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.
Apesar da capacidade regenerativa do músculo esquelético, déficits funcionais e / ou cosméticos permanentes (por exemplo, perda de massa muscular volumétrico (VML), resultante de lesões traumáticas, doenças e diversas doenças congénitas, genéticas e adquiridas são bastante comuns. A engenharia de tecidos e tecnologias de medicina regenerativa têm enorme potencial para fornecer uma solução terapêutica. no entanto, a utilização de modelos animais biologicamente relevantes em combinação com avaliações longitudinais de medidas funcionais pertinentes são críticos para o desenvolvimento de melhores terapias de regeneração para o tratamento de lesões VML-like. a este respeito, um sistema de alavanca de músculo comercial pode ser usado para medir o comprimento, tensão, força e parâmetros de velocidade no músculo esquelético. Utilizou-se este sistema, em conjunto com uma potência elevada, estimulador bi-fase, para medir in vivo a produção de força em resposta à activação do compartimento crural anterior do o membro posterior de ratos. Temos Previamente usado neste equipamento para avaliar o impacto funcional de lesões VML no músculo tibial anterior (TA), bem como a extensão da recuperação funcional após o tratamento do músculo TA feridos com a nossa tecnologia de engenharia de tecidos de reparação do músculo (TEMR). Para tais estudos, o pé esquerdo de um rato anestesiado está firmemente ancorada a uma platina ligados a um servomotor, e do nervo fibular comum é estimulado por dois eletrodos de agulha percutânea para provocar a contração muscular e flexão dorsal do pé. A contração do músculo fibular do nervo induzido por estimulação é medida ao longo de uma gama de frequências de estimulação (1-200 Hz), para garantir uma eventual patamar na produção de força que permite uma determinação precisa da força tetânica máxima. Para além da avaliação da extensão da lesão VML, bem como o grau de recuperação funcional a seguir ao tratamento, esta metodologia pode ser facilmente aplicado para estudar diversas aspectos da fisiologia muscular e patofisiologia. Tal abordagem should ajudar com o desenvolvimento mais racional de terapias melhoradas para a reparação e regeneração muscular.
Músculo esquelético tem uma capacidade intrínseca notável para reparação em resposta a lesão ou doença 1,2. Experimentalmente, a robustez desta resposta regenerativa tem sido bem documentada em modelos animais por estudar, por exemplo, o curso de tempo de danos do músculo esquelético, a regeneração e reparação depois da aplicação de miotoxinas (por exemplo, cardiotoxina) 3-7. Mais especificamente, após extensa lesão muscular induzida por cardiotoxina (38-67% de fibras musculares 8), a regeneração é mediada por células satélite, as células estaminais residentes que amadurecer para finalmente tornar-se fibras musculares funcionais 4,9-13. O resultado final é o aumento pós-danos regeneração funcional, o tecido muscular produtoras de força saudáveis 14-16. Embora os detalhes estão bem além do escopo deste relatório, o mecanismo de base para a regeneração muscular reflete os eventos cuidadosamente orquestrada de numerosos tipos de células de várias linhagens utilizando canoniCAL vias de sinalização crítica para o desenvolvimento tanto de tecidos e morfogénese 5,17-21. É importante ressaltar que a regeneração induzida por miotoxina está habilitado pelo fato de que a matriz extracelular, inervação neuronal e perfusão dos vasos sanguíneos permanecem estruturalmente intacta seguinte lesão muscular induzida por cardiotoxina 3,8,22. Em contraste, estas estruturas de tecidos e componentes principais são, por definição, totalmente ausente no contexto da lesão VML; onde a perda de Frank de tecido, devido a uma variedade de causas, resulta em défices funcionais e cosméticos permanentes 23-25.
Independentemente dos desafios adicionais associados com a reparação e regeneração muscular após lesão VML em comparação com lesão muscular induzida por miotoxina, uma melhor compreensão do mecanismo de base para a regeneração do músculo esquelético e reparação, em uma variedade de contextos, seriam bem servido por utilização de biologicamente modelos animais relevantes em combinação com um longitudinalssessments de medidas funcionais pertinentes. Tal como aqui discutido, os estudos sobre o membro posterior de rato proporcionam um excelente sistema modelo para este fim. Mais especificamente, os músculos do compartimento crural anterior (tibial anterior, extensor digitorum longus (EDL) e hallicus longus (HL)), que são responsáveis pela flexão dorsal do pé, são facilmente identificadas e manipuladas. Além disso, eles são servidos por grandes vasos sanguíneos (ilíacas e ramos), e são inervados por nervos (ciático e filiais, incluindo peroneal) a todo o comprimento da perna 26-28. Como tal, pode-se utilizar o modelo de membro posterior de ratos para avaliar diretamente músculo esquelético função / patologia in vivo, ou para avaliar o impacto mais indireto de alterações relacionadas com a patologia nos vasos sanguíneos ou nervos na função muscular esquelética correspondente. Em qualquer um dos cenários, a gravidade da doença, bem como a eficácia do tratamento pode ser determinada como uma função da produção de força muscular (binário) e correspondente pé movement 29-34.
Idealmente, medidas de força são acompanhados por estudos histológicos e expressão gênica análises para avaliar com mais rigor o estado estrutural e molecular do músculo esquelético. histologia básica e imuno-histoquímica, por exemplo, são capazes de responder a perguntas sobre o tamanho do músculo, o alinhamento das fibras musculares, composição da matriz extracelular, localização de núcleos, número de celular, e localização de proteínas. A análise da expressão do gene, por sua vez, é necessária para a identificação dos mecanismos moleculares que podem influenciar / modulam a maturidade das fibras musculares, estados de doença, e actividade metabólica. Embora estes métodos fornecem informações cruciais, eles geralmente representam endpoints terminais, e mais importante, eles não conseguem abordar diretamente a capacidade funcional do músculo esquelético e, portanto, são correlativos em vez de causador. No entanto, quando os estudos histológicos e as análises de expressão de genes são avaliados em conjunto com MEASUR funcionalES, em seguida, os mecanismos de produção de força e a regeneração funcional pode ser identificado de forma mais precisa.
A este respeito, a força de produção de capacidades de um músculo pode ser medida in vitro, in situ ou in vivo. Todas as três abordagens têm vantagens e limitações. Em uma experiência in vitro, por exemplo, o músculo é completamente isolado e removido do corpo do animal. Ao eliminar as influências dos vasos sanguíneos e os nervos que alimentam o músculo, a capacidade contráctil do tecido pode ser determinada em um ambiente externo rigorosamente controlada 35. No teste muscular in situ permite que o músculo a ser isolado, como com preparações in vitro, no entanto , a inervação e suprimento de sangue permanecem intactos. A vantagem do modelo experimental in situ é que ele permite um músculo indivíduo a ser estudado, enquanto a inervação e fornecimento de sangue está perturbado minimamente 36. Em ambosin vitro e em experiências in situ, tratamentos farmacológicos podem ser aplicados mais directamente, sem ter que conta para os efeitos de quaisquer tecidos circundantes ou o impacto do sistema circulatório nas respostas contrácteis medidos 37. No entanto, em testes de função in vivo, tal como aqui descrito, é a técnica menos invasivo para avaliar a função do músculo no seu ambiente nativo 38, e pode ser realizada repetidamente ao longo do tempo (isto é, longitudinalmente). Como tal, será o ponto focal da discussão abaixo.
A este respeito, percutâneas eléctrodos inseridos perto do músculo de interesse, ou o nervo motor que serve isso, fornecer um sinal eléctrico para o músculo. Um transdutor seguida, mede o comprimento ou a força resultante alterações no músculo ativado como dirigidos por um protocolo de software personalizado predeterminado. A partir destes dados, podem ser determinadas as propriedades físicas do músculo. Estas incluem, porce-frequência, tétano máxima, força-velocidade, rigidez, comprimento tensão e fadiga. comprimento do músculo ou a força também pode ser mantido constante para que o músculo se contrai isometrically ou isotonicamente. Mais importante, estes protocolos experimentais podem ser realizados rapidamente, facilmente repetida, e customized- tudo ao mesmo tempo que o animal é anestesiado e com um período de recuperação de horas a dias. Um único animal pode sofrer em vigor vivo testando várias vezes, permitindo assim estudos longitudinais de modelos ou avaliação de plataformas terapêuticas / tecnologias de doença.
Tal como aqui descrito, um sistema de alavanca de músculo comercial em conjunção com uma alta potência, estimulador bi-fase é utilizado para executar em testes de função muscular in vivo para avaliar a contribuição do músculo tibial anterior do membro posterior de rato a flexão dorsal do pé através da estimulação de o nervo fibular. Nós desenvolvemos um protocolo que é especificamente desenhado para avaliar a medicina regenerativa / titecnologias de engenharia ssue para a reparação muscular após lesão VML traumática do rato músculo TA. Deve notar-se; a EDL e HL precisa ser dissecado para fora do compartimento crural anterior para avaliar especificamente o músculo TA (que representam cerca de 15-20% do torque total tibial anterior medido após a estimulação do nervo fibular (Corona et al., 2013) ). Como essa abordagem fornece uma análise longitudinal abrangente do músculo fisiologia / função, ele pode lançar importante visão mecanicista em vários outros tipos de investigações fisiológicas, bem como uma variedade de doenças ou áreas terapêuticas 39. Por exemplo, em testes de função do músculo vivo é aplicável a estudos de fisiologia do exercício, a isquemia / reperfusão pesquisa, miopatia, lesão do nervo / neuropatia e vasculopatia, sarcopenia, e distrofias musculares 40.
Este protocolo demonstra um método relativamente simples para a realização de testes em função do músculo in vivo no compartimento crural anterior do membro posterior de rato. Outras formas de teste de função muscular, incluindo ex vivo e in situ protocolos, também pode fornecer informações importantes sobre a fisiologia muscular. No entanto, o significado da in vivo testes de função reside na sua natureza não invasiva, eo fato de que ele recapitula de forma mais precisa os mecanismos endógenos de estimulação muscular. Para tanto ex vivo e em ensaios in situ, o tendão e / ou músculo estão expostas, e, por conseguinte, devem ser mantidas húmidas ou submerso 41,42. Ensaios in vivo remove variáveis de confusão de trauma e inflamação que podem ser provocadas por procedimentos cirúrgicos necessários no teste de função muscular situ; isso é especialmente importante se o objetivo do experimento é investigar os processos inflamatórios e celulares <s-se> 43. Além disso, os ensaios in vivo requer pouca habilidade cirúrgica como o músculo não é isolada do seu ambiente e não requer nós precisos para reduzir músculo / tendão de deslizamento (como é o caso de testes in situ ou ex vivo) 41. Além disso, com a prática suficiente, a velocidade da colocação do eletrodo correto e a capacidade de rapidamente fazer ajustes para alcançar a produção de força máxima do músculo irá garantir que a conclusão do protocolo é rápida e reproducible- tanto dentro animais e entre diferentes usuários do mesmo equipamento 39 . É benéfico para começar com uma avaliação de todo o componente crural anterior tal como ilustrado, antes da excisão dos músculos sinérgicos menos acessíveis (EDL e HL) para investigação mais directa do músculo TA. Usando essa abordagem, pode-se muito rapidamente conseguir o domínio da técnica. Enquanto o processo aqui descrito demonstra e destaca a utilidade de uma força Frprotocolo equency para induzir tétano e determinar a força máxima produzida por um músculo, os usuários devem determinar o tipo (s) de teste funcional que melhor informar a sua experiência específica (s) e objetivos de pesquisa.
Existem vários passos críticos que devem ser cuidadosamente realizada, a fim de garantir resultados experimentais óptimas e reprodutíveis, isto é, a produção da força máxima consistente pelo músculo para uma variedade de parâmetros de estimulação. Várias das principais características estão descritas na Figura 2. No entanto, a colocação ea estabilidade do eletrodo estimulando adequada é um pré-requisito absoluto para estimulação máxima reprodutível do nervo peroneal. A este respeito, os eléctrodos devem ser colocados superficialmente. Isto é, se a colocação do eléctrodo é muito profundo, uma arrisca estimulação eléctrica directa dos músculos antagonistas, diminuindo, assim, a magnitude da resposta contráctil observada do compartimento crural anterior. Além disso, odois eléctrodos deve ser colocado na proximidade de uns com os outros quanto possível para reduzir a resistência eléctrica da pele e do tecido conjuntivo circundante. Em geral, posicionamento dos eletrodos perto do joelho e medial da perna rastreamento diretamente à beira do tibial anterior para onde ele se encontra com o gastrocnêmio, muitas vezes produz a produção de força adequada. Isto também assegura que os eléctrodos estão colocados adjacentes e ortogonais ao plano do nervo peroneal, que por sua vez, se estende perpendicularmente à tíbia e lateralmente para baixo da perna abaixo do joelho. No entanto, a variabilidade natural em anatomia entre animais requer vigilância constante para garantir que a colocação do eletrodo é otimizado em base caso-a-caso. Como tal, há um certo nível de tentativa e erro relacionado com a colocação do eléctrodo que é significativamente diminuída pela experiência do utilizador. O número de vezes que os eléctrodos de perfurar a pele deve ser minimizada para reduzir o inchaço e a inflamação, que me diminuiprodução de força asured. Isto é dependente de onde as agulhas são colocadas inicialmente, mas recomenda-se para mover as agulhas de duas vezes ou menos particularmente na área ao redor da rótula. Finalmente, uma vez que os eléctrodos são colocados na perna do animal, pequenos ajustes podem ser feitos para o posicionamento da perna e da corrente fornecida através dos eléctrodos. Isto deve ser feito durante o monitoramento simultâneo a força produzida a partir de uma única contração. Além disso a colocação do eléctrodo, adaptações também podem ser feitas para a tensão fornecida através dos eléctrodos. No entanto, na configuração descrita aqui, é importante ter cuidado quando se aumenta a tensão, como uma maneira para aumentar a produção de força, porque o aumento de tensão irá estimular os nervos que inervam músculos antagonistas.
Há três preocupações técnicas fundamentais que devem ser monitorados para garantir que a colocação do eletrodo mantém adequada. Em primeiro lugar, o pé do animal anestesiado deve ser firmementeancorada ao aparelho de pedal, o qual mede a produção de força muscular (Figura 2). Se o pé não está firmemente ancorada, a verdadeira força produzida pelo músculo pode ser incompleta traduzido para o transdutor de força. Fixação instável pé também apresenta o risco de perder o posicionamento ideal dos eléctrodos como o movimento para além contracção muscular normal (ou seja, o pé afastando-se da platina) pode causar o deslocamento dos eléctrodos a partir de sua posição superficial ou desalojar-los completamente. Ambos os cenários irá diminuir a força medida. Em segundo lugar, o corpo do animal deve ser completamente supina e alinhados num plano direito (Figura 2). O posicionamento correto do corpo animais impede ligeiros movimentos da perna devido à respiração, e também minimiza a torção da perna e da pelve, permitindo um melhor posicionamento e contínuo contato dos eletrodos estimulantes. Em terceiro lugar, o posicionamento correto e ancoragem do joelho é critical para assegurar que a perna permanece constante, e assim, ajuda a estabilizar o posicionamento ideal dos eléctrodos estimulantes para permitir a activação consistente do nervo peroneal.
Existem alguns pontos adicionais que devem ser enfatizados. Em primeiro lugar, o sistema de alavanca músculo comercial é concebido para realizar testes sobre a perna esquerda, no entanto, a configuração pode ser modificada para realizar testes sobre a perna direita, bem. Em segundo lugar, os sistemas de alavanca de músculo pode ser escolhido com base no tamanho do animal, de modo que os utilizadores devem assegurar que a plataforma utilizada é adequada para medir e suportar a força produzida pelo modelo animal de escolha. músculos testáveis para a plataforma equipamentos são limitados aqueles que induzem a extensão plantar ou dorsiflexão do pé. Em terceiro lugar, ele deve novamente ser enfatizado que a colocação do eletrodo pode ser desafiador e requer paciência e prática para dominar a técnica. Eletrodos também tornar-se aborrecido rapidamente com o uso regular, por isso, é útil ter várias s peçasets por uma vez torna-se difícil para picar a pele superficialmente. Em terceiro lugar, o protocolo descrito no presente relatório utiliza sequências de estimulação e procedimentos específicos de análise de dados. A alavanca do músculo software de controle de sistema e de dados software de análise e os dados que ele fornece podem responder a muitas outras questões experimentais e, portanto, sua utilidade se estende para além do que é aqui descrito. Como tal, os usuários são encorajados a explorar além dos limites do protocolo (s) de software apresentado neste artigo. Apesar destas limitações menores, em testes de função muscular in vivo é uma abordagem poderosa para determinar a capacidade de saúde e contrátil do músculo esquelético, porque é minimamente invasivo e pode ser realizada em várias ocasiões, ao longo de um período de tempo prolongado, no mesmo animal. Em suma, este tipo de utilitário reparadas torna o sistema particularmente hábeis em testar os efeitos de novas terapias para lesão do músculo esquelético ou doença no membro posterior de rato.
The authors have nothing to disclose.
The authors would like to thank Dr. Hannah Baker for her extensive work in optimizing this procedure.
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