Zusammenfassung
Die balancierte und reziproke adaptive Interaktion zwischen Muskel und Knochen ist
essenziell für die Fortbewegung von Organismen und die Erhaltung ihrer stabilen Form
unter Vermeidung von Frakturen und Verletzungen. Muskeln erzeugen durch Kontraktion
physikalische Kräfte, die auf die Muskulatur selbst und auf das stabilisierende Skelett
wirken. Das Kraftniveau wird von der Gravitation und der Masse des eigenen Organismus
bestimmt. Steigerung der Kräfte und Wiederholung der Reize haben anabole Wirkung,
Immobilisation und Simulation von Mikro-Gravitation führen zum Verlust von Muskel
und Knochen. Die Einwirkung physikalischer Kräfte auf Zellen wird in biochemische
Signale umgesetzt und generiert biologische Effekte. Die molekularen Mechanismen des
Mechanosensing und der Mechanotransduktion sind in den letzten 2–3 Dekaden sehr intensiv
erforscht worden. Dehnung, Kompression und Flüssigkeitsströmung verursachen über Verbindungen
durch Adhäsionsmoleküle an die Extrazellulärmatrix und zwischen den Zellen sowie über
das Primäre Zilium eine „Second-messenger“-Aktivierung wie Kalzium-Einstrom, cAMP-
und cGMP-Produktion und Aktivierung von Rezeptoren und Kinasen. Im Gefolge werden
Transkriptionsfaktoren nukleotrop, die dann an DNA-responsive Steuerelemente binden
und Transkription modulieren. Die Änderungen des Proteoms der Zelle führen zur vermehrten
Bildung von Strukturproteinen zur Verstärkung des Zytoskeletts und der Zell-Zell-Adhäsion,
sodass sich die Steifigkeit und die Rückstellkraft der Zelle und des Gewebes auf ein
höheres Kraftniveau einstellen, ohne durch Ruptur oder Fraktur Schaden zu nehmen.
Neben der physikalischen Interaktion durch die Kräfte des Muskels werden auch über
Sekretionsprodukte von Muskel und Knochen Informationen ausgetauscht. Die Sekretionsprodukte
initiieren und regulieren mit großen Überlappungen in ihrer Funktion die interaktive
Adaptation und Regeneration in beiden Geweben. Neben der tonischen Produktion von
Proteinen mit einer sekretorischen Sequenz können beide Gewebe auch auf mechanische
Reize hin Vesikel abgeben, die als Fracht präsynthetisierte Rezeptoren, Wachstums-
und Differenzierungsfaktoren und orchestrierende miRNAs transportieren können. Da
weder Knochen noch Muskel echte endokrine Vesikel bilden können, werden Exosomen in
die Zirkulation abgegeben. Ein auslösender Reiz dafür ist ein Kalzium-Einstrom als
Folge von mechanischer Stimulation/Trainingsaktivität. Mit zunehmendem Wissen ergibt
sich hier ein Bild der unerwartet intensiven Auswirkung mechanischer Kräfte auf die
Zellbiologie und Biochemie von Geweben. Wir beginnen gerade, diese Auswirkungen in
der Physiologie zu verstehen, während wir im Verständnis der Störungen einer gesunden
Adaptation, z. B. im Sinne von Überlastung oder Trainingsresistenz, besonders bei
chronischen Erkrankungen wie Osteoporose und Arthrose noch sehr am Anfang stehen.
Abstract
Balanced and reciprocal adaptive interaction between muscle and bone is essential
for locomotion and for the maintenance of integrity of the organism in order to avoid
ruptures and fractures. Contracting muscles produce physical forces that influence
both the musculature itself and the stabilizing skeleton. Gravity and body mass define
the power of forces. Escalation of power and repetitions of physical stimuli lead
to anabolic effects in both tissues while immobilization, disuse and simulation of
micro-gravity produce muscle and bone loss. The impact of physical strain on cells
is translated into biochemical signals and generates biological effects. During the
last 2–3 decades, the molecular mechanisms of mechanosensing and mechanotransduction
have been intensely explored. Stretching, compression and fluid flow respectively
set strain on adhesion molecules between cells and the extracellular matrix as well
as on cell-cell interactions, thereby causing cell deformations and activation of
calcium influx, cAMP and cGMP production and activation of kinases. In consequence,
transcription factors acquire nucleotropy, bind to DNA-response elements and modulate
transcription. Consecutive changes in the proteome result in enhanced production of
structural proteins to fortify the architecture of the cytoskeleton and of cell adhesion.
This enhances the stiffness and viscoelasticity of both the cell and the tissue composition
in order to adapt to the higher level of power without injury. Besides the mere physical
interaction through muscle forces both tissues also exchange information via secretory
products of both muscle and bone. These products initiate and regulate interactive
adaptation and regeneration with a great deal of functional overlap between tissues.
Besides a tonic secretion of polypeptides with secretory domains, both tissues are
also capable of secreting vesicles upon exercise that transport pre-synthesized receptors,
growth and differentiation factors and miRNAs as a cargo. Since neither of both tissues
is capable of producing true endocrine vesicles, they deliver exosomes into the circulation.
One adequate stimulus for exosome delivery is calcium influx upon mechanical strain
or exercise, respectively. With our steadily increasing knowledge, the evolving picture
is an unexpectedly strong influence of mechanical forces on cellular biochemistry
and cell biology of tissues. While we just begin to understand the physiology of mechanosensing
and mechanotransduction as perfect tools for adaptation to environmental needs, our
knowledge about the impact of alterations in this field, e. g. overload and exercise
resistance, on chronic diseases like osteoporosis and osteoarthritis is still in its
infancy.
Schlüsselwörter
Mechanotransduktion - Mechanobiologie - Bewegung - Training - Osteoporose - Sarkopenie
Key words
Mechanotransduction - mechanobiology - locomotion - exercise - osteoporosis - sarcopenia
