Forschung Erleben

Kleiner Muskel, große Wirkung

Wissenschaftler arbeiten an 3D-Modellen der Harnblase.

Ein Team der Universität Stuttgart erforscht die bislang kaum bekannte Muskelphysiologie von Harnblase und Magen. Ziel sind 3D-Modelle für ein besseres Verständnis der Funktionsweisen und Erkrankungen dieser Organe.

Zu behaupten, die Harnblase genieße in der Medizinforschung einen ähnlichen Stellenwert wie etwa das Herz oder das Gehirn, wäre glatt gelogen. Dabei ist die weitgehende Missachtung dieses kleinen Hohlorgans vollkommen ungerechtfertigt, denn die Blase ist für den Menschen und überhaupt alle Wirbeltiere lebensnotwendig. Ist sie in ihrer Funktion eingeschränkt, drohen schwerwiegende Folgen. Dass vor allem die muskuläre Außen-hülle der Blase in ihrer Funktionsweise noch weitgehend un-verstanden ist, macht sie für Prof. Tobias Siebert, Dr. André Tomalka und Mischa Borsdorf vom Institut für Sport­ und Be-wegungswissenschaft der Universität Stuttgart (INSPO) zu einem sehr lohnenden Forschungsobjekt. Sie arbeiten seit 2014 daran, die Blase und mit ihr verbundene Krankheiten und Defekte besser zu verstehen

Das Gewebe von Schweineblasen hat große strukturelle und funktionelle Ähnlichkeit mit der menschlichen Blase. Die Forscher reizen das Muskelgewebe über elektrische Impulse, vermessen deren Ausbreitung und die Verformung des Muskels. (c) Universität Stuttgart/Max Kovalenko
Das Gewebe von Schweineblasen hat große strukturelle und funktionelle Ähnlichkeit mit der menschlichen Blase. Die Forscher reizen das Muskelgewebe über elektrische Impulse, vermessen deren Ausbreitung und die Verformung des Muskels.

Faszinierendes Forschungsobjekt

Entleert ist die Harnblase eines erwachsenen Menschen kaum größer als eine Kinderfaust, allerdings kann sie ihr Volumen um mehrere Hundert Prozent vergrößern und bis zu einem Liter Urin aufnehmen. Dann ist sie nicht etwa kugelrund, sondern eher birnenförmig. „Das Tolle an der Blase ist: Sie kann über das gesamte Volumenspektrum hinweg immer Druck erzeugen“, erklärt Siebert. Das allein macht sie für die Stuttgarter Muskelphysiologen schon faszinierend. Was jedoch geschieht, wenn die Blase erkrankt oder infolge einer Erkrankung oder einer Operation vernarbt, steht im Mittelpunkt eines von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) geförderten Forschungsprojekts in Kooperation mit Prof. Markus Böl von der TU Braunschweig.

Blase und Magen im digitalen Modell

Ziel dieser Untersuchungen ist ein dreidimensionales, elektro­chemisch­mechanisches Digitalmodell der Blase. Auf dem Weg dahin wird erforscht, wie die Kontraktionen des Hohlorgans aus glatter Muskulatur genau funktionieren und wie sich zum Beispiel Narbengewebe auf den Muskel auswirkt. Parallel arbeiten die Wissenschaftler in Stuttgart an einem vergleichbaren Modell des Magens, dessen äußere Muskelhülle mit ihren unterschiedlichen Regionen noch ähnlich unerforscht ist wie die der Blase. Im Vergleich zur Harnblase ist der Magen allerdings nochmals deutlich komplexer aufgebaut, weil die verschiedenen Regionen des Organs jeweils andere Aufgaben übernehmen. Daher müssen die Muskelschichten des Magens auch unterschiedlich arbeiten.

Experimentell extrem aufwendig: Prof. Tobias Siebert (rechts) und sein Team wollen sichtbar machen, wie sich ein Impuls im glatten Muskelgewebe ausbreitet. (c) Universität Stuttgart/Max Kovalenko
Experimentell extrem aufwendig: Prof. Tobias Siebert (rechts) und sein Team wollen sichtbar machen, wie sich ein Impuls im glatten Muskelgewebe ausbreitet.

Datensätze für Modelle

„Es gibt im Moment noch keine Modelle, die Magen oder Blase als Gesamtorgan realistisch abbilden“, erklärt Siebert. Solche Modelle am Computer zu generieren, wird das Ziel der Zusammenarbeit von Prof. Siebert und Prof. Böl sein. Zuvor jedoch müssen die notwendigen Daten erst einmal erarbeitet werden – und das ist echte Grundlagenforschung. „Für ein komplettes Modell benötigen wir auch den kompletten Datensatz, der nicht aus bereits erfolgten Untersuchungen von Nager­Blasen übertragbar ist“, so Siebert.
Wir versuchen, die Muskeleigenschaften von Blase und Magen in verschiedenen Regionen zu bestimmen“, erklärt Siebert. Daher arbeiten die Wissenschaftler in diesem Stadium mit Streifen aus dem Muskelgewebe von Schweineblasen, die sie aus Schlachtabfällen gewinnen. Sie reizen das Gewebe, das eine große strukturelle und funktionelle Ähnlichkeit mit der menschlichen Blase hat, über elektrische Impulse, vermessen deren Ausbreitung und die Verformung des Muskels. Aus solchen Experimenten setzen die Stuttgarter Forscher Stück für Stück den Datensatz des gesamten Organs zusammen.

Neuland für Forscher

Dabei betritt das Team Neuland, weil es erstmals sichtbar machen will, wie sich ein Muskelimpuls im Gewebe ausbreitet. Anders als bei Skelettmuskeln, bei denen Muskelfasern gezielt über Nerven aktiviert werden, erfolgt die Erregungsausbreitung beim glatten Muskel quasi wellenförmig von Zelle zu Zelle. „All das ist experimentell extrem aufwendig“, betonen die Wissenschaftler, zumal das Versuchsgewebe nur etwa zwölf Stunden am Leben gehalten werden kann.

Hocheffiziente Muskelarbeit verstehen

Wenn die Modelle für Blase und Magen funktionieren, und davon sind die Forscher fest überzeugt, können sie dazu beitragen, Tierversuche zu reduzieren und zu ersetzen. Die Modelle sollen schließlich so präzise und detailliert arbeiten, dass am Rechner Krankheiten erforscht, Operationen und ihre Auswirkungen geplant oder neue Therapiemethoden entwickelt werden können.

 (c) Universität Stuttgart/Max Kovalenko

Eine dieser Erkrankungen ist die bislang unheilbare Interstitielle Zystitis (IC), eine Sonderform der Blasenentzündung, die vor allem Frauen mittleren Alters trifft und zu gravierenden Einschränkungen der Lebensqualität führt. IC geht durch Entzündungen mit Vernarbungen der Blasenwand einher, was ihre mechanischen Eigenschaften stark verändert. Zudem haben die Forscher allgemeine Grundlagen der Muskelphysiologie im Blick. Das Grundprinzip der Muskulatur, so Siebert, sei zwar über 500 Millionen Jahre alt und in allen Muskeln zu finden. Noch sei aber unklar, wie genau die Muskelexzentrik funktioniere. Dabei ist die exzentrische Bewegung, bei der beispielsweise Skelettmuskeln für die Kontraktion „aufgeladen“ werden, ein wichtiger Baustein der hocheffizienten Muskelarbeit von Wirbeltieren. „Wir versuchen diese Funktionsweise jetzt ansatzweise zu verstehen“, sagt Siebert.

Insgesamt laufen im Team von Prof. Siebert aktuell fünf DFG-Projekte im Bereich Muskelphysiologie und Muskelmodellierung. Daneben wollen die Wissenschaftler auch der Frage der sogenannten Geschichtsabhängigkeit der Muskelkraft nachgehen. Dieses im Fachbegriff als „Force Enhancement“ bekannte Phänomen beschreibt die Kraftpotenzierung eines Muskels während exzentrischer Bewegungen. Noch ist unklar, ob dieses Phänomen auch in Blase und Magen wirkt.

Jens Eber

Prof. Dr. Tobias Siebert (Universität Stuttgart)

Dr. André Tomalka (Universität Stuttgart)

Mischa Borsdorf, M.A. (Universität Stuttgart)

Prof. Dr. Markus Böl (TU Braunschweig)

Dieses Bild zeigt Mayer-Grenu
 

Andrea Mayer-Grenu

Wissenschaftsreferentin; Forschungspublikationen