הפרוטוקול הנוכחי מתאר טכניקה ייחודית הנקראת אימון התנגדות מותאם מינון (DART), אשר ניתן לשלב במחקרי שיקום מדויקים המבוצעים בחיות קטנות, כגון עכברים.
אימוני התנגדות פרוגרסיביים (PRT), הכוללים ביצוע התכווצויות שרירים כנגד עומסים חיצוניים גדולים יותר ויותר, יכולים להגדיל את מסת השריר ואת כוחם אצל אנשים בריאים ובאוכלוסיות מטופלים. יש צורך בכלי שיקום מדויקים כדי לבחון את הבטיחות והיעילות של PRT כדי לשמור ו/או לשחזר מסת שריר וחוזק במחקרים פרה-קליניים על מודלים של בעלי חיים קטנים וגדולים. ניתן להשתמש במתודולוגיית PRT ובהתקן המתוארים במאמר זה כדי לבצע אימוני התנגדות מותאמים למינון (DART). מכשיר ה-DART יכול לשמש כדינמומטר עצמאי כדי להעריך באופן אובייקטיבי את מומנט ההתכווצות הקונצנטרי שנוצר על ידי דורסיפלקסורי הקרסול בעכברים או שניתן להוסיף אותו למערכת דינמומטריה איזוקינטית קיימת. ניתן לייצר את התקן ה- DART עם מדפסת תלת-ממד סטנדרטית המבוססת על ההוראות וקבצי הדפסה תלת-ממדית בקוד פתוח המסופקים בעבודה זו. המאמר מתאר גם את זרימת העבודה של מחקר להשוואת נזק שרירי הנגרם על ידי התכווצות הנגרמת על ידי התקף יחיד של DART לנזק לשרירים שנגרם על ידי התקף דומה של התכווצויות איזומטריות (ISOM) במודל עכבר של ניוון שרירים מסוג 2B/R2 (עכברי BLAJ). הנתונים של שמונה עכברי BLAJ (ארבעה בעלי חיים לכל מצב) מצביעים על כך שפחות מ-10% מהשריר הקדמי של הטיביאליס (TA) ניזוק מהתקף יחיד של DART או ISOM, כאשר DART היה פחות מזיק מ-ISOM.
פעילות גופנית מעניקה יתרונות בריאותיים רבים לשרירי השלד (נבדקו ב-Vina et al.1). באופן ספציפי, אימוני התנגדות פרוגרסיביים (PRT), הכוללים ביצוע התכווצויות שרירים כנגד עומסים חיצוניים גדולים יותר ויותר (למשל, משקולות, משקולות, מעגלי משקל גלגלות כבלים), ידועים כמסייעים בהגדלת מסת השריר והכוח הן אצל אנשים בריאים והן אצל אוכלוסיות מטופלים (נסקרו בפרסומים קודמים 2,3 ). PRT מבוסס על עקרון עומס היתר, הקובע כי כאשר השריר מתכווץ כנגד עומסים חיצוניים גדולים יותר ויותר, הוא מסתגל על ידי הגדלת שטח החתך הפיזיולוגי שלו, כמו גם כושר ייצור כוח4. דגמים קיימים של PRT במכרסמים כוללים טיפוס בסולם עם התנגדות המופעלת על הזנב, התכווצות משותפת של שרירי אגוניסט כנגד התנגדות של אנטגוניסטים, ריצה עם רתמה משוקללת, תרגיל סקוואט המעורר על ידי התחשמלות, והתנגדות לריצת גלגלים 5,6,7,8,9,10 (נסקרה בפרסומים קודמים 11,12 ). עם זאת, אין כיום כלי מחקר לביצוע PRT ממוקד שרירים ומותאם מינון מדויק בעכברים הדומים מאוד לשיטות ולמכשירים של PRT המשמשים במחקר קליני בבני אדםובפרקטיקה 12,13. זה מגביל את יכולתם של חוקרים לחקור את הבטיחות והיעילות של PRT במינון מדויק במחקרים בסיסיים ופרה-קליניים בעכברים.
כדי להתגבר על מחסום זה, מתודולוגיית PRT ומכשיר מפותחים במחקר זה בהתבסס על עיצובי מעגלי כבל-גלגלת-משקל המשמשים בציוד אימון התנגדות באולמות התעמלות מודרניים14,15,16. שיטה זו של PRT מכונה אימון התנגדות מותאם מינון (DART), והמכשיר נקרא התקן DART. בנוסף לפונקציונליות שלו ככלי אימון שיקום מדויק, מכשיר ה- DART יכול לשמש גם כמכשיר עצמאי להערכה אובייקטיבית של מומנט ההתכווצות הקונצנטרי המרבי שיכול להיווצר על ידי השריר הקדמי של טיביאליס (TA) בעכבר, בדומה לאופן שבו מקסימום החזרה האחת (1RM, העומס המרבי שניתן להרים בהצלחה / להזיז / ללחוץ / לכרוע רק פעם אחת תוך שמירה על צורה טובה) מוערך בבני אדם17, 18. ניתן גם להצמיד את מכשיר ה-DART לדינמומטר איזוקינטי שנבנה בהתאמה אישית או מסחרית כדי למדוד את שיא הכוח הטטני האיזומטרי המיוצר על ידי שריר ה-TA בעכבר (דומה להתכווצות רצונית מקסימלית [MVC] בבני אדם) ולאחר מכן לבצע PRT מותאם מינון עם התנגדות המבוססת על כוח הטטני המרבי (למשל, 50% מכוח השיא).
מאמר זה מתאר את בנייתו של התקן DART ומסביר כיצד ניתן להצמיד אותו לדינמומטר שנבנה בהתאמה אישית, אשר תואר בפרסומים קודמים 19,20,21,22, כדי להעריך מומנט התכווצות ולבצע DART. המחקר מתאר גם כיצד נעשה שימוש במכשיר DART כדי להשוות נזק לשרירים הנגרם כתוצאה מפעילות גופנית שנגרם על ידי התקף יחיד של DART (4 סטים של 10 התכווצויות מוטות צנטריות עם 50% 1RM) לנזק שנגרם על ידי התקף דומה של התכווצויות איזומטריות (4 קבוצות של 10 התכווצויות איזומטריות) במודל עכבר של ניוון שרירים מסוג 2B (LGMD2B, או LGMDR2)23,24. במודל העכבר שנחקר חסר חלבון בשם דיספרלין, הממלא תפקיד חשוב בהגנה על שרירי השלד מפני פגיעה בשרירים לאחר התכווצויות אקסצנטריות מזיקות 22,25,26,27,28,29,30 . כמו כן, הוכח בעכברים זכרים חסרי דיספרלין כי פעילות גופנית כפויה מוטה צנטרית אינה מזיקה כמו פעילות גופנית כפויה מוטה באופן אקסצנטרי, וכי חשיפה מוקדמת לאימונים מוטים באופן קונצנטרי מציעה הגנה מפני פציעה מפני התקף נוסף של התכווצויות מוטות אקסצנטריות22. מכיוון שהמחקר הנוכחי נערך כדי לבחון את ההיתכנות של מתודולוגיית ה-DART והמכשיר הנוכחיים בביצוע אימוני התנגדות מותאמי מינון ומוטה קונצנטרית, עכברים זכרים עם מחסור בדיספרלין נבחרו לחקירה כדי להשוות נתונים חדשים ממכשיר ה-DART לנתונים קודמים. במחקרים עתידיים, נקבות עכברי BLAJ ייכללו כדי לחקור את השפעת המין כמשתנה ביולוגי ביחס לתגובה ל-DART. עכברים שהיו בני ~ 1.5 נחקרו מכיוון שכבר יש להם שינויים דיסטרופיים בקבוצות שרירים רבות, ולכן מודל למצב הפתופיזיולוגי שבו השרירים עשויים להיות בחולים שכבר יש להם חולשת שרירים ובזבוז והם מחפשים טיפול שיקומי כדי לשמור על מסת שריר וכוח26.
מאמר זה מציג הוראות שלב אחר שלב כיצד לבנות מכשיר לביצוע סוג של אימון שיקום מדויק הנקרא אימון התנגדות מותאם מינון (DART). העבודה מתארת גם את היישום של מכשיר ה-DART ואת המתודולוגיה במחקר אימון להשוואת נזק לשרירים 3 ימים לאחר התקף יחיד של DART (קבוצת DART) עם נזק 3 ימים לאחר התקף דומה של אימון איזומטרי (ק?…
The authors have nothing to disclose.
מחקר זה מומן על ידי מענקים מקרן Jain Inc., R03HD091648 מ- NICHD, מענק פיילוט מ- AR3T תחת NIH P2CHD086843, פרס FRAP מ- EACPHS באוניברסיטת ויין סטייט, חבילת סטארט-אפ של הפקולטה מאוניברסיטת ויין סטייט, וקבלן משנה מ- 1R01AR079884-01 (פיטר ל. ג’ונס PI) ל- JAR. מחקר זה מומן גם על ידי מענק מחקר של האגודה האמריקאית לפיזיותרפיה – מישיגן (APTA-MI) ל-JMB, MEP ו-JAR. המחברים מודים לד”ר רנוקה רושה (פרופסור חבר, אוניברסיטת מזרח מישיגן, מישיגן) על כך שקראה את כתב היד באופן ביקורתי וסיפקה משוב. המחברים מודים למר אנסלם ד. מוטה על ייעוץ בנושא הדפסה בתלת-ממד. המחברים מודים למטופלים עם דיספרלינופתיות ששיתפו את סיפוריהם באתר האינטרנט של קרן ג’יין ב-https://www.jain-foundation.org/patient-physician-resources/patient-stories, ובמיוחד את חוויותיהם מפעילות גופנית.
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 |