240610: ACLR・半腱様筋腱・腱採取後機能欠損・リモデリング

前十字靭帯（ACL）は膝の靭帯の中で最も頻繁に損傷され、毎年世界中で推定40万件のACL再建術（ACLR）が行われています。オーストラリアでは、ACLRの約90％で半腱様筋（ST）腱自家移植が使用されています。これは、グラフトの機械的強度、手術アクセスの容易さ、およびドナー部位の合併症が最小限であると認識されているためです。移植用の採取後、STはリザードテイル現象と呼ばれる再生プロセスを経て、膝関節ラインの下の脛骨近位内側に新しい腱が再付着する場合があります。しかし、ACLR患者の約30 ％では、採取したST腱の再生が見られません。ほとんどの人はACLR後に身体活動を再開しますが、膝屈筋と内旋筋の筋力が長期的に低下します7、 ACLR 後のこれらの筋力低下は、二次 ACL 断裂、一次ハムストリングス損傷、早期発症膝関節症のリスク上昇に寄与している可能性があります。ドナー腱再生の機械的影響と術後筋肉形態の組み合わせを理解することは、グラフトの選択や手術および術後のリハビリテーションプロトコルに影響を与える可能性があるため、臨床的に重要です。

ST は、前額面/横断面の膝モーメントの重要な拮抗筋であり、着地や方向転換などの高リスク作業中に膝を支えるために動員されます。ACLRのために腱を採取した後、ST は萎縮、退縮、形状変化、脂肪浸潤、活性化障害を経験します。損傷していない反対側の肢と比較して、再生 ST 腱は、ACLR 後に脛骨のより近位および内側に、または膝窩筋膜内に付着することが報告されています。 ACLR後の ST 形態の変化と遠位腱付着部は、筋力生成能力、モーメントアーム、またはその両方を変化させ、ハムストリングスのトルク生成能力を低下させる可能性があります。ST萎縮/退縮に加えて、他の相乗ハムストリング筋の潜在的な代償性肥大変化の可能性があり、これが膝屈曲トルク生成能力の低下を緩和する可能性があります。

実験的には、筋腱形態が ST およびハムストリングス機能に及ぼす因果的影響を切り分けるのは困難です。計算モデル化により、ACLR 後の ST の形態変化が術後の ST およびハムストリングスの筋機能に及ぼす影響を調べることができます。最近では、磁気共鳴画像 (MRI) やその他の画像診断法から得た患者固有のデータを使用して計算モデルを個々の患者に合わせてカスタマイズし、内部筋形態や腱アライメントの特定の臨床的特徴が機械的機能に及ぼす影響を調べています。現在まで、ACLR 後の ST 病状 (萎縮、退縮、遠位腱の移動) が膝機能に及ぼす機械的影響について評価した研究はありません。

この研究の主な目的は、ACLR 後の ST 病的状態を含む個別化筋骨格 (MSK) モデルを使用して、股関節と膝関節のさまざまな運動にわたって ST モーメントアームとトルク生成能力をシミュレートし、負傷していない反対側の肢と比較することです。二次的な目的は、ACLR と負傷していない反対側の肢のハムストリング筋群 [半腱様筋ST、半膜様筋 (SM)、大腿二頭筋の 2 つの頭 (BFlh、BFsh)] のトルク生成能力を比較することです。ACLR では、生理的な股関節と膝関節の運動範囲にわたって、負傷していない反対側の肢と比較して ST モーメントアームとトルク生成能力が低くなると仮定しました。さらに、ACLR 肢では、ハムストリングのトルク生成能力が負傷していない反対側の肢よりも低く、膝の屈曲度が高いときに最も低下します。

遠位半腱様筋の付着部

遠位 ST 腱再生は、新生腱が遠位筋腱接合部の下に見え、脛骨プラトー下の鰓足のレベル付近まで分節されている場合に「完全」と定義されました。
この定義に基づいて、参加者は遠位 ST 腱再生の有無のサブグループに分けられました。画像処理 (上記セクション) の後、遠位 ST 腱挿入点が決定され、良好な評価者間信頼性が得られました (クラス間相関係数 (ICC) = 0.88、95% 信頼区間 (CI) 0.55～0.97)。決定後、遠位 ST 腱挿入点は、損傷した四肢 (ACLR) と損傷していない四肢 (反対側) で比較されました。

形態学的検証

通常、損傷していない反対側肢は ACLR 後の筋肉の形態に長期的な影響を及ぼさないと想定されており、以前の研究では、ハムストリングスの筋形態は、損傷していない反対側肢と比較して術前と術後で有意な差がないことが示されています。著者らの知る限り、正常な左右の変動を評価するために、セグメント化された健康な個々のハムストリングスの筋と腱の形態の両側比較は行われていません。したがって、左右の形態の比較が自然変動によって有意に影響されないと確信することは困難です。損傷していない反対側肢が ACLR 損傷肢の比較対象として適切であるかどうかを評価するため、健康な対照サンプル (n = 18)  の分析が行われ ました。健康な対照の包含および除外基準が詳細に説明されています。

健常者では、ハムストリング筋の容積に有意な左右差は認められませんでした。また、遠位ST腱付着部についても、近位/遠位および前方/後方（それぞれp  = 0.91およびp  = 0.90）寸法の両方において有意な左右差は認められませんでした。健常者では、四肢間の筋容積（cm 3）または遠位腱付着部（mm）に有意な差は認められなかったため、ACLR参加者の負傷していない反対側の四肢は、本来の解剖学的フットプリントをよく表していると想定されました

筋肉形態解析

ACLR再生サブグループ内では、損傷肢の正規化ST容積は、損傷を受けていない対側肢と比較して小さかった（平均差−0.378（SD = 0.44、95％CI = −0.704〜−0.052）cm 3 ·kg −1 ·m −1）。残りの3つのハムストリング筋（SM、BFlh、BFsh）では、再生した損傷肢の正規化筋容積は健側肢と比較して大きかった。

腱挿入解析

遠位 ST 腱再生を伴う ACLR 肢では、前方/後方面および近位/遠位面の両方で挿入位置にかなりのばらつきが見られました 。特に、7 肢のうち 6 肢では、再生 ST 腱が基準位置 (つまり、負傷していない反対側の肢) より近位に再挿入され、挿入位置の平均差は 6.64 mm (SD = 16.98、(95% CI = -5.96 ～ 19.2))、範囲は 56.1 mm でした 。すべての再生 ST 腱は基準位置より後方に再挿入され、平均差は -3.84 mm (SD = 2.42、95% CI = -5.63 ～ -2.05)、範囲は 6.9 mm でした。

モーメントアーム解析

外科的に採取した ST は、損傷していない対側 ST と比較して、屈曲/伸展モーメントアームと内外モーメントアームが小さかった 。損傷していない対側 ST と比較すると、ACLR ST は屈曲モーメントアームが 5.8% (SD = 7、95% CI = 3.9～7.6) 低下しており 、内旋モーメントアームが 4.9% (SD = 8.3、95% CI = 2.7～7) 低下していた

関節トルク解析

損傷した ST は、筋モーメントアームと容積の影響から切り離した場合、屈曲/伸展および内部/外部トルク生成能力の両方で軽微な低下を示しました 。損傷していない対側 ST と比較すると、損傷した ST は屈曲トルク生成能力が 1.2% (SD = 3.3、95% CI = 0.3–2.0) 低下し 、内部旋回トルク生成能力が 0.24% (SD = 0.7、95% CI = 0.2–0.26) 低下しました 。

筋モーメントアームと体積効果が結合した場合、損傷したSTは屈曲/伸展および内外トルク生成能力の両方で大幅な損失を示しました。損傷していない対側STと比較して、外科的に再建した肢は、屈曲トルク（平均差=19.32%（SD  =  3.7、95% CI  =  18.3〜20.3）および内旋トルク（平均差=15.5%（SD  =  3.6、95% CI  =  14.6〜16.4）生成能力が有意に低下しました。ハムストリング筋複合体全体を考慮すると、損傷した肢は、損傷していない対側肢と比較して、屈曲トルク生成能力が6%（SD  =  3.7、95% CI  =  5〜6.9）不足していました

この研究では、MRI で測定した形態に基づいて筋肉のモーメントアームとトルク生成への変更を含めることで、ACLR 後の ST 機能をシミュレートしました。結果は、外科的に採取した ST 筋は、負傷していない反対側の肢の相同筋と比較して、膝の屈曲と内旋のモーメントアームが小さく、トルク生成能力も低いことを示しました。ST 遠位腱再生が起こった場合でも、ハムストリング筋群のトルク生成能力は、負傷していない反対側の肢と比較して低かったです。この研究でシミュレートされた ACLR の力学的な結果は、慢性的な筋力不足の実験的観察と一致しており、たとえ「最善」の結果が達成されたとしても (鰭足レベルでの完全な腱再生)、ACLR 後の ST とハムストリング機能の欠陥は残り、ST 形態のリモデリングによって調整されることを示しています。

腱再生がみられた ACLR 参加者については、遠位 ST 腱付着部にかなりの左右差が見られ、脛骨近位/遠位面と前部/後部面でそれぞれ 56 mm から 6.9 mm の範囲でした。ACLR 再生サブグループでは、参加者 7 人中 6 人で、負傷していない反対側肢の付着部より近位に ST 腱が再付着していました。同様の結果が最近 Nikose ら42によって報告されており、ST 再生には遠位 ST 付着部の約 28 mm の近位移動が伴うことが示されています。逆に、Choi ら は、術前 MRI と比較して ACLR 患者 45 人中 36 人において遠位 ST 付着部が 4.3 ± 7.6 mm 遠位に変化したことを発見しました。これまでの研究では、脛骨座標系 (近位/遠位、前部/後部寸法など) 内での遠位 ST 付着部の変化は報告されておらず、研究間で矛盾する結果を説明するものも明らかではありません。実際、遠位 ST 腱再生のメカニズムは明確に特定されていませんが、ST を包む筋膜の内側層が管状の鞘と再挿入経路を提供することで再生が促進されるという仮説が立てられています。もしそうなら、筋膜鞘を温存するか、誘導移植片を追加して採取手順を強化することで、ハムストリング自家移植の将来の腱再生結果が改善される可能性があります。

生理的な範囲の膝と股関節の動き全体にわたって、屈曲（5.8%）と内旋（4.9%）のモーメントアームに軽微な欠損が認められました。最近のシステマティックレビューでは、術後の膝屈曲筋の強度の欠損は、手術後に採取した筋肉のモーメントアームが減少し、形態が変化することが示唆されています。理論的には、遠位STをより近位後方に挿入すると、膝の屈曲と内旋のモーメントアームが減少し、再構築されたSTは収縮機能と力の作用線に障害を与えると考えられます。STモーメントアームの変化と最大等尺性力発生能力（測定された筋肉量から算出）と相まって、負傷していない反対側の膝と比較した場合、膝屈曲（19.6%）と内旋（15.5%）のトルク発生能力に欠損が認められました。関節トルク分析により、筋肉の形態の変化（すなわち、反対側の肢と比較して ACLR の筋肉の体積が小さく収縮している）が、これらのシミュレーションにおけるトルク生成能力を決定する主な要因であることが示唆されました。今後の研究では、ACLR 後に採取した筋肉の形態を回復するためのリハビリテーション プログラムを調査および最適化する必要があります。

最終的な仮説とは矛盾するが、膝を深く屈曲させた状態でも ACLR 肢の膝屈曲トルク発生能力に大きな低下は見られなかった (健側の反対側肢に比べて 6% 小さい)。ST 筋と腱の形態が膝の姿勢と屈曲トルク発生能力の関係に及ぼす影響は、等速度性および等尺性ダイナモメトリーの両方を用いて実験的に調査されており、膝の屈曲度合いが高いほど筋力低下が大きいことが観察されている。膝を深く屈曲させた状態で大腿二頭筋長頭や半膜様筋などの協働筋の可動域が狭まることが、観察された四肢間の大幅な筋力低下を部分的に説明できる可能性がある。実際、これらの筋肉は ACLR 患者の浅い膝屈曲角度で損傷した ST を補うことができる。ハムストリングスの膝屈曲トルク生成能力に大きな欠損がないという私たちの観察は、私たちのシミュレーションで使用した非生理的な筋肉の活性化（つまり、最大活性化）によって説明できる可能性があります。意志によるハムストリングスの筋肉の活性化の欠損は、ACLR 後数年間にわたって観察されています。膝の可動域全体で完全な筋肉の活性化をシミュレーションすると、膝の高度な屈曲時に潜在的なトルク生成の欠損を隠すことができた可能性があります。将来のシミュレーション研究では、観察されたシミュレーションされた筋肉トルクを改善するために、膝の屈曲/伸展サイクル全体でハムストリングスの筋肉群の実験的に検出された生理的な筋肉の活性化を含めることが検討される可能性があります。
このシミュレーション研究における遠位付着部と損傷した筋肉の形態の個別化により、ACLR 後の ST とハムストリングスの機能に関する独自の洞察が得られ、これまでは筋群全体の実験的強度試験でのみ報告されていた機械的欠損が強調されました。ST 腱が鵞足筋のレベルまで再生した後も、ST トルク生成能力にかなりの欠損が残り、ハムストリングス間の負荷分散と将来の下肢損傷リスクに影響を与える可能性があります。

まとめ

前十字靭帯再建術（ACLR）後の半腱様筋（ST）の形態変化と遠位腱付着部は、ST力生成および/またはモーメントアームの障害を介して、ハムストリングスの膝屈曲トルク生成能力を低下させる可能性があります。本研究では、計算筋骨格モデルを使用して、生理的可動域全体にわたるST筋腱付着点、
モーメントアーム、およびトルク生成能力の変化をモデル化することにより、ACLRのための腱採取がST機能に及ぼす機械的影響をシミュレートしました。次に、シミュレートされたST機能をACLRと損傷のない反対側の肢間で比較しました。ハムストリング自家移植を含む片側ACLRの病歴を持つ18人の個人の磁気共鳴画像法を使用して、両側ハムストリングス（ST、半膜様筋、大腿二頭筋長頭および短頭）の形態と遠位ST腱付着部を分析しました。ACLRコホートは、ST再生の有無でサブグループ分けされました。 ST 再生を伴う各参加者 ( n  = 7) について、OpenSim 4.1 を使用した ST の術後リモデリングを含む個別の筋骨格モデルが作成された。膝の屈曲および内旋モーメントアームとハムストリングスのトルク生成能力が評価された。両側の差は非対称指数 (%) ([健側肢 – 患側肢]/[健側肢 + 患側肢]*100%) で計算された。負傷した反対側肢と比較して負傷した側のモーメントアームまたは膝トルクが小さい場合は、欠陥とみなされた。負傷していない反対側肢と比較して、腱再生を伴う ACLR 肢 ( n  = 7) では、膝の屈曲 (5.80% [95% 信頼区間 (CI) = 3.97–7.62]) および内旋 (4.92% [95% CI = 2.77–7.07]) モーメントアームのわずかな減少が認められた。筋形態とは切り離して考えると、腱再生を伴う ACLR 肢の ST モーメントアームの変化は、損傷のない反対側肢と比較して、膝屈曲（1.20% [95% CI = 0.34–2.06]）および内旋（0.24% [95% CI = 0.22–0.26]）のトルク生成能力の無視できるほどの欠損をもたらしました。筋形態と組み合わせると、腱再生を伴う ACLR 肢は、損傷のない反対側肢と比較して、膝屈曲（19.32% [95% CI = 18.35–20.28]）および内旋（15.49% [95% CI = 14.56–16.41]）のトルクの大幅な欠損を示しました。ST 遠位挿入部と筋形態の測定値を含む個別化された筋骨格モデルは、ACLR 後の ST およびハムストリングス機能に関する独自の洞察をもたらしました。 ACLR 患者では、腱再生が起こった後でも、膝屈曲および内旋モーメントアームとトルク生成能力に欠陥があることは明らかでした。