The skeletal muscle fibers show a great functional eterogeneity regarding the parameters of the contractile response, the metabolic pathways involved in the generation of the ATP, the resistance to fatigue. This functional heterogeneity is the base of the ability of the skeletal muscles to respond to very diversified functional demands such as the maintenance of the posture for long time with low energy expenditure or the generation of fast and powerful movements. Fibers with the most suitable characteristics can be recruited in different situations. The specialization of the fibers is not permanent, as the fibers show a plasticity or malleability, they can modify their functional or structural properties to better respond to the functional demands. Therefore adult skeletal muscle is a highly malleable tissue which can respond positively to pharmacological, environmental, and mechanical stimuli with remarkable adaptations. In this work we investigated how single muscle fibers change their properties, altering both mechanical and morphological parameters such as isometric tension (Po), cross sectional area (CSA), and molecular aspects regarding MHC isoforms switchs and fiber type transitions. For this purpose our work presents three distinct tasks that correspond to three different stimuli induced in skeletal human muscle to characterize plasticity changes at single muscle fiber level. - The first purpose was to identify the impairment at single muscle fiber level with regard to age and, specifically, with regard to sarcopenia, associated with progressive loss of keletal muscle mass and strength. In view of contrasting results present in several studies about this focus, we compared three groups of healthy subjects divided according to their age: the young-adult group, the middle-age group and the elderly group. The following parameters were determined in single muscle fibres and compared in the three groups: isometric tension (Po), cross sectional area (CSA), and myosin content. - In the second step of this work we have investigated the effects of resistance traning at single muscle fiber level. Strength or resistance training is frequently used to improve muscle mass and performance. Although there are many studies on the relation between training protocols and fibre adaptations in lower limb muscles, there are relatively few data available on changes of fibre type, size and performance in upper limb muscles. This study aimed to analyse at muscle fibre level the effect strength training of shoulder muscles in 18 healthy subjects (9 men and 9 women) who trained three times a week for 2 months. These subjects were further divided in 2 groups assuming different amount of proteins. Single muscle fibres were dissected from biopsy samples and subject to mechanical and molecular analysis as above described. Finally in the last part of the study we considered the effect of training performed at high altitude. In this study we examined single muscle fibres taken from biopsy of seven male volunteers before and upon the return from the Himalayan Expedition during which they were chronically exposed to high altitude environment living spending about 30 days above 5000 m. Single muscle fibres were subject to mechanical and molecular analysis as above described.

Le fibre muscolari scheletriche mostrano una notevole eterogeneità funzionale per quanto concerne i parametri contrattili, le vie metaboliche coinvolte nella generazione di ATP, nonché la capacità di resistere alla fatica. Questa eterogeneità funzionale è alla base dell'abilità del muscolo scheletrico di rispondere a richieste funzionali di diversa natura, quali il mantenimento della postura nel lungo termine con un minimo dispendio di energia, che compensa invece un più alto consumo energetico per la generazione e il mantenimento di movimenti rapidi e potenti. In differenti situazioni verranno dunque reclutate quelle fibre che avranno le caratteristiche più idonee al caso. La specializzazione delle fibre, tuttavia, non è permanente poiché esse mostrano una notevole capacità plastica che permette loro di modificare le proprietà strutturali e funzionali per meglio rispondere alle richieste funzionali che possono presentarsi. Pertanto il muscolo scheletrico adulto si presenta come un tessuto altamente malleabile in grado di rispondere a stimoli di varia natura, farmacologici, ambientali, meccanici, con adattamenti sorprendenti. Il lavoro riportato in questa tesi mira a comprendere come singole fibre muscolari modifichino le loro proprietà , alterando sia parametri meccanici e morfologici quali, rispettivamente, la tensione isometrica (Po) e l'area della sezione traversa (CSA), che gli aspetti molecolari riguardanti i processi di switch delle isoforme delle catene pesanti della miosina (MHC) e le conseguenti transizioni dei tipi di fibre. A tal proposito la nostra ricerca si è sviluppata in tre fasi, in ciascuna delle quali è stato valutato l'effetto indotto sul muscolo scheletrico umano da un diverso stimolo, al fine di caratterizzare i cambiamenti di plasticità a cui le singole fibre vanno incontro. Il primo compito affrontato è stato quello di identificare eventuali alterazioni a livello di singola fibra in seguito al processo di invecchiamento e, in modo specifico, al processo di sarcopenia, associato ad una progressiva perdita di massa e forza muscolare. Poiché la letteratura mostra dati contrastanti riguardo i cambiamenti a livello di singole fibre durante il processo di senescenza, in questa prima fase è stato operato un confronto tra tre gruppi di soggetti suddivisi in relazione all'età in: young- adult group, middle age group e elderly group. Singole fibre muscolari sono state sottoposte ad analisi meccaniche e molecolari. Successivamente sono stati studiati gli effetti di un allenamento di forza a livello di singole fibre. Questo tipo di allenamento viene utilizzato per aumentare la massa muscolare e migliorarne la performance. Sebbene la letteratura riporti numerosi studi sull'adattamento in seguito a programmi di resistance training (allenamento di forza) riguardanti i muscoli degli arti inferiori, pochi sono gli studi effettuati sui muscoli degli arti superiori. Per valutare l'effetto di un allenamento di forza su muscoli della spalla sono stati reclutati 18 soggetti (9 uomini e 9 donne) sottoposti ad allenamento 3 volte a settimana per due mesi. Questi sono stati ulteriormente divisi in due gruppi in base ad un differente apporto proteico. Singole fibre muscolari prelevate dai campioni bioptici sono state poi sottoposte ad analisi meccaniche e molecolari come nel caso dei campioni riguardanti la prima fase dello studio. Infine, nell'ultima parte della ricerca, sono stati valutati gli effetti di un allenamento svolto in condizioni di alta quota, durante una spedizione sul monte Manaslu (Himalaya). Sono state isolate singole fibre a partire da biopsie di 7 volontari, uomini, prelevate prima e dopo la spedizione, durante la quale per circa 30 giorni hanno vissuto ad elevate altitudini (5000 m), e sottoposte ad analisi meccaniche e molecolari.

Studio delle proprietà contrattili e molecolari delle singole fibre muscolari scheletriche umane / Cancellara, Pasqua. - (2010 Mar 10).

Studio delle proprietà contrattili e molecolari delle singole fibre muscolari scheletriche umane

CANCELLARA, PASQUA
2010

Abstract

The skeletal muscle fibers show a great functional eterogeneity regarding the parameters of the contractile response, the metabolic pathways involved in the generation of the ATP, the resistance to fatigue. This functional heterogeneity is the base of the ability of the skeletal muscles to respond to very diversified functional demands such as the maintenance of the posture for long time with low energy expenditure or the generation of fast and powerful movements. Fibers with the most suitable characteristics can be recruited in different situations. The specialization of the fibers is not permanent, as the fibers show a plasticity or malleability, they can modify their functional or structural properties to better respond to the functional demands. Therefore adult skeletal muscle is a highly malleable tissue which can respond positively to pharmacological, environmental, and mechanical stimuli with remarkable adaptations. In this work we investigated how single muscle fibers change their properties, altering both mechanical and morphological parameters such as isometric tension (Po), cross sectional area (CSA), and molecular aspects regarding MHC isoforms switchs and fiber type transitions. For this purpose our work presents three distinct tasks that correspond to three different stimuli induced in skeletal human muscle to characterize plasticity changes at single muscle fiber level. - The first purpose was to identify the impairment at single muscle fiber level with regard to age and, specifically, with regard to sarcopenia, associated with progressive loss of keletal muscle mass and strength. In view of contrasting results present in several studies about this focus, we compared three groups of healthy subjects divided according to their age: the young-adult group, the middle-age group and the elderly group. The following parameters were determined in single muscle fibres and compared in the three groups: isometric tension (Po), cross sectional area (CSA), and myosin content. - In the second step of this work we have investigated the effects of resistance traning at single muscle fiber level. Strength or resistance training is frequently used to improve muscle mass and performance. Although there are many studies on the relation between training protocols and fibre adaptations in lower limb muscles, there are relatively few data available on changes of fibre type, size and performance in upper limb muscles. This study aimed to analyse at muscle fibre level the effect strength training of shoulder muscles in 18 healthy subjects (9 men and 9 women) who trained three times a week for 2 months. These subjects were further divided in 2 groups assuming different amount of proteins. Single muscle fibres were dissected from biopsy samples and subject to mechanical and molecular analysis as above described. Finally in the last part of the study we considered the effect of training performed at high altitude. In this study we examined single muscle fibres taken from biopsy of seven male volunteers before and upon the return from the Himalayan Expedition during which they were chronically exposed to high altitude environment living spending about 30 days above 5000 m. Single muscle fibres were subject to mechanical and molecular analysis as above described.
Le fibre muscolari scheletriche mostrano una notevole eterogeneità funzionale per quanto concerne i parametri contrattili, le vie metaboliche coinvolte nella generazione di ATP, nonché la capacità di resistere alla fatica. Questa eterogeneità funzionale è alla base dell'abilità del muscolo scheletrico di rispondere a richieste funzionali di diversa natura, quali il mantenimento della postura nel lungo termine con un minimo dispendio di energia, che compensa invece un più alto consumo energetico per la generazione e il mantenimento di movimenti rapidi e potenti. In differenti situazioni verranno dunque reclutate quelle fibre che avranno le caratteristiche più idonee al caso. La specializzazione delle fibre, tuttavia, non è permanente poiché esse mostrano una notevole capacità plastica che permette loro di modificare le proprietà strutturali e funzionali per meglio rispondere alle richieste funzionali che possono presentarsi. Pertanto il muscolo scheletrico adulto si presenta come un tessuto altamente malleabile in grado di rispondere a stimoli di varia natura, farmacologici, ambientali, meccanici, con adattamenti sorprendenti. Il lavoro riportato in questa tesi mira a comprendere come singole fibre muscolari modifichino le loro proprietà , alterando sia parametri meccanici e morfologici quali, rispettivamente, la tensione isometrica (Po) e l'area della sezione traversa (CSA), che gli aspetti molecolari riguardanti i processi di switch delle isoforme delle catene pesanti della miosina (MHC) e le conseguenti transizioni dei tipi di fibre. A tal proposito la nostra ricerca si è sviluppata in tre fasi, in ciascuna delle quali è stato valutato l'effetto indotto sul muscolo scheletrico umano da un diverso stimolo, al fine di caratterizzare i cambiamenti di plasticità a cui le singole fibre vanno incontro. Il primo compito affrontato è stato quello di identificare eventuali alterazioni a livello di singola fibra in seguito al processo di invecchiamento e, in modo specifico, al processo di sarcopenia, associato ad una progressiva perdita di massa e forza muscolare. Poiché la letteratura mostra dati contrastanti riguardo i cambiamenti a livello di singole fibre durante il processo di senescenza, in questa prima fase è stato operato un confronto tra tre gruppi di soggetti suddivisi in relazione all'età in: young- adult group, middle age group e elderly group. Singole fibre muscolari sono state sottoposte ad analisi meccaniche e molecolari. Successivamente sono stati studiati gli effetti di un allenamento di forza a livello di singole fibre. Questo tipo di allenamento viene utilizzato per aumentare la massa muscolare e migliorarne la performance. Sebbene la letteratura riporti numerosi studi sull'adattamento in seguito a programmi di resistance training (allenamento di forza) riguardanti i muscoli degli arti inferiori, pochi sono gli studi effettuati sui muscoli degli arti superiori. Per valutare l'effetto di un allenamento di forza su muscoli della spalla sono stati reclutati 18 soggetti (9 uomini e 9 donne) sottoposti ad allenamento 3 volte a settimana per due mesi. Questi sono stati ulteriormente divisi in due gruppi in base ad un differente apporto proteico. Singole fibre muscolari prelevate dai campioni bioptici sono state poi sottoposte ad analisi meccaniche e molecolari come nel caso dei campioni riguardanti la prima fase dello studio. Infine, nell'ultima parte della ricerca, sono stati valutati gli effetti di un allenamento svolto in condizioni di alta quota, durante una spedizione sul monte Manaslu (Himalaya). Sono state isolate singole fibre a partire da biopsie di 7 volontari, uomini, prelevate prima e dopo la spedizione, durante la quale per circa 30 giorni hanno vissuto ad elevate altitudini (5000 m), e sottoposte ad analisi meccaniche e molecolari.
plasticità, fibre muscolari scheletriche umane
Studio delle proprietà contrattili e molecolari delle singole fibre muscolari scheletriche umane / Cancellara, Pasqua. - (2010 Mar 10).
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