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Quantification of fiber type differences in human gluteus medius muscle
Quantification of fiber type differences in human gluteus medius muscle
The survival of any human being is only possible with a highly specialized musculoskele- tal system that provides functional independence in terms of day-to-day activities. The importance is underlined by the observation of declining functional abilities through loss of muscle mass and strength in aging people. Physical impairment, and thus declining independence, are major risk factors for adverse health outcomes with higher rates of institutionalization and mortality. Postural instability and falls are feared complications of old people, which are results of low skeletal muscle strength and function, also known as sarcopenia. Changes of skeletal muscle during ageing have already been investigated, nevertheless it is yet unclear, if skeletal muscle differs between sarcopenic and non-sarcopenic patients. To address this question, we took biopsies of the gluteus medius muscle from 20 patients, who underwent surgical intervention due to traumatic proximal femur fractures. We employed immunohistochemical staining methods to reveal specifics of skeletal muscle morphology. Additionally, we estimated physical performance with a questionnaire containing questions regarding activities of the daily living, measured handgrip strength and blood levels of 25-hydroxyvitamin D, thyroid-stimulating hormone, total protein and calcium. We used the definition provided by the European Working Group on Sarcopenia in Older People to divide the study cohort into sarcopenic and non- sarcopenic patients. Results revealed that with increasing age, the cross sectional area of fast-twitching fibers declined, whereas the slow-twitching fibers seemed to be unaf- fected. Also, when compared to relative muscle mass, we could show that lower skeletal muscle mass did not correlate with the skeletal muscle fiber cross-sectional area. The proportion of type I fibers was generally the highest throughout all patients, followed by type IIa fibers and then type IIx fibers. Nevertheless, we could find no age-dependent trend in the proportion of fiber types. Additionally, we analyzed fiber size and proportion between sarcopenic and non-sarcopenic patients, but we could not find any differences. In sum, we found that aging skeletal muscle of our study cohort depicted morpho- logic characteristics concordant to existing literature of different skeletal muscles (e.g. vastus lateralis muscle), but skeletal muscle fibers from gluteus medius muscle of sarcopenic patients were not different in size nor proportion compared to those of non- sarcopenic people. We therefore concluded that sarcopenia was likely not caused by a single mechanism in our study and thus, causes that lead to primary sarcopenia have yet to be elucidated., Das Überleben eines jeden Menschen ist nur mit Hilfe eines hoch spezialisierten muskuloskelettalen Systems möglich, welches funktionale Unabhängigkeit im alltäglichen Leben ermöglicht. Die Bedeutung wird durch die Beobachtung unterstrichen, dass die funk- tionellen Fähigkeiten durch den Verlust von Muskelmasse und -kraft im Alter deutlich abnehmen. Körperliche Einschränkungen und damit die schwindende Unabhängigkeit stellen große Risiken für die Gesundheit dar und erhöhen sowohl die Rate an Kranken- hausaufenthalten als auch die Mortalität. Posturale Instabilität und Stürze sind gefürchtete Komplikationen des Alterns, welche durch den Verlust von Muskelkraft, auch Sarkopenie genannt, bedingt sind. Die Veränderungen von Skelettmuskel im Alter sind bisher in vielen Belangen untersucht worden, dennoch ist bisher wenig darüber bekannt, welche Unterschiede Skelettmuskel sarkopener Patienten im Vergleich mit Skelettmuskel nicht sarkopener Patienten aufweist. Um dieser Frage nachzugehen, sammelten wir Biopsien aus dem Musculus gluteus medius von 20 Patienten, die sich zu dieser Zeit in der Behandlung wegen einer proximalen Femurfraktur befanden. Wir wandten immunhistochemische Färbungen an, um die Morphologie der Skelettmuskulatur zu untersuchen. Zusätzlich bewerteten wir die körperliche Leistungsfähigkeit mittels eines Fragebogens mit Fragen, die auf Aktivitäten des Alltagslebens gerichtet waren, maßen die Handkraft und die Blutwerte von Vitamin D, Thyroid-stimulierendem Hormon, Gesamtprotein und Calcium. Wir benutzten die Definition der European Working Group on Sarcopenia in Older People um die Studi- enkohorte in sarkopene und nicht sarkopene Patienten aufzuteilen. Unsere Ergebnisse zeigten, dass mit steigendem Alter die schnellen Muskelfasern in ihrer Gesamtgröße abnehmen, wobei die langsamen Muskelfasern weniger beeinflusst zu sein scheinen. Im Vergleich zur Muskelmasse der Probanden zeigte sich allerdings, dass die Größe der Muskelfasern nicht mit der Muskelmasse im Zusammenhang steht. Der Anteil an Typ I Fasern an der Gesamtzahl war in allen Biopsien am größten, gefolgt von Typ IIa und danach Typ IIx Fasern. Dennoch konnten wir keinen Zusammenhang zwischen dem Alter und dem Anteil an Muskelfasern erkennen. Zusätzlich untersuchten wir die Größe der Muskelfasern und den Anteil an der Gesamtzahl zwischen sarkopenen und nicht sarkopenen Patienten. Wir konnten allerdings keinen signifikanten Unterschied zwischen den beiden Gruppen feststellen. Schlussendlich konnten wir herausfinden, dass die Größe der schnellen Typ IIa und IIx Muskelfasern mit dem steigenden Alter abnimmt, was im Einklang mit der schon existierenden Literatur bzgl. anderer Muskeltypen wie Musculus vastus lateralis steht. Allerdings konnten wir keinen Unterschied zwischen sarkopenen und nicht sarkopenen Patienten darstellen. Wir schließen daraus, dass die Gründe für Sarkopenie in unserer Kohorte nicht auf eine einzelne Ursache zurückzuführen sind und das die Ursachen für eine solche primäre Sarkopenie weiter untersucht werden müssen.
Aging, Muscle, Sarcopenia, mobility, immunhistochemistry
Bröhl, Felix
2020
English
Universitätsbibliothek der Ludwig-Maximilians-Universität München
Bröhl, Felix (2020): Quantification of fiber type differences in human gluteus medius muscle. Dissertation, LMU München: Faculty of Medicine
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Abstract

The survival of any human being is only possible with a highly specialized musculoskele- tal system that provides functional independence in terms of day-to-day activities. The importance is underlined by the observation of declining functional abilities through loss of muscle mass and strength in aging people. Physical impairment, and thus declining independence, are major risk factors for adverse health outcomes with higher rates of institutionalization and mortality. Postural instability and falls are feared complications of old people, which are results of low skeletal muscle strength and function, also known as sarcopenia. Changes of skeletal muscle during ageing have already been investigated, nevertheless it is yet unclear, if skeletal muscle differs between sarcopenic and non-sarcopenic patients. To address this question, we took biopsies of the gluteus medius muscle from 20 patients, who underwent surgical intervention due to traumatic proximal femur fractures. We employed immunohistochemical staining methods to reveal specifics of skeletal muscle morphology. Additionally, we estimated physical performance with a questionnaire containing questions regarding activities of the daily living, measured handgrip strength and blood levels of 25-hydroxyvitamin D, thyroid-stimulating hormone, total protein and calcium. We used the definition provided by the European Working Group on Sarcopenia in Older People to divide the study cohort into sarcopenic and non- sarcopenic patients. Results revealed that with increasing age, the cross sectional area of fast-twitching fibers declined, whereas the slow-twitching fibers seemed to be unaf- fected. Also, when compared to relative muscle mass, we could show that lower skeletal muscle mass did not correlate with the skeletal muscle fiber cross-sectional area. The proportion of type I fibers was generally the highest throughout all patients, followed by type IIa fibers and then type IIx fibers. Nevertheless, we could find no age-dependent trend in the proportion of fiber types. Additionally, we analyzed fiber size and proportion between sarcopenic and non-sarcopenic patients, but we could not find any differences. In sum, we found that aging skeletal muscle of our study cohort depicted morpho- logic characteristics concordant to existing literature of different skeletal muscles (e.g. vastus lateralis muscle), but skeletal muscle fibers from gluteus medius muscle of sarcopenic patients were not different in size nor proportion compared to those of non- sarcopenic people. We therefore concluded that sarcopenia was likely not caused by a single mechanism in our study and thus, causes that lead to primary sarcopenia have yet to be elucidated.

Abstract

Das Überleben eines jeden Menschen ist nur mit Hilfe eines hoch spezialisierten muskuloskelettalen Systems möglich, welches funktionale Unabhängigkeit im alltäglichen Leben ermöglicht. Die Bedeutung wird durch die Beobachtung unterstrichen, dass die funk- tionellen Fähigkeiten durch den Verlust von Muskelmasse und -kraft im Alter deutlich abnehmen. Körperliche Einschränkungen und damit die schwindende Unabhängigkeit stellen große Risiken für die Gesundheit dar und erhöhen sowohl die Rate an Kranken- hausaufenthalten als auch die Mortalität. Posturale Instabilität und Stürze sind gefürchtete Komplikationen des Alterns, welche durch den Verlust von Muskelkraft, auch Sarkopenie genannt, bedingt sind. Die Veränderungen von Skelettmuskel im Alter sind bisher in vielen Belangen untersucht worden, dennoch ist bisher wenig darüber bekannt, welche Unterschiede Skelettmuskel sarkopener Patienten im Vergleich mit Skelettmuskel nicht sarkopener Patienten aufweist. Um dieser Frage nachzugehen, sammelten wir Biopsien aus dem Musculus gluteus medius von 20 Patienten, die sich zu dieser Zeit in der Behandlung wegen einer proximalen Femurfraktur befanden. Wir wandten immunhistochemische Färbungen an, um die Morphologie der Skelettmuskulatur zu untersuchen. Zusätzlich bewerteten wir die körperliche Leistungsfähigkeit mittels eines Fragebogens mit Fragen, die auf Aktivitäten des Alltagslebens gerichtet waren, maßen die Handkraft und die Blutwerte von Vitamin D, Thyroid-stimulierendem Hormon, Gesamtprotein und Calcium. Wir benutzten die Definition der European Working Group on Sarcopenia in Older People um die Studi- enkohorte in sarkopene und nicht sarkopene Patienten aufzuteilen. Unsere Ergebnisse zeigten, dass mit steigendem Alter die schnellen Muskelfasern in ihrer Gesamtgröße abnehmen, wobei die langsamen Muskelfasern weniger beeinflusst zu sein scheinen. Im Vergleich zur Muskelmasse der Probanden zeigte sich allerdings, dass die Größe der Muskelfasern nicht mit der Muskelmasse im Zusammenhang steht. Der Anteil an Typ I Fasern an der Gesamtzahl war in allen Biopsien am größten, gefolgt von Typ IIa und danach Typ IIx Fasern. Dennoch konnten wir keinen Zusammenhang zwischen dem Alter und dem Anteil an Muskelfasern erkennen. Zusätzlich untersuchten wir die Größe der Muskelfasern und den Anteil an der Gesamtzahl zwischen sarkopenen und nicht sarkopenen Patienten. Wir konnten allerdings keinen signifikanten Unterschied zwischen den beiden Gruppen feststellen. Schlussendlich konnten wir herausfinden, dass die Größe der schnellen Typ IIa und IIx Muskelfasern mit dem steigenden Alter abnimmt, was im Einklang mit der schon existierenden Literatur bzgl. anderer Muskeltypen wie Musculus vastus lateralis steht. Allerdings konnten wir keinen Unterschied zwischen sarkopenen und nicht sarkopenen Patienten darstellen. Wir schließen daraus, dass die Gründe für Sarkopenie in unserer Kohorte nicht auf eine einzelne Ursache zurückzuführen sind und das die Ursachen für eine solche primäre Sarkopenie weiter untersucht werden müssen.