AG Blottner
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Das Neuromuskuläre System (Strukturelle und physiologische Anpassung)
Das Gehirn und das Rückenmark sind die beiden wichtigsten Anteile des Zentralen Nervensystem (ZNS) welche den Rest des menschlichen Körpers versorgen. Dies betrifft die allgemeinen und speziellen Körperfunktionen (Willkürbewegung, Reflexe, Sensorik und Schmerzwahrnehmung) sowie autonome unwillkürliche Steuerungsfunktionen der Organe (Vegetatives Nervensystem). Die quergestreifte Skelettmuskulatur des menschlichen Körpers wird ebenfalls von speziellen Netzwerken des ZNS über das Rückenmark (Medulla spinalis) und die peripheren Spinalnerven (Nn. spinales), welche über die seitlich an der Wirbelsäule gelegenen knöchernen Durchtrittslöcher („Neuroforamina“, For. intervertebrale) austreten, innerviert. Dies erfolgt zielgerichtet über die peripheren Nerven zur entsprechenden Muskulatur der Körperperipherie. Die speziellen motorischen Nervenkontakte (neuromuscular junctions) von Nervenendigungen (Axonterminale) ventraler spinaler alpha-Motoneurone zu den einzelnen Muskelfasern (Muskelzellen) eines Muskels werden als motorische Endplatten (meist Physiologie) oder als „neuromuskuläre oder myoneuronale Synapsen (meist Neuroanatomie) bezeichnet (Abb. 1). Im Gegensatz zu den gängigen Synapsen des ZNS (ca 5 µm Spaltbreite, geringere Anzahl von Synapsenmolekülen) ist die peripher gelegene neuromuskuläre Synapse des Skelettmuskel (ca. 20nm Spaltbreite, mit Basallamina) und dessen molekulare Architektur (ca. mehr als 50 bekannte prä- und postsynaptische Moleküle) nach bisherigem Wissensstand weit komplexer organisiert. Diese augenscheinlichen Unterschiede unterstreichen die Besonderheiten von neuromuskulären Synapsen und deren Signaltransmission (cholinerge Erregungsübertragung zur Skelettmuskulatur -> Willkürbewegung) gegenüber anderen neuronalen Netzwerken des menschlichen Nervensystems zur bedarfsgerechten Aufrechterhaltung der Skelettmuskelfunktionen bei Bewegung.
Abb. 1. Konfokale Mikroskopie einer Neuromuskuläre Synapse (Doppel-Immunmarkierung) im Kryo-Dickschnitt (20µm): Motoneuron-Axon/Neurofilament (rot); nikotinischer Acetylcholin-Rezeptor (nAChR)-Markierung (α-BgtX, grün) der postsynaptischen Membran der ansonsten unmarkierten Skelettmuskelfaser (hu). Überlappende Strukturen sind gelb markiert: Bildquelle: D. Blottner, aus: Functional Anatomy of Skeletal Muscle (Chapter 1), aus: Müller-Wohlfahrt HW et al. (eds.), Muscle Injuries in Sports, Thieme, Stuttgart, New York, 2013.
Abb. 2. Neuromuskuläre Synapse im Kryo-Dickschnitt (Dreifach-Immunmarkierung, hu): Homer Proteine (grün); Nervenaxon/Neurofilament (blau); nAChR (rot). Bildquelle: Salanova et al. FASEB J (2011).
In unserer AG untersuchen wir unter Anwendung verschiedener histologischer, biochemisch-molekularer zell- und gewebe-basierter Analysemethoden (Histologie, Immunhistologie, In Situ Hybridisierung, Zellkultur, Proteinbiochemie, Molekularbiologie, -omics Techniken) und unter Verwendung der mikroskopischen Bildanalyse (z.B. hochauflösende digitale Licht- und Elektronenmikroskopie, Konfokale Laser-Mikroskopie) diverse subzelluläre Veränderungen in Muskelfasern, zumeist anhand von Gewebeproben (Biopsie) aus der menschlichen Oberschenkelmuskulatur, Vastus lateralis (gemischt schneller Typ-II/I Muskeltyp) und der Wadenmuskulatur, M. soleus (langsamer Typ-I Muskeltyp). In unserer Grundlagenforschung dienen uns u.a. in Vitro Nerven-Muskelzell-Ko-Kulturen, experimentelle Modelle mit Mäusen sowie Gewebematerial (Biopsie) von freiwilligen gesunden Probanden aus klinisch kontrollierten nationalen und internationalen Humanstudien. Ein Fokus liegt herbei in der Erforschung der molekularen Organisation der neuromuskulären Synapse als Anpassungsreaktion speziell vor und nach körperlicher Belastung gesunder Probanden mit und ohne Muskeltraining. Ziel ist es u.a. die subzellulären strukturellen und molekularen Anpassungsmechanismen des neuromuskulären Systems, z.B. via Homer Proteine (Abb.2), oxidativ/nitrosativer Stress via NOS/NO System, bei längerem muskulären Nichtgebrauch (disuse atrophy) besser zu verstehen und die strukturellen wie physiologischen Effekte (efficiency) von geeigneten Gegenmaßnahmen (countermeasures), z.B. durch geeignetes physikalisches Muskeltraining (resistive vibration exercise, reactive jumps, whole body electro-myostimulation) anhand spezieller aktivitätsbedingter kurz- und langzeitiger Veränderungen auf zell- und molekularer Ebene grundlagenwissenschaftlich zu erforschen. (siehe Publikationen).
Buchbeitrag:
Experimente unter Schwerelosigkeit (space medicine and extreme environments): Vom Weltraum in die Klinik?
In längerer Schwerelosigkeit (Mikrogravitation, µG) kommt es u.a. zu einem unphysiologischen Abbau der ansonsten gesunden Skelettmuskulatur bei Astronauten als in Teilen negative Anpassungsreaktion des weitgehend entlasteten Bewegungsapparat (disuse atrophy). Ähnliche Reaktionen an der Skelettmuskulatur sind auch bei freiwilligen Probanden nach längerem Nichtgebrauch (Kopf-Tieflage Studien), bei Alterungsgprozessen (Sarkopenie) oder bei Patienten nach längerer Bettlägrigkeit (Immobilisation) auf der Erde festzustellen, in seinen grundlegenden physiologischen und molekularen Mechanismen jedoch bisher unzureichend erforscht. Astronauten müssen ein tägliches mehrstündiges Muskeltraining während ihres Fluges durchführen um den vielfältigen operationalen Anforderungen insbesondere bei zukünftigen längeren Mission ins All (i) durch körperliche Fitness gerecht zu werden (ii) ihre möglichen Gesundheitsrisiken (körperliche Dekonditionierung vergleichbar den bisher bekannten Alterungsprozessen auf der Erde) zu minimieren und (iii) eine schnelle und möglichst vollständige körperliche Rekonditionierung nach Rückkehr zur Erde zu erreichen.
Die AG untersucht im Rahmen von Experimenten mit Astronauten auf der Internationalen Raumstation (ISS) ob und wie eine schnelle und einfache praktisch durchführbare Kontrolle des allgemeinen Muskelstatus (muscle monitoring) sowie der körperliche Trainingserfolg von Astronauten während des Fluges (exercise outcome) schnell und aussagekräftig möglich sind. Dies wurde bisher erstmals durch ein speziell angepasstes Messprotokoll im All mit einem leicht zu handhabenden, mobilen und digitalen Messgerät (smartphone-Größe) zur nicht-invasiven und objektiven Bestimmung der schwerelosigkeits-induzierten Veränderungen des passiven Muskeltonus und -steifigkeit von betroffenen oberflächlichen Muskelgruppen des Bewegungsapparat („digitale“ Palpation) von Astronauten vor, während und nach einem längeren Raumflug wissenschaftlich dokumentiert (s. AG Publikationen).
Abb.3. Prinzip der nicht-invasiven „digitalen“ Palpation (tap & listen). Das mobile Gerät misst über einen impulsgesteuerten Sensor die biophysikalischen passiven Muskeleigenschaften, Tonus [Hz] und Steifigkeit [N/m], am ruhenden Skelettmuskel (muscle health state) z.B. bei Kopf/Tieflage Experiment oder im Weltraum (siehe AG Publikationen).
Derzeit untersuchen wir ob Ganzkörper-Elektromyostimulation (WB-EMS) das Muskeltraining von ISS Astronauten optimieren kann. Damit könnte z.B. durch individuell angepasste impulsgesteuerte Muskelaktivitäten (digital exercise) mit kürzeren Trainingszeiten das bisher notwendige mehrstündige körperliche Belastungstraining der Crew mit Hilfe derzeit fest verbauter funktioneller Trainingsgeräte auf der ISS bei zukünftigen deep-space Missionen zum Mond und Mars durch einen speziellen EMS-Körperanzug ersetzen (crew autonomy). Die wissenschaftliche Erforschung und praktische Anwendung geeigneter nicht-invasiver, mobiler und digitaler Messmethoden (digital health monitoring) im Zusammenhang mit neuartigen körperlichen Trainingskonzepten (countermeasure development) aus der Gravitationsphysiologie/ Weltraummedizin (gravitational physiology/space medicine) können Vorreiter sein für relevante klinische Anwendungsgebiete (z.B. Intensivstation), Neuro-Rehabilitation, in der Sportmedizin, und im Rahmen physikalischer Maßnahmen zur Verbesserung der Funktion des Bewegungsapparat von Jung und Alt. Drittmittelunterstützung durch BMBF/BMWi und DLR. Internationale Kooperationspartner (space agencies): ESA (EU), NASA (USA), JAXA (Jap.), ASI (It.), CNES (F).
Buchbeitrag (International Academy of Astronautics (IAA) Life Sciences Book Award 2015):
Mitherausgeber
(seit 2015) Frontiers in Physiology, Section Environmental, Aviation and Space Medicine
(seit 2025) Wiley Life Sciences in Space Research
Die AG ist Mitglied und Mitbegründer des seit 2001 mit Unterstützung des Deutsche Zentrum für Luft-und Raumfahrt (DLR e.V.) etablierten multidisziplinären Zentrums für Weltraummedizin und Extreme Umwelten Berlin (ZWMB) an der Charité (Sprecher: D. Blottner)