Tessuto muscolare scheletrico

UNIVERSITA’ DEGLI STUDI DI ROMA “LA SAPIENZA”
Facoltà di Ingegneria
Laurea Specialistica in Ingegneria Meccanica
Corso di:
MISURE INDUSTRIALI II
Prof. Zaccaria Del Prete
“Misure in vitro delle proprietà biomeccaniche
di tessuto muscolare scheletrico”
Dispense a cura dell’ Ing. Emanuele Rizzuto
anno accademico 2005/06
Introduzione
Tessuto muscolare
tessuto muscolare striato
unita motorie controllate dai
motoneuroni del sistema nervoso
volontario
scheletrico
tessuto muscolare liscio
controllato dal sistema
nervoso autonomo
cardiaco
Tessuto muscolare scheletrico
responsabile assieme allo scheletro della locomozione e
del movimento delle singole parti del corpo
Tessuto muscolare scheletrico
•
epimisio: fascia connettivale che
avvolge il muscolo
• perimisio: tessuto connettivale
interstiziale avvolge gruppi di fibre
• endomisio: setti di connettivo che
avvolgono le singole fibre
Fibre muscolari:
•
elemento base del muscolo
•
una singola cellula polinucleata
•
diametri 10-60m;
•
lunghezze fino qualche cm
Tessuto muscolare scheletrico
striatura trasversale marcata
 striatura longitudinale leggera
 formate da miofibrille

fibre
parallele fra loro
miofibrille  2 tipi di miofilamenti:
(spessi-miosina/sottili-actina)
 striatura trasversale

•
longitudinalmente si susseguono bande
scure ‘A’ e bande chiare ‘I’
la banda ‘A’ è attraversata da una linea
chiara ‘H’ contenente una linea scura ‘M’
•
•
la banda ‘I’ è attraversata da una linea scura ‘Z’
Sarcomero: parte compresa fra due linee ‘Z’. Unità delle fibre
Tessuto muscolare scheletrico
la striatura è data dai miofilamenti:

i filamenti spessi delimitano la banda ‘A’

parte scura della banda ‘A’: actina+miosina

banda ‘H’ solo miosina

disco ‘M’ dato dai ponti fra la miosina

nella banda ‘I’ solo actina

disco ‘Z’ dato dai ponti fra l’actina
durante la contrazione: sarcomero si
riduce, banda ‘I’ si riduce, banda ‘H’
scompare, banda ‘A’ rimane invariata
Teoria dello scorrimento dei filamenti
la forza per lo scorrimento si genera
nelle teste della miosina:

si attaccano sui siti recettori dell’actina

ruotano trascinando l’actina
rilasciano l’actina e si attaccano ad un
nuovo sito

L’energia è fornita dall’idrolisi dell’ATP:

Una molecola di ATP si lega alla miosina

Immagazzina l’energia sotto forma di tensione nella testa della miosina

All’arrivo dell’impulso nervoso si ha rilascio di ioni calcio
La miosina si lega all’actina: rilascio dell’energia. La testa si flette
trascinando il filamento di actina



nuova molecola ATP lega la miosina determinando il distacco dell’actina
Gli ioni calcio vengono riassorbiti
Tipologia fibre muscolari
Fibre veloci
Fibre lente
risposta lenta alla stimolazione
 resistenti alla fatica
 fibre di tipo I - rosse - mioglobina
 metabolismo ossidativo
 soleo (muscoli posturali)

contrazione rapida
 facilmente affaticabili
 fibre di tipo II - bianche
 metabolismo glicolitico
 EDL, Gastro

Catena di misura: misure in vitro
Krebs-Ringer

Muscolo immerso in una soluzione isotonica
Bicarbonate Buffer

Impulso nervoso sostituito da stimoli elettrici
+ 95%O2 5%CO2

Acquisizione F, l, v
T=30°
Catena di misura
Elettrostimolatore 701B
Attuatore/trasduttore ASI 300B
Manuale / Follow
V : 0 - 80 V
A : 1mA – 1A
Larghezza dell’impulso:
manuale : 100μs, 500μs, 1ms
trigger est. :10μs a c.c.
Frequenza impulso:
manuale: single pulse - 200Hz
follow: single pulse - 200kHz
Controllo posizione / forza
l: tempo di risposta : 1 ms
sensibilità : 1 μm
F: range : 0 - 0,5 N
tempo di risposta : 1,3 ms
sensibilità : 0.3 mN
Catena di misura
Protocolli sperimentali
lunghezza
2 variabili caratterizzanti i muscoli:
2 tipologie di protocolli sperimentali:
forza
isometrico
isotonico
Protocollo isometrico
Protocollo isometrico

Singolo impulso: Twitch
Si ha una ‘L0’ ottimale
 Aumento

frequenza: Sommazione
Tetanizzazione: forza max
Ioni calcio non si riassorbono. Il muscolo rimane in tensione

Fatica: treni di impulsi ravvicinati
Protocollo isometrico
Twitch
• Sommazione
•
Tetanizzazione
• Fatica isometrica
•
Protocollo isometrico: twitch
TTP
Forza twitch
• Tempo risposta
•
Protocollo isometrico: sommazione
•
Forza sommazione
Protocollo isometrico: tetanizzazione
Forza tetanica
• Forza specifica = F tetanica / peso
•
Protocollo isometrico: fatica
Tempo
affaticamento
Tempo affaticamento
• Indice di Fatica: I.F.
•
Protocollo isometrico: programma comando
Protocollo isotonico
Contrazione isotonica
Attività normale del muscolo è di tipo dinamico
Contrazione isotonica: muscolo può accorciarsi sollevando
un carico esterno prefissato
Protocolli sperimentali: protocollo isotonico
•
Twitch
• Sommazione
• Tetanizzazione
 Curva di Hill
 Fatica isotonica
32 min
Forza twitch
• Tempo risposta:
• Forza sommazione
• Forza tetanica - Forza specifica
 F-v – Potenza
 Tempo di affaticamento
•
Protocollo isotonico: tecnica after-load
20, 65, 30, 80, 35, 10, 50, 15% Fmax
•
8 valori Forza: 0-Fmax
• 8 coppie F-v
Curva Hill: F-v
•
Sincronizzare spike
con carichi esterni
Protocollo isotonico: curva di Hill
Muscolo tetanizzato
Relazione forza – velocità : iperbolica
( F  a ) * (v  b)  c
Vmax
W  F *v
Wmax
Fott 
Fmax
3
Protocollo isotonico: fatica
Fott  Fmax
3
Tempo affaticamento
1.5
0.10
F*v
F*l
0.08
Work (mJ)
Power (mW)
1.2
0.9
0.6
0.3
0.06
0.04
0.00
0
5
10
15
20
Time (s)
25
30
35
40
Tempo affaticamento
•
Decadimento
Potenza - Lavoro
0.02
0.0
•
0
5
10
15
20
Time (s)
25
30
35
40
Protocollo isotonico: programma comando
Modello transgenico MLC/mIgf-1:
myosin light chain/muscle insuline growth factor-1
Modello persistente di ipertrofia muscolare

dal DNA di un WT viene isolato il gene Igf-1
reinserito in un vettore del DNA di un altro WT,
sotto il promotore mgf che fa capo alla miosina

quando il promotore mgf entra in attività, a
livello embrionale, il gene Igf-1 risulta stimolato


gli embrioni TG sviluppano normalmente
dopo la nascita, l’incremento in massa
muscolare e forza non è accompagnato da altre
patologie (ipertrofia cardiaca)

Northen Blot
Protocollo isotonico: analisi funzionale mIgf-1 / WT
Soleo
Non sono state rilevate differenze
significative in tutti i parametri misurati
TG
WT
Media
SEM
Media
SEM
31.6
1.49
29.3
1.27
TTP (ms)
Ftwitch
(mN)
Ftet
Fspec
(N/g)
W (mW)
22.5
1.45
24.2
1.97
122.7
7.63
122.8
5.31
12.7
0.82
11.7
0.75
0.2
0.02
0.22
0.02
Tfat (s)
70.9
4.87
72.6
4.11
Protocollo isotonico: analisi funzionale mIgf-1 / WT
EDL
Fmax
400
TG
350
WT
Ftwitch: no diff
**
*
Fsom: +16%
mN
300
250
Fmax: +21%
200
150
100
Composizione
fibre invariata
0
Ftwitch
Ftet
Fsomm
Ttwicth
Fspec
30
14
25
Fspec (N/g)
12
Ttwitch (ms)
Ipertrofia
funzionale
50
10
8
6
20
15
10
4
5
2
0
0
TG
WT
TG
WT
Protocollo isotonico: analisi funzionale mIgf-1 / WT
EDL
50
v (mm/s)
30
20
10
0
0.0
0.25
0.50
0.75
1.00
0.2
0.4
0.6
0.8
F/Fmax
1.25
F/Fmax
vmax
Stessa concavità
a
Fmax
Vmax: no differenze
Composizione in fibre
invariata
Vmax (mm/s)
V (mm/s)
TG
40
Interpolazione
50
45
40
35
30
25
20
15
10
5
0
0.00
WT
50
45
40
35
30
25
20
15
10
5
0
tg
wt
1.0
Protocollo isotonico: analisi funzionale mIgf-1 / WT
EDL
EDL - W max
2.00
TG
WT
Pot (mW)
1.75
1.50
1.25
1.00
W max (mW)
Potenza
0.75
0.50
0.25
0.00
0.00
2.0
1.8
1.6
1.4
1.2
1.0
0.8
0.6
0.4
0.2
0.0
*
TG
0.25
0.50
0.75
WT
1.00
Tfat
F/Fmax
30
Wmax: +32%
Tfat (s)
La capacità di generare una
potenza significativamente
maggiore non inficia la resistenza
a fatica isotonica del muscolo
25
20
15
10
5
0
tg
wt
* p<0.05