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AG Muskel

Muskel

Forschung: Skelettmuskel

Der Skelettmuskel zeigt eine faszinierende Plastizität: Masse, Struktur, Funktion und Stoffwechsel passen sich an unterschiedliche Trainingsformen an und ermöglichen hierdurch eine gesteigerte Leis­tungsfähigkeit. Umgekehrt zeigt der Skelettmuskel aber auch Anpassungsreaktionen an Inaktivität und krankheitsbedingte Veränderungen im Körper und kann Einfluss nehmen auf Prognose und Ver­lauf einer Erkrankung.

Im Mittelpunkt unserer bisherigen Forschung stand die muskuläre Adaptation an Krafttraining. Regelmäßiges Krafttraining bewirkt eine Muskelhypertrophie mit Zunahme des Muskelquerschnitts und des Muskelfaserquerschnitts, v.a. der schnellen Typ II Fasern.

Immunhistochemische Färbungen an Gefrierschnitten von Biopsaten aus dem M. vastus lateralis (lichtmikroskopische Aufnahmen)

Antikörperfärbung der Typ I-Fasern (links) mit Histogreen. Färbung der Zellkerne mit Hämalaun (blau).
Antikörperfärbung der Typ II-Fasern auf einem Folgeschnitt mit Vectorred. Färbung der Zellkerne mit Hämalaun (blau).

Typ I - Typ II -Hybridfasern

Antikörperfärbung der Typ I-Fasern mit Histogreen. Färbung der Zellkerne mit Hämalaun (blau).
Antikörperfärbung der Typ II-Fasern mit DAB (braun). Färbung der Zellkerne mit Hämalaun (blau).

Darstellung von Satellitenzellen

Antikörperfärbung der Typ I-Fasern (Histogreen) und der Satellitenzellen mit DAB (braun). Färbung der Zellkerne mit Hämalaun (blau).
Antikörperfärbung der Typ I-Fasern (Histogreen) und der Satellitenzellen mit DAB (braun). Färbung der Zellkerne mit Hämalaun (blau).

Vermittelt werden diese Anpassungsreaktionen durch eine Steigerung der Proteinsynthese, v.a. in­folge einer gesteigerten Translation sowie durch Genexpressionsänderungen mit Aufregulierung von Muskelwachstums-Genen, Herunterregulierung von Genen, die das Muskelwachstum hemmen bzw. den Abbau von Muskelsubstanz fördern. Außerdem ändert sich das Expressionsmuster von Genfami­lien, die die Ausbildung von langsamen und schnellen Muskelfasern fördern. Darüber hinaus kommt den Satellitenzellen, den Stammzellen des Skelettmuskels eine besondere Bedeutung zu. Die Satelli­tenzellen können durch einen Krafttrainingsreiz aktiviert werden, proliferieren und neue Zellkerne zur Verfügung stellen. Ob sie auch die Bildung neuer Muskelfasern bewirken können, ist noch um­stritten.

In einer unserer ersten Studien konnte gezeigt werden, dass ein zusätzlich während eines Kraftaus­dauertrainings einwirkender Hypoxiereiz die muskuläre Adaptation an ein Kraftausdauertraining nicht verstärkt. In einer anderen Untersuchung konnten wir eine vermehrte Rekrutierung von Mus­kelfasern bei Durchführung eines Kniebeugentrainings auf einer Vibrationsplatte beobachten. Zuletzt gingen wir einer Beobachtung aus der Trainingspraxis nach, nämlich dass eine Erhöhung der exzentri­schen Last während eines kombiniert konzentrisch exzentrischen Krafttrainings die Ausbildung eines schnelleren Muskelphänotyps fördert und konnten diese Beobachtung durch Feststellung typischer Änderungen in Muskelfaserquerschnitten und Genexpressionsänderungen untermauern.

Ausgewählte Publikationen

Friedmann, B., Kinscherf, R., Borisch, S., Richter, G., Bärtsch, P., Billeter, R.: Effects of low resistance - high repetition strength training in hypoxia on muscle structure and gene expression. Pflügers Arch. 446: 742-751, 2003.

Friedmann, B., Kinscherf, R., Vorwald, S., Müller, H., Kucera, K., Borisch, S., Richter, G., Bärtsch, P., Billeter, R.: Muscular adaptations to computer-guided strength training with eccentric overload. Acta Physiol. Scand.182: 77-88, 2004.

Friedmann-Bette, B., Bauer, T., Kinscherf, R., Vorwald, S., Klute, K., Weber, M.-A., Metz, J., Kauczor, H.-U., Bärtsch, P., Billeter, R.: Effects of strength training with eccentric overload on muscle adaptations in athletes. Eur. J. Appl. Physiol. 108: 821-826, 2010.

Eckhardt, H., Wollny, R., Müller, H., Bärtsch, P. Friedmann-Bette, B.: Enhanced myofibre recruitment during exhaustive squatting exercise performed as whole-body vibration training. J. Strength Cond. Res. 25: 1120-1125, 2011.

Friedmann-Bette B., Schwartz F.R., Eckhardt H., Billeter R., Bonaterra G., Kinscherf R.: Similar changes of gene expression in human skeletal muscle after resistance exercise and multiple fine needle biopsies. J. Appl. Physiol. 112: 289-295, 2012.

Friedmann-Bette B., Profit F., Gwechenberger T., Weiberg N., Parstorfer M., Weber M.A., Streich N., Barié, A.: Strength Training Effects on Muscular Regeneration after ACL Reconstruction. Med. Sci. Sports. Exerc. 50(6): 1152-1161, 2018.

 

Aktuelle Studien

Muskelregeneration nach vorderer Kreuzbandplastik – Einflüsse des Krafttrainingskonzepts und der Transplantatwahl

Muskelregeneration nach vorderer Kreuzbandplastik – Einflüsse des Krafttrainingskonzepts und der Transplantatwahl

In Zusammenarbeit mit Dr. med. Alexander Barié, Funktionsoberarzt, Klinik für Orthopädie und Unfallchirurgie und weiteren Kooperationspartnern:

  • Sportopaedie Heidelberg an der St. Elisabeth Klinik,
  • Olympiastützpunkt Rhein-Neckar
  • Sektion Muskuloskelettale Radiologie der Diagnostischen und  Interventionellen Radiologie,

Leiter: Prof. Dr. med. Marc-André Weber

Im Falle einer Entlastung einer Gliedmaße, z. B. des Beines nach vorderer Kreuzbandpastik, ist eine Muskelhypotrophie zu beobachten. Bei vollständiger Ruhigstellung über 2-3 Wochen nimmt die Muskelquerschnittsfläche des Quadriceps femoris um ca. 5-10 % ab, bei 4- bis 6-wöchiger Teilimmo­bilisation kommt es zu einer Abnahme des Oberschenkelumfangs von durchschnittlich 2 bis 3 cm (20 cm proximal des Kniegelenkspaltes) im Seitenvergleich zum nicht operierten Bein. Diese Muskelhypo­trophie ist in der Regel auch nach einer ersten, sich unmittelbar an die Operation anschließenden 12-wöchigen Rehabilitationsphase mit krankengymnastischer Übungsbehandlung und Lymphdrainage noch vorhanden. Zur Kompensation der Muskelatrophie und ihrer Folgen ist deshalb beim sportlich ambitionierten Patienten ein gezieltes Krafttraining ein fester Bestandteil des Rehabilitationspro­gramms nach vorderer Kreuzbandplastik.

Unsere Arbeitsgruppe geht der Frage nach, ob durch Erhöhung der exzentrischen Belastung während des Krafttrainings in der Rehabilitation nach vorderer Kreuzbandplastik eine verbesserte muskuläre Regeneration erreicht wird. Dabei ist die morphologische Adaptation des Skelettmuskels an den Trainingsreiz von zentraler Bedeutung. Da in einem nach Kreuzbandoperation hypotrophierten Ske­lettmuskel die zellulären und molekularen Vorgänge zur Ausbildung einer krafttrainingsinduzierten Muskelhypertrophie in deutlicherem Ausmaß zu erwarten sind als in einem im Alltag normal belaste­ten Muskel, können die Ergebnisse der geplanten Studie nicht nur zur Optimierung des Rehabilita­tionstrainings nach Kreuzbandplastik beitragen, sondern auch grundlegende Erkenntnisse über die Funktion der Satellitenzellen und molekulare Regulationsmechanismen in der morphologischen Adaptation an Krafttraining liefern.

Für unsere orthopädischen Kooperationspartner ist darüber hinaus die Abhängigkeit des Rehabilita­tionsverlaufes in Abhängigkeit von der Operationstechnik (Sehnenplastik entweder aus der Semi­tendinosussehen oder Quadricepssehne) von Bedeutung.

Probanden:

N = 60

Konventionelles Krafttraining

Krafttraining mit erhöhter exzentrischer Belastung

OP-Methode mit Quadrizepssehne

n = 15

n = 15

OP-Methode mit Semitendinosussehne

n = 15

n = 15

Krafttrainingsphase:

Dauer: 12 Wochen: 2 x/Woche (Montag/Donnerstag oder Diens­tag/ Freitag, insgesamt 24 Trainingseinheiten) unter Anleitung erfahrenen Kraft- bzw. Rehatrainern am Olympiastützpunkt Rhein-Neckar (Helmut Müller, Thomas Gwechenberger) entweder progressives konventionelles Krafttraining an einer konventionellen Beinpresse oder ein progressives computergesteuertes Krafttraining mit erhöhter exzentrischer Belastung (IsoMed 2000); außerdem standardisiertes koordinatives Training.

Studienablauf:

  1. Messzeitpunkt: Präoperativ + Intraoperativ:
    Muskelbiopsie nach der Bergström-Methode aus dem M. vastus lateralis des betroffenen Beines, klinische Untersuchung, Fragebögen, operative Evaluation des Gelenkes
  2. Messzeitpunkt: 12 Wochen postoperativ nach Abschluss einer ersten 12-wöchigen Rehabi­litationsphase mit krankengymnastischer Übungsbehandlung und manueller Lymphdrainage: Muskelbiopsie nach der
    Bergström-Methode aus dem M. vastus lateralis des betroffenen Beines, MRT, Isokinetische Kraftmessung, klinische Untersuchung, Fragebögen.
  3. Messzeitpunkt: 24. Woche postoperativ, nach Abschluss einer 12-wöchigen Krafttrainingsphase:
    Muskelbiopsie nach der Bergström-Methode aus dem M. vastus lateralis des betroffenen Beines, MRT, Isokinetische Kraftmessung, klinische Untersuchung, Fragebögen.

Geplante Projektlaufzeit: 2 Jahre

Förderung: Dietmar Hopp Stiftung

Mitarbeiter

Arbeitsgruppenleiterin

Sportwissenschaftlerin

Biologielaborant

Wiss. Hilfskraft

  • Nadine Weiberg