Wie mechanische Prozesse die Entwicklung von Muskelkraft regulieren

Skelettmuskeln wachsen und regenerieren sich, indem einzelne Vorläuferzellen, die Myoblasten, zu langen Fasern verschmelzen, aus denen sich die reifen Muskelfasern entwickeln. Wie sie sich dabei koordinieren und funktionelle Muskeln aufbauen, ist bislang noch nicht vollständig geklärt. Ein Forschungsteam des Max-Planck-Zentrums für Physik und Medizin (MPZPM) zeigt nun, dass mechanische Belastung die Fusion von Muskelzellen beeinflusst. Die in Nature Communications veröffentlichten Ergebnisse offenbaren eine Wechselwirkung zwischen der Organisation der Muskelzellen, dem umgebenden interzellulären Raum, mechanischen Belastungen und dem Muskelwachstum.

Erlangen/Germany, 16. Oktober 2026. – Skelettmuskulatur setzt an den Knochen an, geht meist über ein Gelenk und macht so Bewegung möglich, übt Kraft aus. Der Muskel besteht aus mehreren Kernen. Beim Anziehen oder loslassen des Muskels ziehen sich diese ineinander. Vorstufen der Kerne in den Muskelfasern werden Myotuben genannt die durch die Fusion von einzelnen Myoblasten entstehen.

Eine Studie um das Team von Prof. Benoît Ladoux, Leiter der Abteilung Mechanobiologie von Geweben am Max-Planck-Insititut (MPZPM) zeigt nun, das mechanische Kräfte nicht einfach nur die passive Folge von Muskelaktivität sind. Durch Wechselwirkung von Wachstum und Regeneration verschmelzen Myoblasten in den Fasern zu neuen, reifen Muskelzellen. Während dieser Entwicklung verändert sich die Organisation des Gewebes und richtet sich neu aus. Es entstehen mechanische Spannungen in der Anatomie. Zellen in den Muskeln stabilisieren während dessen diese Spannungsmuster. Was jetzt mechanisch neu Organisiert ist bildet als neue Rückkopplung die Voraussetzung für die weitere Fusion von Myoblasten. Muskelbildung ist daher nicht allein ein Prozess biochemischer Signale. Die entstehende mechanische Spannung in der Umgebung gestaltet die Muskelbildung und damit die Anatomie.

Die Forschung hatte sich bisher darauf konzentriert wie eine Fusion durch Signale ermöglicht wird. Dabei blieb weitgehend aussen vor, das Zellen auch auf physikalische Kräfte und mechanische Eigenschaften ihrer Umgebung reagieren.

Die Organisation von Myoblasten beschreibt Prof. Benoit Ladoux mit Konzepten aus der Physik. Wenn Myoblasten wachsen, ordnen sie sich nicht zufällig an. Vielmehr organisieren sie sich selbst zu Bereichen mit einer bestimmten Zellausrichtung. Gemeinsam bilden diese Domänen Muster.

Nematen (Ausrichtung fadenförmiger Moleküle) sind aktive Modellsysteme. Sie unterstützen die Wissenschaftler/Innen darin die selbstorganisierten Prozesse zu verstehen. In der Physik kennt man als aktive Nematen beispielsweise Flüssigkristalle, bei denen sich Moleküle parallel zueinander anordnen und ein geordnetes Muster bilden. Die Myoblasten formen kometen- und kleeblattförmig Muster. In diesen Mustern kommt es regelmässig zu topologischen Defekten. In diesen Defekten löst sich die bisher einheitliche Ausrichtung der Zellen auf. Wie es zu diesen Defekten kommt ist noch nicht geklärt. Aber sie stehen im Zusammenhang mit Bereichen die unter hoher mechanischer Druckbelastung stehen. Gerade an diesen Stellen fusionieren Myoblasten bevorzugt.

„Mithilfe eines In-vitro-Modells von Hühnermyoblasten sowie modernster Techniken zur Kraftmessung und zur Live-Zell-Bildgebung konnten wir nachweisen, dass Myoblasten nicht gleichmäßig im gesamten Gewebe fusionieren. Stattdessen sammeln sie sich bevorzugt in Bereichen an, in denen eine hohe mechanische Kraftbelastung wirkt“, erklärt Dr. Sushil Dubey, Autor der Studie.

Die Umgebung „merkt“ sich die Ordnung der Zellen

Der Mechanismus beschränkt sich nicht nur auf die Myoblasten selbst, sondern umfasst auch den umgebenden interzellularen Raum, die extrazelluläre Matrix (ECM). Während ihrer Ausrichtung gestalten die Myoblasten diesen mit. Die ECM ist ein Netzwerk aus Proteinen, ein komplexes Netzwerk aus Fasern, welches die Zellen stützt und Kräfte überträgt. Sie folgt bei ihrer Organisation dem Muster der Zellausrichtung sehr genau. Die Forschenden konnten zeigen: Myoblasten ordnen die Matrix entlang ihrer eigenen Ausrichtung an. So spiegelt die ECM das Muster der Zellschicht wider.

Diese Kopplung stabilisiert topologische Defekte und verstärkt die damit verbundenen mechanischen Spannungsmuster. Nachdem die ursprüngliche Zellpopulation entfernt und frische Myoblasten auf die verbleibende extrazelluläre Matrix aufgebracht wurden, behielt die ECM Aspekte des ursprünglichen mechanischen Spannungsmusters bei und reproduzierte diese.

Dies liefert einen physikalischen Mechanismus: Die Erinnerung der zellulären Organisation kann das zukünftige Verhalten benachbarter Zellen beeinflussen.

Eine Rückkopplungsschleife prägt das Muskelwachstum

Die Studie zeigt, dass mechanische Kräfte nicht einfach die passive Folge von Muskelzellaktivität sind. Vielmehr sind sie Teil einer Rückkopplungsschleife. Verschmelzen Myoblasten, bilden sie längliche Myotuben. Während ihrer Entwicklung richten diese sich zunehmend aus, was die nematische Organisation des Gewebes verändert. Dadurch nehmen mechanische Spannungen zu. Gleichzeitig bauen die Zellen die ECM um, was in der Folge die Spannungsmuster stabilisiert. Diese mechanisch organisierten Bereiche bestimmen, wo später Myoblasten fusionieren.

„Die Muskelbildung wird nicht nur durch biochemische Signale gesteuert. Auch die mechanische Umgebung, die von den Zellen und ihrer umgebenden Matrix geschaffen wird, kann mitbestimmen, wo eine Fusion stattfindet“, sagt Ladoux.


Von einzelnen Zellen zum organisierten Muskel

Die Ergebnisse erklären physikalisch, wie lokale zelluläre Wechselwirkungen während der Muskelbildung zu einer großräumigen Organisation führen können. Die Studie legt nahe, dass molekulare Mechanismen die Fusion von Muskelzellen zwar ermöglichen, die mechanische Organisation der Umgebung aber mitbestimmt, wo sie am wahrscheinlichsten stattfindet.

Diese sich selbst verstärkende Wechselwirkung zwischen Zellaktivität, extrazellulärer Matrix und mechanischer Belastung könnte nicht nur für die Entwicklung der Skelettmuskulatur relevant sein, sondern auch für Prozesse, bei denen sich Gewebe während des Wachstums und der Regeneration selbst organisiert.

Die Arbeit unterstreicht einen wichtigen Gedanken in der Entwicklungsbiologie, wonach mechanische Kräfte nicht lediglich eine Folge der Gewebeentwicklung sind, sondern zu deren Organisation beitragen können.

Psychoanalytisch kann man aus der Darstellung zur Anatomie auf die Verhaltensweisen des Menschen schließen, wie Sigmund Freud entdeckte. Tatsächlich wird dieses auch nachvollziehbar, betrachtet man sich die entsprechenden Möglichkeiten zur menschlichen Wahrnehmung.

Mit dem Verlauf der Zeit wächst die Wahrnehmung des Menschen über sich selbst. Dennoch vergehen zwischen Erkenntnissen aus der Forschung und dem ankommen in der Realität oft ca. 15 Jahre. Ein Mensch, ein Individuum muss nicht zwangsläufig verstehen wie seine Anatomie funktioniert. Erst durch das handeln entsteht, in diesem Fall die Nutzung, besser Ausreizung der Muskulatur, der Anatomie – entsteht eine innere neuronale Repräsentation mittels derer Menschen wiederum auf die Aussenwelt schauen. Ein Verständnis wie menschliche Anatomie funktioniert ist dabei sicherlich von grosser Unterstützung.

Menschen handeln auf Basis dessen was sie sehen, oder aus der Fähigkeit, aus eigener Beobachtungen ableiten zu können. Zum einen durch Abschauen von anderen – Imitation oder durch eigenes Initiieren, beobachten.
Die Studie zeigt, bei aktiver Belastung und Regeneration entstehen mitunter auch Mikroverletzungen, aus denen eine Reparatur und dann einer Neuorganisation der anatomischen Ordnung hervor geht. Im Leben handeln Menschen intuitiv oftmals nicht anders.
Die Studie unterstreicht, das der anatomische Körper durch aktives Handeln formbar ist. Allerdings unter dem vorherrschenden Umgebungsdruck. So wie Nahrung dazu beiträgt die Voraussetzungen für die Entwicklungen der Anatomie zu unterstützen, so ist durch die Forschung und der Studie gezeigt, wie menschliche Anatomie sich durch aktives und willentliches Zutun des Menschen an neue Bedingungen anpasst. Das lateinische Wort Motivare beschreibt das Motiv warum Menschen sich bewegen und das sie sich bewegen, die Lust an der Unternehmung. Sigmund Freud hat dies zum Widerstand aller seiner Amtskollegen auf zwei zentrale Triebe reduziert, Destrudo und Libido. Es benötigt eine fundamentale Motivation warum und das Menschen sich bewegen, etwas das sie antreibt, wobei die Psyche wohl ihren Hauptanteil hat.

Originalpublikation:

Le Toquin, Y., Dubey, S., Ardaševa, A. et al. “Extracellular-matrix mediated stresses spatially bias myoblast fusion and myotube growth.” Nature Communications (2026).
DOI: https://doi.org/10.1038/s41467-026-76967-6

Bildquellen

Bild 1
Während der Muskelbildung sind einkernige Zellen (Myoblasten, blau) und die sie umgebende Matrix (orange, ECM) zunächst ungeordnet (links). Vollständige Bildunterschrift am Ende des Textes. Copyright: Sushil Dubey

Bildunterschrift:
Zell- und Matrixausrichtung in Kultur: Farbcodierte Orientierungskarten von kultivierten Muskelzellen, Aktinfilamenten und der extrazellulären Matrix (Fibronektin). Die Farben entsprechen den lokalen Ausrichtungen gemäß dem Winkel-Farbrad (rechts). Die übereinstimmenden Farbkarten zeigen, wie die zelluläre Selbstorganisation eng mit dem internen Aktin-Apparat und der umgebauten extrazellulären Matrix (Fibronektin) zusammenhängt.

Bild 2
Zell- und Matrixausrichtung in Kultur: Farbcodierte Orientierungskarten von kultivierten Muskelzellen, Aktinfilamenten und der extrazellulären Matrix (Fibronektin). Vollständige Bildunterschrift am Ende des Textes. Copyright: Yoann Le Toquin

Bildunterschrift:
Während der Muskelbildung sind einkernige Zellen (Myoblasten, blau) und die sie umgebende Matrix (orange, ECM) zunächst ungeordnet (links). Während sie sich selbst organisieren und ausrichten (Mitte), formt ihre koordinierte Bewegung die Matrix um und bildet topologische Defekte (roter Punkt). In diesen Bereichen verstärkt sich die mechanische Druckspannung (blaues Leuchten) und erzeugt einen Hotspot mit hoher Spannung, der als Fusionsknotenpunkt dient – und die Myoblasten dazu anleitet, an der Defektstelle zu reifen, mehrkernigen Muskelfasern (Myotuben) zu verschmelzen (rechts).