I biotecnologi della Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU) hanno sviluppato un sistema per misurare con precisione la debolezza muscolare causata da cambiamenti strutturali nel tessuto muscolare. Il nuovo metodo consente di valutare la funzione muscolare utilizzando l'imaging senza la necessità di sofisticate registrazioni biomeccaniche, e potrebbe in futuro persino rendere superfluo il prelievo di campioni di tessuto per la diagnosi della miopatia. I risultati sono stati pubblicati sulla rinomata rivista Luce:scienza e applicazioni .

Il muscolo è un organo altamente ordinato e strutturato gerarchicamente. Ciò si riflette non solo nel raggruppamento parallelo delle fibre muscolari, ma anche nella struttura delle singole cellule. Le miofibrille responsabili della contrazione sono costituite da centinaia di unità strutturate in modo identico collegate una dopo l'altra. Questa struttura ordinata determina la forza che viene esercitata e la forza del muscolo. Malattie infiammatorie o degenerative o tumori possono portare ad una ristrutturazione cronica di questa architettura, provocando cicatrici, irrigidimento o ramificazione delle fibre muscolari e con conseguente drastica riduzione della funzione muscolare. Sebbene tali cambiamenti nella morfologia muscolare possano già essere monitorati utilizzando la microscopia multifotonica non invasiva, non è stato ancora possibile valutare con precisione la forza muscolare sulla base delle sole immagini.

Il nuovo sistema mette in relazione struttura e forza

I ricercatori della cattedra di biotecnologie mediche hanno ora sviluppato un sistema che consente di misurare la debolezza muscolare causata da cambiamenti strutturali contemporaneamente alla valutazione ottica dell'architettura muscolare. "Abbiamo progettato un sistema biomeccatronico miniaturizzato e l'abbiamo integrato in un microscopio multifotone, permettendoci di valutare direttamente la forza e l'elasticità delle singole fibre muscolari registrando contemporaneamente anomalie strutturali, " spiega il Prof. Dr. Oliver Friedrich. Per dimostrare la capacità del muscolo di contrarsi, i ricercatori hanno immerso le cellule muscolari in soluzioni con concentrazioni crescenti di ioni calcio liberi. Il calcio è anche responsabile dell'attivazione delle contrazioni muscolari nell'uomo e negli animali. È stata inoltre misurata la viscoelasticità delle fibre, allungandoli a poco a poco. Un rilevatore altamente sensibile ha registrato la resistenza meccanica esercitata dalle fibre muscolari serrate sul dispositivo.

Pool di dati per una diagnosi semplificata

La tecnologia sviluppata dai ricercatori della FAU è, però, solo il primo passo per poter diagnosticare i disturbi muscolari molto più facilmente in futuro:"Essere in grado di misurare la forza isometrica e la viscoelasticità passiva mentre mostrava visivamente la morfometria delle cellule muscolari ci ha permesso, per la prima volta, ottenere coppie di dati dirette struttura-funzione, " Dice Oliver Friedrich. "Questo ci permette di stabilire correlazioni lineari significative tra la struttura e la funzione dei muscoli a livello di singola fibra".

Il pool di dati verrà utilizzato in futuro per prevedere in modo affidabile le forze e le prestazioni biomeccaniche nel muscolo scheletrico utilizzando esclusivamente valutazioni ottiche basate su immagini SHG (le iniziali stanno per Second Harmonic Generation e si riferiscono a immagini create utilizzando laser a seconda frequenza armonica), senza la necessità di complesse misurazioni della forza. Attualmente, le cellule muscolari devono ancora essere rimosse dal corpo prima di poter essere esaminate con un microscopio multifotonico. Però, è plausibile che ciò possa diventare superfluo in futuro se la tecnologia necessaria potrà continuare a essere miniaturizzata, che consente di esaminare la funzione muscolare, Per esempio, utilizzando un microendoscopio.