Summary

Тренировка с отягощениями с поправкой на дозировку у мышей с пониженным риском повреждения мышц

Published: August 31, 2022
doi:

Summary

Настоящий протокол описывает уникальную технику, называемую тренировкой с отягощениями с поправкой на дозировку (DART), которая может быть включена в точные реабилитационные исследования, проводимые на мелких животных, таких как мыши.

Abstract

Прогрессивная тренировка с отягощениями (PRT), которая включает в себя выполнение мышечных сокращений против постепенно увеличивающихся внешних нагрузок, может увеличить мышечную массу и силу у здоровых людей и в популяциях пациентов. Существует потребность в точных реабилитационных инструментах для проверки безопасности и эффективности PRT для поддержания и/или восстановления мышечной массы и силы в доклинических исследованиях на малых и крупных животных моделях. Методология и устройство PRT, описанные в этой статье, могут быть использованы для выполнения тренировок с отягощениями с поправкой на дозировку (DART). Устройство DART может быть использовано в качестве автономного динамометра для объективной оценки концентрического сократительного крутящего момента, генерируемого дорсифлексорами голеностопного сустава у мышей, или может быть добавлено к ранее существовавшей изокинетической динамометрической системе. Устройство DART может быть изготовлено со стандартным 3D-принтером на основе инструкций и файлов 3D-печати с открытым исходным кодом, представленных в этой работе. В статье также описывается рабочий процесс для исследования по сравнению вызванного сокращением повреждения мышц, вызванного одним приступом DART, с повреждением мышц, вызванным сопоставимым приступом изометрических сокращений (ISOM) в мышиной модели мышечной дистрофии конечностей типа 2B / R2 (мыши BLAJ). Данные восьми мышей BLAJ (четыре животных для каждого состояния) свидетельствуют о том, что менее 10% передней мышцы большеберцовой кости (TA) было повреждено от одного приступа DART или ISOM, причем DART был менее повреждающим, чем ISOM.

Introduction

Физические упражнения дают многочисленные преимущества для здоровья скелетных мышц (рассмотрено в Vina et al.1). В частности, прогрессивная тренировка с отягощениями (PRT), которая включает в себя выполнение мышечных сокращений против постепенно увеличивающихся внешних нагрузок (например, штанг, гантелей, кабельных шкивов- силовых схем), как известно, помогает увеличить мышечную массу и силу как у здоровых людей, так и у пациентов (рассмотренных в предыдущих публикациях 2,3 ). PRT основан на принципе перегрузки, который гласит, что, когда мышца сокращается против все больших внешних нагрузок, она адаптируется, увеличивая свою физиологическую площадь поперечного сечения, а также силообразующую способность4. Существующие модели PRT у грызунов включают подъем по лестнице с сопротивлением, приложенным к хвосту, совместное сокращение мышц агонистов против сопротивления антагонистов, бег с утяжеленным жгутом, упражнение на корточках, вызванное электрическим током, и сопротивление колесному бегу 5,6,7,8,9,10 (рассмотрено в предыдущих публикациях11,12 ). Тем не менее, в настоящее время нет исследовательских инструментов для выполнения точно мышечной таргетной, скорректированной дозировки PRT у мышей, которые очень похожи на методы и устройства PRT, используемые в клинических исследованиях и практике человека12,13. Это ограничивает способность исследователей изучать безопасность и эффективность точно дозированного PRT в базовых и доклинических исследованиях на мышах.

Для преодоления этого барьера в данном исследовании разработаны методология и устройство PRT на основе схемы кабель-шкив-вес, используемой в тренажерах с отягощениями в современных гимназиях 14,15,16. Этот метод PRT называется тренировкой с поправкой на дозировку (DART), а устройство называется устройством DART. В дополнение к своей функциональности в качестве прецизионного реабилитационного тренировочного инструмента, устройство DART также может использоваться в качестве автономного инструмента для объективной оценки максимального концентрического сократительного крутящего момента, который может быть сгенерирован передней мышцей большеберцовой кости (TA) у мыши, подобно тому, как максимальная нагрузка с одним повторением (1RM, максимальная нагрузка, которая может быть успешно поднята / перемещена / нажата / приседания только один раз при сохранении хорошей формы) оценивается у людей17, 18. Устройство DART также может быть соединено с изготовленным по индивидуальному заказу или коммерческим изокинетическим динамометрическим динамометрическим для измерения пиковой изометрической тетановой силы, создаваемой мышцей ТА у мыши (сопоставимой с максимальным произвольным сокращением [MVC] у людей), а затем для выполнения скорректированной дозировки PRT с сопротивлением, которое основано на пиковой тетановой силе (например, 50% пиковой силы).

В этой статье описывается конструкция устройства DART и объясняется, как его можно соединить с изготовленным на заказ динамометром, который был описан в предыдущих публикациях 19,20,21,22, для оценки сократительного крутящего момента и выполнения DART. В исследовании также описывается, как устройство DART использовалось для сравнения вызванного физической нагрузкой повреждения мышц, вызванного одним приступом DART (4 набора из 10 концентрически смещенных сокращений с 50% 1RM), с повреждением, вызванным сопоставимым приступом изометрических сокращений (4 набора из 10 изометрических сокращений) в мышиной модели мышечной дистрофии конечностей-пояса типа 2B (LGMD2B, или LGMDR2)23,24. В изученной мышиной модели отсутствует белок, называемый дисферлином, который играет важную роль в защите скелетных мышц от повреждения мышц с задержкой начала после травмирующих эксцентрических сокращений 22,25,26,27,28,29,30 . На самцах мышей с дефицитом дисферлина также было продемонстрировано, что концентрически предвзятые принудительные упражнения не так вредны, как эксцентрически предвзятые принудительные упражнения, и что предыдущее воздействие концентрически предвзятого обучения обеспечивает защиту от травм от последующего приступа эксцентрически предвзятых сокращений22. Поскольку текущее исследование было проведено для проверки осуществимости нынешней методологии и устройства DART при выполнении скорректированных дозировок, концентрически смещенных тренировок с отягощениями, самцы мышей с дефицитом дисферлина были выбраны для исследования для сравнения новых данных с устройства DART с предыдущими данными. В будущих исследованиях самки мышей BLAJ будут включены для изучения влияния пола как биологической переменной по отношению к реакции на DART. Мыши, которым было ~ 1,5 года, были изучены, поскольку у них уже есть дистрофические изменения во многих группах мышц и, следовательно, моделируют патофизиологическое состояние, в котором мышцы могут быть у пациентов, которые уже имеют мышечную слабость и истощение и ищут реабилитационную помощь для поддержания мышечной массы и силы26.

Protocol

Эксперименты, описанные в этой статье, были одобрены Институциональным комитетом по уходу за животными и их использованию (IACUC) в Государственном университете Уэйна, Детройт, штат Мичиган, США, в соответствии с Руководством по уходу и использованию лабораторных животных (1996, опубликова?…

Representative Results

Были изучены самцы мышей BLAJ, которым было ~ 1,5 года. Мыши BLAJ моделируют заболевание мышц человека, LGMD2B / R2. Эти мыши особенно восприимчивы к отсроченному повреждению мышц от одного приступа эксцентрических мышечных сокращений22,29. Поэтому мыши BLAJ были выбра?…

Discussion

В этой статье представлены пошаговые инструкции о том, как сконструировать устройство для выполнения типа прецизионной реабилитационной тренировки, называемой тренировкой сопротивления с поправкой на дозировку (DART). В работе также описывается применение устройства и методологии DART ?…

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Это исследование финансировалось грантами jain Foundation Inc., R03HD091648 от NICHD, пилотным грантом от AR3T в рамках NIH P2CHD086843, премией FRAP от EACPHS в Государственном университете Уэйна, пакетом стартапов факультета от Государственного университета Уэйна и субподрядом от 1R01AR079884-01 (Peter L. Jones PI) к JAR. Это исследование также финансировалось Исследовательским грантом Американской ассоциации физической терапии – Мичиган (APTA-MI) для JMB, MEP и JAR. Авторы выражают признательность доктору Ренуке Роше (доценту Университета Восточного Мичигана, Мичиган) за критическое прочтение рукописи и предоставление обратной связи. Авторы выражают признательность г-ну Ансельму Д. Мотхе за советы по 3D-печати. Авторы благодарят пациентов с дисферлинопатией, которые поделились своими историями на веб-сайте Jain Foundation в https://www.jain-foundation.org/patient-physician-resources/patient-stories, особенно их опытом с физическими упражнениями.

Materials

AnMiao Star 608 Ceramic Ball Bearing Anmiao Star (N/A) AMS127 High precision, low friction wheel bearing.  If make and model is not commercially available, an alternative version of a 608 low-friction wheel bearing, 8 mm bore diameter,  22 mm outside diameter, with silicon nitride ceramic balls in 420 stainless steel housing should suffice.  Excess friction in the wheel bearing will adversely impact performance of the DART device and will increase overall resistance to muscle contractions.
Axio Scope.A1 microscope Carl Zeiss (Peabody, MA) Product #Axio Scope.A1 Light and fluorescence microscope
B6.A-Dysfprmd/GeneJ (a.k.a. BLAJ mice) The Jackson Laboratory (Bar Harbor, ME).  Special colony maintained by The Jain Foundation Inc. for collaborators who study dysferlin. Stock #012767 Dysferlin deficient mice that model human limb girdle muscular dystrophy type 2B/R2.
Bipolar, transcutaneous, neuromuscular electrical stimulation (NMES) electrode Harvard Apparatus, Holliston, MA BS4 50–6824 Electrode for NMES.  If this electrode is not commercially available, please contact corresponding author for alternatives.
Coplin Staining Dish ThermoFisher (Waltham, MA) Catalog No. S17495 Staining dish/jar for hematoxylin and eosin (H&E) staining of sections
Cura 4.4.1. Software Ultimaker, Utrecht, Netherlands Ultimaker Cura 4.4.1. Slicing software to convert stereolithography files into G-CODE files
Deltaphase isothermal gel heating pad Braintree Scientific (Braintree, MA) Item #39DP Heating pad to provide thermal support to animals while under anesthesia
Eosin Y Millipore Sigma (Burlington, MA) HT110132-1L Pink cytoplasmic stain
Gorilla Super Glue The Gorilla Glue Company (Cincinnati, OH) Gorilla Super Glue Micro Precise Cyanoacrylate adhesive to bond PLA components
Hematoxylin solution, Gill No.3 Millipore Sigma (Burlington, MA) GHS332-1L Dark blue stain for nuclei
HM525NX cryostat ThermoFisher (Waltham, MA) Catalog #HM525NX Cryostat to make frozen sections of muscle
Lab Wipes.  Kimberly-Clark Professional Kimtech Science Kimwipes Delicate Task Wipers, 1-Ply ThermoFisher (Waltham, MA) Catalog No. 06-666.  Manufacturer #34120 Laboratory wipes to blot mineral oil from muscle tissue before snap freezing and for other purposes.
Labview 2014 National Instruments, Austin, Texas, USA Labview 2014 Software for custom-written programs/routines that operate the dynamometer and trigger the NMES stimulator.
Liquid nitrogen HDPE Dewar Flasks ThermoFisher (Waltham, MA) S34074B.  Thermo Scientific 41502000/EMD Flask to hold liquid nitrogen for snap freezing muscle or other tissue
Magic depilatory cream Softsheen Carson (New York, NY) N/A Razorless hair removal cream
Metal alligator clip JINSHANGTOPK (web-based business) 24Pcs 51mm Metal Alligator Clip Spring Clamps Spring clamp to hold tibial pin
Micrscope slides Globe Scientific (Mahwah, NJ) 1354W. Diamond White Glass Slides Charged microscope slides
Mineral Oil ThermoFisher (Waltham, MA) BP26291 Mineral oil to cryoprotect muscle tissue before snap freezing
Monoprice Premium 3D Printer Filament PLA Monoprice (Rancho Cucamonga, CA) #11778 Premium 3D Printer Filament PLA 1.75mm 1 kg/spool, Gray.  This is the material used to 3D print device components.
Monoprice Select Mini V2 3D printer Monoprice (Rancho Cucamonga, CA) Mini V2 3D 3D printer for computer-aided fabrication of device components.
NIH Image software National Instritues of Health (NIH, Bethesda, MD) NIH Image for Windows Image processing and analysis software used to quantify area of muscle damage.  NIH Image is also known as Image J.
Photoshop CS4 Adobe (San Jose, CA) Creative Suite (CS4). 64 bit version for Windows Image processing and analysis software used to generate tiled/stiched images of entire muscle cross-section from images of indvidual overlapping fields
PSIU6 stimulation isolation unit Grass Instruments (West Warwick, RI) PSIU6 isolation unit Isolation unit for NMES.  Stimulators, such as Model 4100 from A-M come with a built in stimulation isoloation unit
Roboz 4-0 silk black braided suture material Roboz Surgical (Gaithersburg, MD) Roboz Surgical SUT152 Suture material to connect DART device footplate to dynamometer footplate or resistance for resistance training
S48 square pulse stimulator Grass Instruments (West Warwick, RI) S48 Stimulator Laboratory electrical stimulator for NMES .  If this stimulator is not commercially available, Model 4100 Isolated High Power Stimulator from A-M systems could be an alternative.  Please contact co-author Jones for more information.
Scott’s bluing reagent Ricca Chemical Company (Arlington, TX) 6697-32 Bluing solution that intensifies hematoxylin nuclear staining
SigmaStat version 3.5 Systat Software (San Jose, CA) SigmaStat version 3.5 Statistical software package for statistical analyses
Tabletop isoflurane vaporizer VetEquip (Livermore, CA) Item #901801 Inhaled tabletop anesthesia system
Triple antibiotic first aid ointment Global Health Products (wed-based business) Globe Triple Antibiotic First Aid Ointment, 1 oz (2-Pack) First Aid Antibiotic Ointment Antibiotic ointment applied on tibial pin as part of post-procedural care

References

  1. Vina, J., Sanchis-Gomar, F., Martinez-Bello, V., Gomez-Cabrera, M. C. Exercise acts as a drug; The pharmacological benefits of exercise. British Journal of Pharmacology. 167 (1), 1-12 (2012).
  2. Murton, A. J., Greenhaff, P. L. Resistance exercise and the mechanisms of muscle mass regulation in humans: Acute effects on muscle protein turnover and the gaps in our understanding of chronic resistance exercise training adaptation. The International Journal of Biochemistry & Cell Biology. 45 (10), 2209-2214 (2013).
  3. Pepin, M. E., Roche, J. A., Malek, M. H., Chandler, T. J., Brown, L. E. Strength Training for Special Populations. Conditioning for Strength and Human Performance. , 547-570 (2019).
  4. Helland, C., et al. Training strategies to improve muscle power: Is Olympic-style weightlifting relevant. Medicine and Science in Sports and Exercise. 49 (4), 736-745 (2017).
  5. Souza, M. K., et al. l-Arginine supplementation blunts resistance exercise improvement in rats with chronic kidney disease. Life Sciences. 232, 116604 (2019).
  6. Schmoll, M., et al. SpillOver stimulation: A novel hypertrophy model using co-contraction of the plantar-flexors to load the tibial anterior muscle in rats. PloS One. 13 (11), 0207886 (2018).
  7. Adams, G. R., Haddad, F., Bodell, P. W., Tran, P. D., Baldwin, K. M. Combined isometric, concentric, and eccentric resistance exercise prevents unloading-induced muscle atrophy in rats. Journal of Applied Physiology. 103 (5), 1644-1654 (2007).
  8. Guedes, J. M., et al. Muscular resistance, hypertrophy and strength training equally reduce adiposity, inflammation and insulin resistance in mice with diet-induced obesity. Einstein. 18, (2019).
  9. Zhu, W. G., et al. Weight pulling: A novel mouse model of human progressive resistance exercise. Cells. 10 (9), 2459 (2021).
  10. Call, J. A., McKeehen, J. N., Novotny, S. A., Lowe, D. A. Progressive resistance voluntary wheel running in the mdx mouse. Muscle & Nerve. 42 (6), 871-880 (2010).
  11. Strickland, J. C., Smith, M. A. Animal models of resistance exercise and their application to neuroscience research. Journal of Neuroscience Methods. 273, 191-200 (2016).
  12. Greising, S. M., Basten, A. M., Schifino, A. G., Call, J. A., Greising, S. M., Call, J. A. Considerations for Small Animal Physical Rehabilitation. Regenerative Rehabilitation: From Basic Science to the Clinic. , 39-59 (2022).
  13. Roche, J. A., Greising, S. M., Call, J. A. Regenerative Rehabilitation for Nonlethal Muscular Dystrophies. Regenerative Rehabilitation: From Basic Science to the Clinic. , 61-84 (2022).
  14. Schott, N., Johnen, B., Holfelder, B. Effects of free weights and machine training on muscular strength in high-functioning older adults. Experimental Gerontology. 122, 15-24 (2019).
  15. . Dr. Gustav Zander’s Victorian-Era Exercise Machines Made the Bowflex Look Like Child’s Play Available from: https://www.smithsonianmag.com/smithsonian-institution/gustav-zander-victorian-era-exercise-machines-bowflex-180957758/ (2016)
  16. Hansson, N., Ottosson, A. Nobel prize for physical therapy? Rise, fall, and revival of medico-mechanical institutes. Physical Therapy. 95 (8), 1184-1194 (2015).
  17. ACSM. American College of Sports Medicine position stand. Progression models in resistance training for healthy adults. Medicine and Science in Sports and Exercise. 41 (3), 687-708 (2009).
  18. Suchomel, T. J., Nimphius, S., Bellon, C. R., Hornsby, W. G., Stone, M. H. Training for muscular strength: Methods for monitoring and adjusting training intensity. Sports Medicine. 51 (10), 2051-2066 (2021).
  19. Bloch, R. J., et al. Small-Animal Unit for Muscle Injury, Muscle Testing and Muscle Training in Vivo. US Patent. , (2012).
  20. Lovering, R. M., Roche, J. A., Goodall, M. H., Clark, B. B., McMillan, A. An in vivo rodent model of contraction-induced injury and non-invasive monitoring of recovery. Journal of Visualized Experiments. (51), e2782 (2011).
  21. Begam, M., et al. Diltiazem improves contractile properties of skeletal muscle in dysferlin-deficient BLAJ mice, but does not reduce contraction-induced muscle damage. Physiological Reports. 6 (11), 13727 (2018).
  22. Begam, M., et al. The effects of concentric and eccentric training in murine models of dysferlin-associated muscular dystrophy. Muscle and Nerve. 62 (3), 393-403 (2020).
  23. Straub, V., Murphy, A., Udd, B. 229th ENMC international workshop: Limb girdle muscular dystrophies – Nomenclature and reformed classification Naarden, the Netherlands. Neuromuscular Disorders. 28 (8), 702-710 (2018).
  24. . DYSFERLIN Available from: https://www.omim.org/entry/603009 (2021)
  25. Millay, D. P., et al. Genetic manipulation of dysferlin expression in skeletal muscle: Novel insights into muscular dystrophy. American Journal of Pathology. 175 (5), 1817-1823 (2009).
  26. Nagy, N., et al. Hip region muscular dystrophy and emergence of motor deficits in dysferlin-deficient Bla/J mice. Physiological Reports. 5 (6), 13173 (2017).
  27. Roche, J. A., Lovering, R. M., Bloch, R. J. Impaired recovery of dysferlin-null skeletal muscle after contraction-induced injury in vivo. Neuroreport. 19 (16), 1579-1584 (2008).
  28. Roche, J. A., et al. Extensive mononuclear infiltration and myogenesis characterize recovery of dysferlin-null skeletal muscle from contraction-induced injuries. American Journal of Physiology: Cell Physiology. 298 (2), 298-312 (2010).
  29. Roche, J. A., Ru, L. W., Bloch, R. J. Distinct effects of contraction-induced injury in vivo on four different murine models of dysferlinopathy. Journal of Biomedicine and Biotechnology. 2012, 134031 (2012).
  30. Roche, J. A., et al. Myofiber damage precedes macrophage infiltration after in vivo injury in dysferlin-deficient A/J mouse skeletal muscle. American Journal of Pathology. 185 (6), 1686-1698 (2015).
  31. Ingalls, C. P., Warren, G. L., Zhang, J. Z., Hamilton, S. L., Armstrong, R. B. Dihydropyridine and ryanodine receptor binding after eccentric contractions in mouse skeletal muscle. Journal of Applied Physiology. 96 (5), 1619-1625 (2004).
  32. Dutton, M. . Orthopaedics for the Physical Therapist Assistant. , 238 (2011).
  33. Begam, M., Abro, V. M., Mueller, A. L., Roche, J. A. Sodium 4-phenylbutyrate reduces myofiber damage in a mouse model of Duchenne muscular dystrophy. Applied Physiology, Nutrition, and Metabolism. Physiologie Appliquée, Nutrition et Métabolisme. 41 (10), 1108-1111 (2016).
  34. Tully, J. J., Meloni, G. N. A scientist’s guide to buying a 3D printer: How to choose the right printer for your laboratory. Analytical Chemistry. 92 (22), 14853-14860 (2020).
  35. Schwiening, C. 3D printing primer for physiologists. Physiology News. (101), (2015).
  36. Begam, M., Roche, J. A. Damaged muscle fibers might masquerade as hybrid fibers – A cautionary note on immunophenotyping mouse muscle with mouse monoclonal antibodies. European Journal of Histochemistry. 62 (3), 2896 (2018).
  37. Lott, D. J., et al. Safety, feasibility, and efficacy of strengthening exercise in Duchenne muscular dystrophy. Muscle & Nerve. 63 (3), 320-326 (2021).
  38. Lindsay, A., Larson, A. A., Verma, M., Ervasti, J. M., Lowe, D. A. Isometric resistance training increases strength and alters histopathology of dystrophin-deficient mouse skeletal muscle. Journal of Applied Physiology. 126 (2), 363-375 (2019).
  39. Dalkin, W., Taetzsch, T., Valdez, G. The fibular nerve Injury method: A reliable assay to identify and test factors that repair neuromuscular junctions. Journal of Visualized Experiments. (114), e54186 (2016).
  40. Amend, S. R., Valkenburg, K. C., Pienta, K. J. Murine hind limb long bone dissection and bone marrow isolation. Journal of Visualized Experiments. (110), e53936 (2016).
  41. Gerlinger-Romero, F., et al. Non-invasive assessment of dorsiflexor muscle function in mice. Journal of Visualized Experiments. (143), e58696 (2019).
  42. Brightwell, C. R., et al. In vivo measurement of knee extensor muscle function in mice. Journal of Visualized Experiments. (169), e62211 (2021).
  43. Pratt, S. J. P., Lawlor, M. W., Shah, S. B., Lovering, R. M. An in vivo rodent model of contraction-induced injury in the quadriceps muscle. Injury. 43 (6), 788-793 (2012).
  44. Shields, R. K. Precision rehabilitation: How lifelong healthy behaviors modulate biology, determine health, and affect populations. Physical Therapy. 102 (1), 248 (2022).
  45. . Medical Rehabilitation Research Resource Network (MR3N). Precision Rehabilitation – Inaugural Scientific Retreat Available from: https://ncmrr.org/education-training/archived-presentations/precision-rehab-archive (2021)
  46. Roche, J. A., et al. Minimally invasive muscle embedding generates donor-cell-derived muscle fibers that express desmin and dystrophin. Military Medicine. 185, 423-429 (2020).
  47. Roche, J. A., et al. Minimally invasive muscle embedding (MIME), facilitates the development of functional muscle fibers of human cadaveric origin, in host mice. The FASEB Journal. 33, 602 (2019).

Play Video

Cite This Article
Begam, M., Narayan, N., Mankowski, D., Camaj, R., Murphy, N., Roseni, K., Pepin, M. E., Blackmer, J. M., Jones, T. I., Roche, J. A. Dosage-Adjusted Resistance Training in Mice with a Reduced Risk of Muscle Damage. J. Vis. Exp. (186), e64000, doi:10.3791/64000 (2022).

View Video