We describe an in vivo protocol to measure dorsiflexion of the foot following stimulation of the peroneal nerve and contraction of the anterior crural compartment of the rat hindlimb. Such measurements are an indispensable translational tool for evaluating skeletal muscle pathology and tissue engineering approaches to muscle repair and regeneration.
وعلى الرغم من قدرة على التجدد من الهيكل العظمي والعضلات، عجز وظيفي و / أو تجميلية دائمة (على سبيل المثال، وفقدان العضلات الحجمي (VML) الناتجة عن الإصابات والأمراض ومختلف التشوهات الخلقية، الوراثية والمكتسبة شائعة جدا. هندسة الأنسجة وتقنيات الطب التجديدي لديها هائلة يمكن أن توفر حلا العلاجي. ومع ذلك، والاستفادة من النماذج الحيوانية ذات الصلة بيولوجيا في تركيبة مع تقييم طولية من التدابير الوظيفية ذات الصلة أمرا حاسما لتطوير وتحسين علاجات التجدد لعلاج إصابات VML شبيهة. وفي هذا الصدد، وهو نظام رافعة العضلات التجاري يمكن استخدامها لقياس الطول والتوتر والقوة ومؤشرات قوة الاندفاع في العضلات والهيكل العظمي. استخدمنا هذا النظام، بالتزامن مع الطاقة العالية، والمرحلة ثنائية مشجعا، لقياس في الجسم الحي إنتاج القوة ردا على تفعيل مقصورة الساقية الأمامية لل وhindlimb الفئران. لقد PREVIتستخدم ously هذه المعدات لتقييم الأثر الوظيفي للإصابة VML على عضلة الظنبوبي الأمامي (TA)، وكذلك مدى الانتعاش وظيفية بعد العلاج من عضلة TA أصيب مع شركائنا في الأنسجة المهندسة وإصلاح العضلات التكنولوجيا (TEMR). لمثل هذه الدراسات، ويرتكز على القدم اليسرى من الفئران مخدرة بشكل آمن إلى الصفيحة القدمية مرتبطة محرك مؤازر، ويتم تحفيز العصب الشظوي المشترك من قبل اثنين من أقطاب إبرة عن طريق الجلد للحصول انكماش العضلات وعطف ظهري القدم. يتم قياس peroneal العصبية التي يسببها تحفيز تقلص العضلات على مجموعة من الترددات التحفيز (1-200 هرتز)، لضمان الهضبة في نهاية المطاف في إنتاج القوة التي تسمح لتحديد دقيق للقوة كزازي الذروة. بالإضافة إلى تقييم مدى إصابة VML وكذلك درجة من الانتعاش وظيفية بعد العلاج، هذه المنهجية يمكن تطبيقها بسهولة على دراسة جوانب مختلفة من علم وظائف الأعضاء العضلات والفيزيولوجيا المرضية. مثل هذا النهج شويونيتبول مساعدة في تطوير أكثر عقلانية من تحسين علاجات لإصلاح العضلات وتجديد.
الهيكل العظمي والعضلات لديها قدرة ذاتية رائعة للإصلاح في الاستجابة لإصابة أو مرض 1،2. تجريبيا، ومتانة هذا الرد التجدد تم توثيقه جيدا في النماذج الحيوانية من خلال دراسة، على سبيل المثال، وبالطبع وقت الضرر الهيكل العظمي العضلات وإصلاح وتجديد بعد تطبيق myotoxins (على سبيل المثال، cardiotoxin) 3-7. وبشكل أكثر تحديدا، بعد الناجم عن cardiotoxin تلف العضلات واسعة النطاق (38-67٪ من الألياف العضلية 8)، وتوسط تجديد خلايا الأقمار الصناعية، والخلايا الجذعية المقيمين أن تنضج لتصبح في نهاية المطاف الألياف العضلية وظيفية 4،9-13. والنتيجة هي زيادة نهاية مرحلة ما بعد الضرر تجديد وظيفية صحية، المنتجة للقوة الأنسجة العضلية 14-16. على الرغم من أن التفاصيل هي أيضا خارج نطاق هذا التقرير، فإن أساس الآلية لتجديد العضلات يعكس الأحداث مدبرة بعناية من العديد من أنواع الخلايا من الأنساب متعددة باستخدام canoniكال إشارات مسارات حرجة للتنمية الأنسجة والتشكل 5،17-21 على حد سواء. الأهم من ذلك، يتم تمكين تجديد الناجم عن myotoxin من حقيقة أن المصفوفة خارج الخلية، تعصيب العصبية ونضح الأوعية الدموية لا تزال سليمة من الناحية الهيكلية التالية التي يسببها cardiotoxin تلف العضلات 3،8،22. في تناقض صارخ، هذه الهياكل الأنسجة والمكونات الرئيسية هي، بالتعريف، غائبة تماما في سياق الإصابة VML. حيث فقدان صريحة من الأنسجة، وذلك بسبب مجموعة متنوعة من الأسباب، النتائج في عجز وظيفي والتجميل الدائمة 23-25.
بغض النظر عن التحديات الإضافية المرتبطة إصلاح العضلات وتجديد بعد إصابة VML بالمقارنة مع تلف العضلات الناجم عن myotoxin، وتحسين فهم أساس الآلية لتجديد الهيكل العظمي والعضلات وإصلاح، في مجموعة متنوعة من السياقات، يمكن أن يتحقق بشكل جيد من قبل استخدام بيولوجيا النماذج الحيوانية ذات الصلة في توليفة مع طوليssessments تدابير الوظيفية ذات الصلة. كما نوقشت هنا، ودراسات hindlimb الفئران توفر نظام نموذجا ممتازا لتحقيق هذه الغاية. وبشكل أكثر تحديدا، فإن عضلات مقصورة الأمامية المغبنية (الظنبوبي الأمامي، باسطة إبهام اليد (مؤسسة كهرباء لبنان) وإبهام اليد hallicus (HL))، التي تعتبر مسؤولة عن عطف ظهري القدم، والتي تم تحديدها بسهولة والتلاعب بها. وعلاوة على ذلك، يتم تقديم من قبل الأوعية الدموية الرئيسية (الحرقفي والفروع)، ومعصب الأعصاب (الوركي والفروع، بما في ذلك الشظوية) يمتد على طول الساق 26-28. على هذا النحو، يمكن للمرء استخدام نموذج الفئران hindlimb لتقييم مباشرة الهيكل العظمي العضلات وظيفة / علم الأمراض في الجسم الحي، أو لتقييم الأثر غير المباشر من التعديلات المتعلقة أمراض في الأوعية الدموية أو الأعصاب على المقابلة وظيفة العضلات والهيكل العظمي. في أي سيناريو، وشدة المرض، فضلا عن فعالية العلاج يمكن تحديد بوصفها وظيفة من إنتاج القوة العضلية (عزم) والمقابل قدم مovement 29-34.
من الناحية المثالية، ويرافق قياسات القوة من جانب الدراسات النسيجية والتعبير الجيني التحليلات لتقييم أكثر صرامة الوضع الهيكلي والجزيئي من العضلات والهيكل العظمي. الأنسجة الأساسية والمناعية، على سبيل المثال، قادرين على الإجابة عن أسئلة حول حجم العضلات، والمحاذاة الألياف العضلية، خارج الخلية تكوين مصفوفة، موقع نوى، عدد الخلايا، وتوطين البروتين. تحليل التعبير الجيني، بدوره، ضروري لتحديد الآليات الجزيئية التي قد تؤثر / تعدل نضج ألياف العضلات، والحالات المرضية، والنشاط الأيضي. بينما توفر هذه الأساليب معلومات مهمة، إلا أنها تمثل عموما النهاية الطرفية، والأهم من ذلك، فشلوا في معالجة مباشرة القدرة الوظيفية للعضلات الهيكل العظمي، وبالتالي، هي مترابط وليس المسبب للمرض. ومع ذلك، عندما يتم تقييم دراسات نسيجية والتحليلات التعبير الجيني بالتزامن مع قياس آثافة وظيفيةوفاق، ثم، آليات الإنتاج القوة والتجدد وظيفية يمكن التعرف عليها بدقة أكبر.
وفي هذا الصدد، فإن القوة المنتجة للقدرات العضلات يمكن قياسها في المختبر، في الموقع، أو في الجسم الحي. جميع المقاربات الثلاث لديها مزايا وقيود. في تجربة في المختبر، على سبيل المثال، والعضلات هي معزولة تماما وإزالتها من جسم الحيوان. عن طريق إزالة التأثيرات من الأوعية الدموية والأعصاب التي تغذي العضلات، والقدرة مقلص من الأنسجة يمكن تحديد في البيئة الخارجية لرقابة مشددة (35). وفي اختبار الموقع العضلات يسمح للعضلة أن تكون معزولة، كما هو الحال مع الاستعدادات في المختبر، ولكن وتعصيب وإمدادات الدم لا تزال سليمة. صالح في الموقع النموذج التجريبي هو أنه يسمح للعضلة الفردية لدراستها في حين أن تعصيب وإمدادات الدم ومن دواعي الحد الأدنى 36. معافي التجارب المختبرية والتجارب الموقع، يمكن تطبيق العلاجات الدوائية بشكل مباشر دون الحاجة لحساب آثار أي الأنسجة المحيطة بها أو تأثير الدورة الدموية على ردود مقلص قياس 37. ومع ذلك، في الجسم الحي اختبار وظيفة، كما هو موضح هنا، هو أقل تقنية الغازية لتقييم وظيفة العضلات في بيئة موطنه الأصلي 38، ويمكن القيام بها مرارا وتكرارا على مر الزمن (أي طوليا). على هذا النحو، سيكون نقطة محورية في النقاش أدناه.
وفي هذا الصدد، الأقطاب الكهربائية عن طريق الجلد إدراج بالقرب من العضلات في المصالح، أو العصب المحرك الذي يخدم هذه القضية، وتوفير إشارة كهربائية إلى العضلات. محول ثم يقيس طول أو قوة التغيرات الناتجة في عضلة تنشيط حسب توجيهات محددة سلفا، بروتوكول برامج مخصصة. من هذه البيانات، والخصائص الفيزيائية للعضلة يمكن تحديدها. وتشمل هذه لم التردد والكزاز القصوى، قوة السرعة، وصلابة، طول التوتر، والتعب. طول العضلات أو القوة يمكن أيضا أن تكون ثابتة بحيث تنقبض العضلة متساوو القياس أو isotonically. الأهم من ذلك، هذه البروتوكولات التجريبية لا يمكن أن يؤديها بسرعة، تتكرر بسهولة، وcustomized- كل حين إفقاد إحساس الحيوان ومع فترة نقاهة من ساعات إلى أيام. ويمكن للحيوان واحد يخضع في قوة الجسم الحي اختبار عدة مرات، مما يتيح دراسات طولية من نماذج المرض أو تقييم منصات / التقنيات العلاجية.
كما هو موضح هنا، نظام رافعة العضلات التجاري بالتعاون مع قوة عالية، ويستخدم في المرحلة ثنائية مشجعا لأداء في الجسم الحي اختبار وظيفة العضلات لتقييم مساهمة العضلات الظنبوبي الأمامي من hindlimb الفئران إلى عطف ظهري القدم عبر تحفيز العصب الشظوي. لقد وضعت البروتوكول الذي تم تصميمه خصيصا لتقييم الطب التجديدي / منظمة الشفافية الدوليةالتقنيات الهندسية ssue لإصلاح العضلات بعد الاصابة VML المؤلمة من الفئران TA العضلات. يجب ملاحظة ذلك؛ مؤسسة كهرباء لبنان وHL تحتاج إلى تشريح خارج المقصورة الساقية الأمامية من أجل تقييم تحديدا عضلة TA (التي تشكل حوالي 15-20٪ من مجموع عزم الدوران الظنبوبي الأمامي قياس التالية تحفيز العصب الشظوي (كورونا وآخرون، 2013) ). لأن هذا النهج يوفر التحليل الطولي شامل من العضلات علم وظائف الأعضاء / وظيفة، فإنه يمكن إلقاء نظرة الميكانيكية الهامة في العديد من أنواع أخرى من التحقيقات الفسيولوجية وكذلك مجموعة متنوعة من الأمراض أو المجالات العلاجية 39. على سبيل المثال، في الجسم الحي اختبار وظيفة العضلات تنطبق على دراسات من ممارسة علم وظائف الأعضاء، نقص التروية / ضخه البحوث، اعتلال عضلي، تلف الأعصاب / الاعتلال العصبي واعتلال وعائي، sarcopenia، وضمور العضلات 40.
يوضح هذا البروتوكول طريقة بسيطة نسبيا للأداء في عضلة الجسم الحي اختبار وظيفة على مقصورة الساقية الأمامية من hindlimb الفئران. أشكال أخرى من التجارب وظيفة العضلات، بما في ذلك خارج الحي وفي بروتوكولات الموقع، ويمكن أيضا تقديم معلومات مهمة عن علم وظائف الأعضاء العضلات. ومع ذلك، فإن أهمية في الجسم الحي وظيفة الاختبار تكمن في طبيعته موسع، وحقيقة أنه يلخص بدقة أكبر الآليات الذاتية لتنشيط العضلات. على حد سواء خارج الحي واختبار الموقع ووتر و / أو عضلة في والمكشوفة، وبالتالي، يجب أن تبقى رطبة أو المغمورة 41،42. وفي الجسم الحي اختبار يزيل المتغيرات التباس من الصدمة والالتهابات التي قد تكون ناجمة عن العمليات الجراحية المطلوبة لفي الموقع اختبار وظيفة العضلات. هذا أمر مهم خاصة إذا كان الهدف من التجربة هو دراسة العمليات الالتهابية والخلوية <sتصل> 43. وعلاوة على ذلك، في الجسم الحي اختبار يتطلب مهارة جراحية صغيرة كما ليست معزولة العضلات عن محيطها ولا يتطلب عقدة دقيقة للحد من العضلات / وتر انزلاق (كما هو الحال بالنسبة لفي الموقع أو خارج الجسم الحي اختبار) 41. وبالإضافة إلى ذلك، مع ممارسة كافية، وسرعة وضع قطب كهربائي الصحيح والقدرة على اتخاذ بسرعة تعديلات على تحقيق إنتاج القوة القصوى للعضلات وضمان إنجاز البروتوكول هو السريع وreproducible- سواء داخل الحيوانات وعبر مختلف المستخدمين من نفس المعدات 39 . ومن المفيد أن تبدأ مع تقييم العنصر الفخذي الأمامي بأكمله كما هو موضح، قبل استئصال عضلات التآزر التي يصعب الوصول إليها (مؤسسة كهرباء لبنان وHL) لمزيد من التحقيق المباشر للعضلة TA. باستخدام هذا النهج، يمكن للمرء أن تحقيق بسرعة بدلا التمكن من التقنية. في حين أن الإجراء الموصوفة هنا يوضح ويسلط الضوء على فائدة من الاب القوةبروتوكول equency للحث على الكزاز وتحديد الحد الأقصى للقوة التي تنتجها العضلات، يجب على المستخدمين تحديد نوع (ق) من التجارب الفنية التي من شأنها أن أفضل إبلاغ تجربتهم محددة (ق) وأهداف البحث.
هناك العديد من الخطوات الهامة التي يجب القيام بعناية من أجل ضمان النتائج التجريبية الأمثل وقابلة للتكرار، وهذا هو، بما يتفق إنتاج القوة القصوى من العضلات إلى مجموعة متنوعة من المعلمات التحفيز. وترد العديد من الميزات الرئيسية في الشكل (2). ومع ذلك، وضع واستقرار القطب تحفيز السليم هو شرط مطلق لتحفيز القصوى استنساخه من العصب الشظوية. وفي هذا الصدد، ينبغي أن توضع الأقطاب بشكل سطحي. وهذا هو، إذا كان وضع قطب كهربائي عميق جدا، واحد يخاطر التحفيز الكهربائي مباشرة من العضلات المتعارضة، مما يقلل من حجم الاستجابة مقلص لوحظ من المقصورة الأمامية المغبنية. علاوة على ذلك،يجب وضع قطبين على مقربة لبعضها البعض بقدر الإمكان للحد من المقاومة الكهربائية من الجلد المحيطة بها، والنسيج الضام. بشكل عام، القطب المواقع قريب من الركبة وسطي في الساق تتبع مباشرة على حافة الأمامية الظنبوبي إلى حيث يقابل الساق غالبا ما ينتج إنتاج قوة كافية. وهذا يضمن أيضا أن الأقطاب توضع المجاور ومتعامد لطائرة من العصب الشظوية، والذي بدوره يدير عمودي على الساق وأفقيا أسفل الساق من الركبة. ومع ذلك، فإن التغيرات الطبيعية في علم التشريح بين الحيوانات يتطلب يقظة دائمة لضمان الأمثل الذي وضع قطب كهربائي على أساس كل حالة على حدة. على هذا النحو، هناك مستوى معين من التجربة والخطأ المرتبط وضع قطب كهربائي أن تتقلص بشكل كبير من تجربة المستخدم. عدد مرات الأقطاب تخترق الجلد وينبغي التقليل للحد من التورم والالتهاب، مما يقلل ليإنتاج قوة asured. هذا يعتمد على حيث يتم وضع الإبر في البداية، ولكن من المستحسن لتحريك الإبر مرتين أو أقل لا سيما في محيط الركبة. وأخيرا، مرة واحدة يتم وضع أقطاب كهربائية في ساقه من الحيوان، ويمكن إجراء تعديلات طفيفة على المواقع من الساق والتيار تسليمها من خلال الأقطاب. وينبغي أن يتم هذا في حين رصد في الوقت نفسه القوة الناتجة من نشل واحد. بالإضافة إلى وضع قطب كهربائي، ويمكن أيضا إدخال تعديلات على الجهد تسليمها عبر الأقطاب. ومع ذلك، في الإعداد الموصوفة هنا، من المهم توخي الحذر عند زيادة الجهد باعتباره وسيلة لزيادة الانتاج قوة لأن زيادة الجهد وتحفيز الأعصاب التي العضلات المتعارضة يعصب.
هناك ثلاثة اهتمامات التقنية الرئيسية التي يجب مراقبتها للتأكد من أن وضع قطب كهربائي يبقى الأمثل. أولا، يجب أن تكون القدم من الحيوان تخدير آمنترتكز على جهاز دواسة القدم، والذي يقيس إنتاج القوة العضلية (الشكل 2). إن لم يكن يرتكز القدم بشكل آمن، والقوة الحقيقية التي تنتجها العضلات قد تترجم بشكل غير كامل لمحول القوة. غير مستقر تثبيت القدم يدخل أيضا خطر فقدان موضع الأمثل الأقطاب كما الحركة وراء تقلص العضلات العادية (أي سفح الابتعاد عن الصفيحة القدمية) يمكن أن يسبب تشريد الأقطاب من مركزها السطحي أو طرد منها تماما. اما السيناريو يقلل من قوة محسوبة. ثانيا، يجب أن يكون جسم الحيوان مستلق تماما والانحياز في طائرة على التوالي (الشكل 2). الموضع الصحيح من الجسم الحيوانات يمنع تحركات طفيفة في الساق بسبب التنفس، وأيضا يقلل من التواء في الساق والحوض، مما يتيح أفضل التنسيب والاتصال المستمر لتحفيز كهربائي. الثالث، وتحديد المواقع الصحيحة وترسيخ للركبة هو critiكال للتأكد من أن المحطة لا تزال ثابتة، وبالتالي، يساعد على استقرار وضع الأمثل لتحفيز كهربائي للسماح تنشيط ثابت من العصب الشظوية.
هناك عدد قليل من النقاط الإضافية التي ينبغي التأكيد عليها. أولا، تم تصميم نظام رافعة العضلات التجاري لأداء الاختبار على الساق اليسرى، إلا أن الإعداد يمكن تعديلها لأداء الاختبار على الساق اليمنى كذلك. ثانيا، يمكن اختيار أنظمة رافعة العضلات على أساس حجم الحيوان، لذلك يجب على المستخدمين التأكد من أن منصة المستخدمة هي كافية لقياس ودعم القوة التي تنتجها نموذج حيواني من الاختيار. تقتصر العضلات قابلة للاختبار لمنصة المعدات اللازمة لتلك التي تحفز على تمديد أخمصي أو عطف ظهري القدم. ثالثا، أن مجددا التأكيد على أن القطب وضع يمكن أن يكون تحديا ويتطلب الصبر والممارسة لإتقان هذه التقنية. كما أصبح أقطاب مملة بسرعة مع الاستخدام المنتظم، لذلك فإنه من المفيد أن لديك العديد من الصورة الغيارخدمات الاختبارات التربوية لمرة واحدة يصبح من الصعب لوخز الجلد بشكل سطحي. ثالثا، بروتوكول المبينة في هذا التقرير يستخدم متواليات التحفيز محددة وإجراءات تحليل البيانات. رافعة العضلات برنامج حاسوبي لمراقبة النظام والبيانات برامج التحليل والبيانات التي توفرها يمكن الإجابة على العديد من الأسئلة التجريبية الأخرى، وبالتالي، فائدتها تتجاوز ما هو مبين في هذه الوثيقة. على هذا النحو، ويتم تشجيع المستخدمين على استكشاف ما وراء حدود بروتوكول البرمجيات (ق) الواردة في هذه الورقة. على الرغم من هذه القيود البسيطة في الجسم الحي اختبار وظيفة العضلات هو طريقة فعالة لتحديد القدرة الصحية ومقلص من الهيكل العظمي والعضلات لأنه الغازية الحد الأدنى ويمكن القيام بها في مناسبات متعددة، على مدى فترة زمنية ممتدة، في نفس الحيوان. باختصار، هذا النوع من فائدة للخدمة يجعل النظام مهارة خاصة في اختبار تأثيرات علاجات جديدة للاصابة في العضلات والهيكل العظمي أو مرض في hindlimb الفئران.
The authors have nothing to disclose.
The authors would like to thank Dr. Hannah Baker for her extensive work in optimizing this procedure.
Isothesia | Henry Schein Animal Health | 05260-04-04 | |
Isoflurane Vaporizer-Funnel Fill | Vet Equip | 911103 | |
Inlet Adaptor for Vaporizer | Vet Equip | 911124 | |
Outlet Adaptor for Vaporizer | Vet Equip | 911125 | |
Tabletop Anaesthesia Machine | Vet Equip | 901801 | |
Compressed oxygen gas | Praxair | N/A | |
VaporGuard Activated Charcoal Filter | Vet Equip | 931401 | |
T/Pump Professional water heater | Stryker | N/A | set on Continuous Therapy Time at 38/100 for temperature |
Transpore Surgical Tape | 3M | 1527S-1 | rip in half to make thinner strips |
A5 Golden animal clippers | Oster | 078005-050-002 | |
Povidone-Iodine Solution | Aplicare | 82-227K | |
Alcohol Swabs | |||
200 proof Ethanol | Decon labs | diluted to 70% with deionized water | |
cotton tipped applicators | Puritan | 836-WC | |
Teflon coated electrodes-Monopolar needle electrode | Chalgren Enterprises | 111-725-24TP | |
servomotor | Cambridge Technology | Model 6650LR | |
Dual Mode Lever System | Aurora Scientific Inc | Model 305C-LR-FP | contact manufacturer to order |
Signal Interface | Aurora Scientific Inc | Model 604A | |
High-Power, Bi-Phase Stimulator | Aurora Scientific Inc | Model 701C | |
Data analysis software | Aurora Scientific Inc | DMAv5.110 software | |
Muscle lever system control software | Aurora Scientific Inc | DMCv5.400 software |