Tillämpningen av kronisk stimulering att studera kontraktila aktivitet-inducerad råtta skelettmuskulaturen fenotypiska anpassningar
Summary
Det här protokollet beskriver användningen av kronisk kontraktila aktivitet modellen av motion att iaktta stimulering-inducerad skelettmuskulaturen anpassningar i det råtta bakbenet.
Abstract
Skelettmuskulaturen är en mycket anpassningsbar vävnad, eftersom dess biokemiska och fysiologiska egenskaper är kraftigt förändrade i svar på kronisk motion. För att undersöka de bakomliggande mekanismerna som åstadkomma olika muskel anpassningar, har ett antal motion protokoll såsom löpband, hjulet löpning och simning träning använts i djurstudier. Dock dessa utöva modeller kräver en lång period av tid att uppnå muskel anpassningar, som kan regleras också av humorala eller neurologiska faktorer, vilket begränsar deras tillämpningar i studerar muskel-specifika kontraktion-inducerad anpassningarna. Indirekta lågfrekvent stimulering (10 Hz) inducera kronisk kontraktila aktivitet (CCA) har använts som en alternativ modell för träning, eftersom det framgångsrikt kan leda till muskel mitokondriell anpassningar inom 7 dagar, oberoende av systemisk faktorer. Detta papper Detaljer de kirurgiska tekniker som krävs för att tillämpa behandlingen av CCA till skelettmuskulaturen råttor, för utbredd tillämpning i framtida studier.
Introduction
Skelettmuskulaturen kan anpassa för att utöva träning genom förändringar i dess Bioenergetik och fysiska struktur1. En av de större förändringar som åstadkommits genom uthållighetsträning är mitokondriell biogenes, som kan utvärderas av en ökning i uttrycket av mitokondriell komponenter (t.ex. cytokrom c oxidas [COX] subenheter), samt uttrycket av den transkriptionell coactivator, PGC-1α2. Ett växande antal studier har visat att många andra faktorer, inklusive mitokondriell omsättning och mitophagy, är också viktiga för muskel anpassningar. Dock mekanismerna genom vilka akuta eller kroniska motion reglera dessa processer i skelettmuskel är fortfarande oklart.
För att avgränsa de vägar som reglerar ansträngningsutlöst muskel anpassningar, har olika motion modeller varit vanligt förekommande i gnagare studier, bland annat löpband, hjul, simning och löpning träning. Dessa protokoll har dock vissa begränsningar i att ~ 4-12 veckor behövs för att iaktta dessa fenotypiska förändringar3,4,5. Som en alternativ experimentell metod, lågfrekvent stimulering-inducerad kronisk kontraktila aktivitet (CCA) effektivt använts, eftersom det kan leda till muskel anpassningar i en betydligt kortare period (dvs upp till 7 dagar) och dess effekter verkar vara jämförbar med, eller ännu större än andra övning protokoll. Dessutom kan förekomsten av hormonella6, temperatur7och neurologiska effekter8 gör det svårt att förstå muskel-specifika svar på kronisk motion. Exempelvis sköldkörtelhormon9,10 och insulin-liknande tillväxtfaktor (IGF) -111 har identifierats för att förmedla utbildning-inducerad muskel anpassningar, som kan också reglera andra signalvägar i skelettmuskel muskel. CCA-inducerad effekter regleras särskilt, minimalt av systemisk faktorer, så att fokus placeras på skelettmuskulaturen direkt svar på kontraktila aktivitet.
Den externa enheten för CCA introducerades av Tyler och Wright12, och har utvecklats med ändringar12. Kort sagt, enheten består av tre huvuddelar: en IR-detektor som kan slås på och av genom exponering för infrarött ljus, en pulsgenerator och en puls indikator (figur 1). Den detaljerade kretsdesign stimulator enheten har varit beskrivs tidigare13. Detaljerade och specifika funktioner i CCA kan hittas i större djup i ett antal översyn artikel14,15,16,17. I korthet stimulering protokollet är utformat för att aktivera den gemensamma peroneal nerven på låg frekvens (dvs. 10 Hz), och innerverade musklerna (tibialis anterior [TA] och extensor digitorum longus [EDL] muskel) tvingas kontrakt för en förutbestämd tidsperiod (t.ex. 3-6 h). Över tid skiftar detta nämnda musklerna till en mer aerob fenotyp, framgår av en ökning av både kapillär densitet18 och mitokondrie innehåll19,20,21. Denna metod är således en beprövad modell att efterlikna några av de största uthållighet utbildning anpassningarna inom skelettmuskulaturen av råttor.
Detta dokument presenterar en detaljerad procedur av elektroden implantation kirurgi att inducera CCA så att forskarna kan tillämpa denna modell i sin motion studier. CCA är en utmärkt modell för att studera tidsförloppet för muskel anpassningar, vilket ger ett effektivt verktyg för utredning av olika molekylära och signalering evenemang både tidiga och senare tidpunkter efter uppkomsten av träning.
Protocol
Representative Results
Discussion
Den kroniska kontraktila aktivitet (CCA) modellen av motion, genom lågfrekvent muskel stimulering i vivo, är en utmärkt modell för att studera muskel fenotypiska anpassningar för att utöva13,24,25 , 26. som framgår i tidigare studier20,27, CCA är ett effektivt verktyg som forskare kan styra utbildning volymer och frekve…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Vi är tacksamma att Liam Tyron för hans expert läsning av manuskriptet. Detta arbete stöds av finansiering från naturvetenskaplig och teknisk forskning rådet av Kanada (NSERC) D. A. Hood. D. A. Hood är också innehavaren av en Kanada forskning stol i cellfysiologi.
Materials
| Sprague Dawley Rat | Charles River | Strain 400 | |
| Chronic contractile activity unit | Home-made | n/a | |
| CCA unit protective box (3.5 x 3.5 x 2.5 cm) | Home-made | n/a | Box should be made of opaque material or covered in an opague tape |
| Coin lithium ion batteries (3V) | Panasonic | CR2016 | |
| Medwire | Leico Industries | 316SS7/44T | |
| Solder pin (socket) | Digi-Key | ED6218-ND | |
| Zonas porous tape | Johnson & Johnson | 5104 | |
| Suture silk (Size 5) | Ethicon | 640G | |
| Suture silk (Size 6) | Ethicon | 706G | |
| Curved blunt scissor (11.5 cm Length) | F.S.T. | 14075-11 | |
| Curved blunt scissor (15 cm Length) | F.S.T. | 14111-15 | |
| Delicate haemostatic forceps (16 cm Length) | Lawton | 06-0230 | |
| Scalpel | Feather | 3 | |
| Curved forceps | F.S.T. | 11052-10 | |
| Stainless-steel rod (30 cm; 7mm diameter) | Home-made | n/a | Rod should have 5 mm slit in one end to hold the wire for tunneling under the skin |
| Clip applying forceps | KLS Martin | 20-916-12 | |
| Staples (clips) | Bbraun | BN507R | |
| Metal hooks/retractor | Home-made | n/a | |
| Povidone-iodine (500 mL) | Rougier | #NPN00172944 | |
| Ampicillin sodium | Novopharm | #DIN00872644 | |
| Metacam | Boehringer | #DIN02240463 | |
| Digital multimeter (voltmeter) | Soar Corporation | ME-501 | |
| LED digital stroboscope | Lutron Electronic Enterprise | DT-2269 |
References
- Holloszy, J. O., Coyle, E. F. Adaptations of skeletal muscle to endurance exercise and their metabolic consequences. J Appl Physiol Respir Environ Exerc Physiol. 56 (4), 831-838 (1984).
- Hood, D. A. Invited Review: contractile activity-induced mitochondrial biogenesis in skeletal muscle. J Appl Physiol. 90 (3), 1137-1157 (2001).
- Fernandes, T., et al. Exercise training restores the endothelial progenitor cells number and function in hypertension: implications for angiogenesis. J Hypertens. 30 (11), 2133-2143 (2012).
- Chabi, B., Adhihetty, P. J., O’Leary, M. F., Menzies, K. J., Hood, D. A. Relationship between Sirt1 expression and mitochondrial proteins during conditions of chronic muscle use and disuse. J Appl Physiol. 107 (6), 1730-1735 (2009).
- Lessard, S. J., et al. Resistance to aerobic exercise training causes metabolic dysfunction and reveals novel exercise-regulated signaling networks. Diabetes. 62 (8), 2717-2727 (2013).
- Irrcher, I., Adhihetty, P. J., Sheehan, T., Joseph, A. M., Hood, D. A. PPARgamma coactivator-1alpha expression during thyroid hormone- and contractile activity-induced mitochondrial adaptations. Am J Physiol Cell Physiol. 284 (6), C1669-C1677 (2003).
- Tamura, Y., et al. Postexercise whole body heat stress additively enhances endurance training-induced mitochondrial adaptations in mouse skeletal muscle. Am J Physiol Regul Integr Comp Physiol. 307 (7), R931-R943 (2014).
- Mosole, S., et al. Long-term high-level exercise promotes muscle reinnervation with age. J Neuropathol Exp Neurol. 73 (4), 284-294 (2014).
- Irrcher, I., Walkinshaw, D. R., Sheehan, T. E., Hood, D. A. Thyroid hormone (T3) rapidly activates p38 and AMPK in skeletal muscle in vivo. J Appl Physiol. 104 (1), 178-185 (2008).
- Lesmana, R., et al. The change in thyroid hormone signaling by altered training intensity in male rat skeletal muscle. Endocr J. 63 (8), 727-738 (2016).
- Hokama, J. Y., Streeper, R. S., Henriksen, E. J. Voluntary exercise training enhances glucose transport in muscle stimulated by insulin-like growth factor I. J Appl Physiol. 82 (2), 508-512 (1997).
- Tyler, K. R., Wright, A. J. A. Light weight portable stimulators for stimulation of skeletal muscles at different frequencies and for cardiac pacing. J Physiol Lond. 307, 6-7 (1980).
- Takahashi, M., Rana, A., Hood, D. A. Portable electrical stimulator for use in small animals. J Appl Physiol. 74 (2), 942-945 (1993).
- Ljubicic, V., Adhihetty, P. J., Hood, D. A. Application of animal models: chronic electrical stimulation-induced contractile activity. Can J Appl Physiol. 30 (5), 625-643 (2005).
- Pette, D., Vrbova, G. What does chronic electrical stimulation teach us about muscle plasticity?. Muscle Nerve. 22 (6), 666-677 (1999).
- Pette, D. Historical Perspectives: plasticity of mammalian skeletal muscle. J Appl Physiol. 90 (3), 1119-1124 (2001).
- Pette, D., Vrbova, G. The Contribution of Neuromuscular Stimulation in Elucidating Muscle Plasticity Revisited. Eur J Transl Myol. 27 (1), 6368 (2017).
- Skorjanc, D., Jaschinski, F., Heine, G., Pette, D. Sequential increases in capillarization and mitochondrial enzymes in low-frequency-stimulated rabbit muscle. Am J Physiol. 274 (3 Pt 1), C810-C818 (1998).
- Kim, Y., Hood, D. A. Regulation of the autophagy system during chronic contractile activity-induced muscle adaptations. Physiol Rep. 5 (14), (2017).
- Memme, J. M., Oliveira, A. N., Hood, D. A. Chronology of UPR activation in skeletal muscle adaptations to chronic contractile activity. Am J Physiol Cell Physiol. 310 (11), C1024-C1036 (2016).
- Ljubicic, V., et al. Molecular basis for an attenuated mitochondrial adaptive plasticity in aged skeletal muscle. Aging (Albany NY). 1 (9), 818-830 (2009).
- Schwarz, G., Leisner, E., Pette, D. Two telestimulation systems for chronic indirect muscle stimulation in caged rabbits and mice. Pflugers Arch. 398 (2), 130-133 (1983).
- Simoneau, J. A., Pette, D. Species-specific effects of chronic nerve stimulation upon tibialis anterior muscle in mouse, rat, guinea pig, and rabbit. Pflugers Arch. 412 (1-2), 86-92 (1988).
- Ohlendieck, K., et al. Effects of chronic low-frequency stimulation on Ca2+-regulatory membrane proteins in rabbit fast muscle. Pflugers Arch. 438 (5), 700-708 (1999).
- Brown, M. D., Cotter, M. A., Hudlicka, O., Vrbova, G. The effects of different patterns of muscle activity on capillary density, mechanical properties and structure of slow and fast rabbit muscles. Pflugers Arch. 361 (3), 241-250 (1976).
- Skorjanc, D., Traub, I., Pette, D. Identical responses of fast muscle to sustained activity by low-frequency stimulation in young and aging rats. J Appl Physiol. 85 (2), 437-441 (1998).
- Kim, Y., Triolo, M., Hood, D. A. Impact of Aging and Exercise on Mitochondrial Quality Control in Skeletal Muscle. Oxid Med Cell Longev. 2017, 3165396 (2017).
- Callewaert, L., Puers, B., Sansen, W., Jarvis, J. C., Salmons, S. Programmable implantable device for investigating the adaptive response of skeletal muscle to chronic electrical stimulation. Med Biol Eng Comput. 29 (5), 548-553 (1991).
- Kern, H., et al. Electrical stimulation counteracts muscle decline in seniors. Front Aging Neurosci. 6, 189 (2014).
- Zampieri, S., et al. Physical exercise in aging human skeletal muscle increases mitochondrial calcium uniporter expression levels and affects mitochondria dynamics. Physiol Rep. 4 (24), (2016).
