Effects of ageing on Achilles tendon properties and triceps surae muscle architecture in vivo

Abstract

Achilles tendon is the largest tendon in human body and it has an important role in human locomotion. Ageing is associated with lowered muscle function and the changes in tendon properties could have a major role in modulating the muscle function with ageing. The aim of this study was to identify the changes in triceps surae muscle-tendon complex with ageing. Achilles tendon mechanical properties and triceps surae muscle architecture were measured from total of 100 subjects [33 young (24 ± 2 yr.) and 67 old (75 ± 3 yr.)]. Motion analysis assisted ultrasonography was used to determine Achilles tendon stiffness, Young’s modulus and hysteresis during isometric ramp contractions. Ultrasonography was used to measure muscle architectural features from triceps surae muscles. The main findings of the study were that Achilles tendon stiffness was decreased by 17 % (p < 0.001) and Young’s modulus by 32 % (p < 0.001) with ageing. There was no difference in hysteresis between young and old. Achilles tendon stiffness and Young’s modulus were found to be associated with the triceps surae muscles force producing capacity (r = 0.612, p < 0.001 and r = 0.625, p < 0.001 for stiffness and Young’s modulus, respectively) in combined data of young and old subjects. Achilles tendon crosssectional area was 20 % higher (p < 0.001, n = 71) in old than young subjects measured from the middle of the free Achilles tendon but the muscle cross-sectional area measured from the both heads of gastrocnemius muscle was lowered by 15 % (p < 0.001) in old compared to young subjects. The triceps surae muscle force was 39 % (p < 0.001) lower in old compared to young. Gastrocnemius medialis and soleus muscle thickness and gastrocnemius medialis muscle fascicle length was lower in old compared to young (for all p < 0.05). There were no other differences in muscle architecture in old compared to young subjects. The data suggests that Achilles tendon mechanical properties are modulated to match the level of muscle performance even at old age. The functional consequence of these findings is that the Achilles tendon of old individuals seem to be more suitable for normal daily activities of old people like walking than the Achilles tendon of young individuals. The changes in the Achilles tendon mechanical properties can counteract the lowered muscle performance in order to keep the functional capacity of the muscletendon complex as good as possible.

Akillesjänne on ihmiskehon suurin jänne ja sillä merkittävä rooli ihmisen liikkumisessa. Ikääntymiseen liittyy heikentynyt lihasten toimintakyky ja muutoksilla jänteen ominaisuuksissa voi olla merkittävä rooli lihaksen toimintakyvyn muutoksissa ikääntyessä. Tämän tutkimuksen tarkoitus oli tunnistaa muutokset kolmipäisen kantalihaksen lihasjännekompleksissa. Akillesjänteen ominaisuudet ja kolmipäisen kantalihaksen lihasarkkitehtuuri mitattiin 100 koehenkilöltä [33 nuorta (ikä 24 ± 2 vuotta) ja 67 ikääntynyttä (ikä 75 ± 3 vuotta)]. Akillesjänteen mekaaniset (jäykkyys) ja materiaaliset ominaisuudet (Youngin moduli), sekä hystereesi mitattiin käyttäen liikeanalyysiavusteista ultraäänikuvantamista isometristen plantaarifleksioiden aikana. Ultraäänikuvantamista käytettiin määrittämään lihaksen arkkitehtuurisia tekijöitä kolmipäisestä kantalihaksesta. Tutkimuksen päätulokset olivat, että akillesjänteen jäykkyys oli vähentynyt 17 % (p < 0,001) ja Youngin moduli 32 % (p < 0,001) ikääntymisen seurauksena. Hystereesissä ei havaittu eroja nuorten ja ikääntyneiden välillä. Akillesjänteen poikkipinta-ala oli 20 % suurempi (p < 0,001, n = 71) ikääntyneillä verrattuna nuoriin puhtaan jänteen puolivä- lissä. Akillesjänteen jäykkyys ja Youngin moduli olivat yhteydessä kolmipäisen kantalihaksen voimantuottokykyyn (jäykkyydelle: r = 0.612, p < 0.001 ja Youngin modulille: r = 0.625, p < 0.001) yhdistetyssä aineistossa. Kaksoiskantalihasten poikkipinta-ala oli 15 % (p < 0,001) pienempi ikääntyneillä verrattuna nuoriin. Kolmipäisen kantalihaksen lihasvoima oli 39 % (p < 0,001) alhaisempi ikääntyneillä verrattuna nuoriin. Kasipäisen kantalihaksen sisemmän osan lihaksen paksuus ja lihassolukimppujen pituus, sekä leve- än kantalihaksen paksuus oli pienempi ikääntyneillä verrattuna nuoriin (p < 0,05 kaikille). Muita eroja lihasarkkitehtuurissa nuorten ja ikääntyneiden välillä ei löydetty. Tulokset osoittavat, että akillesjänteen mekaaniset ominaisuudet mukautuvat lihaksen voimantuottokyvyn mukaan niin ikääntyneillä, kuin nuorillakin. Näiden löydösten toiminnallinen seuraus on se, että ikääntyneiden ihmisten akillesjänne näyttää olevan paremmin soveltuva heidän päivittäisiin liikkumismuotoihin, kuten kävelyyn verrattuna nuorten ihmisten akillesjänteeseen. Akillesjänteen mekaanisten ominaisuuksien muutokset ikääntyessä voivat vähentää lihaksessa tapahtuvia toimintakykyä heikentäviä muutoksia pitäen lihas-jännekompleksin toimintakyvyn niin hyvänä, kuin mahdollista.