+++New Paper: The Mader model of muscle energy metabolism simulates key metabolic exercise phenomena

Der Energiestoffwechsel passt die ATP-Neusynthese selbst bei abrupten Belastungswechseln, etwa zu Beginn einer körperlichen Aktivität, schnell an den ATP-Verbrauch an. Bereits 1984 entwickelte Alois Mader ein mechanistisches Modell, das diese Regulation mithilfe von 33 gekoppelten Differentialgleichungen beschreibt. Diese verknüpfen oxidative Phosphorylierung, Glykolyse und den Phosphokreatin-Shuttle über Rückkopplungen durch ADP, Phosphat und den pH-Wert. Trotz seiner physiologischen Bedeutung fand das Modell bislang nur begrenzte Verbreitung, unter anderem wegen geschlossener Softwareimplementierungen und zentraler deutschsprachiger Publikationen. Mit MetaboliSim stellen wir eine Open-Source-Software vor, die Maders Modell in einem virtuellen Menschen auf Basis von VO₂max, vLamax, Körpermasse und aktiver Muskelmasse umsetzt. Das Modell wurde anhand von zehn etablierten Phänomenen des Belastungsstoffwechsels geprüft, darunter ATP-Homöostase, vorübergehende Alkalinisierung, glykogenabhängige Laktatschwellen, belastungsabhängige Fettoxidation, die langsame VO₂-Komponente und die Ermüdungsdynamik. Ohne Änderungen an Gleichungen oder Konstanten reproduzierte das Modell qualitativ alle untersuchten Phänomene und erzeugte realistische Antwortmuster. Die Sensitivitätsanalyse zeigte, dass VO₂max und Körpermasse vor allem die Leistungsvorhersage beeinflussen, während vLamax und Pufferkapazität die Metabolitendynamik bestimmen. Dies deutet darauf hin, dass wenige regulatorische Rückkopplungsschleifen eine große Bandbreite metabolischer Reaktionen auf Belastung erklären können.

Alois Maders mechanistisches Modell des menschlichen Muskelstoffwechsels wurde vor mehr als 40 Jahren entwickelt, war jedoch für die meisten Forscher bislang nicht zugänglich. In diesem Paper stellen wir MetaboliSim vor, eine Open-Source-Implementierung von Maders Modell, mit der Forscher eigene Simulationen des Muskelstoffwechsels während körperlicher Belastung durchführen können. Da der Code öffentlich zugänglich ist, kann die Forschungsgemeinschaft das Modell verfeinern und erweitern, beispielsweise durch die Reduzierung vereinfachender Annahmen oder die Einbeziehung von Mechanismen, die derzeit nicht berücksichtigt sind, wie die Rekrutierung von Typ-I- und Typ-IIa/x-Muskelfasern, die hormonelle Regulation oder metabolische Krankheitszustände.

Reference:
J.A. Rothschild,A.K. Dunst,J. Axsom,H. Wackerhage, & H. Heck,  The Mader model of muscle energy metabolism simulates key metabolic exercise phenomena, Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 123 (40) e2525555123, https://doi.org/10.1073/pnas.2525555123 (2026).