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

1. 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

2. Tessuto muscolare scheletrico responsabile assieme allo scheletro della locomozione e del movimento delle singole parti del corpo Introduzione Tessuto muscolare tessuto muscolare liscio tessuto muscolare striato unita motorie controllate dai motoneuroni del sistema nervoso volontario controllato dal sistema nervoso autonomo scheletrico cardiaco

3. Fibre muscolari: • elemento base del muscolo • una singola cellula polinucleata • diametri 10-60m; • lunghezze fino qualche cm 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

4. 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

5. Tessuto muscolare scheletrico durante la contrazione: sarcomero si riduce, banda ‘I’ si riduce, banda ‘H’ scompare, banda ‘A’ rimane invariata 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

6. 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

7. Tipologia fibre muscolari Fibre veloci Fibre lente • 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

8. 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

9. Catena di misura Manuale / Follow 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

10. Catena di misura

11. Protocolli sperimentali lunghezza 2 variabili caratterizzanti i muscoli: forza isometrico 2 tipologie di protocolli sperimentali: isotonico

12. Protocollo isometrico

13. 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

14. Protocollo isometrico • Tetanizzazione • Fatica isometrica • Twitch • Sommazione

15. Protocollo isometrico: twitch TTP • Forza twitch • Tempo risposta

16. Protocollo isometrico: sommazione • Forza sommazione

17. Protocollo isometrico: tetanizzazione • Forza tetanica • Forza specifica = F tetanica / peso

18. Protocollo isometrico: fatica Tempo affaticamento • Tempo affaticamento • Indice di Fatica: I.F.

19. Protocollo isometrico: programma comando

20. Protocollo isotonico

21. Contrazione isotonica Attività normale del muscolo è di tipo dinamico Contrazione isotonica: muscolo può accorciarsi sollevando un carico esterno prefissato

22. Protocolli sperimentali: protocollo isotonico 32 min • Forza twitch • Tempo risposta: • Forza sommazione • Forza tetanica - Forza specifica • F-v – Potenza • Tempo di affaticamento • Twitch • Sommazione • Tetanizzazione • Curva di Hill • Fatica isotonica

23. 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

24. = W F * v Wmax Protocollo isotonico: curva di Hill Muscolo tetanizzato Relazione forza – velocità : iperbolica Vmax

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

26. Protocollo isotonico: programma comando

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

28. Protocollo isotonico: analisi funzionale mIgf-1 / WT Soleo Non sono state rilevate differenze significative in tutti i parametri misurati

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

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

31. 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