14‐3‐2014
De invloed van (bindweefsel en) littekenweefsel op de mechanische werking van skeletspieren
Huub Maas
Boodschap • Littekenweefsel gevormd na beschadiging van spier‐ of peesweefsel verandert de mechanische spier of peesweefsel verandert de mechanische eigenschappen van de myofasciale paden voor krachttransmissie. Mechanische spiereigenschappen p g pp Mechanisch effect op gewricht F‐myofasciaal F‐origo
F‐insertie
1
14‐3‐2014
Spier skelet krachttransmissie • Traditionele beeld: – Kracht gegenereerd in sarcomeren, in sarcomeren
Spier skelet krachttransmissie • Traditionele beeld: – Kracht gegenereerd in sarcomeren, in sarcomeren – komt via de sarcomeren in serie, de myotendineuze junctie,
2
14‐3‐2014
Spier skelet krachttransmissie • Traditionele beeld: – Kracht gegenereert in sarcomeren, in sarcomeren – komt via de sarcomeren in serie, de myotendineuze junctie, – en de pees op het skelet terecht. ‘Spieren als onafhankelijke actuatoren’
Biomechanische modellen • Spieren als onafhankelijke actuatoren
Schoudermodel Veeger
Open Simm model onderste extremiteiten
3
14‐3‐2014
Marionet of Trekpop?
Marionet of Trekpop?
4
14‐3‐2014
Opdracht in tweetallen • Lengte van beide elastieken? in beide uiteinden? uiteinden? • Kracht in beide
Rechterhand Persoon B
Linkerhand Persoon A
Rechterhand Persoon A
Linkerhand Persoon B
5
14‐3‐2014
• Lengte van beide elastieken? • Kracht in beide uiteinden?
• Lengte? • Kracht?
6
14‐3‐2014
• Lengte? • Kracht?
Metingen aan echte spieren
F1 = F2
F1
F1
F2
F2
7
14‐3‐2014
Bindweefselverbindingen • In het lichaam worden spieren omgeven door en zijn verbonden met andere spieren en bindweefselstructuren. • Ervaringen snijzaal? EDL
Bindweefselverbindingen • In het lichaam, worden spieren omgeven door en zijn verbonden met andere spieren en bindweefselstructuren.
• Kunnen deze myofasciale verbindingen kracht doorgeleiden?
JA Spiergroep
Krachtopnemer Origo
Krachtopnemer Insertie
8
14‐3‐2014
Kracht uitgeoefend op de origo is niet altijd gelijk aan de kracht uitgeoefend op de insertie van dezelfde spier.
Kracht op pees (N) 2.0
Insertie
1.6
1.2
Origo
0.8
0.4 0
1
2
3
4
5
6
7
positie spier (mm)
Er moet kracht vanuit de spier op het skelet terecht zijn gekomen zonder dat het de origo of insertie van de spier gepaseert heeft.
Epimusculaire myofasciale krachttransmissie
Prof. dr. Peter A. Huijing
9
14‐3‐2014
Spier skelet krachttransmissie • Kracht gegenereerd in een spier kan via twee verschillende paden naar het skelet worden doorgeleid: 1. Via de origo en insertie van de spier 2. Via epimusculaire myofasciale verbindingen
F‐myofasciaal F‐origo
F‐insertie
Hoe belangrijk is epimusculaire myofasciale krachttransmissie?
10
14‐3‐2014
Vragen?
Littekenweefsel • … bindweefsel gevormd als reactie op het beschadigen van bepaalde weefsels beschadigen van bepaalde weefsels. • Bestaat uit collageen, maar – andere samenstelling (meer type III collageen) – andere oriëntatie van collageenvezels andere oriëntatie van collageenvezels – minder ‘cross‐linking’
• ‘Inferieure kwaliteit’
11
14‐3‐2014
Dynamiek v/h menselijk bindweefsel • Jan Jaap de Morree
Littekenweefsel • Huidletsel
• Na spier‐ en peesblessures
• Na chirurgische ingrepen
12
14‐3‐2014
Peestransposities • Doel: verbeteren van loopvaardigheid of functie van bovenste extremiteiten functie van bovenste extremiteiten. • Patiëntgroepen: – Cerebrale parese Smeulders & Kreulen
Gage et al. (2009)
Peestransposities • Doel: verbeteren van loopvaardigheid of functie van bovenste extremiteiten functie van bovenste extremiteiten. • Patiëntgroepen: – Cerebrale parese – Perifere zenuwletsels Perifere zenuwletsels n. radialis letsel
– Tetraplegie – Obstetrisch plexus brachialis letsel
13
14‐3‐2014
Peestransposities • Operatie voor spier‐peesomlegging: – Open maken van compartiment (fasciotomie) Open maken van compartiment (fasciotomie) – Losmaken insertiepees van skelet – Vrijprepareren pees en (deel van) spierbuik gg p p p – Omleggen van spier‐pees complex – Pees vastzetten aan skelet op andere locatie
Sanghavi (2006)
Smeulders & Kreulen
Peestransposities • Succes operatie – Patiënttevredenheid redelijk hoog (50 Patiënttevredenheid redelijk hoog (50‐70%) 70%) – Functionele verbetering (ADL)
• Maar … – Correlatie X Correlatie X – Onverwachte uitkomsten – Grote interindividuele verschillen
14
14‐3‐2014
Onderzoek effecten peestransposities • Doel: bepaling van krachttransmissie via myotendineuze en myofasciale paden na een en myofasciale paden na een peestranspositie. • Hypothese: adaptaties van bindweefsel rondom de getransponeerde spier met gevolgen voor de getransponeerde spier met gevolgen voor krachttransmissie van spiervezel naar het skelet.
Waarom proefdieronderzoek? • Beperkte mogelijkheden van patiënt onderzoek. – Grote verschillen in aandoening. Grote verschillen in aandoening – Bestuderen effect enkele ingreep. – Metingen spiereigenschappen na de operatie. – Differentiatie tussen mechanische and neurale eigenschappen. – Spier‐skeletmodellen niet geschikt.
15
14‐3‐2014
Overzicht protocol • FCU‐naar‐ECRB/L peestranspositie – FCU: m. flexor carpi FCU fl i ulnaris l i (polsbuiger) ( lb i ) – ECRB/L: m. extensor carpi radialis brevis and longus (polsstrekker)
Wistar rat
FCU‐naar‐ECRB/L peestranspositie FCU FCU ECRB/L
– FCU: m. flexor carpi ulnaris (polsbuiger) – ECRB/L: m. extensor carpi radialis brevis and longus (polsstrekker)
16
14‐3‐2014
Overzicht protocol • FCU‐naar‐ECRB/L peestranspositie • Vijf weken na de operatie: de operatie: – Mechanisch effect van FCU op pols? (Biomechanisch doel) – Effect littekenweefsel Effect littekenweefsel op krachttransmissie? op krachttransmissie? 5 weken rat ~ 2.5 jaar mens
Gewrichtsmoment FCU Extensie Klem op humerus p
Krachtopnemer Maas et al. (2013)
17
14‐3‐2014
Gewrichtsmoment FCU
Intramusculaire stimulatie van FCU
Klem op humerus Extensie
Kevlar draad naar krachtopnemer
Verschillende polshoeken
Maas & Huijing (2012)
Mechanisch effect FCU Controle groep CO #1
Na peestranspositie
Actief Polsmoment (mNm)
Actief Polsmoment (mNm)
CO #2
TT #1
CO #3
Flexie
CO #4 CO #5
TT #3
3
TT #5
2
Flexie
‐30
‐20
0 ‐10 0 10 Polshoek (deg.)
1 Extensie
Flexie
‐50
1
‐40
2
TT #4
CO #6
‐50
Flexie
TT #2
4
0 ‐25
0
25 50 ( ) Polshoek (deg.)
‐1 20
30
Extensie
‐2 Extensie
Maas & Huijing (2012)
18
14‐3‐2014
Onverwachte uitkomsten • Biomechanisch doel: verandering mechanisch effect van spier (bijv m rectus femoris). effect van spier (bijv. m. rectus femoris)
Kniestrekker
Kniebuiger
Onverwachte uitkomsten • Operatie omlegging m. rectus femoris (RF) naar in kinderen met cerebrale parese kniebuigers in kinderen met cerebrale parese. • Doel: verbetering knieflexie tijdens lopen.
Asakawa et al. (2004)
Riewald and Delp (1997)
19
14‐3‐2014
Onverwachte uitkomsten • Mechanisch effect stimulatie RF: kniestrekking • Model simulatie RF transpositie: kniebuiging Model simulatie RF transpositie: kniebuiging
Fox et al. (2009)
Riewald and Delp (1997)
Conclusies • Mechanische effect van getransponeerde FCU: Actief Polsmoment (mNm) TT #1
flexie en extensie moment. moment
Flexie
TT #2 TT #3
2
TT #4 TT #5
1 Extensie
Flexie
‐50
0 ‐25
0 ‐1
• Niet alle kracht uit FCU spiervezels
25 50 Polshoek (deg.)
‐2 Extensie
wordt doorgeleid naar de nieuwe insertie. F‐myofasciaal
Myofasciale krachttransmissie Via littekenweefsel?
F‐origo
F‐insertie
20
14‐3‐2014
Myofasciale krachttransmissie
F proximaal
distaal
F
V k Voorkeur k h krachtransmissie i i naar uiteinden meest verlengde spieren. Maas and Sandercock (2010)
FCU Extensoren Flexoren
A Pols A. P l gebogen b Extensie moment
B Neutrale B. N t l stand t d
C Pols C. P l gestrekt t kt Flexie moment
Maas & Huijing (2012)
21
14‐3‐2014
Krachtransmissie naar insertie? Drie condities: Stimulatie n. ulnaris
1. Minimale dissectie
en n. medianus
2. Pees vrijgeprepareerd 3. Spierbuik vrijgeprepareerd
Getransponeerde FCU
Klem op humerus
Hand H d Verschillende lengten FCU (m+t) Distale pees FCU verbonden met krachtopnemer
Maas & Huijing (2012)
Lengte‐kracht eigenschappen • Isometrische, tetanische contracties op verschillende spier spier‐pees pees complex lengten complex lengten Kracht (N)
Totale kracht
Kracht (N) 4
3
Actieve kracht = Totale kracht – Passieve kracht
2
Passive Total
Passieve kracht
Active
1
0 0
Tijd (ms)
1
2
3
4
5
6
Lengteverandering spier‐pees complex (mm)
22
14‐3‐2014
Effecten dissectie Active force - control FCU (N)
Passive force - control FCU (N) 0.12
4
Minimal disruption 0.10
Tendon dissected
3
Muscle bellyy dissected
0 08 0.08
32%
0.06
18%
2
0.04 1 0.02
N = 5 -1
0
1
2
3
4
5
6
N = 5
0
0.00
-1
7
0
1
2
3
4
5
6
7
lm+t FCU (mm)
lm+t FCU (mm)
Ook de lengte‐kracht eigenschappen van gezonde spieren worden beïnvloed door verbindingen met omliggende structuren.
Effecten dissectie Active force - control FCU (N)
Passive force - control FCU (N) 0.12
4
Minimal disruption 0.10
Tendon dissected 3
Muscle bellyy dissected
0 08 0.08
32%
0.06
18%
2
0.04 1 0.02
N = 5 -1
0
1
2
3
4
5
6
N = 5
0
0.00 7
-1
0
1
2
3
4
5
6
7
lm+t FCU (mm)
lm+t FCU (mm)
Active Force - transferred FCU (N)
Passive Force - transferred FCU (N) 0.12
2.4
0.10
2.0 1.6
0.08
69% 0.06
1.2
0.04
0.8
0.02
0.4
67%
N = 7
0.00
N = 7 0.0
-1
0
1
2
lm+t FCU (mm)
3
4
-1
0
1 2 lm+t FCU (mm)
3
4
23
14‐3‐2014
Myofasciale krachttransmissie Active Force - transferred FCU (N) 2.4
Drie condities:
2.0 1.6
1. Minimale dissectie
1.2
2. Pees vrijgeprepareerd
0.8 0.4
3. Spierbuik vrijgeprepareerd
0.0 -1
0
1 2 lm+t FCU (mm)
3
4
Fepimusculair (netto distale belasting) Proximaal
Naar de pols
3 Fa,distaal = 0 N, l m+t = 0 mm
FCU 2 Proximaal
Naar de pols
Fepitendineus (netto distale belasting)
Conclusies •
Stijve verbindingen tussen getransponeerde spier en omliggende en omliggende structuren. structuren
Hand Hand Distale pezen van de getransponeerde FCU (voorheen de insertie van ECRB/L)
24
14‐3‐2014
Onverwachte uitkomsten • Mechanisch effect stimulatie RF: kniestrekking • Model simulatie RF transpositie: kniebuiging Model simulatie RF transpositie: kniebuiging
Fox et al. (2009)
Myofasciale krachttransmissie Via littekenweefsel?
Riewald and Delp (1997)
Onverwachte uitkomsten • MRI beelden na peestranspositie
• Littekenweefsel Gold et al. (2004)
25
14‐3‐2014
Conclusies •
Stijve verbindingen tussen getransponeerde spier en omliggende en omliggende structuren. structuren
•
Niet alle kracht uit spiervezels wordt doorgeleid naar de nieuwe insertie. Proximaal
Naar de pols
FCU
Naar nieuwe insertie
Proximaal
Naar de pols
Conclusies • Het mechanisch effect spier na transpositie kan de hand van zijn niet voorspeld worden aan de hand van zijn nieuwe insertie en ligging spier‐pees complex.
Fox et al. (2009)
Smeulders & Kreulen
26
14‐3‐2014
Conclusies • Het mechanisch effect spier na transpositie kan niet voorspeld worden aan de hand van zijn de hand van zijn nieuwe insertie en ligging spier‐pees complex. Littekenweefsel heeft effect op:
• –
Gewrichtsmoment Active Force - transferred FCU (N) 2.4 2.0
–
Lengte‐kracht eigenschappen
1.6 1.2 0.8 0.4 0.0 -1
0
1 2 lm+t FCU (mm)
3
4
Take home • Littekenweefsel gevormd na beschadiging van spier‐ of peesweefsel veranderd de mechanische spier of peesweefsel veranderd de mechanische eigenschappen van de myofasciale paden voor krachttransmissie. Mechanische spiereigenschappen p g pp Mechanisch effect op gewricht F‐myofasciaal F‐origo
F‐insertie
27
14‐3‐2014
Vragen?
Bedankt!
Peter Huijing Guus Baan
Marco Ritt
Subsidies ‐ Marie Curie International Reintegration Grant MIRG‐CT‐2007‐203846, 7th European Community Framework Programme ‐ Vidi Vernieuwingsimpuls, Nederlandse Organisatie voor Wetenschappelijk Onderzoek (NWO)
28
14‐3‐2014
Referenties −
Maas H, Baan GC, Huijing PA (2013). Dissection of a single rat muscle‐tendon complex changes joint moments exerted by neighboring muscles: implications for invasive surgical interventions. PLOS ONE. 8: e73510.
−
Van Alphen NA, Van Doorn‐Loogman MH, Maas H, Van Der Sluijs JA, Ritt MJPF (2013) Restoring Wrist Extension in Obstetric Brachial Plexus Palsy Using Direct Flexor to Extensor Tendon Transfer. J. Ped. Rehab. Med. 6: 53‐57.
−
Maas H, Huijing PA (2011). Myofascial force transmission between transferred rat flexor carpi ulnaris muscle and former synergistic palmaris longus muscle. Muscles, Ligaments & Tendons J. 1: 126‐132 (published in 2012).
−
Maas H, Huijing PA (2012). The mechanical effect of rat flexor carpi ulnaris muscle after tendon transfer: does it generate a wrist extension moment? J. Appl. Physiol. 112: 607‐614.
−
Maas H, Huijing PA (2012). Effects of tendon and muscle belly dissection on muscular force transmission following tendon transfer in the rat. J. Biomech. 45: 289‐296.
−
Maas H Sandercock TG (2010) Force transmission between synergistic skeletal muscles through connective tissue Maas H, Sandercock TG (2010). Force transmission between synergistic skeletal muscles through connective tissue linkages. J. Biomed. Biotech. Article ID 575672, 9 pages, doi:10.1155/2010/575672.
−
Sandercock TG, Maas H (2009). Force Summation Between Muscles: Are muscles independent actuators? Med.
−
Maas H (2009). Mechanical interactions between skeletal muscles. In: Advances in Neuromuscular Physiology of
Sci. Sports Exerc. 41: 184‐190.
Motor Skills and Muscle Fatigue (Chapter 14), Ed. Minoru Shinohara. Research Signpost, Kerala, India. Invited book chapter. pp 285‐302.
29
