Multiparametrischer Ansatz zur Charakterisierung der Ermüdungsphysiologie der Rückenmuskulatur
Final Report Abstract
In diesem Projekt wurden MR-spektroskopische und -bildgebende Methoden zur Messung verschiedener Parameter in der Rückenmuskulatur unter Ruhe- und Belastungsbedingungen in zwei Altersgruppen schmerzfreier männlicher Probanden eingesetzt. Die kombinierten Untersuchungen mittels 31P-MR-Spetroskopie sowie T2- und diffusionsgewichteter MRT konnten erfolgreich den Zusammenhang von metabolischen und vaskulären Änderungen mit der Muskel-T2 nachweisen. Die Erkenntnis, dass neben den Änderungen des Energiestoffwechsels auch Änderungen des Blutvolumens im Muskelgewebe mit belastungsinduzierten T2- Änderungen im Muskel einhergehen, stellt einen entscheidenden Beitrag dar. Die umfassende multiparametrische Erfassung der verschiedenen Leistungs- und Strukturparameter in Abhängigkeit vom Lebensalter ermöglichte es, wichtige und aufschlussreiche Erkenntnisse zu gewinnen, die in diesem Umfang bislang nicht vorlagen und nun als Referenz dienen können. So konnte anhand der im Projekt erhaltenen Ergebnisse gezeigt werden, dass es im Alter zu strukturellen Änderungen des Muskelgewebes kommt (Nachweis über die molekulare Diffusibilität) und diese wiederum maßgeblich auf die Atrophie von Typ-II-Muskelfasern zurückgeführt werden können (Nachweis über spektroskopische Marker). Diese Prozesse sind mit einer altersbedingten Einlagerung von fettigem Bindegewebe (Nachweis der Fettinfiltration über Histogramm-Analyse) sowie einer Verringerung des Muskelquerschnittes (bestimmt aus Bildsegmentierung) assoziiert. Mit Hilfe diffusionsgewichteter MR-Daten konnte die altersabhängige Reduktion des Blutvolumens und die damit einhergehende teilweise Reduktion der Gewebeperfusion sowie deren (negative) Assoziation mit dem Ausmaß der Fettinfiltration erstmalig nachgewiesen werden. Letzteres ist besonders bemerkenswert, da eine zunehmende Verfettung des Muskelgewebes durch alters- und krankheitsbedingte Prozesse zwar bereits in anderen Studien beobachtet wurde, deren Auswirkung auf die Funktionalität der Muskulatur allerdings noch nicht vollständig verstanden wurde. Trotz der nachgewiesenen strukturellen Änderungen des Muskelgewebes ergaben sich allerdings keine signifikanten Unterschiede in der Muskelaktivität (erfasst über belastungsinduzierte Änderungen der MR-Parameter) bei abgestufter, isometrischer Belastung zwischen beiden Altersgruppen. Dieses Ergebnis kann so interpretiert werden, dass bei geringen Belastungsstärken es offensichtlich zu keiner wesentlichen Abnahme der Ausdauerleistung der Rückenmuskulatur bei gesunden älteren Menschen kommt und die Muskelfunktion daher, trotz struktureller Defizite, erhalten bleibt. Interessanterweise gilt dies aber nicht für maximale Belastungsstärken, welche zu einer altersbedingten Verringerung der Maximalkraft führen. Die in diesem Projekt gewonnene Datenlage kann genutzt werden um beispielsweise Messergebnisse von Patienten mit unspezifischem Rückenschmerz in zukünftigen Studien zu vergleichen und zu interpretieren. Solche Untersuchungen würden helfen, die Entstehungsprozesse der unspezifischen Schmerzsymptome besser verstehen und so Diagnose und Therapie der Patienten optimieren zu können. Die in diesem Projekt adaptierten MR-Techniken konnten zwar genutzt werden, um altersbedingte Änderungen verschiedener MR-basierter Parameter nachzuweisen, müssen aber zukünftig teilweise weiter entwickelt werden, um die Messgenauigkeit (Bestimmung des Fettgehalts, der Gewebeperfusion sowie der Muskelfaserstruktur und -verteilung) zu verbessern.
Publications
- Die Anwendung multimodaler Methoden der MR-Bildgebung und MR-Spektroskopie zur Bestimmung muskulärer Leistungsparameter in gesunden Probanden. In: 19. Erfurter Tage 2012, Prävention von arbeitsbedingten Gesundheitsgefahren und Erkrankungen, Kirchner CJ, Stadeler M, Scholle HC (Hrsg.), Verlag Bussert & Stadeler, Jena 2013, ISBN 978-3-942115-25-4, pp. 341-356
Hiepe P, Rzanny R, Gussew A, Anders C, Scholle HC, Reichenbach JR
- Fast low-angle shot diffusion tensor imaging with stimulated echo encoding in the muscle of rabbit shank. NMR Biomed 2014 Feb; 27(2):146-57
Hiepe P, Herrmann KH, Güllmar D, Ros C, Siebert T, Blickhan R, Hahn K, Reichenbach JR
(See online at https://doi.org/10.1002/nbm.3046) - Interrelations of muscle functional MRI, diffusion-weighted MRI and 31P-MRS in exercised lower back muscles. NMR Biomed 2014 Aug; 27(8):958-70
Hiepe P, Gussew A, Rzanny R, Anders C, Walther M, Scholle HC, Reichenbach JR
(See online at https://doi.org/10.1002/nbm.3141) - MR basierte Methoden zur in vivo Charakterisierung des muskuloskelettalen Systems. In: 20. Erfurter Tage 2013, Prävention von arbeitsbedingten Gesundheitsgefahren und Erkrankungen, Kirchner CJ, Stadeler M, Scholle HC (Hrsg.), Verlag Bussert & Stadeler, Jena 2014, ISBN 978-3-942115-99-5, pp. 273-282
Gussew A, Rzanny R, Hiepe P, Scholle HC, Reichenbach JR
