Bild des Monats: Mikrostruktur der Skelettmuskulatur – Der Schlüssel zum Verständnis von Bewegungen unseres Körpers Aus dem Institut für Mechanik und Adaptronik

Eine gesunde Muskeltätigkeit ist lebensnotwendig, nicht nur für Bewegungen, sondern für viele wichtige Vorgänge wie Sprechen, Kauen und Atmen. Bei Krankheiten, die mit Muskelschwund einhergehen, ist die Mikrostruktur von Skelettmuskeln deutlich verändert. Das Institut für Mechanik und Adaptronik der Technischen Universität Braunschweig beschäftigt sich mit der experimentellen Multiskalencharakterisierung von Skelettmuskeln, mit der zum Beispiel Vorhersagen über mögliche muskuläre Defizite von Patient*innen getroffen werden können, um entsprechende Behandlungsmaßnahmen einzuleiten. Durch die Multiskalenmodellierung können zudem Tierversuche vermieden werden.

Skelettmuskeln gehören zu den sogenannten aktiven Geweben, die durch einen elektrochemomechanischen Prozess kontrahieren und dadurch aktive Kräfte erzeugen können, die zu Bewegungen unseres Körpers führen. Entscheidend für diese Eigenschaft ist die besondere Mikrostruktur der Skelettmuskeln: Eine hierarchische, röhrenförmige Architektur vom einzelnen Protein über die Muskelfaser bis zum gesamten Muskel. Krankheitsbedingte Veränderungen dieser fein abgestimmten Mikrostruktur führen unweigerlich zu einer Beeinträchtigung der Krafterzeugung und damit des Bewegungsablaufs.

Das Institut für Mechanik und Adaptronik beschäftigt sich in verschiedenen Forschungsprojekten mit der experimentellen Multiskalencharakterisierung – von der einzelnen Muskelfaser über das Muskelgewebe bis hin zum gesamten Muskel – sowie der Multiskalenmodellierung von Muskelgewebe. Je nach Zustand des Muskels variiert die Mikrostruktur dabei sehr stark und ist unter anderem abhängig von Alter, Geschlecht und Trainingszustand. Mit Hilfe immunhistologischer Techniken wurde am Institut für Mechanik und Adaptronik die Mikrostruktur der Skelettmuskulatur optisch sichtbar gemacht.

Typische histologische Muskelgewebeschnitte – hier eines Kaninchens – in Abhängigkeit vom Alter (Alter: 28 (links) und 87,5 Tage (rechts), angefertigt mit Picro-Sirius-Rot-Färbung, Kollagen ist rot und Muskelfasern sind gelb gefärbt. Maßstab: 300 μm. Bildnachweis: S.Kutschke/TU Braunschweig

Muskelzellen sind gelb, das Strukturprotein Kollagen ist rot gefärbt. Es ist deutlich zu erkennen, dass das Muskelgewebe in Abhängigkeit vom Alter deutliche Unterschiede in der Mikrostruktur aufweist, was sich natürlich auch in den aktiven und passiven Lastabtragungsmechanismen widerspiegelt.

Darüber hinaus ist die Multiskalenmodellierung solcher Strukturen von enormer Wichtigkeit: Die   numerischen Modelle bieten die Möglichkeit, Vorhersagen über das Gewebe zu treffen, ohne Tierversuche realisieren zu müssen. Dabei ist es möglich, gewebespezifische bzw. patientenspezifische Informationen, etwa mechanischen Eigenschaften auf Faser- und Kollagenebene, in das Modell einzuarbeiten.

Vorgehensweise von histologischen Schnitten über Segmentierungsalgorithmen und virtuellem Gewebe bis hin zur finalen Simulation. Bildnachweis: K.Leichsenring/TUBS und A.E. Ehret, R. Kuravi/ETH Zürich