Aktive, dreidimensionale Magenverformungen

Experiment und Simulation

Forschungsprojekt (DFG SI841/12-1) in Kooperation mit Prof. Markus Böl (TU-Braunschweig)

Der Magen ist ein zentrales Organ der Wirbeltiere und stellt durch seine extremen Verformungen besondere Anforderungen an das Magengewebe und insbesondere an die aktive glatte Muskulatur. Obwohl eine Vielzahl von Dysfunktionen und damit verbundene Gewebeveränderungen bekannt sind, sind mechanische Untersuchungen im Vergleich zu anderen Organen rar. So ist das Hauptziel dieses Projektes die Erstellung und Validierung eines elektro-chemo-mechanischen Modells des Magens auf Grundlage experimenteller Untersuchungen am Schweinemagen.

Für die Erstellung und Validierung des Magenmodells sind vier Schritte vorgesehen, die eine enge Verflechtung zwischen Experiment und Modellierung aufweisen. Dabei werden die Experimente an Hausschweinen durchgeführt, da Aufbau und Kontraktionsverhalten des Magens bei Mensch und Schwein sehr ähnlich sind. Eine wesentliche Voraussetzung für die Modellentwicklung ist die Methodenentwicklung (I) für die Erfassung der 3D Verformung sowie die Messung der Erregungsausbreitung auf der Magenoberfläche. Basierend auf der von den Antragstellern entwickelten optischen Methode zur 3D Verformungsmessung von Skelettmuskeln soll ein Verfahren zur Bestimmung der Magengeometrie unter Wasser entwickelt werden. Weiterhin werden Oberflächenelektroden zur Messung der Ausbreitung des Aktionspotentials auf der Magenoberfläche entwickelt. In einem ersten experimentellen Schritt werden gezielte Untersuchungen an Gewebestreifen (II) durchgeführt. Um regionale Unterschiede im Magenaufbau zu erfassen, werden die Präparate an definierten Positionen aus der Magenwand entnommen, um so die schichtspezifische Architektur sowie die aktiven und passiven Materialeigenschaften zu bestimmen. Diese Daten werden in einem Zwischenschritt für die Entwicklung und die damit verbundene Parameteridentifikation des elektro-chemo-mechanischen Modells verwendet. Durch aktive und passive Untersuchungen an Gesamtmägen (III) sollen Magenkapazität, Druck-Volumen-Abhängigkeiten, 3D Verformung sowie die Ausbreitung des Aktionspotentials auf der Magenoberfläche bestimmt werden. In einem finalen Arbeitsschritt sollen die zusätzlichen Eingangsdaten aus den Experimenten am Gesamtmagen in die Modellentwicklung und Validierung (IV) eingehen.

Das entwickelte Magenmodell stellt eine Ersatz- und Ergänzungsmethode zu Tierversuchen und, basierend auf der Ähnlichkeit der Human- und Schweineblase, zu Humanstudien dar. Es kann somit in der Zukunft zur Reduktion von Tierversuchen sowie zu einem besseren Verständnis der Magenfunktion beitragen. Perspektivisch (Fortsetzungsphase) soll das Modell für Vorhersagen verschiedener funktioneller Auswirkungen von Gewebeveränderungen (z.B. durch chronische Krankheitsbilder) verwendet werden. Dazu sollen morphologische und mechanische Veränderungen des erkrankten Gewebes experimentell erfasst und in das Modell überführt werden.

Literatur:

Tomalka, A., Borsdorf, M., Bol, M., & Siebert, T. (2017). Porcine Stomach Smooth Muscle Force Depends on History-Effects. Front Physiol, 8, 802. doi:10.3389/fphys.2017.00802 [link]

 

Tomalka, A., Borsdorf, M., Bol, M., & Siebert, T. (2017). Porcine Stomach Smooth Muscle Force Depends on History-Effects. Front Physiol, 8, 802. doi:10.3389/fphys.2017.00802 [link]
Magenstreifen (c)
3D Verformung eines Magenstreifens
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