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.
外傷、疾患および様々な先天性、遺伝的および条件を取得から生じる骨格筋の再生能力にもかかわらず、恒久的な機能および/または化粧品の欠損( 例えば 、体積筋肉損失(VML)組織工学と再生医療の技術は巨大な持っている非常に一般的です。電位が治療ソリューションを提供する。しかし、適切な機能性対策の長手方向の評価と組み合わせて、生物学的に関連した動物モデルの利用はVMLのような損傷の治療のための改善された再生治療法の開発に重要である。その点では、商業筋レバーシステム骨格筋の長さ、張力、力と速度パラメータを測定するために使用することができる。我々は、前方大腿区画の活性化に応答してインビボ力生産に測定するために、ハイパワー、バイフェーズ刺激に関連して、このシステムを使用しますラットの後肢。我々はpreviを持っていますously前脛骨筋(TA)筋肉だけでなく、私たちの組織工学筋肉修復(TEMR)技術で負傷したTA筋の治療後の機能回復の程度にVML損傷の機能的影響を評価するために、この機器を使用します。このような研究のために、麻酔ラットの左足はしっかりとサーボモータに連結されたフットプレートに固定されており、総腓骨神経は筋肉の収縮と足の背屈を引き出すために、2つの経皮針電極によって刺激されます。腓骨神経刺激誘発性の筋収縮ピーク強縮力の正確な決意を可能にする力の生産の最終的な平坦域を確保するために、刺激周波数(1〜200ヘルツ)の範囲に渡って測定されます。 VML傷害の程度、ならびに治療後の機能回復の程度の評価に加えて、この方法は簡単に筋肉生理学及び病態生理学のさまざまな側面を研究するために適用することができます。このようなアプローチの笙筋肉の修復と再生のための改善された治療薬のより合理的な開発を支援ULD。
骨格筋は、損傷または疾患1,2に応じて、修理のための驚くべき本質的な能力を有しています。実験的には、この再生応答の頑健性がよく、たとえば、研究することによって、動物モデルにおいて報告されている、myotoxins( 例えば 、心臓毒)3-7を適用した後の骨格筋損傷、修復および再生の時間経過。具体的には、大規模な心臓毒誘発性筋損傷(筋線維8の38から67までパーセント)以下、再生は、衛星細胞、最終的に機能的な筋線維4,9-13になるために成熟し、常駐幹細胞によって媒介されます。最終結果は、健康な、力生成筋肉組織14〜16の後損傷機能再生を増加させます。詳細はよく、この報告書の範囲を超えていますが、筋肉再生のための基本メカニズムはcanoniを利用し、複数の系統からの多数の細胞型の慎重画策イベントを反映していますCAL組織の発達と形態形成5,17-21の両方に重要なシグナル伝達経路を。重要なことは、myotoxin誘発性の再生は、細胞外マトリックス、神経細胞の神経支配および血管灌流は、心臓毒誘発性筋損傷3,8,22次構造的に無傷のままであるという事実で有効になっています。全く対照的に、これらの重要な組織構造および構成要素は、VML損傷の文脈において、定義により、まったく存在しません。ここで、さまざまな原因に起因する組織の率直な損失は、恒久的な機能および美容赤字23-25になります。
かかわらずmyotoxin誘発性筋損傷と比較してVMLの損傷後の筋肉の修復および再生に関連した追加の課題、骨格筋再生および修復のための基本メカニズムの理解向上の、様々な状況では、十分に生物学を利用して配信されることになり縦Aとの組み合わせで、関連する動物モデル該当する機能措置のssessments。本明細書中で議論されるように、ラットの後肢の研究は、この目的のために優れたモデル系を提供します。具体的には、足の背屈を担当している前方下腿コンパートメントの筋肉(前脛骨筋、長指伸筋(EDL)とhallicusの長い(HL))は、容易に識別され、操作されます。さらに、それらは、脚26-28の長さを実行している主要な血管(腸骨動脈との分岐)によってサービス提供されており、(腓骨を含む坐骨や枝、)神経によって神経支配されています。このように、一つは直接in vivoでの骨格筋機能/病理を評価するために、ラットの後肢モデルを使用することができ、または骨格筋機能に対応する上で、血管や神経における病理学関連の変化のより間接的な影響を評価します。いずれのシナリオでは、疾患の重症度、並びに治療の有効性は、筋力の生産(トルク)と対応する足mの関数として決定することができます29-34 ovement。
理想的には、力の測定は、組織学的研究を伴って、遺伝子発現は、より厳密に骨格筋の構造及び分子の状態を評価するために分析されます。基本的な組織学および免疫組織化学は、例えば、筋肉の大きさ、筋肉の繊維配列、細胞外マトリックス組成物、核の位置、細胞数、およびタンパク質の局在化についての質問にお答えすることができます。遺伝子発現解析は、順番に、/影響を及ぼす筋線維、疾患状態、および代謝活性の成熟を調節することができる分子機構を同定するために必要です。これらの方法は重要な情報を提供するが、それらは一般的に、端末エンドポイントを表し、そして最も重要なのは、それらが直接骨格筋の機能的能力に対処するために失敗し、したがって、むしろ原因よりも相関しています。しかし、組織学的研究および遺伝子発現分析は、機能measurに関連して評価されたときESは、次に、力の生産と機能的再生のメカニズムが最も正確に同定することができます。
この点で、筋肉の能力を生産力はその場で 、 またはインビボ 、 インビトロで測定することができます。すべての3つのアプローチは、利点と限界の両方を持っています。 in vitroの実験では、例えば、筋肉は完全に分離し、動物の身体から除去されます。筋肉を供給する血管及び神経の影響を除去することにより、組織の収縮能力が厳密に制御外部環境35で決定することができる。 その場での筋肉テストでは、しかしながら、 インビトロの製剤と同様に、筋肉を単離することができ、神経支配と血液供給はそのまま残ります。 その場での実験モデルの利点は、それが神経支配と血液供給が最小限36を摂動されている間、個々の筋肉が研究することを可能にすることです。両者にインビトロおよびインサイチュ実験において 、薬理学的治療は、任意の周囲の組織または測定収縮応答37の循環系への影響の影響を考慮することなく、より直接的に適用することができます。しかし、 インビボ機能試験において 、本明細書に記載のように、その天然の環境38において筋機能を評価するための最小侵襲性技術である( すなわち 、長手方向)経時的に繰り返し行うことができます。このように、以下の議論の焦点です。
この点に関して、関心の筋肉、またはそれを提供してい運動神経の近くに挿入された経皮電極は、筋肉に電気信号を提供します。トランスデューサは、所定の、カスタマイズされたソフトウェアプロトコルによって指示されたように活性化した筋肉で得られた長さや力の変化を測定します。これらのデータから、筋肉の物理的特性を決定することができます。これらには、が挙げられますCE-周波数、最大破傷風、力 – 速度、剛性、長さの緊張、疲労。等尺性または等張筋肉が収縮するように、筋肉の長さや力も一定に保つことができます。重要なことは、これらの実験プロトコルを迅速に行うことができ、簡単に繰り返し、customized-すべての動物が麻酔されている間、数時間から数日の回復期間を持ちます。 1匹の動物は、このように疾患モデルまたは治療プラットフォーム/技術の評価の縦断的研究を可能にする、複数回のテストインビボ力で受けることができます。
本明細書に記載されるように、高出力と併せて商業筋レバーシステムは、バイフェーズ刺激は、刺激を介して足の背屈に対するラット後肢の前脛骨筋の寄与を評価するためにインビボで筋機能テストで実行するために使用され腓骨神経。我々は、具体的には、再生医療/ TIを評価するために設計されているプロトコルを開発しましたラットTA筋の外傷性VMLの損傷後の筋肉修復のための工学技術をssue。なお。 EDLとHLは、具体的には(彼らは腓骨神経刺激(コロナ以下の測定された全前脛骨トルクの15〜20%を占めるTA筋を評価するために、前方下腿コンパートメントから解剖する必要がら 、2013) )。このアプローチは、筋生理学/機能の総合的な長手方向の分析を提供するので、それは、他の多くの生理学的な調査の種類だけでなく、疾患の様々なまたは治療領域39に重要なメカニズムの洞察を当てることができます。例えば、in vivoでの筋機能検査は、運動生理学、虚血/再灌流研究、ミオパシー、神経損傷/神経障害および血管障害の研究、サルコペニア、および筋ジストロフィー40にも適用可能です。
このプロトコルは、ラット後肢の前方下腿コンパートメントに生体内筋機能テストで実行するための比較的簡単な方法を示しています。 ex vivoで およびin situプロトコルを含めて筋機能検査の他の形態は、また、筋生理学に関する重要な情報を提供することができます。しかし、 インビボ機能試験の重要性は、非侵襲的な性質にあり、それは最も正確筋刺激の内因性のメカニズムを再現するという事実。両方のex vivo およびin situテストでは、腱および/または筋肉が露出しているため、湿った保たまたは41,42を沈めなければならない。 生体内試験が必要な外科的手技によって引き起こされる可能性外傷や炎症の交絡変数を削除します以下のためのその場筋機能検査で 、実験の目的は、炎症性および細胞プロセスを研究する場合、これは特に重要です<s> 43アップ。また、in vivo試験 筋肉がその周囲から分離されないと筋肉/腱の滑りを低減するために、正確なノットを必要としないように少し外科的スキルを必要とする41(の場合のように、その場またはex vivo試験で )。また、十分な練習で、正しい電極配置とすぐに筋肉の最大の力の生産を達成するための調整を行う能力の速度は、そのプロトコルの完了が迅速であることを確認し、動物内および同じ装置39の異なるユーザ間の両方reproducible- 。 TA筋のより直接的な調査を前にアクセスしにくい相乗筋肉(EDLとHL)の切除に、示されているように全体を前方下腿コンポーネントの評価を開始することは有益です。このアプローチを使用して、一方がかなり速く技術の習得を達成することができます。本明細書に記載された手順を示し、力frの有用性を強調しながら、破傷風を誘導し、筋肉によって生成される最大の力を決定するためにequencyプロトコル、ユーザーは、最高の自分の具体的な実験(複数可)と研究目標を知らせることになる機能テストのタイプ(複数可)を決定する必要があります。
注意深く刺激パラメータの様々な最適かつ再現可能な実験結果、すなわち、筋肉によって一貫した最大の力の生産を確保するために実行されるべきいくつかの重要なステップがあります。主要な機能のいくつかは、図2に概説されている。しかし、刺激電極の適切な配置と安定性は、腓骨神経の再現可能な最大刺激のための絶対必要条件です。この点において、電極は、表面的に配置する必要があります。電極配置が深すぎる場合には、一つは、このように前方下腿コンパートメントの観察された収縮反応の大きさを減少させる、拮抗筋の直接電気刺激をリスクです。また、2つの電極は、周囲の皮膚および結合組織の電気抵抗を低減することが可能として互いにように近接して配置されるべきです。一般に、直接それは腓腹筋を満たしている場所に前脛骨筋のエッジをトレース脚に膝に近く、内側電極の位置は、多くの場合、十分な力の生産をもたらします。これはまた、電極が順番に、脛骨に対して垂直および横方向に膝から脚の下に実行されます腓骨神経の面に隣接し、直交に配置されることが保証されます。しかし、動物間の解剖学における自然変動は、電極配置は、ケースバイケースで最適化されていることを確認するために、一定の警戒が必要です。このように、かなりのユーザの経験によって減少する電極配置に関連した試行錯誤の特定のレベルがあります。私を減少させる電極は皮膚が腫れや炎症を軽減するために最小化されるべきである貫く回数、asured力発生。これは、針が最初に置かれている場所に依存しているが、特に膝蓋骨の周囲の領域に針を2回以下に移動することをお勧めします。電極は、動物の脚部に配置されたら最後に、微調整は脚部の位置決め及び電極を介して供給される電流にすることができます。同時に、単一の単収縮から生じる力を監視しながら、これは行われるべきです。電極配置に加えて、調整は、電極を横切って供給される電圧にすることができます。しかし、ここで説明するセットアップでは、力出力を増加させる方法として、電圧を増加させたときに、増加電圧は、その神経支配拮抗薬筋肉の神経を刺激するので、注意して使用することが重要です。
電極配置が最適なままであることを保証するために監視されなければならない3つの重要な技術的な問題があります。まず、麻酔動物の足が確実にある必要があります筋力の製造( 図2)を測定するフットペダル装置に固定。足をしっかりと固定されていない場合は、筋肉によって生成される真の力は、不完全に力変換器に変換することができます。不安定な足の固定はまた、( すなわち足が離れて踏み板から移動する)、その表面的な位置から電極の変位を引き起こしたり、それらを完全に取り除くことができ、通常の筋収縮を超えた運動として、電極の最適な配置を失うリスクを紹介します。どちらのシナリオは、測定された力が減少します。第二に、動物の体は完全に仰臥位とストレート面( 図2)に整列する必要があります。動物の体の正確な位置決めは、呼吸による脚のわずかな動きを防止し、また、より良い配置と刺激電極の連続的な接触を可能にする、脚や骨盤のねじれを最小限に抑えることができます。膝の第三に、正確な位置決めと固定がcritiです脚部が安定のままであり、従って、腓骨神経の一貫性の活性化を可能にするために、刺激電極の最適な配置を安定化に役立つことを保証するために校正。
強調されるべきであるいくつかの追加のポイントがあります。まず、商業筋レバーシステムは、左脚のテストを実行するように設計されているが設定も右脚のテストを実行するように変更することができます。ユーザが使用するプラットフォームが選択した動物モデルによって生成される力を測定し、支持するのに十分であることを保証するべきであるので、第二、筋肉レバーシステムは、動物の大きさに基づいて選択することができます。機器プラットフォームのテスト可能な筋肉が足の足底の延長や背屈を誘発するものに限定されています。第三に、再び電極配置は挑戦することと忍耐を必要とし、技術を習得するために練習できることを強調すべきです。電極はまた、定期的に使用してすぐに鈍くなるので、いくつかの予備のを持っていると便利ですそれは表面的に肌を刺すすることが困難になるとのためにETS。第三に、このレポートに記載されているプロトコルは、特定の刺激系列とデータ分析手順を利用しています。筋肉レバーシステム制御ソフトウェアおよびデータ解析ソフトウェアとそれが提供するデータは、他の多くの実験的な質問に答えることができ、したがって、その有用性は、本明細書に概説されているものを越えて延びています。このように、ユーザーは、本論文でソフトウェアプロトコル(複数可)の限界を超えて探求することをお勧めします。それは低侵襲性であり、同じ動物で、延長時間枠にわたって、複数回行うことができますので、これらのマイナーな制限があるにもかかわらず、in vivoでの筋機能のテストは、骨格筋の健康と収縮能力を決定するための強力なアプローチです。要するに、修理可能ユーティリティのこのタイプは、ラット後肢骨格筋の損傷または疾患のための新規治療法の効果を試験でシステムが特に得意となります。
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 |