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.
Ondanks de regeneratieve capaciteit van skeletspieren, permanent functioneel en / of cosmetisch tekorten (bijvoorbeeld volumetrische spierverlies (VML) als gevolg van ernstige verwondingen, ziekten en verschillende congenitale, genetische en verworven aandoeningen komen vaak voor. Tissue engineering en regeneratieve geneeskunde biedt grote potentieel om een therapeutische oplossing. echter het gebruik van biologisch relevante diermodellen in combinatie met longitudinale beoordeling van relevante functionele maatregelen zijn cruciaal voor de ontwikkeling van verbeterde regeneratieve therapieën voor behandeling van VML-achtige letsels. Dienaangaande commerciële spier hefboomsysteem kan worden gebruikt voor het meten lengte, spanning, kracht en snelheid parameters in de skeletspier. We hebben dit systeem, in combinatie met een hoog vermogen, bi-fase stimulator te meten in vivo kracht productie in response op activering van het voorste crurale compartiment van de rat achterbeen. We hebben PreviDUREND gebruikt dit apparaat de functionele gevolgen van VML schade aan de tibialis anterior (TA) spier, evenals de mate van functioneel herstel na behandeling van de gewonden TA spier onze tissue engineered spierherstel (TEMR) technologie beoordelen. Voor dergelijke studies, is de linker voet van een verdoofde rat stevig verankerd op een voetplaat gekoppeld aan een servomotor, en de gemeenschappelijke peroneus wordt gestimuleerd door twee percutane naald elektroden op spieren en dorsaalflexie van de voet op te wekken. De peroneus stimulatie-geïnduceerde spiercontractie wordt gemeten over een bereik van stimulatiefrequenties (1-200 Hz), een eventueel plateau geldende productie die zorgt voor een nauwkeurige bepaling van piek tetanische werking garanderen. Naast evaluatie van de mate van schade VML alsmede de mate van functioneel herstel na behandeling, kan deze werkwijze gemakkelijk worden toegepast op diverse aspecten van spierfysiologie en pathofysiologie bestuderen. Een dergelijke aanpak should te helpen met de meer rationele ontwikkeling van verbeterde therapieën voor spierherstel en regeneratie.
Skeletspieren heeft een opmerkelijke intrinsieke capaciteit voor reparatie in reactie op letsel of ziekte 1,2. Experimenteel, de robuustheid van deze regeneratieve respons is goed gedocumenteerd in proefdieren door het bestuderen van bijvoorbeeld het tijdsverloop van skeletspier schade herstel en regeneratie na toepassing van myotoxins (bijvoorbeeld cardiotoxine) 3-7. Meer in het bijzonder, na uitgebreid-cardiotoxine geïnduceerde spierbeschadiging (38-67% van de spiervezels 8), wordt de regeneratie gemedieerd door satelliet-cellen, de resident stamcellen die volwassen genoeg is om uiteindelijk te worden functionele spiervezels 4,9-13. Het eindresultaat wordt verhoogd post-schade functionele regeneratie van gezonde, kracht produceren spierweefsel 14-16. Hoewel de details zijn goed buiten het bestek van dit rapport, de mechanistische basis voor de regeneratie van de spieren weerspiegelt de zorgvuldig georkestreerde gebeurtenissen van een groot aantal celtypen uit meerdere lijnen met behulp van canonical signaalwegen van cruciaal belang voor zowel het weefsel ontwikkeling en morfogenese 5,17-21. Belangrijker is myotoxin-geïnduceerd herstel mogelijk gemaakt door het feit dat de extracellulaire matrix, neuronale innervatie en bloedvaten perfusie structureel intact na-cardiotoxine geïnduceerde spierbeschadiging 3,8,22 blijven. In schril contrast, deze belangrijke weefselstructuren en componenten zijn, per definitie, geheel afwezig in het kader van VML schade; wanneer Frank weefselverlies als gevolg van verschillende oorzaken, tot blijvende functionele en cosmetische gebreken 23-25.
Ongeacht de bijkomende problemen geassocieerd met spier en regeneratie volgende VML letsel vergeleken met myotoxin geïnduceerde spierbeschadiging, beter inzicht in de mechanistische basis voor skeletspieren regeneratie en reparatie, in verschillende contexten, zou goed bediend door gebruik van biologisch relevante diermodellen in combinatie met een longitudinalessessments van relevante functionele maatregelen. Zoals hierin besproken, studies van de ratten achterpoot een uitstekende modelsysteem daartoe. Meer in het bijzonder de spieren van het voorste compartiment crurale (tibialis anterior, extensor digitorum longus (EDL) en hallicus longus (HL)), die verantwoordelijk zijn voor dorsiflexie van de voet, worden gemakkelijk geïdentificeerd en gemanipuleerd. Bovendien zijn ze bediend door de grote bloedvaten (iliac en takken), en worden geïnnerveerd door zenuwen (ischias en takken, met inbegrip van peroneal) over de gehele lengte van het been 26-28. Als zodanig kan men de ratten achterpoot model voor skeletspierfunctie / pathologie direct beoordelen in vivo, of de meer indirecte invloed van pathologie gerelateerde veranderingen in bloedvaten of zenuwen overeenkomstige skeletspierfunctie evalueren. In beide scenario kan de ernst van de ziekte, en de effectiviteit van de behandeling worden bepaald als functie van spierkracht productie (torsie) en bijbehorende voet movement 29-34.
Idealiter worden krachtmetingen begeleid door histologisch onderzoek en genexpressie analyses om de structurele en moleculaire toestand van de skeletspieren meer rigoureus te evalueren. Basic histologie en immunohistochemie bijvoorbeeld kunnen vragen spieromvang, spiervezel uitlijning extracellulaire matrixsamenstelling, locatie nuclei celaantal en eiwit lokalisatie beantwoorden. Genexpressieanalyse zijn beurt dient voor het identificeren van de moleculaire mechanismen die invloed kunnen / moduleren de looptijd van de spiervezels, ziektetoestanden en metabolische activiteit. Hoewel deze methoden leveren cruciale informatie, die zij vertegenwoordigen in het algemeen terminal endpoints, en belangrijker nog, ze niet aan de functionele capaciteit van de skeletspier rechtstreeks aan te pakken, en dus zijn correlatieve plaats van oorzakelijke. Wanneer echter histologische studies en genexpressie analyses worden geëvalueerd in combinatie met functionele MEASURes, dan mechanismen van kracht productie en functionele regeneratie kan worden het meest nauwkeurig geïdentificeerd.
In dit opzicht kan de kracht met mogelijkheden van een spier gemeten in vitro, in situ of in vivo. Alle drie benaderingen hebben zowel voordelen en beperkingen. In een in vitro experiment, bijvoorbeeld de spier volledig geïsoleerd en verwijderd uit het lichaam van het dier. Door het verwijderen van de invloeden van de bloedvaten en zenuwen die de spieren te leveren, kan het contractiele vermogen van het weefsel in een strak externe omgeving 35 worden bepaald. In situ spiertesten kan de spier te isoleren, zoals bij in vitro preparaten echter de innervatie en bloedtoevoer blijven intact. Het voordeel van de in situ experimentele model is dat het een individu spieren te onderzoeken terwijl de innervatie en bloedtoevoer minimaal wordt verstoord 36. In beidein vitro en in situ experimenten kunnen farmacologische behandelingen directer worden toegepast zonder rekening met de effecten van elke omgevende weefsels of de effecten van de bloedsomloop van de gemeten contractiereacties 37. In vivo effecten tests, zoals hierin beschreven, is de minst invasieve techniek voor het evalueren spierfunctie in zijn natuurlijke omgeving 38, en kan herhaaldelijk worden uitgevoerd in de tijd (dwz longitudinaal). Als zodanig zal het brandpunt van de volgende discussie.
In dit verband percutane elektroden geplaatst nabij de spier van belang of de motorische zenuw die het dient, vormen een elektrisch signaal aan de spier. Een transductor meet vervolgens de resulterende lengte of kracht veranderingen in de geactiveerde spier zoals voorgeschreven door een vooraf bepaalde maat softwareprotocol. Uit deze gegevens kunnen de fysische eigenschappen van de spier worden bepaald. Daaronder vallence-frequentie, maximale tetanus, kracht-snelheid, stijfheid, lengte spanning en vermoeidheid. Muscle lengte of kracht kan ook constant worden gehouden, zodat de spier contracten isometrisch of isotoon. Belangrijk, kan deze experimentele protocollen snel worden uitgevoerd, eenvoudig herhaald en customized- allemaal terwijl het dier verdoofd met een herstelperiode van uren tot dagen. Een enkel dier kan ondergaan in vivo testen van kracht meerdere malen, waardoor longitudinale studies van de ziekte van modellen of evaluatie van de therapeutische platforms / technologieën.
Zoals hierin beschreven, een commercieel spier hefboomsysteem in combinatie met een hoog vermogen, tweefasige stimulator wordt gebruikt presteren in vivo spierfunctie testen om de bijdrage van de tibialis anterior spier van de rat achterpoot om dorsiflexie van de voet evalueren via stimulatie van de peroneus. We hebben een protocol dat speciaal is ontworpen om de regeneratieve geneeskunde / ti evalueren ontwikkeldssue techniektechnologieën voor spierherstel na traumatisch VML letsel van de rat TA spier. Opgemerkt; de EDL en HL moeten uit de anterior crurale compartiment worden ontleed om specifiek te evalueren de TA spier (ze zijn goed voor ongeveer 15-20% van de totale tibialis anterior koppel gemeten na peroneus stimulatie (Corona et al., 2013) ). Omdat deze aanpak biedt uitgebreide longitudinale analyse van de spier fysiologie / functie, kan het belangrijk mechanistisch inzicht te werpen op tal van andere typen van fysiologische onderzoeken, evenals een verscheidenheid van ziekte of therapeutische gebieden 39. Bijvoorbeeld in vivo spierfunctie testen geldt voor studies van inspanningsfysiologie, ischemie / reperfusie onderzoek, myopathie, zenuwbeschadiging / neuropathie en vasculopathie, sarcopenie en spierdystrofieën 40.
Dit protocol toont een relatief eenvoudige werkwijze voor het uitvoeren van in vivo spierfunctie proeven op het voorste compartiment van het crurale rat achterbeen. Andere vormen van spierfunctie testen, met inbegrip van ex vivo en in situ protocollen, kan ook belangrijke informatie over spierfysiologie. De betekenis van de in vivo effecten test ligt in het invasieve karakter en het feit dat het nauwkeurigst recapituleert endogene mechanismen van spierstimulatie. Voor zowel ex vivo en in situ testen, de pees en / of spier worden blootgesteld, en daarom moet vochtig gehouden of ondergedompeld 41,42. In vivo testen verwijdert verstorende variabelen trauma en ontsteking die wordt veroorzaakt door het chirurgisch procedures die in situ spierfunctie testen; Dit is vooral van belang als het doel van het experiment is om inflammatoire en cellulaire processen te onderzoeken <sup> 43. Bovendien, in vivo testen vereist weinig chirurgische vaardigheid als de spier niet van de omgeving is geïsoleerd en vereist geen nauwkeurige knopen spier / pees slippen te verminderen (zoals het geval is in situ of ex vivo testen) 41. Bovendien, met voldoende ervaring, de snelheid van de juiste plaatsing van de elektroden en het vermogen om snel aanpassingen van maximale kracht productie van de spier bereiken zorgt dat protocol voltooid is snel en reproducible- zowel in dieren als tussen verschillende gebruikers van dezelfde apparatuur 39 . Het is gunstig om te beginnen met een beoordeling van de gehele voorste crurale component zoals geïllustreerd vóór uitsnijden van de minder toegankelijke synergistische spieren (EDL en HL) directere onderzoek naar de TA spier. Met deze aanpak kan men vrij snel te bereiken beheersing van de techniek. Hoewel de hierin beschreven procedure laat zien en wijst op het nut van een kracht frequency protocol om tetanus induceren en het bepalen van de maximale kracht geproduceerd door een spier, moeten de gebruikers het type (s) van de functionele testen die het best hun specifieke experiment (s) en onderzoek doelen zouden op de hoogte te bepalen.
Er zijn verschillende kritische stappen die zorgvuldig moeten worden uitgevoerd om optimale en reproduceerbare experimentele resultaten, dat wil zeggen, constante maximale kracht productie door de spier van verschillende stimulatieparameters. Verscheidene belangrijke kenmerken zijn aangegeven in figuur 2. Echter juiste plaatsing en stabiliteit van de stimulerende elektrode een absolute voorwaarde voor reproduceerbare maximale stimulering van de peroneus. In dit verband moet de elektroden oppervlakkig worden geplaatst. Namelijk als de plaatsing van de elektroden te diep riskeert een directe elektrische stimulatie van antagonistische spieren, waardoor de omvang van de waargenomen contractierespons van het voorste compartiment crurale afneemt. Verder is detwee elektroden moeten zo dicht geplaatst bij elkaar als mogelijk is de elektrische weerstand van de omringende huid en bindweefsel verminderen. In het algemeen elektrode positie nabij de knie en mediaal van het been toerekenen de rand van de tibialis anterior waar het de gastrocnemius levert vaak voldoende kracht productie. Dit zorgt er ook voor dat de elektroden elkaar liggen en loodrecht geplaatst op het vlak van de peroneale zenuw, die op hun beurt loodrecht op de tibia en zijdelings langs het been van de knie. Echter, de natuurlijke variabiliteit in de anatomie tussen dieren vereist constante waakzaamheid om ervoor te zorgen dat de plaatsing van de elektroden is geoptimaliseerd op case-by-case basis. Als zodanig is er een zekere mate van proefondervindelijk verband met plaatsing van de elektroden die beduidend wordt verminderd door de ervaring van de gebruiker. Het aantal keren dat de elektroden doorboren de huid moet worden geminimaliseerd om de zwelling en ontsteking te verminderen, wat me afneemtasured kracht productie. Dit is afhankelijk van waar de naalden eerst worden geplaatst, maar het wordt aanbevolen om de naalden tweemaal verplaatsen of minder bijzonder in het gebied rond de knieschijf. Tenslotte, wanneer de elektroden in de poot van het dier worden geplaatst, kleine aanpassingen kunnen worden aangebracht in de positie van het been en de door middel van de elektroden stroom. Dit moet gebeuren tegelijkertijd bewaken van de werking van uit één ruk. Naast plaatsing van de elektroden, kunnen aanpassingen worden aangebracht in de geleverde spanning over de elektroden. In de hier beschreven configuratie, is het belangrijk om voorzichtig te zijn bij het verhogen van de spanning als een manier om krachtuitvoerelement verhogen omdat de verhoogde spanning van de zenuwen die de spieren innerveren antagonist stimuleert.
Er zijn drie belangrijke technische problemen die moeten worden gevolgd om ervoor te zorgen dat de elektrode plaatsing optimaal blijft. Ten eerste moet de voet van het verdoofde dier stevig wordenverankerd aan het voetpedaal inrichting, die de spierkracht productie (figuur 2) meet. Indien de voet niet stevig is verankerd, kan de ware kracht geproduceerd door de spier niet volledig worden vertaald naar de krachtopnemer. Instabiele voet fixatie voert ook het risico dat de optimale plaatsing van de elektroden beweging buiten normale spiercontractie (de voet af te stappen van de voetplaat) kan verplaatsing van de elektroden veroorzaken hun oppervlakkige hetzij volledig los te. Ofwel scenario zal de gemeten kracht te verlagen. Ten tweede moet het lichaam van het dier volledig liggende en uitgelijnd in een rechte vlak (figuur 2) zijn. Een correcte positionering van de dieren lichaam voorkomt kleine bewegingen van de poot door ademhaling en minimaliseert ook draaien van het been en bekken, waardoor betere positie en voortdurend contact van de stimulerende elektroden. Derde juiste positionering en verankering van de knie is critical zodat het been stabiel blijft, en dus stabiliseert de optimale plaatsing van de stimulatie-elektroden consistente activering van de peroneus mogelijk.
Er zijn een paar extra punten die moeten worden benadrukt. Eerst wordt de commerciële spier hefboomsysteem ontwikkeld proeven worden uitgevoerd op de linkerpijp, maar de installatie kan worden aangepast proeven worden uitgevoerd op de rechter been. Ten tweede kan spier hefboomsysteem gekozen op basis van de grootte van het dier, zodat gebruikers te waarborgen dat de gebruikte platform adequaat te meten en vervolgens de kracht die door het diermodel van keuze. Testbare spieren voor de apparatuur platform zijn beperkt tot die welke plantar extensie of dorsaalflexie van de voet induceren. Ten derde moet het weer worden benadrukt dat de plaatsing van de elektroden kan een uitdaging zijn en vereist geduld en oefenen om de techniek onder de knie. Elektroden ook snel saai worden bij regelmatig gebruik, dus is het nuttig om een aantal extra s hebbenets ditmaal wordt het moeilijk om de huid oppervlakkig prikken. Ten derde, de in dit rapport beschreven protocol maakt gebruik van specifieke stimulatie sequenties en procedures voor data-analyse. De spier hefboom besturingssoftware en gegevensanalyse software en data biedt een groot aantal andere experimentele vragen en dus beantwoorden, het nut reikt dan wordt hierin uiteengezet. Zo worden gebruikers aangemoedigd om te verkennen buiten de grenzen van de software protocol (s) in dit document. Ondanks deze kleine beperkingen in vivo spierfunctie testen is een krachtige aanpak om de gezondheid en contractiele vermogen van skeletspieren bepalen omdat het minimaal invasief en kan worden uitgevoerd op meerdere malen over een langere tijd, op hetzelfde dier. Kortom, dit type bruikbaar pakket maakt het systeem bijzonder bedreven bij het testen van de effecten van nieuwe therapieën voor skeletspieren letsel of ziekte in ratten achterpoot.
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 |