Toepassing van chronische stimulering te bestuderen contractiele activiteit-geïnduceerde Rat skeletspieren fenotypische aanpassingen
Summary
Dit protocol beschrijft het gebruik van de chronische contractiele activiteitsmodel van oefening om het observeren van de skeletspieren stimulatie-geïnduceerde aanpassingen in het stuk van de rat.
Abstract
Skeletspieren is een hoogst aanpasbaar weefsel, zoals de biochemische en fysiologische eigenschappen worden sterk gewijzigd in reactie op de chronische oefening. Om te onderzoeken van de onderliggende mechanismen die tot verschillende aanpassingen van de spier leiden, zijn een aantal oefening protocollen zoals loopband, wiel hardlopen en zwemmen oefening gebruikt in de dierproeven. Echter, deze uitoefenen modellen vereisen een lange periode van tijd om aanpassingen van de spier, die ook kunnen worden geregeld, door humorale of neurologische factoren, dus de beperking van hun toepassingen in het bestuderen van de spier-specifieke contractie-geïnduceerde aanpassingen. Indirecte lagefrequentie stimulatie (10 Hz) voor het opwekken van chronische contractiele activiteit (CCA) is gebruikt als een alternatief model voor de uitoefening opleiding, als het met succes tot spier mitochondriale aanpassingen binnen 7 dagen, onafhankelijk van systemische factoren leiden kan. Deze paper detailleert de chirurgische technieken vereist de behandeling van CCA beroep openstaan bij de skeletspieren van ratten, voor grootschalige toepassing in de toekomst studies.
Introduction
Skeletspieren kunt aanpassen om inspanninstraining door veranderingen in de Bioenergetica en de fysieke structuur1. Een van de grote veranderingen teweeggebracht door duurtraining is mitochondriale biogenese, die kan worden geëvalueerd door een stijging van de uitdrukking van mitochondriale onderdelen (bijvoorbeeld cytochroom c oxidase [COX] subeenheden), alsmede de uitdrukking van de transcriptionele coactivator, PGC-1α2. Een groeiend aantal studies hebben aangegeven dat tal van andere factoren, met inbegrip van mitochondriale omzet en mitophagy, ook belangrijk voor de aanpassingen van de spier zijn. Nochtans, de mechanismen door welke acute of chronische oefening regelen deze processen in skeletspieren zijn nog onduidelijk.
Om de trajecten die oefening geïnduceerde spier aanpassingen regelen af te bakenen, hebben diverse modellen van de oefening zijn gebruikte in knaagdier studies, met inbegrip van de loopband, hardlopen wiel, en zwemmen van oefening. Deze protocollen hebben echter enkele beperkingen in dat ~ 4-12 weken nodig zijn om te observeren deze fenotypische wijzigingen3,4,5. Als een alternatieve experimentele methode, lagefrequentie-stimulatie-geïnduceerde chronische contractiele activiteit (CCA) heeft zijn effectief gebruikt, kan dit leiden tot aanpassingen van de spier in een aanzienlijk kortere termijn (dat wil zeggen, tot 7 dagen) en de gevolgen ervan lijken te zijn vergelijkbaar met, of zelfs groter dan andere oefening protocollen. Bovendien, de aanwezigheid van hormonale6, temperatuur7en8 van de neurologische effecten kan maken het moeilijk om te begrijpen van de spier-specifieke reacties op chronische oefening. Bijvoorbeeld, schildklier hormoon9,10 en insuline-achtige groei factor (IGF) -111 zijn geïdentificeerd om te bemiddelen opleiding-geïnduceerde muscle aanpassingen, die ook andere signaalroutes in skelet kunnen regelen spier. Met name, zijn CCA-geïnduceerde effecten minimaal geregeld systemische factoren, waardoor de nadruk worden gelegd op de directe reactie van de skeletspieren contractiele activiteit.
De externe eenheid voor CCA is geïntroduceerd door Tyler en Wright12, en is ontwikkeld met wijzigingen12. Kortom, de eenheid bestaat uit drie hoofdonderdelen: een Infrarood detector die kan worden omgezet in- en uitschakelen door blootstelling aan infrarood licht, een puls generator en een pulse-indicator (Figuur 1). Het ontwerp van de gedetailleerde circuit van de eenheid van de stimulator heeft geweest eerder13beschreven. De gedetailleerde en specifieke kenmerken van CCA kunnen worden gevonden meer diepte in een aantal review artikelen14,15,16,17. Kortom, het stimulatie-protocol is ontworpen om te activeren van de gemeenschappelijke peroneale zenuw op lage frequentie (dat wil zeggen, 10 Hz), en de bezenuwde spieren (tibialis anterior [TA] en extensor digitorum longus [EDL] spier) worden gedwongen om contract voor een vooraf bepaalde lengte van tijd (bijvoorbeeld 3-6 h). Na verloop van tijd dit hiermee de bovengenoemde spieren verschuift naar een meer aërobe fenotype, aangetoond door een toename van de capillaire dichtheid18 zowel mitochondriale inhoud19,20,21. Dus, deze methode is een bewezen model na te bootsen van sommige van de grote uithoudingsvermogen training aanpassingen binnen de skeletspieren van ratten.
Dit document stelt een gedetailleerde procedure voor de elektrode implantatie chirurgie voor het opwekken van CCA zodat de onderzoekers dit model in hun studie oefening kunnen toepassen. CCA is een uitstekend model voor het bestuderen van het tijdsverloop van muscle aanpassingen, waardoor een doeltreffend instrument voor het onderzoek van diverse gebeurtenissen op het gebied van moleculaire en signalering op beide punten van de vroege en latere tijd na het begin van de opleiding van de oefening.
Protocol
Representative Results
Discussion
Het activiteitsmodel van de chronische contractiele (CCA) van de oefening, via lagefrequentie-spier stimulatie in vivo, is een uitstekend model voor het bestuderen van de fenotypische aanpassingen van de spier uit te oefenen van13,24,25 , 26. zoals blijkt uit eerdere studies20,27, CCA is een doeltreffend instrument waarmee onde…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Wij zijn dankbaar aan Liam Tyron voor zijn deskundige lezing van het manuscript. Dit werk werd gesteund door financiële middelen van de Natural Sciences and Engineering Research Raad van Canada (NSERC) D. A. Hood. D. A. Hood is ook de houder van een Canada Research Chair in celfysiologie.
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 |
References
- 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).
