Anwendung der chronische Stimulation kontraktilen Aktivität induzierten Ratte Skelettmuskulatur phänotypische Anpassungen zu studieren
概要
Dieses Protokoll beschreibt den Einsatz des Aktivitätsmodells chronische kontraktilen der Übung, skelettartiger Muskel Stimulation induzierte Anpassungen in der Ratte Megalosauridae zu beobachten.
Abstract
Skelettmuskulatur ist ein anpassungsfähiges Gewebe wie seine biochemischen und physiologischen Eigenschaften stark als Reaktion auf chronische Übung verändert werden. Um die zugrunde liegenden Mechanismen zu untersuchen, die verschiedenen Muskel-Adaptionen herbeizuführen, haben eine Reihe von Ausübung Protokolle wie Laufband, Rad laufen und Schwimmen-Übung in tierexperimentellen Studien verwendet worden. Jedoch üben diese Modelle erfordern eine längere Zeit zu Muskel-Anpassungen, die humorale oder neurologische Faktoren, wodurch ihre Anwendungen bei der Untersuchung der Muskel-spezifische Kontraktion-induzierte Anpassungen auch geregelt werden kann. Indirekte niederfrequente Stimulation (10 Hz) induzieren chronische kontraktilen Aktivität (CCA) hat als ein alternatives Modell für Übung Training eingesetzt, da es erfolgreich zu Muskel mitochondriale Anpassungen innerhalb von 7 Tagen, unabhängig von systemische Faktoren führen kann. Dieses Papier beschreibt die Operationstechniken der Skelettmuskulatur von Ratten, die Behandlung von CCA zuweisen für weit verbreitete Anwendung in Zukunft Studien erforderlich.
Introduction
Skelettmuskulatur kann anpassen und Ausbildung durch Veränderungen in der Bioenergetik und physikalische Struktur1ausüben. Eines der wichtigsten Veränderungen herbeigeführt durch Ausdauertraining ist mitochondriale Biogenese, welches durch eine Erhöhung der Expression des mitochondrialen Komponenten (z. B. Cytochrom C Oxidase [COX] Untereinheiten) ausgewertet werden kann, sowie der Ausdruck von die transcriptional Coactivator, PGC-1α-2. Eine wachsende Anzahl von Studien haben gezeigt, dass zahlreiche andere Faktoren, einschließlich der mitochondrialen Umsatz- und Mitophagy, auch wichtig für Muskel-Anpassungen sind. Jedoch die Mechanismen durch die akute oder chronische Übung regulieren diese Prozesse in der Skelettmuskulatur sind noch unklar.
Um die Wege abzugrenzen die Ausübung induzierten Muskel Anpassungen zu regulieren, haben verschiedene Übung Modelle in Nagetier Studien, einschließlich Laufband, Rad laufen und Schwimmen Übung gebräuchlich. Diese Protokolle haben jedoch einige Einschränkungen, dass ~ 4-12 Wochen nötig sind, um diesen phänotypischen Veränderungen3,4,5zu beobachten. Als alternative experimentelle Methode, niederfrequente Stimulation-induzierten chronischen kontraktilen Aktivität (CCA) hat effektiv verwendet, da es in einem wesentlich kürzeren Zeitraum zu Muskel Anpassungen führen kann (d. h. bis zu 7 Tagen) und seine Auswirkungen scheinen werden Sie vergleichbar oder sogar größer als andere Übung-Protokolle. Darüber hinaus kann das Vorhandensein von hormonellen6, Temperatur7und neurologischen Auswirkungen8 Muskel-spezifische Reaktionen auf chronische Übung verstehen erschweren. Zum Beispiel Schilddrüsenhormone9,10 und Insulin-ähnlichen Wachstumsfaktoren (IGF)-111 wurden identifiziert, um Muskel Training-induzierte Anpassungen zu vermitteln, die auch andere Signalwege im Skelett regulieren kann Muskel. CCA-induzierte Effekte sind vor allem minimal systemische Faktoren, so dass Fokus auf die direkte Reaktion des skelettartigen Muskels auf kontraktilen Aktivität geregelt.
Die Außeneinheit für CCA wurde erstmals von Tyler und Wright12und wurde mit Modifikationen12entwickelt. Kurzum, das Gerät besteht aus drei Hauptteilen: einem Infrarotdetektor, die durch die Einwirkung von Infrarotlicht, Impulsgeber und einen Puls-Indikator (Abbildung 1) aktiviert oder deaktiviert werden kann. Die detaillierte Schaltungsdesign des Referats Stimulator wurde zuvor13beschrieben. Die detaillierte und spezifische Merkmale der CCA finden Sie in größerer Tiefe in einer Reihe von Review Artikel14,15,16,17. In Kürze soll die Stimulation Protokoll Peronaeus bei tiefen Frequenzen zu aktivieren (z. B. 10 Hz), und der innervierten Muskulatur (m. Tibialis anterior [TA] und Beinstrecker m.digitorum Longus [EDL] Muskel) sind gezwungen, Verträge für eine vorgegebenen Zeitspanne (z.B. 3-6 h). Im Laufe der Zeit verschiebt dies die genannten Muskeln zu einer mehr aerobe Phänotyp, nachgewiesen durch eine Zunahme der Kapillardichte18 und mitochondriale Inhalt19,20,21. Daher ist diese Methode ein bewährtes Modell, einige der großen Ausdauer Training Anpassungen im skelettartigen Muskel der Ratten zu imitieren.
Dieser Beitrag stellt ein detailliertes Verfahren der Elektrode Implantation Operation, CCA zu induzieren, so dass die Forscher dieses Modell in ihre Übung Studien anwenden können. CCA ist ein hervorragendes Modell für das Studium des zeitlichen Verlauf des Muskels Anpassungen, wodurch ein wirksames Instrument für die Untersuchung von molekularen und Signalisierung Veranstaltungen zu beiden frühen und späteren Zeitpunkten nach Beginn der Übung Training.
Protocol
Representative Results
Discussion
Die chronische kontraktilen (CCA) Aktivitätsmodell der Übung durch niederfrequente Muskel Stimulation in Vivo, ist ein hervorragendes Modell für das Studium Muskel phänotypische Anpassungen zur Ausübung von13,24,25 , 26. wie in früheren Studien20,27, CCA ist ein effektives Werkzeug, mit dem Forscher Steuern Training Volum…
開示
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Wir sind dankbar für seine kompetente Lektüre des Manuskripts Liam Tyron. Diese Arbeit wurde unterstützt durch die Finanzierung von naturwissenschaftlich-technischen Forschung Rat von Kanada (NSERC), D. A. Haube. D. A. Hood ist auch der Inhaber einer Canada Research Chair in Zellphysiologie.
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 |
参考文献
- 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).
