सिकुड़ा गतिविधि-प्रेरित चूहे कंकाल मांसपेशी Phenotypic रूपांतरों का अध्ययन करने के लिए पुरानी उत्तेजना के आवेदन
Summary
इस प्रोटोकॉल व्यायाम के जीर्ण सिकुड़ा गतिविधि मॉडल का उपयोग करने के लिए उत्तेजना प्रेरित-चूहे hindlimb में कंकाल की मांसपेशी रूपांतरों का पालन वर्णन करता है ।
Abstract
कंकाल की मांसपेशी एक उच्च अनुकूलनीय ऊतक है, के रूप में अपने जैव रासायनिक और शारीरिक गुण बहुत पुरानी व्यायाम के जवाब में बदल रहे हैं । अंतर्निहित तंत्र है कि विभिन्न मांसपेशी रूपांतरों के बारे में लाने की जांच करने के लिए, ट्रेडमिल के रूप में व्यायाम प्रोटोकॉल की एक संख्या, पहिया चल रहा है, और तैराकी व्यायाम पशु अध्ययन में इस्तेमाल किया गया है. हालांकि, इन व्यायाम मॉडल मांसपेशियों के रूपांतरों को प्राप्त करने के लिए समय की एक लंबी अवधि की आवश्यकता है, जो भी विनोदी या स्नायविक कारकों द्वारा विनियमित किया जा सकता है, इस प्रकार मांसपेशियों विशेष संकुचन प्रेरित रूपांतरों का अध्ययन करने में अपने आवेदन सीमित. अप्रत्यक्ष कम आवृत्ति उत्तेजना (10 हर्ट्ज) क्रोनिक सिकुड़ा गतिविधि प्रेरित करने के लिए (सीसीए) व्यायाम प्रशिक्षण के लिए एक वैकल्पिक मॉडल के रूप में इस्तेमाल किया गया है, यह सफलतापूर्वक 7 दिनों के भीतर मांसपेशी mitochondrial रूपांतरों के लिए नेतृत्व कर सकते हैं, प्रणालीगत कारकों से स्वतंत्र. यह कागज शल्य चिकित्सा के लिए चूहों के कंकाल की मांसपेशी, भविष्य के अध्ययन में बड़े पैमाने पर आवेदन के लिए सीसीए के उपचार लागू करने के लिए आवश्यक तकनीक का ब्यौरा ।
Introduction
कंकाल की मांसपेशी अपनी ऊर्जा और शारीरिक संरचना में परिवर्तन के माध्यम से प्रशिक्षण व्यायाम करने के लिए अनुकूलन कर सकते हैं1। प्रमुख परिवर्तन के बारे में धीरज प्रशिक्षण के द्वारा लाया में से एक है mitochondrial उत्पत्ति, जो mitochondrial घटकों की अभिव्यक्ति में वृद्धि द्वारा मूल्यांकन किया जा सकता है (जैसे, cytochrome सी oxidase [कॉक्स] उपइकाइयों), के रूप में के रूप में अच्छी तरह से की अभिव्यक्ति transcriptional coactivator, PGC-1α2. अध्ययनों की बढ़ती संख्या का संकेत दिया है कि कई अंय कारकों, mitochondrial कारोबार और mitophagy सहित, मांसपेशियों के रूपांतरों के लिए भी महत्वपूर्ण हैं । हालांकि, तंत्र जिसके द्वारा तीव्र या जीर्ण व्यायाम कंकाल की मांसपेशी में इन प्रक्रियाओं को विनियमित अभी भी अस्पष्ट हैं ।
व्यायाम प्रेरित मांसपेशी रूपांतरों को विनियमित करने वाले रास्ते चित्रित करने के लिए, विभिन्न व्यायाम मॉडल सामांयतः ट्रेडमिल सहित, पहिया चल रहा है, और तैराकी व्यायाम कुतर अध्ययन में इस्तेमाल किया गया है । हालांकि, इन प्रोटोकॉल में कुछ सीमाएं है ~ 4-12 सप्ताह इन phenotypicपरिवर्तन3, 4, 5 का पालन करने के लिए आवश्यक हैं । एक वैकल्पिक प्रयोगात्मक विधि के रूप में, कम आवृत्ति उत्तेजना प्रेरित क्रोनिक सिकुड़ा गतिविधि (सीसीए) प्रभावी ढंग से इस्तेमाल किया गया है, के रूप में यह एक काफी कम अवधि में मांसपेशियों रूपांतरों के लिए नेतृत्व कर सकते हैं (यानी, 7 दिनों तक) और इसके प्रभाव के लिए प्रकट के लिए तुलनीय हो, या अंय व्यायाम प्रोटोकॉल से भी अधिक है । इसके अलावा, हार्मोन6, तापमान7की उपस्थिति, और स्नायविक प्रभाव8 यह मुश्किल पुरानी व्यायाम करने के लिए मांसपेशियों को विशेष प्रतिक्रियाओं को समझने के लिए कर सकते हैं । उदाहरण के लिए, थायराइड हार्मोन9,10 और इंसुलिन जैसे विकास कारक (IGF)-111 के लिए मध्यस्थता प्रशिक्षण प्रेरित मांसपेशी रूपांतरों, जो भी कंकाल में अन्य संकेतन रास्ते को विनियमित कर सकते हैं की पहचान की गई है मांसपेशियों. विशेष रूप से, सीसीए प्रेरित प्रभाव न्यूनतम प्रणालीगत कारकों द्वारा विनियमित रहे हैं, सिकुड़ा गतिविधि के लिए कंकाल की मांसपेशी की प्रत्यक्ष प्रतिक्रिया पर रखा जा करने के लिए ध्यान केंद्रित करने की अनुमति.
सीसीए के लिए बाह्य इकाई पहले टायलर और राइट12द्वारा शुरू की गई थी, और12संशोधनों के साथ विकसित किया गया है । संक्षेप में, इकाई के तीन मुख्य भागों से बना है: एक अवरक्त डिटेक्टर कि चालू किया जा सकता है और बंद अवरक्त प्रकाश, एक पल्स जनरेटर के लिए जोखिम से, और एक पल्स संकेतक (चित्रा 1) । उत्तेजक यूनिट के विस्तृत सर्किट डिजाइन पहले13बताया गया है । सीसीए की विस्तृत और विशिष्ट सुविधाओं की समीक्षा के लेख14,15,16,17की संख्या में अधिक गहराई में पाया जा सकता है । संक्षेप में, उत्तेजना प्रोटोकॉल को कम आवृत्ति (यानी, 10 हर्ट्ज) पर आम peroneal तंत्रिका को सक्रिय करने के लिए डिज़ाइन किया गया है, और innervated मांसपेशियों (tibialis पूर्वकाल [टा] और प्रसारक digitorum लंग्स [EDL] मांसपेशी) एक के लिए अनुबंध करने के लिए मजबूर कर रहे हैं समय की पूर्व निर्धारित लंबाई (जैसे, 3-6 ज) । समय के साथ, यह aforementioned की मांसपेशियों को एक अधिक एरोबिक phenotype में परिवर्तन, दोनों केशिका घनत्व18 और mitochondrial सामग्री19,20,21में वृद्धि द्वारा प्रदर्शन किया । इस प्रकार, इस विधि एक सिद्ध करने के लिए चूहों के कंकाल की मांसपेशी में प्रमुख धीरज प्रशिक्षण रूपांतरों के कुछ नकल मॉडल है ।
इस कागज इलेक्ट्रोड आरोपण सर्जरी की एक विस्तृत प्रक्रिया प्रस्तुत करता है ताकि शोधकर्ताओं को उनके व्यायाम अध्ययन में इस मॉडल को लागू कर सकते हैं सीसीए प्रेरित । सीसीए मांसपेशी रूपांतरों के समय पाठ्यक्रम के अध्ययन के लिए एक उत्कृष्ट मॉडल है, इस प्रकार व्यायाम प्रशिक्षण की शुरुआत के बाद दोनों जल्दी और बाद में समय अंक में विभिंन आणविक और संकेतन घटनाओं की जांच के लिए एक प्रभावी उपकरण प्रदान करते हैं ।
Protocol
Representative Results
Discussion
जीर्ण सिकुड़ा गतिविधि (सीसीए) व्यायाम के मॉडल, vivo मेंकम आवृत्ति मांसपेशी उत्तेजना के माध्यम से, व्यायाम करने के लिए मांसपेशी phenotypic रूपांतरों का अध्ययन करने के लिए एक उत्कृष्ट मॉडल है13,<sup cla…
Declarações
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
हम पांडुलिपि के अपने विशेषज्ञ पढ़ने के लिए लियाम Tyron के लिए आभारी हैं । यह काम कनाडा के प्राकृतिक विज्ञान और इंजीनियरिंग अनुसंधान परिषद (NSERC) के लिए डी. ए. हूड से धन द्वारा समर्थित किया गया था । डी. ए. हूड भी सेल फिजियोलॉजी में कनाडा के एक शोध कुर्सी के धारक है ।
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).
