Bioteknologer vid Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU) har utvecklat ett system för att exakt mäta muskelsvaghet orsakad av strukturella förändringar i muskelvävnad. Den nya metoden gör att muskelfunktionen kan bedömas med hjälp av bildbehandling utan behov av sofistikerade biomekaniska inspelningar, och kan i framtiden till och med göra vävnadsprover för diagnos av myopati överflödiga. Resultaten har publicerats i den berömda tidskriften Ljus:Vetenskap och applikationer .

Muskeln är ett mycket ordnat och hierarkiskt strukturerat organ. Detta återspeglas inte bara i den parallella buntningen av muskelfibrer, men också i strukturen hos enskilda celler. Myofibrillerna som är ansvariga för kontraktion består av hundratals identiskt strukturerade enheter som är anslutna efter varandra. Denna ordnade struktur bestämmer den kraft som utövas och muskelns styrka. Inflammatoriska eller degenerativa sjukdomar eller cancer kan leda till en kronisk omstrukturering av denna arkitektur, orsakar ärrbildning, förstyvning eller förgrening av muskelfibrer och resulterar i en dramatisk minskning av muskelfunktionen. Även om sådana förändringar i muskelmorfologi redan kan spåras med icke-invasiv multiphotonmikroskopi, det har ännu inte varit möjligt att bedöma muskelstyrkan exakt på grundval av enbart avbildning.

Nytt system korrelerar struktur och styrka

Forskare från ordföranden för medicinsk bioteknik har nu utvecklat ett system som gör det möjligt att mäta muskelsvaghet orsakad av strukturförändringar samtidigt som man optiskt bedömer muskelarkitektur. "Vi konstruerade ett miniatyriserat biomekaniksystem och integrerade det i ett multiphotonmikroskop, tillåter oss att direkt bedöma styrkan och elasticiteten hos enskilda muskelfibrer samtidigt som vi registrerar strukturella avvikelser, "förklarar professor Dr. Oliver Friedrich. För att bevisa muskelns förmåga att dra ihop sig, forskarna doppade muskelcellerna i lösningar med ökande koncentrationer av fria kalciumjoner. Kalcium är också ansvarigt för att utlösa muskelsammandragningar hos människor och djur. Fibrernas viskoelasticitet mättes också, genom att sträcka ut dem lite efter lite. En högkänslig detektor registrerade mekaniskt motstånd som utövas av muskelfibrerna som kläms fast på enheten.

Datapool för förenklad diagnos

Tekniken som utvecklats av forskare vid FAU är, dock, bara det första steget mot att kunna diagnostisera muskelsjukdomar mycket lättare i framtiden:"Att kunna mäta isometrisk styrka och passiv viskoelasticitet samtidigt som visuellt visade muskelcellernas morfometri har gjort det möjligt för oss, för första gången, för att erhålla direkta struktur-funktion datapar, "Säger Oliver Friedrich." Detta gör att vi kan upprätta betydande linjära korrelationer mellan muskelns struktur och funktion på enfibernivån. "

Datapoolen kommer att användas i framtiden för att på ett tillförlitligt sätt förutsäga krafter och biomekaniska prestanda i skelettmuskulatur uteslutande med hjälp av optiska bedömningar baserade på SHG -bilder (initialerna står för Second Harmonic Generation och hänvisar till bilder som skapats med laser med andra harmoniska frekvenser), utan behov av komplexa hållfasthetsmätningar. För närvarande, muskelceller måste fortfarande avlägsnas från kroppen innan de kan undersökas med ett multiphotonmikroskop. Dock, det är troligt att detta kan bli överflödigt i framtiden om den nödvändiga tekniken kan fortsätta att miniatyriseras, gör det möjligt att undersöka muskelfunktionen, till exempel, med hjälp av ett mikro-endoskop.