Biomedizinische Muskelforschung


Muskel als Biomechatronisches System

Muskel-Funktionsstörungen zeichnen sich durch einen Verfall der Kraftentwicklung mit Einschränkung der Mobilität eines Organismus aus. Die Ursachen von sowohl erworbenen als auch angeborenen Muskel-Defekten sind vielfältig, da Muskelkraft das Endresultat einer komplexen Aktivierungskaskade im Organ darstellt, die sowohl Aktivierung von Ionenkanälen, als auch Calciumregulation und Motorprotein-Interaktionen beinhaltet. Muskel ist dabei nicht nur ein aktiv kontraktiles sondern auch elastisches Organ, so daß die Biomechanik von Muskel durch aktive und passive Komponenten charakterisiert ist.

In Kooperation mit dem Lehrstuhl für Neuropathologie Erlangen und innerhalb der Forschergruppe FOR1228 (Prof. Schröder) untersuchen wir die molekularen Effekte von Mutationen im Bereich des myofibrillären Zytoskeletts - welches die kontraktilen Elemente miteinander verbindet und das Kontraktionsgitter erhält - auf die Biophysik des Skelettmuskel. Hierbei soll die Aufklärung von Mechanismen im Vordergrund stehen, die zu der bei diesen genetischen Veränderungen im Vordergrund stehenden progressiven Muskelschwäche führen. Sind spezifische Mechanismen bekannt, können hier zukünftige biotechnologische Interventionsmöglichkeiten designt und erprobt werden. Die Mitarbeiter der Neuropathologie liefern die klinische und ärztliche Expertise, während der Lehstuhl MBT neuartige automatisierte Zelltechnologien für die zelluläre Biophysik und -mechanik entwickelt.

Muscle Biomechanics

Abbildung: Muskelbiomechanik und Transducer-Biotechnologie. A, Muskelbiomechanik wird sowohl durch aktive Motorproteine als auch durch passiv elastische Elemente charakterisiert. B, Die Muskelbiomechanik ist ebenfalls auf unterschiedlichen morphologischen Skalen definiert: vom Gesamt-Organ bis hin zu zellulären und subzellulären Kompartimenten, welche auch die Membran und das Zytoskelett mit einbeziehen. Funktionsstörungen, die auf eine Pathologie auf einer Ebene charakterisiert sind, können auf übergeordneten Ebenen womöglich teilkompensiert sein. C, Verfahrenstechnische Entwicklung und Optimierung von automatisierten Force Transducer-Technologien am Lehrstuhl unter Einbeziehung mechatronischer und sensorischer Ingenieurs-Expertisen ermöglicht automatisierte Systeme zur Muskelbiomechanik-Performance Erhebung, welche gegen manuelle Systeme validiert werden (D).

Biomechanische Verfahrenstechnik

Muskelfunktionstests auf Organ-, zellulärer und subzellulärer Ebene (s. Abb.) müssen immer noch unter hohem manuellen Geschick durchgeführt werden. Hierbei werden aus Muskelgewebe, z.B. von Patientenbiopsien oder Tiermodellen, einzelne Zellbündel oder gar einzelne Zellen per Hand präpariert und in einem 'Force Transducer' eingespannt. Muskelphysiologische Testung besteht häufig aus Messung von Kraftantworten in unterschiedlichen Lösungsbädern.

Eines der verfahrenstechnischen Hauptprobleme ist die Automatisierung und Optimierung dieser Arbeitsschritte. Hierzu entwickelt unsere Biomechanik-Abteilung neue Force-Transducer-Technologien, die sowohl Automatisierungs-Robotik als auch Parallelisierungs- und Auswerteprozeduren beinhalten, so daß diese Technologien zur Verbesserung des Durchsatzes, der Reliabilität und der Reproduzierbarkeit in der biomedizinischen Grundlagenforschung für Biomechanik beitragen.

Literatur:

  • Cecchi G, Griffiths PJ, Taylor S (1986). Stiffness and force in activated frog skeletal muscle fibres. Biophys J 49: 437-451.
  • MacIntosh BR, Esau SP, Holash RJ, Fletcher JR (2011). Procedures for rat in situ skeletal muscle contractile properties. J Vis Exp 56: e3167.