Quantifying the role of hyaluronic acid on collagen fiber mechanics via femtosecond laser ablation
本研究表明，飞秒激光消融结合二次谐波成像揭示了透明质酸在促进肌腱内胶原纤维滑动和粘弹性行为中的关键作用，显示出其耗尽会损害微观力学特性，而使用甲基丙烯酰化透明质酸进行补充则能有效恢复这些特性。
原始论文采用 CC BY 4.0 许可（https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/）。 这是一篇未经同行评审的预印本的AI生成解释。这不是医疗建议。请勿根据此内容做出健康决定。 阅读完整免责声明
肌腱是连接肌肉与骨骼的坚韧、绳索状的组织，使我们能够奔跑、跳跃和举重。它们并非由像肌肉组织那样的活细胞组成；相反，它们主要是由胶原蛋白构成的致密纤维支架，并由一种胶状物质结合在一起。这种胶状物含有被称为糖胺聚糖的分子，它们就像海绵一样吸收水分，赋予肌腱拉伸和回弹的能力。其中一种特定的分子——透明质酸，长期以来一直被用于医学领域以治疗关节疼痛和肌腱损伤。医生将其注射到疼痛部位，希望它能舒缓组织并帮助愈合。然而，尽管应用广泛，科学家们仍难以准确理解这种分子在肌腱内部是如何发挥作用的。它仅仅是润滑纤维，还是积极地改变了微小的胶原纤维之间相互滑动的方式以吸收冲击力？由于不知道答案，人们很难设计出更好的治疗方案，也难以理解为什么肌腱会随着年龄增长而变得僵硬且易于受伤。
为了解开这个谜团，科罗拉多大学博尔德分校的一个研究小组开发了一种无需拆解即可观察肌腱内部的新方法。他们将注意力集中在微观层面，即单个胶原纤维聚集在一起的地方。在受张力的健康肌腱中，这些纤维并不是僵硬锁定的；它们可以相对于邻近的纤维进行轻微的滑动和移动，这种运动有助于组织吸收能量并防止其断裂。研究人员想要观察透明质酸是否就是允许这种滑动发生的关键。他们使用了一种高精度的工具——飞秒激光，它就像一把显微手术刀。通过将激光对准正在被轻轻拉伸的活体肌腱中的单根胶原纤维，他们可以切断该纤维的一小段。一旦纤维被切断，维持其紧绷的张力就会释放，导致切口两端发生回缩，即向远离切口的方向弹回。通过测量这些末端移动的距离和速度，团队可以精确计算出纤维彼此滑动的难易程度。
研究人员首先在成年年轻小鼠的肌腱上测试了这种方法，并将其与老年小鼠的肌腱进行了对比。他们发现，自然含量较低的透明质酸的老年肌腱表现出显著降低的纤维回缩现象。老年肌腱中的纤维在被切断后几乎没有移动，这表明它们粘连在一起，无法滑动。为了证实透明质酸正是缺失的成分，团队取用了健康的年轻肌腱，并使用一种专门降解透明质酸的酶对其进行处理。结果是一样的：没有了这种分子，纤维就失去了滑动的能力，回缩现象也随之消失。这证明了透明质酸的存在与胶原纤维在微观层面上移动和承受应力的能力直接相关。
在确定了问题后，团队询问是否可以修复它。他们开发了一种将新形式的透明质酸重新引入组织的方法。他们使用的是低分子量的透明质酸版本，这种分子足够小，可以渗透进致密的肌腱结构深处。进入内部后，他们利用光激活化学反应将这些小分子连接在一起，有效地将它们固定在原地，使其不会被冲走。当他们将这种疗法应用于被剥离了天然透明质酸的肌腱时，纤维重新获得了滑动的能力。回缩现象恢复到了正常水平，模拟了健康年轻组织的行为。更令人振奋的是，当他们用同样的方法处理天然老化的肌腱时，纤维的滑动得到了改善，使旧组织的机械行为更接近于成年年轻组织。
这项研究还揭示了我们在测试肌腱健康时通常存在的一个意外局限性。当研究人员使用标准的拉伸测试对整个肌腱进行测量时，他们发现健康样本、老化样本和经过处理的样本之间没有差异。宏观上的大数值看起来是一样的。只有通过缩放到微观尺度并观察单个纤维的运动，真正的差异才会显现出来。这表明，衰老或透明质酸流失所造成的损伤发生在传统方法难以察觉的微小层面，但这种损伤足以改变组织的运作方式。研究结果表明，透明质酸在肌腱中的作用不仅在于润滑，还在于维持一个允许胶原纤维自由滑动的流体环境。通过恢复这种分子，或许可以逆转随年龄增长而产生的机械性僵硬，为治疗肌腱损伤提供一条超越单纯缓解疼痛的新途径。
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