01.07.2021 - Northwestern University

Kleinste Bausteine der Muskulatur verschwinden nach Schlaganfall

Erste Studie, die dieses Phänomen beim Menschen beobachtet

Nach einem Schlaganfall sind Patienten oft nicht in der Lage, den Arm auf der betroffenen Seite zu benutzen. Manchmal halten sie ihn nahe am Körper, mit gebeugtem Ellenbogen.

In einer neuen Studie haben Forscher der Northwestern University und des Shirley Ryan AbilityLab herausgefunden, dass die Muskeln bei dem Versuch, sich an diese Beeinträchtigung anzupassen, tatsächlich Sarkomere verlieren - ihre kleinsten, grundlegenden Bausteine.

Sarkomere, die Ende an Ende (in Serie) und Seite an Seite (parallel) gestapelt sind, bilden die Länge und Breite der Muskelfasern. Indem sie Bizepsmuskeln mit drei nicht-invasiven Methoden abbildeten, fanden die Forscher heraus, dass Schlaganfallpatienten weniger Sarkomere entlang der Muskelfaserlänge hatten, was zu einer kürzeren Gesamtmuskelstruktur führte. Die Studie wurde in den Proceedings of the National Academy of Arts and Sciences veröffentlicht.

Dieser Befund stimmt mit der häufigen Erfahrung von Patienten überein, die anormal enge, steife Muskeln haben, die sich nicht dehnen lassen, und deutet darauf hin, dass Veränderungen im Muskel möglicherweise bestehende Probleme verstärken, die durch einen Schlaganfall verursacht werden, der eine Hirnverletzung ist. Das Team hofft, dass diese Entdeckung dazu beitragen kann, die Rehabilitationstechniken zum Wiederaufbau der Sarkomere zu verbessern, um letztendlich die Muskelverspannungen und -verkürzungen zu lindern.

"Dies ist der bisher direkteste Beweis dafür, dass chronische Beeinträchtigungen, die einen Muskel in eine verkürzte Position bringen, mit dem Verlust von seriellen Sarkomeren beim Menschen verbunden sind", sagte Wendy Murray, die leitende Autorin der Studie. "Zu verstehen, wie sich Muskeln nach Beeinträchtigungen anpassen, ist entscheidend für die Entwicklung effektiverer klinischer Interventionen, um solche Anpassungen zu mildern und die Funktion nach motorischen Beeinträchtigungen zu verbessern."

Murray ist Professorin für biomedizinische Technik an der McCormick School of Engineering der Northwestern University, Professorin für physikalische Medizin und Rehabilitation an der Northwestern University Feinberg School of Medicine und wissenschaftliche Mitarbeiterin am Shirley Ryan AbilityLab. Die Forschung wurde in Zusammenarbeit mit Julius Dewald, Professor für Physiotherapie und Bewegungswissenschaften sowie für Physikalische Medizin und Rehabilitation an der Feinberg School of Medicine, Professor für Biomedizinische Technik an der McCormick School of Engineering und Forscher am Shirley Ryan AbilityLab, durchgeführt.

Erste Demonstration am Menschen

Mit einer Länge von nur 1,5 bis 4,0 Mikrometern bestehen Sarkomere aus zwei Hauptproteinen: Aktin und Myosin. Wenn diese Proteine zusammenarbeiten, ermöglichen sie es einem Muskel, sich zusammenzuziehen und Kraft zu erzeugen. Obwohl frühere Tierstudien gezeigt haben, dass Muskeln serielle Sarkomere verlieren, nachdem eine Gliedmaße in einem Gipsverband immobilisiert wurde, war dieses Phänomen noch nie zuvor beim Menschen nachgewiesen worden. In den Tierstudien wurden die Muskeln, die kürzer waren, weil sie serielle Sarkomere verloren, auch steifer.

"Es gibt eine klassische Beziehung zwischen Kraft und Länge", sagte Amy Adkins, eine Doktorandin in Murrays Labor und Erstautorin der Studie. "Wenn man bedenkt, dass der gesamte Muskel aus diesen Bausteinen besteht, beeinflusst der Verlust einiger von ihnen, wie viel Kraft der Muskel erzeugen kann."

Um die Studie am Menschen durchzuführen, kombinierten die Forscher drei nicht-invasive medizinische Bildgebungsverfahren: MRT zur Messung des Muskelvolumens, Ultraschall zur Messung der Muskelfaserbündel und Zwei-Photonen-Mikroendoskopie zur Messung der mikroskopischen Sarkomere.

Bildgebung eröffnet neue Möglichkeiten

Durch die Kombination dieser Technologien am Northwestern und Shirley Ryan AbilityLab konnten die Forscher die Bizeps von sieben Schlaganfallpatienten und vier gesunden Teilnehmern abbilden. Da Schlaganfallpatienten eher auf einer Körperseite betroffen sind, verglichen die Forscher die Aufnahmen der betroffenen Seite mit denen der nicht betroffenen Seite sowie mit den Bildern der gesunden Teilnehmer.

Die Forscher fanden heraus, dass der betroffene Bizeps der Schlaganfallpatienten weniger Volumen, kürzere Muskelfasern und vergleichbare Sarkomerlängen aufwies. Nachdem sie die Daten über die Skalen hinweg kombiniert hatten, fanden sie heraus, dass der betroffene Bizeps weniger Sarkomere in Serie hatte als der nicht betroffene Bizeps. Die Unterschiede in den Armen der Schlaganfallpatienten waren größer als in den Armen der gesunden Teilnehmer, was darauf hindeutet, dass die Unterschiede mit dem Schlaganfall zusammenhängen.

Durch die Kombination von medizinischer Bildgebung zur besseren Betrachtung der Muskelstruktur stellt die Studie auch fest, dass es möglich ist, Muskelanpassungen in der Sarkomerzahl beim Menschen zu untersuchen. Vor der Zwei-Photonen-Mikroendoskopie waren Studien am Menschen entweder auf die Untersuchung von seziertem Gewebe in Anatomielaboren beschränkt, die nur einen unvollkommenen Einblick in die Anpassung der Muskeln an Verletzungen und Beeinträchtigungen geben, oder auf die Messung der Sarkomerlängen während einer Operation oder anhand einer Muskelbiopsie, was den Kreis der Studienteilnehmer einschränkt.

"In fast jeder Facette unserer Welt gibt es eine wichtige Beziehung zwischen, wie etwas zusammengesetzt ist (seine Struktur) und wie es funktioniert (seine Funktion)," sagten die Forscher. "Ein Teil des Grundes, warum die medizinische Bildgebung eine so wertvolle Ressource und ein klinisches Werkzeug ist, ist, dass dies auch für den menschlichen Körper gilt, und die Bildgebung gibt uns die Möglichkeit, die Struktur zu messen."

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