Сухожилия: структура, состав и функции.

Введение

Тип ткани, соединяющей мышцу с костью.

Сухожилие – это прочная полоса плотной волокнистой соединительной ткани, соединяющая мышцу с костью. Оно передает механические силы мышечного сокращения к скелетной системе, выдерживая при этом напряжение. Сухожилия, как и связки, состоят из коллагена. Отличие заключается в том, что связки соединяют кость с костью, а сухожилия – мышцу с костью. В теле взрослого человека насчитывается около 4000 сухожилий.

Структура

Сухожилие состоит из плотной регулярной соединительной ткани, основными клеточными компонентами которой являются специальные фибробласты, называемые теноцитами (сухожильными клетками). Теноциты синтезируют внеклеточный матрикс сухожилия, богатый плотно упакованными коллагеновыми волокнами. Коллагеновые волокна расположены параллельно друг другу и сгруппированы в пучки (фасцикулы). Каждый пучок окружен эндотендинием – тонкой рыхлой соединительной тканью, содержащей тонкие коллагеновые фибриллы и эластические волокна. Несколько фасцикул объединены эпитеноном – оболочкой из плотной нерегулярной соединительной ткани. Все сухожилие заключено в фасцию. Пространство между фасцией и тканью сухожилия заполнено паратеноном – жировой рыхлой соединительной тканью. Нормальные здоровые сухожилия прикрепляются к кости волокнами Шарпи.

Ультраструктура и синтез коллагена

Коллагеновые волокна сливаются в макроагрегаты. После секреции из клетки и расщепления проколлагеновыми N- и C-протеазами, молекулы тропоколлагена спонтанно собираются в нерастворимые фибриллы. Молекула коллагена имеет длину около 300 нм и ширину 1–2 нм, а диаметр образующихся фибрилл может варьироваться от 50 до 500 нм. В сухожилиях фибриллы далее собираются в фасцикулы длиной около 10 мм и диаметром 50–300 мкм, а затем – в сухожильное волокно диаметром 100–500 мкм. Коллаген в сухожилиях удерживается вместе компонентами протеогликанов (соединения, состоящего из белка, связанного с группами гликозаминогликанов, особенно распространенного в соединительной ткани), включая декорин и, в сжатых участках сухожилия, агрекан, которые способны связываться с коллагеновыми фибриллами в определенных местах. Протеогликаны переплетены с коллагеновыми фибриллами, их гликозаминогликановые (GAG) боковые цепи вступают в множественные взаимодействия с поверхностью фибрилл, что указывает на структурную важность протеогликанов во взаимосвязи фибрилл. Основными GAG-компонентами сухожилия являются дерматансульфат и хондроитинсульфат, которые ассоциируют с коллагеном и участвуют в процессе сборки фибрилл во время развития сухожилия. Считается, что дерматансульфат отвечает за формирование ассоциаций между фибриллами, а хондроитинсульфат – за заполнение пространства между фибриллами, поддерживая их разделение и устойчивость к деформации. Боковые цепи дерматансульфата декорина агрегируют в растворе, что может способствовать сборке коллагеновых фибрилл. Когда молекулы декорина связаны с коллагеновой фибриллой, их дерматансульфатные цепи могут удлиняться и связываться с другими дерматансульфатными цепями на декорине, связанном с отдельными фибриллами, тем самым создавая межфибриллярные мостики и в конечном итоге вызывая параллельное выравнивание фибрилл.

Теноциты

Теноциты производят молекулы коллагена, которые агрегируются конец к концу и бок о бок, формируя коллагеновые фибриллы. Пучки фибрилл организованы в волокна, между которыми плотно расположены удлиненные теноциты. В сухожилии присутствует трехмерная сеть клеточных отростков, связанных с коллагеном. Клетки общаются друг с другом через щелевые контакты, что позволяет им обнаруживать и реагировать на механическую нагрузку. Эта коммуникация осуществляется в основном двумя белками: коннексином 43, присутствующим в местах соединения клеточных отростков и в телах клеток, и коннексином 32, который находится только в местах соединения отростков. Кровеносные сосуды можно увидеть внутри эндотендона, идущего параллельно коллагеновым волокнам, с редкими разветвленными поперечными анастомозами. Считается, что основная масса сухожилия не содержит нервных волокон, но эпитенон и паратенон содержат нервные окончания, а органы Гольджи расположены в миотендинозном соединении между сухожилием и мышцей. Длина сухожилий варьируется у всех основных групп мышц и у разных людей. Фактически, длина сухожилия является определяющим фактором, влияющим на фактический и потенциальный размер мышц. Например, при прочих равных биологических факторах, человек с более короткими сухожилиями и более длинной мышцей бицепса будет иметь больший потенциал для увеличения мышечной массы, чем человек с более длинным сухожилием и более короткой мышцей. У успешных бодибилдеров обычно более короткие сухожилия. И наоборот, в видах спорта, требующих от спортсменов превосходства в действиях, таких как бег или прыжки, полезно иметь ахиллово сухожилие длиннее среднего и более короткую икроножную мышцу. Длина сухожилия определяется генетической предрасположенностью и, в отличие от мышц, не изменяется в ответ на внешние факторы. Мышцы могут укорачиваться из-за травм, дисбаланса нагрузки, недостаточного восстановления и растяжки. Кроме того, сухожилия позволяют мышцам находиться на оптимальном расстоянии от места приложения силы, проходя через области с ограниченным пространством, такие как карпальный канал. Сухожилия, накапливающие энергию, могут эффективно хранить и возвращать энергию. Например, во время шага ахиллово сухожилие растягивается при тыльном сгибании голеностопного сустава. В последней фазе шага, при подошвенном сгибании стопы (опускании носка), накопленная упругая энергия высвобождается. Более того, благодаря растяжению сухожилия мышца может функционировать с минимальным или даже полным отсутствием изменения длины, что позволяет ей генерировать больше силы. Механические свойства сухожилия зависят от диаметра и ориентации коллагеновых волокон. Коллагеновые фибриллы параллельны друг другу и плотно упакованы, но имеют волнистый вид из-за плоских изгибов или крипов в масштабе нескольких микрометров. В сухожилиях коллагеновые волокна обладают некоторой гибкостью из-за отсутствия гидроксипролина и пролина в определенных участках аминокислотной последовательности, что позволяет формировать другие конформации, такие как изгибы или внутренние петли в тройной спирали, и приводит к образованию крипов. Крипы в коллагеновых фибриллах обеспечивают сухожилиям некоторую гибкость, а также низкую жесткость при сжатии. Кроме того, поскольку сухожилие представляет собой многоволоконную структуру, состоящую из множества частично независимых фибрилл и фасцикулов, оно не ведет себя как единый стержень, и это свойство также способствует его гибкости. Протеогликановые компоненты сухожилий также важны для их механических свойств. В то время как коллагеновые фибриллы позволяют сухожилиям противостоять растяжению, протеогликаны позволяют им противостоять сжатию. Эти молекулы очень гидрофильны, то есть они могут поглощать большое количество воды и, следовательно, имеют высокое соотношение набухания. Поскольку они связаны с фибриллами нековалентно, они могут обратимо ассоциироваться и диссоциироваться, что позволяет разрушать и восстанавливать мостики между фибриллами. Этот процесс может способствовать удлинению фибриллы и уменьшению ее диаметра при растяжении. Однако протеогликаны также могут играть роль в прочности сухожилия на растяжение. Структура сухожилия по сути является волокнистым композитным материалом, построенным в виде серии иерархических уровней. На каждом уровне иерархии коллагеновые единицы связаны между собой либо коллагеновыми поперечными связями, либо протеогликанами, образуя структуру, устойчивую к растяжению. Показано, что удлинение и деформация коллагеновых фибрилл сами по себе значительно ниже, чем общее удлинение и деформация всего сухожилия при той же нагрузке, что демонстрирует, что матрица, богатая протеогликанами, также должна деформироваться, и что упрочнение матрицы происходит при высоких скоростях деформации. Эта деформация неколлагеновой матрицы происходит на всех уровнях иерархии сухожилия, и, модулируя организацию и структуру этой матрицы, можно добиться различных механических свойств, необходимых для разных сухожилий. Сухожилия, накапливающие энергию, используют значительное скольжение между фасцикулами для обеспечения высоких деформационных характеристик, в то время как позиционные сухожилия больше полагаются на скольжение между коллагеновыми волокнами и фибриллами. Однако последние данные свидетельствуют о том, что сухожилия, накапливающие энергию, также могут содержать фасцикулы, которые имеют скрученную или спиральную структуру – расположение, которое было бы очень полезно для обеспечения пружинящих свойств, необходимых в этих сухожилиях.

The tenocytes produce the collagen molecules, which aggregate end to end and side to side to produce collagen fibrils. Fibril bundles are organized to form fibres with the elongated tenocytes closely packed between them. There is a three dimensional network of cell processes associated with collagen in the tendon. The cells communicate with each other through gap junctions, and this signalling gives them the ability to detect and respond to mechanical loading. These communications happen by two proteins essentially: connexin 43, present where the cells processes meet and in cell bodies connexin 32, present only where the processes meet. Blood vessels may be visualized within the endotendon running parallel to collagen fibres, with occasional branching transverse anastomoses. The internal tendon bulk is thought to contain no nerve fibres, but the epitenon and paratenon contain nerve endings, while Golgi tendon organs are present at the myotendinous junction between tendon and muscle. Tendon length varies in all major groups and from person to person. Tendon length is, in practice, the deciding factor regarding actual and potential muscle size. For example, all other relevant biological factors being equal, a man with a shorter tendons and a longer biceps muscle will have greater potential for muscle mass than a man with a longer tendon and a shorter muscle. Successful bodybuilders will generally have shorter tendons. Conversely, in sports requiring athletes to excel in actions such as running or jumping, it is beneficial to have longer than average Achilles tendon and a shorter calf muscle. Tendon length is determined by genetic predisposition, and has not been shown to either increase or decrease in response to environment, unlike muscles, which can be shortened by trauma, use imbalances and a lack of recovery and stretching. In addition tendons allow muscles to be at an optimal distance from the site where they actively engage in movement, passing through regions where space is premium, like the carpal tunnel. Energy storing tendons can store and recover energy at high efficiency. For example, during a human stride, the Achilles tendon stretches as the ankle joint dorsiflexes. During the last portion of the stride, as the foot plantar flexes (pointing the toes down), the stored elastic energy is released. Furthermore, because the tendon stretches, the muscle is able to function with less or even no change in length, allowing the muscle to generate more force. The mechanical properties of the tendon are dependent on the collagen fiber diameter and orientation. The collagen fibrils are parallel to each other and closely packed, but show a wave like appearance due to planar undulations, or crimps, on a scale of several micrometers. In tendons, the collagen fibres have some flexibility due to the absence of hydroxyproline and proline residues at specific locations in the amino acid sequence, which allows the formation of other conformations such as bends or internal loops in the triple helix and results in the development of crimps. The crimps in the collagen fibrils allow the tendons to have some flexibility as well as a low compressive stiffness. In addition, because the tendon is a multi stranded structure made up of many partially independent fibrils and fascicles, it does not behave as a single rod, and this property also contributes to its flexibility. The proteoglycan components of tendons also are important to the mechanical properties. While the collagen fibrils allow tendons to resist tensile stress, the proteoglycans allow them to resist compressive stress. These molecules are very hydrophilic, meaning that they can absorb a large amount of water and therefore have a high swelling ratio. Since they are noncovalently bound to the fibrils, they may reversibly associate and disassociate so that the bridges between fibrils can be broken and reformed. This process may be involved in allowing the fibril to elongate and decrease in diameter under tension. However, the proteoglycans may also have a role in the tensile properties of tendon. The structure of tendon is effectively a fibre composite material, built as a series of hierarchical levels. At each level of the hierarchy, the collagen units are bound together by either collagen crosslinks, or the proteoglycans, to create a structure highly resistant to tensile load. The elongation and the strain of the collagen fibrils alone have been shown to be much lower than the total elongation and strain of the entire tendon under the same amount of stress, demonstrating that the proteoglycan rich matrix must also undergo deformation, and stiffening of the matrix occurs at high strain rates. This deformation of the non collagenous matrix occurs at all levels of the tendon hierarchy, and by modulating the organisation and structure of this matrix, the different mechanical properties required by different tendons can be achieved. Energy storing tendons have been shown to utilise significant amounts of sliding between fascicles to enable the high strain characteristics they require, whilst positional tendons rely more heavily on sliding between collagen fibres and fibrils. However, recent data suggests that energy storing tendons may also contain fascicles which are twisted, or helical, in nature an arrangement that would be highly beneficial for providing the spring like behaviour required in these tendons.

Механика

Сухожилия – это вязкоупругие структуры, что означает, что они проявляют как упругое, так и вязкое поведение. При растяжении сухожилия демонстрируют типичное поведение "мягких тканей". Кривая "сила-удлинение", или "напряжение-деформация", начинается с области очень низкой жесткости, поскольку волнистая структура выпрямляется, а коллагеновые волокна выравниваются, что указывает на отрицательное отношение Пуассона в волокнах сухожилия. Недавние исследования, проведенные *in vivo* (с помощью МРТ) и *ex vivo* (путем механического тестирования различных трупных образцов сухожилий), показали, что здоровые сухожилия обладают высокой анизотропией и демонстрируют отрицательное отношение Пуассона (ауксетическое поведение) в некоторых плоскостях при растяжении до 2% вдоль их длины, то есть в пределах их нормального диапазона движений. После этой "начальной" области структура становится значительно жестче и имеет линейную кривую "напряжение-деформация" до начала разрушения. Механические свойства сухожилий сильно варьируются, поскольку они соответствуют функциональным требованиям сухожилия. Сухожилия, запасающие энергию, как правило, более упругие, или менее жесткие, чтобы легче накапливать энергию, в то время как более жесткие позиционные сухожилия, как правило, немного более вязкоупругие и менее упругие, чтобы обеспечивать более точный контроль движения. Типичное сухожилие, запасающее энергию, разрушается при деформации около 12–15% и напряжении в диапазоне 100–150 МПа, хотя некоторые сухожилия значительно более растяжимы, например, поверхностный сгибатель пальцев у лошади, который растягивается более чем на 20% при галопе. Позиционные сухожилия могут разрушаться при деформации всего 6–8%, но могут иметь модуль упругости в диапазоне 700–1000 МПа. Ряд исследований показали, что сухожилия реагируют на изменения механической нагрузки процессами роста и ремоделирования, подобно костям. В частности, исследование показало, что прекращение использования ахиллова сухожилия у крыс привело к уменьшению средней толщины пучков коллагеновых волокон, составляющих сухожилие. У людей эксперимент, в котором испытуемые подвергались воздействию имитированной микрогравитации, показал, что жесткость сухожилий значительно снизилась, даже когда испытуемые были вынуждены выполнять упражнения для поддержания тонуса. Эти эффекты имеют значение в различных областях, от лечения пациентов, прикованных к постели, до разработки более эффективных упражнений для астронавтов.

Tendons are viscoelastic structures, which means they exhibit both elastic and viscous behaviour. When stretched, tendons exhibit typical "soft tissue" behavior. The force extension, or stress strain curve starts with a very low stiffness region, as the crimp structure straightens and the collagen fibres align suggesting negative Poisson's ratio in the fibres of the tendon. More recently, tests carried out in vivo (through MRI) and ex vivo (through mechanical testing of various cadaveric tendon tissue) have shown that healthy tendons are highly anisotropic and exhibit a negative Poisson's ratio (auxetic) in some planes when stretched up to 2% along their length, i. e. within their normal range of motion. After this 'toe' region, the structure becomes significantly stiffer, and has a linear stress strain curve until it begins to fail. The mechanical properties of tendons vary widely, as they are matched to the functional requirements of the tendon. The energy storing tendons tend to be more elastic, or less stiff, so they can more easily store energy, whilst the stiffer positional tendons tend to be a little more viscoelastic, and less elastic, so they can provide finer control of movement. A typical energy storing tendon will fail at around 12–15% strain, and a stress in the region of 100–150 MPa, although some tendons are notably more extensible than this, for example the superficial digital flexor in the horse, which stretches in excess of 20% when galloping. Positional tendons can fail at strains as low as 6–8%, but can have moduli in the region of 700–1000 MPa. Several studies have demonstrated that tendons respond to changes in mechanical loading with growth and remodeling processes, much like bones. In particular, a study showed that disuse of the Achilles tendon in rats resulted in a decrease in the average thickness of the collagen fiber bundles comprising the tendon. In humans, an experiment in which people were subjected to a simulated micro gravity environment found that tendon stiffness decreased significantly, even when subjects were required to perform restiveness exercises. These effects have implications in areas ranging from treatment of bedridden patients to the design of more effective exercises for astronauts.

Исцеление

Считалось, что сухожилия не способны к обновлению матрикса и что теноциты не обладают способностью к регенерации. Однако впоследствии было установлено, что на протяжении всей жизни человека теноциты в сухожилии активно синтезируют компоненты матрикса, а также ферменты, такие как матричные металлопротеиназы (ММП), которые способны разрушать матрикс. Примерно через шесть недель начинается стадия ремоделирования. Первым этапом этой стадии является консолидация, которая длится от шести до десяти недель после травмы. В течение этого времени снижается синтез коллагена и гликозаминогликанов, а также клеточность, поскольку ткань становится более волокнистой в результате увеличения продукции коллагена I и ориентации фибрилл в направлении механического напряжения. В ответ на повторяющуюся механическую нагрузку или повреждение теноциты могут выделять цитокины, которые, в свою очередь, индуцируют высвобождение ММП, вызывая деградацию внеклеточного матрикса и приводя к повторным травмам и хроническим тендинопатиям. Фактор роста эндотелия сосудов (VEGF) хорошо известен своей способностью стимулировать ангиогенез, индуцировать пролиферацию и миграцию эндотелиальных клеток, и экспрессия мРНК VEGF была обнаружена в месте повреждения сухожилий вместе с мРНК коллагена I. Костные морфогенетические белки (BMP) являются подсемейством семейства TGF β, способным индуцировать образование костей и хрящей, а также дифференцировку тканей, и было показано, что BMP 12 в частности влияет на формирование и дифференцировку ткани сухожилия и способствует фиброгенезу.

Влияние активности на исцеление

На животных моделях были проведены обширные исследования для изучения влияния механической нагрузки, выраженной в уровне активности, на повреждение и заживление сухожилий. Хотя растяжение может нарушать заживление в начальной воспалительной фазе, было показано, что контролируемое движение сухожилий примерно через неделю после острой травмы способствует синтезу коллагена теноцитами, что приводит к увеличению прочности на разрыв и диаметра заживших сухожилий, а также к уменьшению количества адгезий по сравнению с иммобилизованными сухожилиями. При хронических повреждениях сухожилий механическая нагрузка также стимулирует пролиферацию фибробластов и синтез коллагена, а также перестройку коллагеновых волокон, что способствует восстановлению и ремоделированию. У птиц и орнитосхиев части сухожилий могут окостеневать. В этом процессе остеоциты проникают в сухожилие и откладывают костную ткань, как это происходит в сесамовидных костях, например, в надколеннике. У птиц окостенение сухожилий происходит преимущественно в задних конечностях, а у орнитосхиев окостенелые сухожилия осевых мышц образуют решетчатую структуру вдоль нервных и гемальных отростков на хвосте, предположительно для обеспечения поддержки.