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本研究旨在评估预激活肌纤维长度对渗透性单肌纤维拉伸-缩短循环（SSC）性能增强的影响。实验发现，无论是长还是优初始预激活长度，SSC效果均无显著差异（P>0.14），表明非肌球蛋白结构（如 titin）可能未受预激活长度影响。
Alexander M. Zero | Geoffrey A. Power
圭尔夫大学生物科学学院人类健康科学系，加拿大安大略省圭尔夫市
摘要
本研究的目的是评估初始预激活肌肉长度是否会影响渗透化单根肌纤维的拉伸-缩短循环（SSC）性能。我们从Sprague Dawley大鼠（n=6，13-14周龄）的腰大肌中分离出16根单根肌纤维并进行化学渗透处理。将这些肌纤维固定在力传感器和长度控制器之间，并将其激活至最大活性（pCa 4.5）。在长长度下进行预激活时，肌纤维被被动拉伸至平均肌节长度3.0 μm。当被动力稳定后，肌纤维被激活并迅速缩短至2.5 μm，以使所有横桥断裂。激活过程结束后，肌纤维进入SSC测试阶段。在最佳长度下进行预激活时，肌纤维同样经历被动拉伸过程，但只有当其恢复到2.5 μm的肌节长度时才开始激活。在SSC过程中，肌纤维从2.5 μm拉伸至3.0 μm，然后立即以0.6 Lo/s的速度缩短回2.5 μm。通过比较缩短过程中的功和功率与未经过主动伸长的情况来计算SSC效应。结果显示，无论初始预激活肌肉长度如何，SSC效应均有约55%的提升（所有P<0.003），且两种长度之间的差异不显著（P>0.14）。因此，初始预激活肌肉长度对渗透化单根肌纤维的SSC效应没有显著影响，因为非横桥结构（如肌联蛋白）不太可能因预激活长度的不同而发生改变。
引言
在运动过程中，肌肉会经历拉伸-缩短循环（SSC），其中主动肌肉缩短之前总是伴随着主动肌肉伸长。与纯缩短收缩相比，如果拉伸过程发生在主动伸长之后，SSC效应表现为缩短过程中的力、功和功率增强（Seiberl等人，2021年）。虽然导致SSC效应的机制尚未完全明了，但在完整的神经肌肉系统中，已经提出了多种可能性，包括拉伸反射反应（Dietz等人，1979年）、肌肉激活方式的改变（Bobbert和Casius，2005年）以及弹性能量的储存和释放（Kawakami等人，2002年；Kubo等人，2000年）。然而，即使在这些机制被消除或最小化的孤立肌纤维中，SSC效应仍然存在（Fukutani等人，2021年综述），因此横桥和非横桥机制可能都起到了作用。
力的历史依赖性特性也可能对SSC效应有贡献（Hahn和Riedel，2018年；Seiberl等人，2015年），例如残余力增强（rFE），即与相同肌肉长度和激活水平下的固定端等长收缩相比，主动伸长收缩后的等长稳态力会增加（Abbott和Aubert，1952年；Herzog等人，2006年）。研究表明，rFE和SSC效应具有相似的非横桥机制，其中涉及巨分子弹簧肌联蛋白（Fukutani等人，2021年；Herzog等人，2006年；Seiberl等人，2021年）。在激活和横桥循环过程中，肌联蛋白自由弹簧长度的缩短以及由此引起的僵化被认为对rFE和SSC效应都有贡献（Fukutani等人，2021年；Herzog等人，2006年；Seiberl等人，2021年）。即使在存在多种肌球蛋白抑制剂的情况下，单根肌纤维和肌纤维束中仍能观察到SSC效应（Hessel等人，2021年；Tomalka等人，2024年）。此外，提高收缩速度可以增强SSC效应，这种速度依赖性在有或没有肌球蛋白抑制剂blebbistatin的情况下都存在，这可能归因于肌联蛋白的粘弹性（Tomalka等人，2021年）。
肌联蛋白是一种对Ca2+敏感的蛋白质，在肌节内起到可变刚度弹簧的作用。作为一种可调的分子弹簧，肌联蛋白的力学特性可以解释许多现象，尤其是在离心收缩过程中，这些现象无法用传统的横桥理论来解释（Herzog，2018年；Hessel等人，2017年）。在本研究中，我们尝试改变肌联蛋白的自由弹簧长度，以评估这是否会影响主动伸长后的性能提升，特别是rFE和SSC效应。
我们基于以下假设进行了实验：肌联蛋白是一种“粘性弹簧”（Rode等人，2009年），在Ca2+存在和横桥循环作用下，它会与细肌丝（肌动蛋白）结合，从而使肌联蛋白的自由弹簧缩短并变硬（Herzog，2018年；Nishikawa等人，2012年）。具体来说，为了设置“长”肌联蛋白自由弹簧长度，我们将渗透化的鼠单根肌纤维激活至最大活性（pCa 4.5），使其在长肌肉长度（3.0 μm）下发生肌联蛋白-肌动蛋白结合并缩短自由弹簧（图1A），随后迅速缩短以使所有横桥断裂（Brenner和Eisenberg，1986年；Mazara等人，2021年），同时保持最大激活状态（图1B）。因此，尽管肌肉长度变为2.5 μm，理论上肌联蛋白仍具有“长”且松弛的自由弹簧，从而在后续拉伸过程中产生的力较小（图1C）。当主动力恢复后，肌纤维进入SSC或rFE测试阶段。这与“短”肌联蛋白自由弹簧的对照组（图1D）进行了比较，在后者中，SSC或rFE测试从最佳长度（2.5 μm）开始，而无需先在较长肌肉长度（3.0 μm）下进行预激活。我们假设，在最佳长度下预激活肌纤维（可能导致自由弹簧长度较短）会增加肌联蛋白的刚性，从而增强rFE和SSC效应。
实验部分
肌肉样本和组织制备
从6只Sprague Dawley雌性大鼠（屠宰年龄13-14周，体重234.2±19.3克）中分离出16根单根肌纤维，实验得到了动物护理委员会（AUP：#4905）的批准。肌肉的解剖、储存、去皮、松弛、预激活和激活过程按照我们实验室之前的方法进行（Hubbard等人，2022年；Mashouri等人，2024年）。
屠宰后，立即取出了大鼠的左右腰大肌并转移至实验装置中
肌纤维横截面积
单根肌纤维的横截面积为0.011±0.005 mm2
残余力下降与增强
与纯等长收缩相比，主动缩短后的等长力下降了11.5%（P=0.001，d=0.17，图3A）。相反，当预激活发生在长肌肉长度或短肌肉长度时，主动伸长后的等长力分别增加了7.2%和5.6%（P≤0.01，d=0.13和0.1，图3B）
讨论
我们的结果表明，初始预激活时的肌节长度对渗透化单根肌纤维的SSC效应（即功和功率的增强）或rFE没有显著影响。我们进行这些实验是基于这样的假设：不同的预激活长度会改变肌联蛋白的自由弹簧长度，从而影响历史依赖性的力增强。然而，
作者贡献声明
Alexander M. Zero：撰写 – 审稿与编辑、原始稿撰写、数据可视化、验证、实验监督、软件使用、资源管理、方法论设计、实验实施、资金申请、数据分析、概念化。Geoffrey A. Power：撰写 – 审稿与编辑、数据可视化、验证、实验监督、软件使用、资源管理、方法论设计、实验实施、资金申请。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。
致谢
我们感谢人类健康与营养科学动物护理团队在动物护理方面的支持，以及A. Rilling和A. Kirkup在组织获取方面的帮助。
