Ziel:

Das Projekt zielt darauf ab, das intramuskuläre Bindegewebe und seine fibroseähnliche Anpassung zu untersuchen, indem (i) neue Experimente entworfen werden, (ii) experimentelle Erkenntnisse genutzt werden, um neue mikrostrukturelle Modelle der ECM-Anpassung zu postulieren, die messbare Daten über die Mikrostruktur integrieren, und (iii) das Modell anhand verfügbarer Daten validiert wird.

Beschreibung:

Die Bedeutung der extrazellulären Matrix (ECM) wurde durch vielfältige Anwendungen deutlich gemacht. Insbesondere bestimmt sie die Charakteristik einiger genetischer sowie erlangter Krankheiten. Durch eine genauere Kenntnis über die Struktur und die Funktionsweise der ECM könnten Einflussfaktoren, wie Alterungsprozesse, Training und Verletzungen des Muskels besser verstanden werden. Derzeit existieren jedoch nur wenige Studien über die strukturellen Veränderungen der ECM und noch weniger Studien über deren Einfluss auf den Organismus. Einen der wichtigsten ungeklärten Aspekte bildet das fehlende Verständnis über den mechanischen Einfluss der ECM auf aktives Gewebe. Um diese Lücke teilweise zu schließen, haben wir uns zu einer klinischen Untersuchung des intramuskulären Bindegewebes und deren Anpassungsreaktionen auf die Verabreichung von Botulinumtoxin entschieden. Letzteres stellt ein Standardverfahren zur Minderung von Spastiken dar. Dem Toxin ausgesetzte Muskeln zeigen hierbei jedoch fibroseähnliche Veränderungen.

Wir beabsichtigen die Untersuchung der Adaptation von Skelettmuskelfasern, indem wir

(i) neue Versuchsanordnungen entwerfen,

(ii) die experimentellen Erkenntnisse nutzen, um neuartige Mikrostrukturmodelle der ECM Adaptation zu formulieren und die mikrostrukturellen Messdaten in das Modell zu integrieren sowie

(iii) das Modell anhand von verfügbaren Daten und existierender Hypothesen zu validieren.
Des Weiteren entwickeln wir Homogenisierungsmethoden, um die mikrostrukturell basierten Adaptationsmodelle auf eine größere Längenskala (d.h. auf die Muskelskala) zu übertragen. Auf diese Weise finden wir neue Möglichkeiten, die Auswirkungen der ECM Adaptation auf größere Skalen zu untersuchen. Darüber hinaus ermöglicht die Kombination von experimentellen und computergestützten Untersuchungen, zusätzliche Informationen bereitzustellen, welche ansonsten, insbesondere der gewünschten Auflösung, kaum messbar sind, z. B. die Materialzusammensetzung an „unendlich vielen Zeitpunkten. Solche Informationen können Klinikern wichtige Entscheidungshilfen in Bezug auf Behandlungsmaßnahmen liefern.

Als wichtige Schlagwörter sind hierbei zu nennen: Identifizierung; Identifizierung der zugrundeliegenden zu Adaptation führender Prozesse mithilfe experimenteller Daten und computergestützter Ansätze, Homogenisierung; Erarbeitung eines Bottom-Up-Mikrostrukturansatzes anstelle eines phänomenologischen Modells, Validierung; Überprüfung bestehender Hypothesen, und Integration; Integration des Modells auf größere Skalen wie den gesamten Muskel oder den gesamten Bewegungsapparat.

Involvierte Institutionen:

Universität Stuttgart
IMSB, Institute for Modelling and Simulation of Biomechanical Systems

Universität Stuttgart
Institut für Statik und Dynamik der Luft- und Raumfahrtkonstruktion

Antragsteller:

Prof. Dr. Oliver Röhrle, University of Stuttgart

Dr. Filiz Ates, University of Stuttgart

Publikationen:

2022

Keles, Cemre Su Kaya; Ates, Filiz

Botulinum Toxin Intervention in Cerebral Palsy-Induced Spasticity Management: Projected and Contradictory Effects on Skeletal Muscles Journal Article

In: Toxins, vol. 14, iss. 11, pp. 772, 2022.

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Klotz, Thomas; Gizzi, Leonardo; Röhrle, Oliver

Investigating the spatial resolution of EMG and MMG based on a systemic multi-scale model Journal Article

In: Biomechanics and Modeling in Mechanobiology, vol. 21, pp. 983-997, 2022, (cite arxiv:2108.05046Comment: Preprint, Submitted to Biomechanics and Modeling in Mechanobiology).

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Hessenthaler, Andreas; Falgout, Robert D; Schroder, Jacob B; Vecchi, Adelaide; Nordsletten, David; Röhrle, Oliver

Time-periodic steady-state solution of fluid-structure interaction and cardiac flow problems through multigrid-reduction-in-time Journal Article

In: Computer Methods in Applied Mechanics and Engineering, vol. 389, pp. 114368, 2022.

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2021

Gizzi, Leonardo; Vujaklija, Ivan; Sartori, Massimo; Röhrle, Oliver; Severini, Giacomo

Editorial: Somatosensory Integration in Human Movement: Perspectives for Neuromechanics, Modelling and Rehabilitation Journal Article

In: Front. Bioengineering and Biotechnology, Sec. Bionics and Biomimetics , vol. 9, 2021.

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Bleiler, Christian; Castañeda, Pedro Ponte; Röhrle, Oliver

Tangent second-order homogenisation estimates for incompressible hyperelastic composites with fibrous microstructures and anisotropic phases Journal Article

In: Journal of the Mechanics and Physics of Solids, vol. 147, pp. 104251, 2021, ISSN: 0022-5096.

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