Die Myosin-Schwerketten- Verteilung im Sport und bei

muskulären Herz- Unterstützungssystemen.

Prof. Dr. Norbert Guldner Klinik für Herz- und thorakale

Gefäßchirurgie Universität zu Lübeck

Skeletal muscle I

Muscle fiber

1 Myofibrille

1 Myofibrille

MyosinMyofilament

Myosinhexamer („ 2 x golf club shape“)

Heavy Chain + Light Chains (@ head) 1 x essential & 1 x regulative

Myosin heavy chain (MHC) analysis of the control group after 6 months of chronic electrical burst stimulation (24h on)

- - - - -+ + + + +

Maximum mean stimulation frequency of 3 Hz(30 bpm * 6 pulses)

MHC Typ-II

MHC Typ-I

Force and power of an untrained and an electrically conditioned skeletal muscle

Force [N]

0

10

20

Velocity [mm/s]0 100 200 300

100

00

200

300

100 200 300 400Velocity [mm/s]

Power [W/kg]

11 weeks

electrical

conditioned

(orange marks) Musculus

tibialis

anterior

of a rabbit. From: Salmons S, Jarvis JC. The Working Capacity of Skeletal MuscleTransformed for Use in a Cardiac Assist Role. Transformed Muscle for Cardiac Assist. Chiu RCJ, Bougeois IM (eds). Future Publishing NY, 1990, p96

1. Beispiel 7 Sprinter, 6 Wochen Sprinttraining, 3-Sek-Ergometer-Sprints (S.Harrridge et al.J.Appl.Physiol.84(2):442-449, 1998)

• Beispiel 1:7-8% Kraftzunahme (Plantarflexoren) bei den 7 Sprintern (A)

Beispiel 1Vergrößerung der Faserquerschnitte

Beispiel 2. 19 Probanden mit 19-wöchigem Ergometertraining (schweres Widerstandstraining)

Beispiel 3: Probanden: 21-87 Jahre n=77, Leistungsfähigkeit (pro Faserquerschnittsfläche) nach 16 Wochen, 3-4Xpro Woche über 45 Minuten. K.J.Short et al. J Appl.Physiol.99: 95-102,2005

Isoformen schwerkettiger Myosine in Abhängigkeit

vom Alter.

Beispiel3: Änderungen der schwerkettigen Myosin-Isoformen nach 16 Wochen Ergometertraining (n=77), 3-4X pro Woche über 45 Minuten.

Biologische Therapieformen der terminalen Herzinsuffizienz

Indirekte Revaskularisation Stammzellpatch, „Girdling“

Biomechanisches Herz Herztransplantation

19

Muscle Powered Cardiac Assistance

Substitute of a failing myocardium with patients own skeletal muscle

GlandularStem CellCardio-Myopexy(GSCX)

Daily energy of a skeletal muscle ventricle after 5 months of chronic electrical burst stimulation

End stage stimulation 13 pulses/burst, 7 V, 210µs pulse width, 33Hz, 30 bpm

LV ~ 60kJ/d

Musculus latissimus dorsi after 6 months of electrical stimulation

Ko. 0,21 0,42 1,25 2,5 5 10 SoleusMittlere Stimulationsfrequenz in Hz

Schwer-kettigeMyosinIsoformenin Prozent

Myosin heavy chain analysis (MHC) after 6 months of intermittened stimulation with a maximum mean

stimulation frequency of 0,7 Hz

- - - - -+ + + + +MHC Typ-II

MHC Typ-I

0

20

40

60

80

100

Initial Type I Initial Type II End stage Type I End Stage Type II

Control 3Hz Mean Stim. Freq.

Study Group 0,7 Hz Mean Stim. Freq.

ns

ns

p <0.001

p <0.001

Myosin heavy chain (MHC) analysis of group I and group II after 6 months of chronic electrical burst stimulation

*

*

Fluid dynamical results (1)

In the control group (n=5) with its fully transformed type I fibered muscle after 6 months of chronic electrical stimulation, stroke volumina between 10 to 15 ml could be measured. With a maximum contraction frequency of 30 beats per minute, a skeletal muscle ventricle output of 300 to 450 ml per minute is achieved in a permanent manner (mean stimulation frequency: 30bpm x 6 Pulse/Burst

3 Hz)

In group II (n=5) with 6 months of intermittened stimulation (day: 15 min on, 15 min off, night: off) and a mean stimulation frequency ~ 0,7 Hz, stroke volumina between 35 und 50 ml could be measured. At a frequency of 30 beats per minute, an output of up to 1,5 Liters was reached. Higher loading of the skeletal muscle ventricle was possible, but after 2 to 5 minutes, a reversible decline of the output to 50% and less was observed.

0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

Stroke Volume[ml]

ControlStudy Group

Biomechnisches Herz mit biologischen Herzklappen

Das erste Biomechanische Herz

Darstellung der calciuminduzierten Konformationsänderung

eines S100-Homodimers. Llnks

ein calciumfreies Homodimer

(„apo“–Form), rechts die calciumgebundene Form. Durch die calciuminduzierte Konformationsänderung

wird die Beeinflussung von Zielproteinen der S100-Proteine ermöglicht. Mit römischen Ziffern sind jeweils die vier α-Helices

eines Monomers bezeichnet. Jedes Monomer kann zwei Calciumionen

binden.

]

Schematische Darstellung der unterschiedlichen Effekte von S100A1 innerhalb der Herzmuskelzelle. S100A1 führt über eine Bindung an den kardialen Ryanodinrezeptor (RyR2) zu einer verstärkten systolischen

Ca2+-Freisetzung aus dem sarkoplasmatischen

Retikulum

a). Die Interaktion von S100A1 mit Myofilamenten

reduziert deren Rigidität b), was zu einer gesteigerten Compliance

des Ventrikels

führt. Die Calciumsensitivität der Myofilamente

wird durch S100A1 herabgesetzt c). Dieses erlaubt eine schnellere diastolische Dissoziation des Calciums, mit der Folge einer gesteigerten

Lusitropie. S100A1 hebt die inhibitorische

Wirkung von Phospholamban

(PLB) auf die Sarkoendoplasmatische-

Retikulum-Calcium-ATPase

(SERCA) auf d), daraus resultiert eine verbesserte Calciumresequestration. Des Weiteren minimiert S100A1 die Öffnungswahrscheinlichkeit des RyR2 in der Diastole und verringert so das sarkoplasmatische

„Calciumleck“

e). In den Mitochondrien der Herzmuskelzelle wird durch S100A1 die Produktion von ATP gesteigert f).

0

100

200

300

400

500

600

700

800

-10 0 10 20 30 40 50 60 70 80

Transformationsgrad

S100

A1

[%]

Gruppe IGruppe IIRegression der Gruppen I und II

S100A1 [%] = f(TG) = 6,740 x TG + 82,85

0

10

20

30

40

50

60

0 100 200 300

S100A1 [%]

Schl

agvo

lum

en [m

l]

Gruppe IRegression der Gruppe I

SV [ml] = f(S100A1) = 0,142 x S100A1[%] + 6,61

Muskuläre Leistungsfähigkeit in Abhängigkeit vom Fasertyp und Transformationsgrad

Typ II

Typ I

Typ I Typ II

0

100

200

300

400

500

600

700

800

-10 0 10 20 30 40 50 60 70 80

Transformationsgrad

S100

A1

[%]

Gruppe IGruppe IIRegression der Gruppen I und II

0

10

20

30

40

50

60

0 100 200 300

S100A1 [%]

Schl

agvo

lum

en [m

l]

Gruppe IRegression der Gruppe I

Fasertyp