Zusammenfassung

Das hier vorgestellte Forschungsvorhaben befasst sich mit der mechanischen Charakterisierung von Skelettmuskeln. Das wesentliche Ziel dieses Projektes ist, die Bedeutung der extrazellulären Matrix (ECM) für das passiv mechanische Verhalten des Muskelgewebes zu ermitteln und somit dessen Änderungen aufgrund von quantitativen und/oder strukturellen Änderungen der ECM vorhersagen zu können. Hierzu werden verschiedene Mikrogreifersysteme mit integrierter Kraftsensorik entwickelt und optimiert.

Motivation und Hintergründe

Die Skelettmuskulatur ist für die Erzeugung von Kraft und Bewegung sowie die Stabilisierung der Körperhaltung verantwortlich. Skelettmuskeln weisen eine streng hierarchische Struktur auf. Im Allgemeinen ist das Muskelgewebe beidseitig über Sehnen und Aponeurosen mit dem Skelett verbunden. Das Muskelgewebe an sich besteht aus Muskelfaserbündeln, den sogenannten Faszikeln, deren Durchmesser im Millimeterbereich liegt. Je nach Größe und Funktion des Muskels beinhalten diese Muskelfaserbündel unterschiedlich viele Muskelfasern. Diese zylinderförmigen, vielkernigen Zellen weisen einen Durchmesser von 50-70 μm und eine Länge im Bereich von 30-90 % der Gesamtmuskellänge auf. Die Muskelzellen wiederum bestehen aus einer Vielzahl von Myofibrillen, die einen Durchmesser von 1-2 μm aufweisen und die Zellen auf ganzer Länge durchlaufen. Myofibrillen entstehen durch Aneinanderreihung der kontraktilen Einheiten, der 2-3 μm langen Sarkomere, und es ist diese periodische Wiederholung von Einheiten, die zum mikroskopischen Erscheinungsbild der „quergestreiften Muskulatur“ führt. Durch eine Längenänderung von 50 % jedes einzelnen Sarkomers kommt es zur Muskelkontraktion und somit zur aktiven Kraftentwicklung. Ursache der Längenänderung ist die ATP-abhängige Verschiebung ineinandergreifender Aktin- und Myosinfilamente. Für die elastischen Eigenschaften der einzelnen Myofibrille und letztendlich der Muskelfaser ist wesentlich, dass die Aktinfilamente nicht durchgängig zwischen den beiden Enden (Z-Scheiben) des Sarkomers verlaufen, sondern im Bereich der H-Zone unterbrochen sind. Eine durchgängige Verbindung der Z-Scheiben im entspannten Zustand ist über die Verknüpfung der Myosinfilamente mit den Titinfilamenten gegeben.
Die Elastizität der Einzelfaser ist jedoch nur ein Teil der Gesamtelastizität des Muskels. Neben den Muskelzellen besteht die Muskulatur aus einer extrazellulären Matrix (ECM) mit einem Gesamtanteil von 1-10 %. Sie besteht im Wesentlichen aus Kollagen und hat unterschiedliche Funktionen. ECM besteht aus drei Gewebekompartimenten: Dem die Muskelfasern umgebenden Endomysium, dem Perimysium, welches Fasern zu Faserbündel zusammenfasst und dem Epimysium, das als dünne Schicht den gesamten Muskel umfasst.

Der Aufbau des Muskels macht deutlich, dass es sich aus mechanischer Sicht um ein komplexes System mit Strukturbausteinen auf mehreren Skalen handelt, die größtenteils durch ihre  Faserorientierung anisotrop sind. Der Muskel ist damit ein klassisches Verbundmaterial, dessen Eigenschaften sich durch das Zusammenwirken der Eigenschaften der einzelnen Bausteine  ergeben.

Bezogen auf die mechanische Charakterisierung der einzelnen Bausteine des Muskelgewebes existieren deutliche Defizite: Muskelfasern sind recht gut charakterisiert, allerdings nur unter  Zugbelastung. Die Eigenschaften von Endo-, Peri- und Epimysium sind größtenteils unbekannt, insbesondere bestehen keine Informationen über das Verhalten in mehrachsigen  Spannungszuständen. Als eine Konsequenz liegen widersprüchliche Meinungen hinsichtlich der Bedeutung der ECM für das passiv mechanische Verhalten des Muskels vor. Letztendlich  erlauben es die bestehenden Daten nicht, Änderungen des mechanischen Verhaltens des Gesamtsystems aufgrund von Änderungen in Anteil und/oder Struktur der ECM vorherzusagen.

Ziele

Das vorliegende Forschungsprojekt verfolgt zwei Ziele. Zum einen sollen das innere Bindegewebe bestehend aus Endo- und Perimysium des Skelettmuskels erstmals mechanisch  charakterisiert werden. Zum anderen wird auf Basis der zuvor erwähnten Eigenschaftsbestimmung ein Mehrskalenmodell zur Beschreibung des passiven Skelettmuskelgewebes entwickelt  und validiert.

Abbildung 2: Die in diesem Projekt zu berücksichtigenden Größenskalen auf Faser- (Mikroskala), Faszikel- (Mesoskala) und Gewebeebene (Makroskala). Teilbild (b) wurde aus entnommen und modifiziert. Mit freundlicher Genehmigung von Prof. Markus Böl, Institut für Festkörpermechanik, TU Braunschweig.

  Stockholm, D.; Herasse, M.; Marchand, S.; Praud, C.; Roudaut, C.; Richard, I.; Sebille, A.; Beckmann, J. S. (2001): Calpain 3 mRNA expression in mice after denervation and during muscle regeneration. Am J Physiol Cell Physiol 280, C1561–C1569.