Die chronisch-niederfrequente Elektrostimulation von Skelettmuskeln

D. Pette
Fakultät für Biologie, Universität Konstanz

Zusammenfassung
Die Skelettmuskulatur der Säugetiere ist auf Grund ihrer Zusammensetzung aus verschiedenen Fasertypen ein extrem heterogenes Gewebe. Muskelfasern sind jedoch keine starr fixierten Einheiten, sondern verfügen über ein hohes adaptatives Potential. Sie besitzen die Fähigkeit, ihre phänotypischen Eigenschaften durch qualitative und quantitative Änderungen der Genexpression an längerfristig geänderte funktionelle Erfordernisse anzupassen. Die chronisch-niederfrequente Stimulation hat sich als ein geeignetes experimentelles Modell erwiesen, um diese funktionelle Plastizität und die Bedeutung neuronaler Impulsmuster bzw. den Einfluß gesteigerter neuromuskulärer Aktivität auf den Muskelfaser-Phänotyp klarzustellen. Die niederfrequente Stimulation schneller Zuckungsmuskeln von Ratte und Kaninchen induziert sequentielle Fasertypübergänge, wobei schnelle Typ IIB- in langsamere Typ IID- und Typ IIA- und diese schließlich in langsame Typ I-Fasern umgewandelt werden. Diese Fasertypübergänge beruhen auf Änderungen in der Expression von Proteinisoformen myofibrillärer und anderer sarkomerischer Proteine. Außerdem induziert die Stimulation Änderungen im Aktivitätsmuster der Enzyme anaerober und aerober Stoffwechselwege, die eine erhebliche Steigerung des aerob-oxidativen Potentials zur Folge haben. Diese und weitere Veränderungen führen zur Transformation schneller, rasch ermüdbarer Muskeln in langsame, ermüdungsresistente Muskeln. Dieser Übersichtsartikel faßt die wesentlichen Phänomene der durch niederfrequente Stimulation ausgelösten schnell -> langsam-Transformation und ihre molekularen Ursachen zusammen. Außerdem versucht er, Möglichkeiten für medizinisch-therapeutische Anwendungen aufzuzeigen.
Schlüsselwörter: adaptives Potential, chronisch-niederfrequente Elektrostimulation, Energiestoffwechsel, Muskelfasertransformation, Muskelfasertypen, myofibrilläre Proteinisoformen

Chronic low-frequency stimulation of skeletal muscle
D. Pette

Abstract
Mammalian skeletal muscle is an extremely heterogeneous tissue, composed of a large variety of fibre types. Muscle fibres, however, are not fixed units but represent versatile entities characterized by a high adaptive potential. They are capable of responding to altered functional demands by changing their phenotypic properties as a result of qualitative and quantitative changes in gene expression. In this conjunction, chronic low-frequency stimulation represents a highly suitable model for studying the functional plasticity of muscle, as well as the influence of neuronal impulse patterns and enhanced neuromuscular activity on the phenotypic properties of muscle fibres. Chronic low-frequency stimulation of fast-twitch muscles of rat and rabbit induces sequential fast-to-slow fibre type transitions in the order of type IIB -> type IID -> type IIA -> type I. These fibre type transitions affect all functional elements of the fibre and result from altered expression of myofibrillar and other sarcomeric protein isoforms. In addition, changes in the activity pattern of enzymes involved in anaerobic and aerobic metabolic pathways greatly improve the aerobic-oxidative potential of energy metabolism. These and other changes contribute to transform fast-twitch, fast-fatigable muscles into slow-twitch, fatigue-resistant muscles. This review article summarizes the phenomenology of the fast-to-slow transitions elicited by chronic low-frequency stimulation, as well as some of the underlying molecular mechanisms. In addition, it discusses the potential therapeutical relevance and utility of electrical stimulation in medicine.
Key words: adaptive potential, chronic low-frequency electrostimulation, energy metabolism, muscle fibre transformation, muscle fibre types, myofibrillar protein isoforms

Z Elektrostim Elektrother 1999; 1 (1): 13-20