Summary

Électromyographie monofibre stimulée (SFEMG) pour l’évaluation de la transmission des jonctions neuromusculaires dans des modèles de rongeurs

Published: March 08, 2024
doi:

Summary

Dans cette étude, nous démontrons un protocole d’électromyographie à fibre unique (SFEMG) affiné pour permettre la mesure in vivo de la transmission de la jonction neuromusculaire (JNM) dans des modèles de rongeurs. Une approche étape par étape de la technique SFEMG est décrite pour permettre la quantification de la variabilité et de l’échec de la transmission de la JNM dans le muscle gastrocnémien du rat.

Abstract

En tant que dernière connexion entre le système nerveux et le muscle, la transmission à la jonction neuromusculaire (JNM) est cruciale pour une fonction motrice normale. L’électromyographie à fibre unique (SFEMG) est une technique cliniquement pertinente et sensible qui mesure les réponses potentielles d’action des fibres musculaires uniques lors de contractions volontaires ou de stimulations nerveuses afin d’évaluer la transmission de la NMJ. L’évaluation et la quantification de la transmission de la NMJ impliquent deux paramètres : la gigue et le blocage. La gigue fait référence à la variabilité du temps (latence) entre des potentiels d’action consécutifs à une seule fibre (SFAP). Le blocage signifie que la transmission NMJ n’a pas réussi à initier une réponse SFAP. Bien que le SFEMG soit un test bien établi et sensible en milieu clinique, son application dans la recherche préclinique a été relativement peu fréquente. Ce rapport décrit les étapes et les critères utilisés pour effectuer des SFEMG stimulés afin de quantifier la gigue et le blocage dans des modèles de rongeurs. Cette technique peut être utilisée dans des études précliniques et cliniques pour mieux comprendre la fonction de la JNM dans le contexte de la santé, du vieillissement et de la maladie.

Introduction

L’électromyographie à fibre unique (SFEMG) a été initialement développée par Stålberg et Ekstedt dans les années 1960 pour identifier et analyser les potentiels d’action des fibres musculaires individuelles, principalement pour étudier la fatigue musculaire1. La SFEMG est la technique clinique la plus sensible pour l’évaluation de la transmission de la jonction neuromusculaire (JNM)2. Le SFEMG est effectué en enregistrant sélectivement les potentiels d’action d’une seule fibre (SFAP)3. La transmission de la NMJ peut être compromise en raison de facteurs tels que le vieillissement 4,5 et divers troubles neuromusculaires tels que la myasthénie grave et la sclérose latérale amyotrophique6. De plus, des conditions telles que l’ischémie, les fluctuations de température et l’utilisation d’agents bloquants neuromusculaires peuvent entraîner des déficiences dans la transmission de la JNM, qui se manifestent par une variabilité accrue de la transmission de la JNM et des occurrences d’échec de la JNM2.

Il existe deux approches pour l’enregistrement de la SFEMG : la SFEMG stimulée et la SFEMG volontaire. Le SFEMG volontaire consiste à enregistrer les SFAP de deux NMJ alimentés par le même axone moteur à l’aide d’une électrode à aiguille concentrique insérée dans le muscle testé lors de l’activation volontaire7. En conséquence, la SFEMG volontaire nécessite la coopération du sujet et ne peut évaluer que les unités motrices à bas seuil (celles activées lors de contractions faibles)3. Le SFEMG stimulé utilise une paire d’électrodes stimulantes pour stimuler les axones moteurs tout en enregistrant les SFAP avec une électrode d’aiguille SFEMG insérée dans le muscle testé7.

Dans le SFEMG volontaire et stimulé, la gigue et le blocage sont les deux paramètres utilisés pour évaluer et quantifier la transmission de la NMJ8. La gigue décrit la variabilité de la synchronisation (latence) entre des SFAP consécutifs. Dans le cadre d’une SFEMG volontaire, la gigue est quantifiée en évaluant les différences de latence entre une paire de SFAP (alimentées par le même axone moteur) pendant 50 à 100 décharges consécutives. Au cours d’une SFEMG stimulée, la gigue est quantifiée en évaluant les différences de latence entre le moment de la stimulation et le début de la SFAP pendant 50 à 100 décharges consécutives. Le blocage indique l’échec de la transmission de la JNM à déclencher une réponse SFAP, et il peut être quantifié comme la présence ou l’absence de chaque paire de SFAP pendant la SFEMG volontaire ou pour chaque NMJ pendant la SFEMG 2,7 stimulée.

Bien qu’il s’agisse d’un test établi et sensible dans le cadre clinique, le SFEMG n’a été que rarement appliqué dans la recherche préclinique 4,5,9,10,11,12,13,14,15,16,17,18 . Dans ce rapport, nous décrivons l’approche de réalisation et d’analyse des enregistrements SFEMG dans des modèles précliniques de rongeurs. De plus, nous présentons des données représentatives qui mettent en évidence des résultats représentatifs sur le SFEMG qui indiquent une altération de la transmission de la JNM après l’administration d’un agent neuromusculaire bloquant non dépolarisant, le rocuronium.

Protocol

Tous les protocoles ont été approuvés et exécutés conformément aux règlements établis par le Comité institutionnel de protection et d’utilisation des animaux de l’Université du Missouri. 1. Préparation des animaux et administration de l’anesthésie Mettez un équipement de protection individuelle approprié. Avant l’intervention, mesurez le poids du rat pour déterminer la dose appropriée pour les médic…

Representative Results

Pour démontrer une augmentation de la gigue et du blocage dans le contexte de l’échec de la transmission de la JNM, une SFEMG stimulée a été réalisée avec et sans administration intraveineuse de rocuronium. Le rocuronium est un agent bloquant neuromusculaire à action intermédiaire et non dépolarisant, largement utilisé en milieu clinique pour induire une paralysie musculaire lors d’interventions chirurgicales ou d’interventions médicales. Il fonctionne en se liant de ma…

Discussion

SFEMG est couramment utilisé pour les tests de diagnostic chez les patients suspectés de formes auto-immunes, acquises et génétiques de la maladie NMJ. SFEMG est considéré comme le test le plus sensible pour le diagnostic de la maladie NMJ, la myasthénie grave20,21. La stimulation nerveuse répétitive (RNS) est une autre méthode qui est plus couramment utilisée dans les tests de diagnostic clinique et qui consiste à st…

Divulgations

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Les auteurs tiennent à remercier le Dr Martin Brandhøj Skov de NMD Pharma pour ses précieux conseils sur le dosage du rocuronium et Arash Karimi du Département de génie biomédical de l’Université Stony Brook pour son aide dans les calculs. Cette étude a été financée en partie par le financement des NIH à la WDA (R01AG067758 et R01AG078129).

Materials

 27 G Reusable Single Fiber Needle Electrode Technomed 202860-000 singlefiber recording electrode
2 mL Glass Syringe Kent Scientific Corporation SOMNO-2ML
Detachable Cable Technomed 202845-0000 to connect the recorder electrode to the electrodiagnostic machine
Disposable 2" x 2" disc electrode with leads Cadwell 302290-000 ground electrode
disposable monopolar needles 28 G Technomed 202270-000 cathode and anode stimulating electrodes
EMG needle cable (Amp/stim switch box) Cadwell 190266-200 to connect monopolar electrodes to electrodiagnostic stimulator
Helping Hands alligator clip with iron base Radio Shack 64-079 Maintaining recording electrode placement 
Isoflurane (250 mL bottle) Piramal Healthcare NA
monoject curved tip irrigating syringe Covidien 81412012 utilized for application of electrode gel
PhysioSuite Physiological Monitoring System with RightTemp Homeothermic Warming Kent Scientific Corporation PS-RT Includes infrared warming pad, rectal probe, and pad temperature probe
Pro trimmer Pet Grooming Kit Oster 078577-010-003 clippers for hair removal
Rat Endotracheal Tubes (16 G) Kent Scientific Corporation
Rocoronium Bromide Sigma PHR2397-500MG neuromuscular blocker agent
Sierra Summit EMG system Cadwell Industries, Inc., Kennewick, WA NA portable electrodiagnostic system
SomnoSuite Low-Flow Digital Anesthesia System Kent Scientific Corporation SOMNO Includes anti-spill, anti-vapor bottle top adapter; Y adapter tubing; charcoal scavenging filter
Veterinarian petroleum-based ophthalmic ointment  Puralube 26870 applied during anesthesia to avoid corneal injury

References

  1. Stalberg, E. Propagation velocity in human muscle fibers in situ. Acta Physiol Scand Suppl. 287, 1-112 (1966).
  2. Stålberg, E., Trontelj, J. V. The study of normal and abnormal neuromuscular transmission with single fibre electromyography. J Neurosci Methods. 74 (2), 145-154 (1997).
  3. Sanders, D. B., et al. Guidelines for single fiber EMG. Clin Neurophysiol. 130 (8), 1417-1439 (2019).
  4. Chugh, D., et al. Neuromuscular junction transmission failure is a late phenotype in aging mice. Neurobiol Aging. 86, 182-190 (2020).
  5. Padilla, C. J., et al. Profiling age-related muscle weakness and wasting: Neuromuscular junction transmission as a driver of age-related physical decline. GeroScience. 43 (3), 1265-1281 (2021).
  6. Selvan, V. A. Single-fiber EMG: A review. Ann Indian Acad Neurol. 14 (1), 64-67 (2011).
  7. Sanders, D. B., Kouyoumdjian, J. A., Stålberg, E. V. Single fiber electromyography and measuring jitter with concentric needle electrodes. Muscle Nerve. 66 (2), 118-130 (2022).
  8. Juel, V. C. Single fiber electromyography. Handb Clin Neurol. 160, 303-310 (2019).
  9. Chung, T., et al. Evidence for dying-back axonal degeneration in age-associated skeletal muscle decline. Muscle Nerve. 55 (6), 894-901 (2017).
  10. Iyer, C. C., et al. Follistatin-induced muscle hypertrophy in aged mice improves neuromuscular junction innervation and function. Neurobiol Aging. 104, 32-41 (2021).
  11. Meekins, G. D., Carter, G. T., Emery, M. J., Weiss, M. D. Axonal degeneration in the trembler-j mouse demonstrated by stimulated single-fiber electromyography. Muscle Nerve. 36 (1), 81-86 (2007).
  12. Gooch, C. L., Mosier, D. R. Stimulated single fiber electromyography in the mouse: Techniques and normative data. Muscle Nerve. 24 (7), 941-945 (2001).
  13. Chung, T., Tian, Y., Walston, J., Hoke, A. Increased single-fiber jitter level is associated with reduction in motor function with aging. Am J Phys Med Rehabil. 97 (8), 551-556 (2018).
  14. Sokolow, S., et al. Impaired neuromuscular transmission and skeletal muscle fiber necrosis in mice lacking na/ca exchanger 3. J Clin Investig. 113 (2), 265-273 (2004).
  15. Añor, S., et al. Evaluation of jitter by stimulated single-fiber electromyography in normal dogs. J Vet Intern Med. 17 (4), 545-550 (2003).
  16. Mizrachi, T., et al. NMO-IgG and AQP4 peptide can induce aggravation of eamg and immune-mediated muscle weakness. J Immunol Res. 2018, 5389282 (2018).
  17. Lin, T. S., Cheng, T. J. Stimulated single-fiber electromyography in the rat. Muscle Nerve. 21 (4), 482-489 (1998).
  18. Finley, D. B., Wang, X., Graff, J. E., Herr, D. W. Single fiber electromyographic jitter and detection of acute changes in neuromuscular function in young and adult rats. J Pharmacol Toxicol Methods. 59 (2), 108-119 (2009).
  19. Khan, Z. H., Hajipour, A., Zebardast, J., Alomairi, S. R. Muscle relaxants in anesthesia practice: A narrative review. Arch Anesthesiol Crit Care. 4 (4), 547-552 (2018).
  20. Padua, L., Caliandro, P., Stålberg, E. A novel approach to the measurement of motor conduction velocity using a single fibre emg electrode. Clin Neurophysiol. 118 (9), 1985-1990 (2007).
  21. Khoo, A., Hay Mar, H., Borghi, M. V., Catania, S. Electrophysiologic evaluation of myasthenia gravis and its mimics: Real-world experience with single-fiber electromyography. Hosp Pract. 50 (5), 373-378 (2022).
  22. Nannan, G., et al. A role of lamin a/c in preventing neuromuscular junction decline in mice. J Neurosci. 40 (38), 7203 (2020).
  23. Alley, D. E., et al. Grip strength cutpoints for the identification of clinically relevant weakness. J Gerontol A Biol Sci Med Sci. 69 (5), 559-566 (2014).
  24. Juel, V. C. Clinical Neurophysiology of Neuromuscular Junction Disease. Handbook of Clinical Neurology. 161, 291-303 (2019).
  25. Rich, M. M. The control of neuromuscular transmission in health and disease. Neuroscientist. 12 (2), 134-142 (2006).
  26. Juel, V. C. Evaluation of neuromuscular junction disorders in the electromyography laboratory. Neurol Clin. 30 (2), 621-639 (2012).
  27. Arnold, W. D., Clark, B. C. Neuromuscular junction transmission failure in aging and sarcopenia: The nexus of the neurological and muscular systems. Ageing Res Rev. 89, 101966 (2023).
  28. Kokubun, N. Reference values for concentric needle single fiber EMG. Rinsho Shinkeigaku. 52 (11), 1246-1248 (2012).
  29. Testelmans, D., et al. Rocuronium exacerbates mechanical ventilation-induced diaphragm dysfunction in rats. Crit Care Med. 34 (12), 3018-3023 (2006).
  30. Suzuki, K., et al. Intravenous infusion of rocuronium bromide prolongs emergence from propofol anesthesia in rats. PLoS One. 16 (2), e0246858 (2021).
  31. Stålberg, E., et al. Reference values for jitter recorded by concentric needle electrodes in healthy controls: A multicenter study. Muscle Nerve. 53 (3), 351-362 (2016).
This article has been published
Video Coming Soon
Keep me updated:

.

Citer Cet Article
Ketabforoush, A., Wang, M., Arnold, W. D. Stimulated Single Fiber Electromyography (SFEMG) for Assessing Neuromuscular Junction Transmission in Rodent Models. J. Vis. Exp. (205), e66452, doi:10.3791/66452 (2024).

View Video