Muskuloskelettale Funktion und Mechanobiologie

Leitung: Dr. Anna-Maria Liphardt

Die Arbeitsgruppe erforscht, wie rheumatisch-entzündliche Erkrankungen die muskuloskelettale Funktion verändern. Ein Schwerpunkt ist die Identifikation funktioneller und biochemischer Biomarker für Veränderungen von Krankheitsaktivität und muskuloskelettaler Homöostase. In Immobilisationsmodellen (Bettruhe / Mikrogravitation) untersuchen wir die Auswirkungen extremer Reduktion mechanischer Belastung auf das muskuloskelettale System ohne den zusätzlichen Effekt von Erkrankung oder Verletzung.

 

Die Arbeitsgruppe beschäftigt sich mit dem Zusammenhang von muskuloskelettaler Funktion und skelettaler Morphologie im Verlauf rheumatisch-entzündlicher Erkrankungen und in Folge von Immobilisation. Gewebe des Bewegungsapparates (z. B. Knochen, Knorpel, Muskulatur und Sehnen) zeichnen sich durch unterschiedliche Gewebeeigenschaften und eine hohe Anpassungsfähigkeit aus. Belastung durch mechanische Reize spielen eine essentielle Rolle in den Regelkreisläufen der Gewebsanpassung. Morphologische Veränderungen im Bewegungsapparat manifestieren sich früh in einer veränderten Funktion, die sich langfristig wiederum auf die Gewebegesundheit auswirkt. Umgekehrt können Veränderungen der Gewebeeigenschaften - ausgelöst durch pathogene Prozesse - zu Änderungen der Funktion führen.
In unseren Projekten nutzen wir eine Kombination aus bildgebenden Verfahren (z. B. Magnetresonanztomographie, hochauflösende periphere quantitative Computertomographie (HR-pQCT), biochemischen Parametern (Blut- und Urinkonzentrationen biologischer Marker) sowie funktionellen Parametern (z. B. muskuläre Leistungsfähigkeit, körperliche Aktivität, Bewegungsanalyse). Eine eigene Fragestellung ist hier die Optimierung der Erfassung funktioneller Parameter durch den Einsatz digitaler Applikationen und moderner Sensorik. Unsere Forschungsprojekte zeichnen sich durch integrative Fragestellungen aus, die wir in multidisziplinären Teams aus internen und externen Forschungspartnern bearbeiten.

  • Erforschung von Bewegungsmustern zur Objektivierung und Optimierung der Erfassung von Funktionseinschränkungen der Hand bei Patienten mit den entzündlich-destruierenden Gelenkserkrankungen.

Die zentrale Fragestellung dieses Teil-Projektes im SFB 1483 "EmpkinS - Empathokinsästhetische Sensorik" ist es, Veränderungen der Handfunktion hochaufgelöst als Raumzeitparameter in Relation zu klinischen Parametern darzustellen und mit Hilfe von Simulationsmodellen (gemeinsam mit dem Lehrstuhl für Technische Dynamik (LTD), Prof. S. Leyendecker) auch innere Zustände (Reaktionskräfte und Spannungen innerhalb eines Gelenkes) vorherzusagen. Wir untersuchen, welche kinematischen und kinetischen Kenngrößen sich in welcher Qualität mittels moderner Sensorik erfassen lassen und charakteristisch für die Funktionalität der Hand sind. In der Folge möchten wir verstehen, ob Bewegungsmuster der Hand die Vorhersage von Veränderungen in der Krankheitsaktivität erlauben und erforschen, ob sich strukturelle Veränderungen der Gelenke durch biomechanische Modelle vorhersagen lassen. Um dies zu erreichen, erheben wir zunächst parallel mit klinischen Daten (Krankheitsaktivität, subjektiver Behinderungsgrad) Informationen über die Handfunktion der Patienten. Dazu werden führende klassische Funktionstests (Moberg Pick-up-Test und Griffkraft) sowie subjektive Befragungen (Michigan-Hand-Questionnaire) durchgeführt. Die klinischen Daten zu Krankheitsaktivität und Funktion werden ergänzt mit Daten aus der Bewegungserfassung mittels optischer Messverfahren gemeinsam mit dem Lehrstuhl für Technische Dynamik (LTD), Prof. S. Leyendecker.

  • Gesundheit des Knorpels

Mechanische Belastung ist essentiell für die Aufrechterhaltung muskuloskelettaler Funktion. Längere Phasen von Immobilisation durch Bettruhe oder auch ein Aufenthalt in Mikrogravitation führen zu Ab- und Umbauprozessen im menschlichen Körper. Forschung im Raumfahrtkontext bietet hier unterschiedliche Studienumgebungen, um die Effekte von Immobilisation auf den menschlichen Körper zu untersuchen. In diesem Kontext untersuchen wir, wie sich Gelenkknorpel und Knorpelstoffwechsel anpassen, wenn Probanden mehrere Tage oder Wochen durch Bettruhe oder Trocken-Immersion immobilisiert sind oder sich für mehrere Monate auf der Internationalen Raumstation aufgehalten haben. In enger Zusammenarbeit mit der Deutschen Sporthochschule Köln erheben wir in diesen Studien Daten zur Morphologie von Kniegelenk und Oberschenkelmuskulatur sowie Blut- und Urinproben zur Bestimmung von Biomarkern des Knorpelstoffwechsels.

 

Anna-Maria LiphardtArbeitsgruppenleiterin
Birte Coppersnaturwissenschaftliche Doktorandin
Elie-Tino Godonounaturwissenschaftlicher Doktorand
Doris HerbstStudienkrankenschwester

 

 

Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG)
SFB 1483 "Bewegungsmuster der Hand aus empathokinästhetischen Sensordaten als diagnostische Größe für Krankheitsaktivität bei Patienten mit rheumatischen Erkrankungen" (2021-2025)

Forschungsstipendium (2009-2011)

Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz (BMWi) / Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR)
"Gelenkgesundheit während einer 1-jährigen Mission zur Internationalen Raumstation ISS – eine Bewertung der Relevanz für Exploration" (2020-2023)

Novartis Pharma GmbH
"Handfunktion als Biomarker für die Früherkennung einer Skelettbeteiligung bei Psoriasis-Patienten" (2020-2022)

"Erfassung von Handfunktion und Kraft bei Psorisisarthritis (PsA) / Psoriasis (Pso) - Patienten – Einfluss von strukturellen Veränderungen und Entzündung" (2016-2018)

Pfizer Pharma GmbH
"Auswirkungen des Umfangs der körperlichen Aktivität auf Biomarker des Knorpelstoffwechsels und der volumetrischen Knochendichte bei ACPA-positiven Personen ohne Anzeichen von Arthritis im Vergleich zu Patienten mit etablierter RA" (2015-2018)

ELAN-Programm, Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg
"Körperliche Aktivität bei Patienten mit rheumatoider Arthritis und die Auswirkung einer Trainingsintervention auf den Krankheitsverlauf" (2014-2015)

 

  1. Gabel L, Liphardt AM, Hulme PA, Heer M, Zwart SR, Sibonga JD, Smith SM, Boyd SK. (2022) Pre-flight exercise and bone metabolism predict unloading-induced bone loss due to spaceflight. Br J Sports Med. 56(4):196-203.
  2. Phutane U, Liphardt AM, Bräunig J, Penner J, Klebl M, Tascilar K, Vossiek M, Kleyer A, Schett G, Leyendecker S. (2021) Evaluation of optical and radar based motion capturing technologies for characterizing hand movement in rheumatoid arthritis - A pilot study. Sensors (Basel). 21(4):1208.
  3. Liphardt AM, Manger E, Liehr S, Bieniek L, Kleyer A, Simon D, Tascilar K, Sticherling M, Rech J, Schett G, Hueber AJ. (2020) Similar impact of psoriatic arthritis and rheumatoid arthritis on objective and subjective parameters of hand function. ACR Open Rheumatol. 2(12):734-740.
  4. Liphardt AM, Mündermann A, Heer M, Achtzehn S, Niehoff A, Mester J. (2020) Locomotion replacement exercise cannot counteract cartilage biomarker response to 5 days of immobilization in healthy adults. J Orthop Res. 38(11):2373-2382.
  5. Liphardt AM, Windahl SH, Sehic E, Hannemann N, Gustafsson KL, Bozec A, Schett G, Engdahl C. (2020) Changes in mechanical loading affect arthritis-induced bone loss in mice. Bone. 131:115149.
  6. Liphardt AM, Bolte V, Eckstein F, Wirth W, Brüggemann GP, Niehoff A. (2020) Response of thigh muscle cross-sectional area to 21-days of bed rest with exercise and nutrition countermeasures. Translational Sports Medicine. Volume 3, issue 2, Pages 93-106. doi: 10.1002/tsm2.122.
  7. Liphardt AM, Mündermann A, Andriacchi TP, Achtzehn S, Heer M, Mester J. (2017) Sensitivity of serum concentration of cartilage biomarkers to 21-days of bed rest. J Orthop Res. 36(5):1465-1471.
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  9. Liphardt AM, Mündermann A, Koo S, Bäcker N, Andriacchi TP, Zange J, Mester J, Heer M. (2009) Vibration training intervention to maintain cartilage thickness and serum concentrations of cartilage oligometric matrix protein (COMP) during immobilization.Osteoarthritis Cartilage. 17(12):1598-603.
  10. Wakeling JM, Liphardt AM. (2006) Task specific recruitment of motor units for vibration damping. J Biomech. 39(7):1342-6.

 

PubMed Publikationsliste von Dr. Anna-Maria Liphardt