脚趾区”，高达0.3 MPa，这是骨骼肌能产生的最大等长应力），糖尿病肌腱在该脚趾区的应力平均值显著更低，这表明胶原纤维的初始排列（解卷曲）存在滞后。虽然在此生理范围内的弹性模量无显著差异，但肌腱在此范围内的应变存在显著差异（0.051 ± 0.008 vs. 0.067 ± 0.014）。
3.3 体重升高和肌腱机械特性改变共同导致小步跑期间肌键动力学改变
构建了反映实验队列中对照和糖尿病小鼠体重和肌腱材料特性的小鼠特异性肌肉骨骼模型。结果表明，体重升高和肌腱材料特性改变导致LG、VL和TA肌肉的肌肉激活和预估的代谢功率输出显著增加。总体而言，糖尿病导致肌肉骨骼系统的功能分布发生显著变化，肌键单元的功能趋势是更少地像弹簧，更多地像制动器。
4 讨论
4.1 T2DM改变后肢肌腱材料特性，不依赖于肌肉质量的变化
本研究显示，糖尿病和对照小鼠的TRI和TA的绝对肌肉质量无显著差异，这与之前的研究结果一致。然而，糖尿病小鼠的跟腱横截面积是对照组的1.8倍。这种增加可能反映了慢性超负荷导致的适应性肥大，也可能是糖尿病相关的基质重塑所致。关于粘弹性特性，研究显示糖尿病肌腱的滞后现象和应力松弛行为与对照组无显著差异，这提供了首个关于糖尿病啮齿动物肌腱滞后的测量数据。最重要的是，在应力-应变曲线的脚趾区（生理相关范围），糖尿病肌腱呈现出应力发展速率降低，表明胶原纤维的解卷曲存在初始滞后。这导致在最大体内应力0.3 MPa下肌腱应变增加。这些数据与人类T2DM患者跟腱的测量结果一致。
4.2 肌腱材料特性改变和体重升高对运动表现具有复合效应
研究发现，T2DM肌腱呈现出弹性模量和极限拉伸应力的降低，但维持了这两者之间固有的生理联系。此外，弹性模量和极限拉伸应力均与体重呈强相关。结合拉伸材料特性的变化，这意味着糖尿病小鼠的安全系数严重降低，因此可能更容易受伤。
为了预测这些肌腱特性变化的功能性影响，研究者修改了小鼠后肢的肌肉骨骼模型，纳入了糖尿病小鼠的形态和机械特性，以探索小步跑过程中个体肌肉功能的影响。模拟结果显示，为了“成功”地小步跑，糖尿病小鼠模型必须显著增加肌肉激活和代谢输出。这些变化伴随着功能性重要肌肉（如MG和LG）的功能转变，即更少地像弹簧，更多地由负功主导，类似于制动器。这些数据支持了之前的假设，并与此前关于人类跑步代谢成本随肌腱刚度变化的研究相呼应。重要的是，将相同的小步跑运动学应用于肥胖小鼠模型（体重增加但肌腱刚度不变）表明，这些变化的程度并非完全由体重增加引起。虽然对照组和肥胖模型之间在某些输出上存在显著差异，但在更远端的肌肉（如LG和TA的激活与功率，MG的功能）方面，对照组和糖尿病小鼠之间的差异更为显著。
因此，这些模型表明，虽然T2DM相关的某些功能缺陷可能纯粹源于体重增加，但更显著的影响更可能与肌腱功能的病理生理影响密切相关。具体而言，糖尿病小鼠肌肉激活（以及随后的力量产生）的显著增加，加上其更顺应但更弱的肌腱，可能会共同导致肌腱损伤或断裂的风险大幅升高。这种增加的断裂风险以及T2DM中观察到的肌腱愈合受损，进一步限制了通过运动进行成功干预的潜力。
4.3 实验局限性
首先，研究仅使用了雄性小鼠，未考虑性别对材料特性变化的潜在影响。其次，无法确定肌腱材料特性的改变是糖尿病相关代谢应激的结果，还是体重显著升高的生理后果。使用瘦素缺陷型（ob/ob）小鼠品系进行可比性实验将有助于厘清这一点。此外，小鼠后肢模型本身存在局限性，特别是在用于模拟病理小鼠品系的运动时。最明显的是，使用先前从野生型小鼠获取的后肢运动学数据来预测糖尿病小鼠的肌肉动力学和功能，在生物力学或生理学上可能不完全准确。然而，鉴于db/db小鼠基本久坐且很少小步跑，从这些小鼠身上收集此类数据具有挑战性。因此，这些模型被用作一个理论性的“假设”实验平台，用于探索无法通过实验进行的、与T2DM相关肌腱病理相关的潜在影响。此外，模型中假设了对照组和糖尿病小鼠之间肌肉力量产生特性（特别是纤维长度）保持不变，这主要基于两品系间肌肉质量的相似性，但糖尿病小鼠肌肉解剖学或生理学的其他方面可能存在更显著的差异。
4.4 结论
研究表明，糖尿病肌腱的粘弹性特性未检测到可察觉的变化。最相关的功能性机械缺陷出现在肌腱应力-应变关系的低应力范围（脚趾区），即胶原纤维开始解卷曲的阶段。这种功能受损导致骨骼肌产生力量的需求大幅增加，迫使肌纤维在其最佳工作范围之外运作，从而增加了它们的代谢功率输出。治疗策略应着眼于首先恢复非病理性的肌腱材料特性，以减轻骨骼肌的负担，缓解其运动不耐受。
