Prof. Zaccaria Del Prete 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 tessuto muscolare liscio unita motorie controllate dai motoneuroni del sistema nervoso volontario controllato dal sistema nervoso autonomo scheletrico 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 elemento base del muscolo una singola cellula polinucleata diametri 10-60m; lunghezze fino qualche cm Fibre muscolari:

Tessuto muscolare scheletrico striatura trasversale marcata striatura longitudinale leggera formate da miofibrille fibre parallele fra loro 2 tipi di miofilamenti: (spessi-miosina/sottili-actina) striatura trasversale miofibrille 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 lente Fibre veloci 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 Bicarbonate Buffer + 95%O2 5%CO2 T=30° Muscolo immerso in una soluzione isotonica Impulso nervoso sostituito da stimoli elettrici Acquisizione F, l, v

Catena di misura Manuale / Follow Elettrostimolatore 701B 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 Elettrostimolatore 701B Attuatore/trasduttore ASI 300B 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: forza isometrico 2 tipologie di protocolli sperimentali: 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 Forza twitch Tempo risposta: Forza sommazione Forza tetanica - Forza specifica F-v – Potenza Tempo di affaticamento 32 min Twitch Sommazione Tetanizzazione Curva di Hill Fatica isotonica

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 Vmax Wmax v F W * =

Protocollo isotonico: fatica Tempo affaticamento Tempo affaticamento Decadimento Potenza - Lavoro F*v F*l

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 Northen Blot gli embrioni TG sviluppano normalmente dopo la nascita, l’incremento in massa muscolare e forza non è accompagnato da altre patologie (ipertrofia cardiaca)

Protocollo isotonico: analisi funzionale mIgf-1 / WT Soleo Non sono state rilevate differenze significative in tutti i parametri misurati   TG WT Media SEM TTP (ms) 31.6 1.49 29.3 1.27 Ftwitch (mN) 22.5 1.45 24.2 1.97 Ftet 122.7 7.63 122.8 5.31 Fspec (N/g) 12.7 0.82 11.7 0.75 W (mW) 0.2 0.02 0.22 Tfat (s) 70.9 4.87 72.6 4.11

Protocollo isotonico: analisi funzionale mIgf-1 / WT Ftwitch Fsomm Ftet EDL Ftwitch: no diff Fsom: +16% Fmax: +21% Ipertrofia funzionale Composizione fibre invariata

Protocollo isotonico: analisi funzionale mIgf-1 / WT EDL Vmax: no differenze Composizione in fibre invariata Stessa concavità

Protocollo isotonico: analisi funzionale mIgf-1 / WT EDL Wmax: +32% La capacità di generare una potenza significativamente maggiore non inficia la resistenza a fatica isotonica del muscolo