線維症の発症は、いくつかの神経筋疾患や障害における筋肉の機能不全につながります。健康な筋肉が非収縮性の線維性組織に置き換わるため、受動的剛性の増加は可動性と生活の質の低下につながります。細胞外マトリックス (ECM) は、受動的な筋肉の特性に大きく寄与しており、骨格筋の最外表面 (筋外膜/筋上膜) を取り囲み、筋束と筋線維 (筋周膜と筋内膜) を分離する 3 次元の足場として機能します。コラーゲンの蓄積は線維症を特徴付けるためによく使用され、ECM 内のコラーゲン線維の複雑な微細構造を単純化します。コラーゲン線維は、筋肉群全体およびECM 層間での独特のコラーゲンの配置により、ECM の構造と引張特性を制御します。しかし、ECMの構造と筋肉機能の関係は、特にデュシェンヌ型筋ジストロフィー（DMD）などの進行性筋疾患で重篤な影響を受ける横隔膜などの複雑な筋肉ではまだ十分に理解されていない。

横隔膜の筋肉は異方性であり、筋線維の方向 (沿った方向) の硬さと比較して、筋線維に垂直な方向 (交差) の組織の硬さが高くなります 。興味深いことに、ジストロフィンノックアウトマウスモデル（mdx ）は（ヒトと同様に）横隔膜の線維症の顕著な増加を示しますが、コラーゲンの量は横隔膜の受動筋組織の硬さと最小限の相関しか示しません。
コラゲナーゼは組織の剛性に影響を与えましたが、コラーゲンの量には最小限の影響を及ぼし、コラーゲンの微細構造の変化が剛性の低下に寄与していることを示唆しています。mdx下肢筋肉では、筋肉内のコラーゲン線維の整列の増加は受動的な剛性の増加に関連しており、筋肉内のコラーゲンの整列と剛性の間の明確な関係が筋肉群全体で観察されています。同様に、我々は以前に、WTマウスと比較したmdxの横隔膜筋組織の筋外ECMの変化を観察しましたが、これは組織の硬さにも影響を及ぼします。総合すると、重要なのは量以上であることは明らかであり、次の疑問につながります。ECM 層のコラーゲン組織の変化は、なぜコラーゲンの量が mdx 横隔膜の筋組織の硬さと相関しないのかを説明するのでしょうか?
この質問に実験だけで答えるのは非常に困難です。しかし、計算モデリングを使用すると、微細構造の変化が巨視的な組織特性にどのように寄与するかを正確に調べることができます。筋断面の画像から生成され、ボロノイ テッセレーションを使用した以前のマイクロメカニカル モデルでは、筋線維と筋束の形状の変化が組織の挙動にどのような影響を与えるかを調査し 、損傷や老化などのケースに焦点を当てていました。 DMD で見られる微細構造の変化をシミュレートしたマイクロメカニカル モデルでは、ECM 面積率の増加の効果が ECM の剛性に大きく依存していることがわかりました。これらのモデルは重要な洞察を提供しましたが、、筋線維と整列した横方向等方性として ECM の表現を単純化するか、またはコラーゲンの方向を表すために一般化された螺旋の仮定を使用します。したがって、これらは、異なる ECM 層を説明したり、筋組織の特性に対するコラーゲンの微細構造の変化の役割を調べる機能を組み込んだりしません。

我々は、異なる負荷状態における筋線維に沿った方向および筋線維を横切る方向の組織挙動を特徴付けるために二軸機械試験を実施し、筋断面の画像を収集してコラーゲン面積率およびECM層間のコラーゲンの分布を測定した。筋内および筋外領域のマイクロメカニカルモデルを生成し、その出力を結合してバルク組織の特性を予測しました。特定の微細構造パラメータを変化させ、機械的特性に対するそれらの影響を調べることによって、組織微細構造の変化が疾患中の機能障害にどのように寄与するかを検討した。

筋内のコラーゲン線維が主に筋線維横断方向に整列しており、 WT と比較してmdxでは筋線維横断組織の剛性が増加している

筋線維方向に沿ったコラーゲン線維剛性との相互相対値 ( ξ a2 / ξ a1 ) は、校正されたmdxモデルでは 5.7 ～ 8 倍、校正された WT モデルでは 1.4 ～ 5 倍大きくなりました。この所見は、 WT の場合と比較して、mdxでは筋線維横断方向の筋肉内コラーゲンの整列がより大きいことを示唆しています。
生体内でのひずみを模倣した条件下では、WT モデルと比較して、mdxモデルでは筋線維沿いおよび筋線維横断応力がより大きく見られました。

筋線維横断負荷中に組織応力の違いが観察された

mdxモデルと WT モデル間の特性の違いにより、筋内および筋外領域内の応力分布が異なることが明らかになりました。WT モデルでは、筋線維に沿ったストレスと比べてより大きな相互相対応力が筋外 ECM でのみ観察されました。負荷条件全体にわたるモデルの解析により、筋横断線維伸長中の筋内 ECM 内での不均一な歪みが明らかになりました。 ひずみは主に筋間線維方向に配向され、mdxモデルで見られる ECM 要素全体にわたる大きさのばらつきがありました。

ECM 内のコラーゲン分布の重要性が浮き彫りに

筋間繊維 剛性は、シミュレーションされたコラーゲン分布範囲 (0 < cfdist intra < 1) 全体で大きく異なり、ECM 面積率のシミュレーションされた範囲では最小限しか変化しませんでした (0.17<ECMAFイントラ<0.53）。筋肉内領域と筋肉外領域の比率も同様に(10<あるイントラ/あるエピ<35）。
シミュレーションされたコラーゲン分布範囲全体にわたって、 214% 変化し、もう一方は43% 変化しました。これらの結果は、微細構造の変動が、筋線維横断面よりも筋線維沿いの剛性に大きな影響を及ぼし、微細構造の他の変動と比較して、コラーゲンの分布が組織の剛性に大きな影響を与えることを示唆しています。

明らかになったこと

コラーゲンは主に筋線維横断方向 ( mdxと WTの両方) に整列している可能性が高く、筋線維横断整列と筋線維横断剛性がより高いことが示唆されています。さらに、筋線維横断負荷時の ECM と筋肉の特性の違いを予測し 、コラーゲン線維の分布が ECM 面積率の変化よりも組織の剛性にはるかに大きな影響を与えることを発見しました。
線維化組織におけるコラーゲンレベルの増加は、受動的な筋組織の硬さの増加と相関しないことが判明しました。どの要因が剛性に影響を与えるかを実験的に分離することは困難ですが、筋線維に沿った負荷中の特定の構造変化の影響を分離して、モデルの予測を既存の文献と比較することができます。
ECM面積率と筋線維に沿った剛性との関係は観察されませんでした。
ただし、モデルの予測では、ECM 面積率の変化が筋線維に沿った剛性に与える影響は最小限であるものの、コラーゲン線維分布の変動が実験測定の広範囲に影響を与えることが明らかになりました。コラーゲンの再組織化が治療の効果的な標的となる可能性がある。
コラーゲンは主に筋線維と整列しており、mdx組織とWT組織の間に有意な差は見られない。しかし、二次元画像で複雑な三次元形状を視覚化することは困難であり、特に面外（すなわち線維方向と直交する方向）のコラーゲン方向の成分が認識されない縦方向の面に収集された場合には困難である。さらに、筋外 ECM でのこれまでの測定結果と一致しています。
細胞が伸長方向と平行に配向していることが示され、線維芽細胞は局所的な整列方向にコラーゲンを沈着させます。まとめると、in vivo ECM 株がコラーゲン線維を筋線維横断方向に沈着させることを示唆しており、筋線維横断コラーゲン整列がモデルとして考えられる。
線維症を伴う多数の疾患に適用できるほか、コラーゲンの微細構造の変化が観察される追加の筋群 や軟部組織 にも適用できます。
コラーゲン線維分布の変動が、ECM 面積率よりも組織の剛性に対してはるかに大きな影響を与える。コラーゲン組織は観察される異方性の組織特性を説明し、コラーゲン量と組織の硬さの間に相関関係がない。