Anvendelse af kronisk stimulering til at studere kontraktile aktivitet-induceret rotte skeletmuskulatur fænotypiske tilpasninger
Summary
Denne protokol beskriver brugen af den kroniske kontraktile aktivitetsmodel motion at observere stimulation-induceret skeletmuskulatur tilpasninger i rotte hindlimb.
Abstract
Skeletmuskulatur er en yderst fleksibel væv, som dens biokemiske og fysiologiske egenskaber er meget ændret i svar til kroniske motion. For at undersøge de underliggende mekanismer, der bringer om forskellige muskel tilpasninger, har været anvendt en række øvelse protokoller såsom løbebånd, hjulet kører, og svømning motion i dyreforsøg. Men disse udøve modeller kræver en lang periode at opnå muskel tilpasninger, som kan reguleres også af humoral eller neurologiske faktorer, hvilket begrænser deres programmer i at studere de muskel-specifikke sammentrækning-induceret tilpasninger. Indirekte lavfrekvente stimulation (10 Hz) til at fremkalde kronisk kontraktile aktivitet (CCA) har været brugt som en alternativ model for motion uddannelse, da det kan med held føre til muskel mitokondrier tilpasninger inden for 7 dage, uafhængigt af systemiske faktorer. Dette papir beskriver de kirurgiske teknikker, der kræves for at anvende til behandling af CCA på skeletmuskulatur af rotter, for udbredt anvendelse i fremtidige undersøgelser.
Introduction
Skeletmuskulatur kan tilpasse for at udøve uddannelse gennem ændringer i dens bioenergetik og fysiske struktur1. En af de store ændringer som følge af udholdenhedstræning er mitokondriel Biogenese, som kan vurderes af en stigning i udtrykket af mitokondrie komponenter (fx cytokrom c oxidase [COX] underenheder), såvel som udtryk for transkriptionel coactivator PGC-1α2. Et stigende antal undersøgelser har vist, at mange andre faktorer, herunder mitokondrie omsætning og mitophagy, er også vigtige for muskel tilpasninger. Men mekanismerne af hvilke akutte eller kroniske motion regulere disse processer i skeletmuskulatur er stadig uklare.
For at afgrænse de veje, som regulerer anstrengelsesudløst muskel tilpasninger, har forskellige øvelse modeller været almindeligt anvendt i gnavere undersøgelser, herunder løbebånd, kører hjulet, og svømning motion. Disse protokoller har dog nogle begrænsninger i at ~ 4-12 uger er nødvendige for at overholde disse fænotypiske forandringer3,4,5. Som en alternativ Eksperimentel metode, lavfrekvente stimulation-induceret kronisk kontraktile aktivitet (CCA) er blevet effektivt brugt, da det kan føre til muskel tilpasninger i en væsentlig kortere periode (dvs. op til 7 dage) og dens virkninger synes at være sammenlignelig med eller større end andre motion protokoller. Derudover kan forekomsten af hormonelle6, temperatur7og neurologiske effekter8 gør det vanskeligt at forstå muskel-specifikke svar til kroniske motion. For eksempel, thyroid hormon9,10 og insulin-lignende vækstfaktor (IGF) -111 er blevet identificeret for at mægle uddannelse-induceret muskel tilpasninger, som kan også regulere andre signaling veje i skeletmuskulatur muskel. Navnlig er CCA-inducerede effekter minimalt reguleret af systemiske faktorer, så fokus skal placeres på den direkte reaktion på skeletmuskulatur kontraktile aktivitet.
Den eksterne enhed til CCA blev først indført af Tyler og Wright12, og er blevet udviklet med ændringer12. Kort sagt, enheden er sammensat af tre hoveddele: en infrarød detektor, der kan slås til og fra ved eksponering for infrarødt lys og en pulsgenerator en puls indikator (figur 1). Detaljerede kredsløbsdesign af enhedens stimulator er blevet beskrevet tidligere13. De detaljerede og specifikke funktioner i CCA kan findes i større dybde i et antal review artikel14,15,16,17. Kort sagt, stimulation-protokollen er designet til at aktivere den fælles peroneal nerve på lav frekvens (dvs. 10 Hz), og de innerverede muskler (tibialis anterior [TA] og extensor digitorum longus [EDL] muskel) er tvunget til at indgå en forudbestemte længde af tid (f.eks. 3-6 h). Over tid skifter det førnævnte musklerne til en mere aerob fænotype, demonstreret af en stigning i både kapillær densitet18 og mitokondriel indhold19,20,21. Denne metode er derfor en gennemprøvet model til at efterligne nogle af de større udholdenhed uddannelse tilpasninger i skeletmuskulatur af rotter.
Dette paper præsenterer en detaljeret procedure af elektrode implantation kirurgi til at fremkalde CCA, således at forskerne kan anvende denne model i studierne øvelse. CCA er en fremragende model for at studere tidsforløb af muskel tilpasninger, hvilket giver et effektivt redskab for undersøgelse af forskellige molekylære og signalering begivenheder på både tidlige og senere tid point efter udbruddet af motion uddannelse.
Protocol
Representative Results
Discussion
Kronisk kontraktile (CCA) aktivitetsmodel af motion, gennem lavfrekvente muskel stimulation i vivo, er en fremragende model for at studere muskel fænotypiske tilpasninger for at udøve13,24,25 , 26. som vist i foregående undersøgelser20,27, CCA er et effektivt værktøj som forskere kan styre træningsomfang og frekvenser (<…
Declarações
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Vi er taknemmelige for Liam Tyron hans ekspert gennemlæsning af manuskriptet. Dette arbejde blev støttet af midler fra naturvidenskab og teknisk forskning Rådet i Canada (NSERC) D. A. hætte. D. A. Hood er også indehaver af en Canada forskning stol i celle fysiologi.
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 |
Referências
- 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).
