Entwicklung eines dreidimensionalen Modells der strukturellen und funktionellen Veränderungen während des Muskelwachstums: Experiment, Simulation und Validierung

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Markus Böl; Professor Dr. Tobias Siebert
• Fachliche Zuordnung: Mechanik ; Angewandte Mechanik, Statik und Dynamik
• Förderung: Förderung von 2018 bis 2024
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 316485047

Während des Wachstums kommt es zu umfangreichen strukturellen und mechanischen Veränderungen des Muskelgewebes. Dabei ist die Zunahme der Muskelkraft mit Anpassungen der 3D Muskelgeometrie und Materialeigenschaften verbunden. Die komplexen Wachstumsprozesse erfolgen jedoch unter Beibehaltung der Muskelfunktion. Die Erfassung der strukturellen und mechanischen Veränderungen ist eine wesentliche Voraussetzung für das Verständnis und die Modellierung von Muskelwachstum. Ziel des Forschungsvorhabens ist die Entwicklung und Validierung eines Wachstumsmodells für Skelettmuskeln. Dieses Ziel soll in zwei aufeinander aufbauenden Schritten, welche durch eine enge Verflechtung zwischen Experiment und Modellierung gekennzeichnet sind, erreicht werden. In einer ersten Projektphase soll ein Wachstumsmodell für den einfach gebauten M. soleus vom Kaninchen entwickelt werden. Dazu werden zu 10 verschiedenen Zeitpunkten während des Muskelwachstums (4. bis 20. Lebenswoche) spezifische, experimentelle Parameter bestimmt. Dies umfasst die Bestimmung der aktiven Muskeleigenschaften, der passiven Gewebeeigenschaften, der Muskelverformung während Kontraktionen, der dreidimensionalen Muskelarchitektur sowie die immunhistologische Analyse des Muskelgewebes. Basierend auf diesen experimentellen Ergebnissen werden Wachstumskinetiken für unterschiedliche Zustandsgrößen (z.B. Fiederungswinkel, Gewebespannungen, Fasertyp) identifiziert, welche als Basis für die anschließend zu entwickelnden Wachstumsmodelle (für Muskel-, Aponeurosen- und Sehnengewebe) dienen. Die Modellvalidierung erfolgt an den experimentellen Kraft- und Verformungsdaten dynamischer Muskelkontraktionen für Muskeln unterschiedlichen Alters. In einer zweiten Projektphase soll das Wachstumsmodell am deutlich komplexeren M. plantaris überprüft werden. Dieser multipennate Muskel weist eine kompliziertere Muskelarchitektur mit inneren Sehnenplatten und unterschiedlichen Muskelkompartimenten sowie eine inhomogene Fasertypenverteilung auf.Eine erfolgreiche Entwicklung und Validierung der hier geplanten Wachstumsmodelle würde das Wissen zum Wachstumsverhalten von Skelettmuskeln deutlich forcieren würde. Die Kenntnis der strukturellen Veränderungen sowie der damit verbundenen kontraktilen Eigenschaften ist eine wesentliche Voraussetzung für ein tieferes Verständnis der Veränderung der Muskelform sowie der Ausdifferenzierung während des Wachstums. Mit dem Wachstumsmodel können Zustandsgrößen innerhalb des Muskels (z.B. Innendruck, Spannungen, Faserorientierungen), sowie deren Veränderung während des Wachstums, identifiziert und so biomechanische Zusammenhänge besser verstanden werden. Darüber hinaus könnte die erfolgreiche Entwicklung der Wachstumsmodelle den Grundstein für die Beantwortung offener evolutionsbiologischer Fragen bedeuten z.B. nach der dreidimensionalen Ausgestaltung und dem Wachstum von Extremitäten sowie der Packung von Muskeln in Muskelpaketen bedeuten.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen