UNIVERSITA’ DEGLI STUDI DI ROMA “LA SAPIENZA” Facoltà di Ingegneria

UNIVERSITA’ DEGLI STUDI DI ROMA “LA SAPIENZA”Facoltà di IngegneriaLaurea Specialistica in Ingegneria Meccanica

Corso di:

MISURE INDUSTRIALI IIProf. 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: TwitchSi ha una ‘L0’ ottimale

Aumento frequenza: Sommazione

Tetanizzazione: forza maxIoni 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 (m

W)

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 SEMTTP (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 1.2505

101520253035404550

F/Fmax

V (m

m/s

)

Stessa concavità maxFa

Vmax: no differenze

Composizione in fibre invariata

Protocollo isotonico: analisi funzionale mIgf-1 / WTEDL

EDL - Wmax

TG WT0.00.20.40.60.81.01.21.41.61.82.0

* 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 / WTEDL