Interactions between Muscle and Bone—Where Physics Meets Biology

Abstract

Muscle and bone interact via physical forces and secreted osteokines and myokines. Physical forces are generated through gravity, locomotion, exercise, and external devices. Cells sense mechanical strain via adhesion molecules and translate it into biochemical responses, modulating the basic mechanisms of cellular biology such as lineage commitment, tissue formation, and maturation. This may result in the initiation of bone formation, muscle hypertrophy, and the enhanced production of extracellular matrix constituents, adhesion molecules, and cytoskeletal elements. Bone and muscle mass, resistance to strain, and the stiffness of matrix, cells, and tissues are enhanced, influencing fracture resistance and muscle power. This propagates a dynamic and continuous reciprocity of physicochemical interaction. Secreted growth and differentiation factors are important effectors of mutual interaction. The acute effects of exercise induce the secretion of exosomes with cargo molecules that are capable of mediating the endocrine effects between muscle, bone, and the organism. Long-term changes induce adaptations of the respective tissue secretome that maintain adequate homeostatic conditions. Lessons from unloading, microgravity, and disuse teach us that gratuitous tissue is removed or reorganized while immobility and inflammation trigger muscle and bone marrow fatty infiltration and propagate degenerative diseases such as sarcopenia and osteoporosis. Ongoing research will certainly find new therapeutic targets for prevention and treatment.

Knochenmasseverlust durch muskuläre Entlastung und Immobilisation

“…Mechanical strain and deformation lead to inhibition of sclerostin production and hence permit osteogenic wnt/frz signaling and bone formation until a new homeostatic situation is achieved, where loading causes only minimal deformation if any. In contrast to this healthy situation both regulatory systems harbour high pathogenic potential if unregulated overexpression occurs like in osteoporosis [5,11,12].…”

“…Ob ein Auf-oder Abbau stattfindet, richtet sich im Wesentlichen nach der Stärke und nach der Richtung der Kräfte, die auf ihn einwirken. Dabei ist das Zusammenspiel von Muskeln und Knochen über mechanische Stimulation sehr komplex und involviert praktisch alle Zellen des Mikroenvironments, die an der Knochenformation und am Knochenabbau beteiligt sind ( [5] und Jakob et al, diese Ausgabe der Osteologie). In der ▶Abb.…”

“…Strain mit Verformung bewirkt eine Hemmung des Knochenabbaus und gleichzeitig eine Hemmung der Sclerostin-Produktion und Verstärkung der osteogenen wnt/frz-Signalwirkung und damit der Knochenformation bis zum Erreichen einer neuen Homöostase mit nur noch geringer Verformung durch einwirkende Belastung. Im Unterschied zum gesunden Knochen haben beide Regulationssysteme im Falle einer deregulierten Überproduktion ein hohes pathogenes Potenzial zur Begünstigung von Osteoporose [5,11,12].…”

Quantitative MR-Bildgebung zur Charakterisierung der Skelettmuskulatur

“…Die Bedeutung der Muskulatur für osteoporotische Frakturen in der Osteologie und für Gebrechlichkeit in der Gerontologie ist allgemein anerkannt, der Begriff der funktionellen Einheit von Muskel und Knochen wird seit Ende des letzten Jahrhunderts immer wieder in Veröffentlichungen thematisiert [11,[100][101][102]. Paradoxerweise führt aber die in-vivo-Muskeldiagnostik im Bereich der Osteologie immer noch ein Schattendasein und ist in vielen Studien auf BIA-und Ganzkörper-DXA-Messungen limitiert, zwei preiswerte und weitverbreitete Methoden, mit denen aber letztlich Muskelfunktion nicht adäquat charakterisiert werden kann.…”

“…Darüber hinaus werden zunehmend vor allem altersassoziierte chronisch entzündliche Prozesse als eine Ursache von Muskelverfettung betrachtet [7][8][9][10]. Die Einlagerung adipösen Gewebes führt zur Degeneration der Muskulatur mit entsprechend negativen Auswirkungen auf Kraft und Funktion [11][12][13][14] und damit in letzter Konsequenz zu einem erhöhten Sturz-und Frakturrisiko [15][16][17][18].…”