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UNIVERSITA’ DEGLI STUDI DI ROMA “LA SAPIENZA”Facoltà di IngegneriaLaurea Specialistica in Ingegneria Meccanica
Corso di:
MISURE INDUSTRIALI II
Prof. Zaccaria Del Prete
Dispense a cura dell’ Ing. Emanuele Rizzuto anno accademico 2005/06
“Misure in vitro delle proprietà biomeccaniche
di tessuto muscolare scheletrico”
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
• 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 10-60m;
• lunghezze fino qualche cm
Fibre muscolari:
Tessuto muscolare scheletrico
fibre
striatura trasversale marcata striatura longitudinale leggera formate da miofibrille
miofibrille
parallele fra loro 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’
Sarcomero: parte compresa fra due linee ‘Z’. Unità delle fibre
• la banda ‘I’ è attraversata da una linea scura ‘Z’
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
Tessuto muscolare scheletrico
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
Teoria dello scorrimento dei filamenti
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:
la forza per lo scorrimento si genera
nelle teste della miosina:
Tipologia fibre muscolari
Fibre lente
risposta lenta alla stimolazione resistenti alla fatica fibre di tipo I - rosse - mioglobina metabolismo ossidativo soleo (muscoli posturali)
Fibre veloci
contrazione rapida facilmente affaticabili fibre di tipo II - bianche metabolismo glicolitico EDL, Gastro
Krebs-Ringer
Bicarbonate Buffer
+ 95%O2 5%CO2
T=30°
Catena di misura: misure in vitro Muscolo immerso in una soluzione isotonica Impulso nervoso sostituito da stimoli elettrici Acquisizione F, l, v
l: tempo di risposta : 1 ms sensibilità : 1 μmF: range : 0 - 0,5 N tempo di risposta : 1,3 ms sensibilità : 0.3 mN
Attuatore/trasduttore ASI 300BControllo posizione / forza
V : 0 - 80 VA : 1mA – 1ALarghezza dell’impulso: manuale : 100μs, 500μs, 1ms trigger est. :10μs a c.c.Frequenza impulso: manuale: single pulse - 200Hz follow: single pulse - 200kHz
Elettrostimolatore 701B
Manuale / FollowCatena di misura
Catena di misura
Protocolli sperimentali
2 variabili caratterizzanti i muscoli:lunghezza
forza
2 tipologie di protocolli sperimentali:isometrico
isotonico
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
Protocollo isometrico
• 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: muscolo può accorciarsi sollevando un carico esterno prefissato
Contrazione isotonica
Attività normale del muscolo è di tipo dinamico
• Twitch• Sommazione• Tetanizzazione
Curva di Hill Fatica isotonica
Protocolli sperimentali: protocollo isotonico
• Forza twitch• Tempo risposta: • Forza sommazione• Forza tetanica - Forza specifica
F-v – Potenza Tempo di affaticamento
32 min
• 8 valori Forza: 0-Fmax• 8 coppie F-v
Protocollo isotonico: tecnica after-load
Curva Hill: F-v
20, 65, 30, 80, 35, 10, 50, 15% Fmax
• Sincronizzare spike
con carichi esterni
Muscolo tetanizzato
Relazione forza – velocità : iperbolica
Protocollo isotonico: curva di Hill
cbvaF )(*)(
Vmax
Wmax
vFW *
3maxFFott
Protocollo isotonico: fatica
Tempo affaticamento
3FF maxott
• Tempo affaticamento
• Decadimento
Potenza - Lavoro
0 5 10 15 20 25 30 35 400.0
0.3
0.6
0.9
1.2
1.5
Time (s)
Pow
er (
mW
)
0 5 10 15 20 25 30 35 400.00
0.02
0.04
0.06
0.08
0.10
Time (s)
Wor
k (m
J)
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)
Soleo
Non sono state rilevate differenze significative in tutti i parametri misurati
TG WT
Media SEM 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 0.02
Tfat (s) 70.9 4.87 72.6 4.11
Protocollo isotonico: analisi funzionale mIgf-1 / WT
Ftwitch: no diff
Fsom: +16%
Fmax: +21%
Composizione fibre invariata
EDL
Ftwitch Fsomm Ftet
Ipertrofia funzionale
Protocollo isotonico: analisi funzionale mIgf-1 / WT
Interpolazione
0.00 0.25 0.50 0.75 1.00 1.250
5
10
15
20
25
30
35
40
45
50
F/Fmax
V
(m
m/s
)
Stessa concavità maxFa
Vmax: no differenze
Composizione in fibre invariata
Protocollo isotonico: analisi funzionale mIgf-1 / WT
EDL
EDL - Wmax
TG WT0.0
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
1.2
1.4
1.6
1.8
2.0
* p<0.05
*
Wm
ax
(mW
)
Potenza
0.00 0.25 0.50 0.75 1.000.00
0.25
0.50
0.75
1.00
1.25
1.50
1.75
2.00 TG WT
F/Fmax
Pot
(m
W)
Wmax: +32%
La capacità di generare una potenza significativamente
maggiore non inficia la resistenza a fatica isotonica del muscolo
Protocollo isotonico: analisi funzionale mIgf-1 / WT
EDL