SP6 Dekodierung spinaler Dysfunktion: Kausale Mechanismen muskulärer und kompensatorischer Anpassungen durch funktionelle Tiermodelle und muskuloskelettale Modellierung

• Antragstellerinnen: Professorin Dr. Sara Checa Esteban; Dr. Sandra Reitmaier
• Fachliche Zuordnung: Orthopädie, Unfallchirurgie, rekonstruktive Chirurgie
• Förderung: Förderung seit 2021
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 439742772

Ziel der ersten Förderperiode der FOR 5177 war es, mechanische Einflüsse auf Gewebeanpassung und -degeneration nach operativen Eingriffen an der Wirbelsäule im Großtiermodell sowie mithilfe numerischer Simulationen systematisch zu untersuchen. Entgegen der weit verbreiteten Annahme aus In-vitro-Studien konnten weder eine kompensatorische Hypermobilität angrenzender Segmente nach Fusion noch eine persistierende Hypermobilität des operierten Segments nach Nukleotomie in vivo bestätigt werden. Stattdessen traten Bewegungseinschränkungen auf, die auf eine Stabilisierung der Wirbelsäule hindeuten und effektive neuromuskuläre Anpassungen vermuten lassen. Ergänzende Finite-Elemente-Analysen belegten, dass lokale Veränderungen der mechanischen Belastung gezielte knöcherne Anpassungen auslösen können und dass dynamische Belastungsszenarien die Wiederherstellung segmentaler Stabilität begünstigen. Darüber hinaus zeigte sich, dass das Aktivitätsniveau einen erheblichen Einfluss auf das dynamische Bewegungsmuster der Wirbelsäule hat. Mithilfe eigens entwickelter, KI-gestützter Videoanalysemethoden für Großtiere konnten wir funktionelle Zusammenhänge zwischen Gliedmaßenfunktion und Wirbelsäulenbewegung aufzeigen und damit die integrative neuromuskuläre Steuerung der Wirbelsäulenbewegung veranschaulichen. Aufbauend auf diesen Erkenntnissen richtet sich der Fokus der zweiten Förderperiode auf die Rolle der Muskelfunktion als zentralem Treiber spinaler Anpassungsvorgänge. Im Mittelpunkt steht die Analyse kausaler Mechanismen, durch die eine Muskeldysfunktion funktionelle Veränderungen der Wirbelsäulenmechanik hervorruft. Hierzu nutzen wir ein funktionelles Großtiermodell, das die muskulären Veränderungen bei chronischen Rückenschmerzen nachbildet, indem durch gezielte Neurotomie ein selektiver Muskelausfall induziert wird. In einem integrativen methodischen Ansatz werden funktionelle In-vivo-Untersuchungen (u. a. EMG, Kinematik, Verhalten), ex-vivo-Strukturanalysen und In-silico-Simulationen kombiniert, um Zusammenhänge zwischen Muskel(in)aktivität, mechanischer Belastung, strukturellen Veränderungen und Schmerzmechanismen zu analysieren. Kernhypothese ist ein selbstverstärkender Teufelskreis: Muskeldysfunktion führt zu mechanischer Überlastung, die eine neuroinflammatorische Reaktion auslöst, welche Schmerz chronifiziert - was wiederum die Muskeldysfunktion verstärkt. Das Projekt leistet damit einen zentralen Beitrag zum Gesamtvorhaben, indem es neuromuskuläre Mechanismen bei chronischem Rückenschmerz systematisch aufklärt und eine methodische Basis für verbesserte Diagnostik schafft.

• DFG-Verfahren: Forschungsgruppen
• Teilprojekt zu: FOR 5177: Die Dynamik der Wirbelsäule: Mechanik, Morphologie und Bewegung für eine umfassende Diagnose von Rückenschmerzen
• Mitverantwortliche: Professor Dr.-Ing. Georg Duda; Professor Dr. Hendrik Schmidt