Forskere bruger 3D-billeddannelse til at forbedre diagnosticering af muskelsygdomme

Bioteknologer ved Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU) har udviklet et system til nøjagtigt at måle muskelsvaghed forårsaget af strukturelle ændringer i muskelvæv. Den nye metode gør det muligt at vurdere muskelfunktionen ved hjælp af billeddannelse uden behov for sofistikerede biomekaniske optagelser, og kunne i fremtiden endda gøre det overflødigt at tage vævsprøver til diagnosticering af myopati. Resultaterne er blevet offentliggjort i det anerkendte tidsskrift Lys:Videnskab og applikationer .

Musklen er et højt ordnet og hierarkisk struktureret organ. Dette afspejles ikke kun i den parallelle bundtning af muskelfibre, men også i strukturen af ​​individuelle celler. Myofibrillerne, der er ansvarlige for kontraktion, består af hundredvis af identisk strukturerede enheder forbundet efter hinanden. Denne velordnede struktur bestemmer den kraft, der udøves, og styrken af ​​musklen. Inflammatoriske eller degenerative sygdomme eller kræft kan føre til en kronisk omstrukturering af denne arkitektur, forårsager ardannelse, stivning eller forgrening af muskelfibre og resulterer i en dramatisk reduktion i muskelfunktionen. Selvom sådanne ændringer i muskulær morfologi allerede kan spores ved hjælp af ikke-invasiv multifotonmikroskopi, det har endnu ikke været muligt at vurdere muskelstyrken præcist på baggrund af billeddiagnostik alene.

Nyt system korrelerer struktur og styrke

Forskere fra Chair of Medical Biotechnology har nu udviklet et system, der gør det muligt at måle muskelsvaghed forårsaget af strukturelle ændringer samtidig med optisk vurdering af muskulær arkitektur. "Vi konstruerede et miniaturiseret biomekatroniksystem og integrerede det i et multifotonmikroskop, giver os mulighed for direkte at vurdere styrken og elasticiteten af ​​individuelle muskelfibre samtidig med registrering af strukturelle anomalier, " forklarer prof. Dr. Oliver Friedrich. For at bevise musklens evne til at trække sig sammen, forskerne dyppede muskelcellerne i opløsninger med stigende koncentrationer af frie calciumioner. Calcium er også ansvarlig for at udløse muskelsammentrækninger hos mennesker og dyr. Fibrenes viskoelasticitet blev også målt, ved at strække dem lidt efter lidt. En meget følsom detektor registrerede mekanisk modstand udøvet af muskelfibrene fastspændt på enheden.

Datapulje til forenklet diagnose

Teknologien udviklet af forskere ved FAU er bl. imidlertid, blot det første skridt mod at kunne diagnosticere muskelsygdomme meget lettere i fremtiden:"At kunne måle isometrisk styrke og passiv viskoelasticitet samtidig med visuelt at vise muskelcellernes morfometri har gjort det muligt for os, for første gang, at opnå direkte struktur-funktion datapar, Oliver Friedrich siger. "Dette giver os mulighed for at etablere signifikante lineære sammenhænge mellem strukturen og funktionen af ​​muskler på enkeltfiberniveau."

Datapuljen vil fremover blive brugt til pålideligt at forudsige kræfter og biomekaniske præstationer i skeletmuskulaturen udelukkende ved brug af optiske vurderinger baseret på SHG-billeder (initialerne står for Second Harmonic Generation og refererer til billeder skabt ved hjælp af lasere ved anden harmonisk frekvens). uden behov for komplekse styrkemålinger. På nuværende tidspunkt muskelceller skal stadig fjernes fra kroppen, før de kan undersøges ved hjælp af et multifotonmikroskop. Imidlertid, det er sandsynligt, at dette kan blive overflødigt i fremtiden, hvis den nødvendige teknologi fortsat kan miniaturiseres, gør det muligt at undersøge muskelfunktionen, for eksempel, ved hjælp af et mikroendoskop.