Human tendon adaptation in response to mechanical loading

Abstract

Sehnen übertragen die Muskelkräfte und ihre Eigenschaften beeinflussen unsere Bewegungsleistungen. Infolge mechanischer Belastungen adaptieren Sehnen. Die Effekte spezifischer Parameter des mechanischen Dehnungsstimulus sowie allgemeiner Belastungsbedingungen auf die Anpassung sind bisher ungeklärt und sollen durch die vorliegende Arbeit beleuchtet werden. Das adaptive Potential wurde durch einen Vergleich der Sehneneigenschaften zwischen beiden Beinen, in Bezug auf seitenabhängige Belastungen, experimentell untersucht. Um den Effekt verschiedener interventionsinduzierter Belastungen auf die Anpassung zu bestimmen, wurde ein systematischer Review nebst Metaanalyse durchgeführt. Der Einfluss spezifischer Parameter des Dehnungsstimulus (Rate und Dauer) wurde mittels zweier Trainingsinterventionen untersucht. Der Vergleich zwischen den Achillessehneneigenschaften des dominanten und nicht dominanten Beins zeigte einen signifikanten Unterschied des Young''s Modulus (Materialeigenschaften), mutmaßlich eine Folge seitenabhängiger Alltagsbelastungen. Die Metaanalyse ermittelte hohe Effektgrößen auf die mechanischen und Materialeigenschaften sowie eine niedrige Effektgröße auf die Morphologie, mit einem signifikanten Einfluss der unterschiedlichen Belastungen. Die beiden Interventionen belegten, dass eine hohe Rate der Dehnung und eine lange Dauer keinen übergeordneten Stimulus zur Sehnenanpassung im Vergleich zu einer hohen Magnitude und niedrigen Frequenz darstellen. Die Ergebnisse zeigen, dass Materialeigenschaften sensitiver gegenüber Belastungsänderungen sind und im Vergleich zur Morphologie zeitiger adaptieren. Die Interventionsresultate lassen den Schluss zu, dass eine hohe Dehnungsmagnitude, eine adäquate Dauer und repetitive Belastung essentiell für einen effektiven Stimulus sind. Die Ergebnisse liefern wichtige Erkenntnisse bezüglich einer Verbesserung von Sehneneigenschaften im Kontext der athletischen Leistung sowie Verletzungsprävention und -rehabilitation.

Tendons transmit the force exerted by a muscle and their properties influence human locomotor performance. Furthermore, tendons adapt to mechanical loading. The effect of specific parameters of the mechanical strain stimulus as well as general loading conditions on tendon adaptation is not completely understood and, therefore, the focus of research in the present thesis. Adaptive responses were investigated by means of a comparison of tendon properties between both legs to assess the effect of side-dependent loading pattern. A systematic review and meta-analysis was applied to examine the influence of various intervention-induced loading conditions on the magnitude of adaption. To investigate specific parameters of the mechanical strain stimulus (rate and duration), two controlled exercise interventions were conducted. The comparison of the Achilles tendon properties between the non-dominant and dominant leg revealed a significant difference of the Young''s modulus (i.e. material properties), likely a result of side-dependent daily loading pattern. The meta-analysis revealed high intervention effect sizes on the tendon mechanical and material properties and a low effect size on the morphology, with a notable effect of the various loading conditions. The two exercise interventions showed that a higher rate of strain and longer duration did not provide a superimposed effect for tendon adaptation compared to high magnitude and low frequency. The findings indicate that the material properties seem to be more sensitive and quicker in response to changes in the loading conditions compared to the morphological properties. The results of the two interventions suggest that a high strain magnitude, an appropriate strain duration and repetitive loading are essential for an effective stimulus. These findings provide valuable information with regard to the improvement of tendon properties in the context of athletic performance as well as injury prevention and rehabilitation.