تحليل خصائص مقلص من البشرة كيميائيا، أو permeabilized، ألياف العضلات الهيكلية يوفر وسيلة قوية يمكن من خلالها تقييم وظيفة العضلات على مستوى الخلية عضلة واحدة. في هذه المادة ونحن الخطوط العريضة لتقنية صحيحة وموثوقة لإعداد واختبار permeabilized ألياف العضلات الهيكلية في المختبر.
Analysis of the contractile properties of chemically skinned, or permeabilized, skeletal muscle fibers offers a powerful means by which to assess muscle function at the level of the single muscle cell. Single muscle fiber studies are useful in both basic science and clinical studies. For basic studies, single muscle fiber contractility measurements allow investigation of fundamental mechanisms of force production, and analysis of muscle function in the context of genetic manipulations. Clinically, single muscle fiber studies provide useful insight into the impact of injury and disease on muscle function, and may be used to guide the understanding of muscular pathologies. In this video article we outline the steps required to prepare and isolate an individual skeletal muscle fiber segment, attach it to force-measuring apparatus, activate it to produce maximum isometric force, and estimate its cross-sectional area for the purpose of normalizing the force produced.
الوظيفة الأساسية للعضلات الهيكل العظمي هو لتوليد القوة. وأثارت قوة العضلات في الجسم الحي من خلال سلسلة معقدة من الأحداث التي تشمل إمكانات عمل العصب المحرك وناقل الحركة العصبية والعضلية، إمكانات العمل ألياف العضلات، وإطلاق سراح الكالسيوم داخل الخلايا، وتفعيل نظام البروتينات التنظيمية ومقلص. لأن جيل القوة هو النتيجة النهائية لهذا التسلسل، ويمكن أن يكون سبب عجزا في القوة من جانب فشل واحد أو أكثر من الخطوات الفردية. والسمة الأساسية لإعداد الألياف permeabilized هو أنه يزيل معظم الخطوات المطلوبة لتوليد القوة في الجسم الحي، فقط مع المهام التنظيمية ومقلص المرتبطة جهاز myofibrillar المتبقي. المحقق يفترض السيطرة على تسليم تفعيل الكالسيوم والطاقة (ATP)، ويكافأ مع نظام مبسط يسمح تقييم الهياكل التنظيمية ومقلص المعزولة في التعاون وطنهمnfiguration. قياسات القوة باستخدام ألياف العضلات الهيكلية permeabilized بالتالي فهي قيمة عند تقييم التغيرات في وظائف العضلات التي لوحظت في الجسم الحي. على سبيل المثال، وقد استخدمنا هذه التقنية لتميز القدرة على توليد القوة من الألياف من myostatin نقص الفئران 1 وتقييم أسباب ضعف العضلات المستمر عرضت التالية الدوار المزمن الدموع صفعة 2،3.
يمكن تتبع منهجية الألياف permeabilized الحديثة لدراسات مؤثرة مبكرة 4،5 و هو حاليا قيد الاستخدام من قبل عدد من المجموعات البحثية. على الرغم من وصفت التقنيات في الأدب، وأنها لم يتم تقديمها حتى الآن في شكل شريط فيديو. الهدف من هذه المقالة هو لتوضيح، تقنية صحيحة وموثوقة تحديث لقياس القدرة القصوى لتوليد قوة من الألياف واحدة من permeabilized كيميائيا عينات العضلات والهيكل العظمي. لتحقيق ذلك، وهو جزء من الألياف الفردية (المشار إليها هنا باعتبارها ̶0؛ الألياف ") يستخرج من حزمة permeabilized مسبقا من الالياف وضعت في غرفة تجريبية تحتوي على حل الاسترخاء، والسمة المميزة منها هو تركيز الكالسيوم الذي هو <10 نانومتر. ثم يتم إرفاق الألياف في نهاية واحدة إلى قوة محول وعلى الطرف الآخر إلى وحدة تحكم طول. مع الألياف التي عقدت في طول قسيم عضلي الأمثل، ويتم نقله إلى حل تفعيل يحتوي على تركيز الكالسيوم الكافي لانتزاع أقصى تفعيل وبالتالي أقصى قوة تقلص متساوي القياس. يتم الحصول على بيانات القوى وتخزينها وتحليلها باستخدام جهاز كمبيوتر شخصي.
وتستخدم التقييمات من خصائص مقلص من ألياف العضلات الهيكلية permeabilized واحدة للتحقيق في وظيفة العضلات في طائفة واسعة من السياقات. ومن الأمثلة على ذلك الدراسات التي قيمت آثار الشيخوخة 12، وممارسة 10،13،14، ورحلات الفضاء 15، وإصابة 2،3،16، العلاج بالعقاقير 17،18، 19 المرض والتلاعب الجيني 20،21 على بنية الألياف وظيفة. يرجع ذلك إلى القدرة على تقييم مباشر على أداء مقلص من اللييفات العضلية في شكلها الأصلي، وتوفر هذه التقنية منصة جذابة من خلالها تشكيل فهم myofibrillar ظيفة غائبة من آثار محتملة التباس أن تكون موجودة عند نقل الإشارات العصبية والعضلية وإطلاق الكالسيوم الناجم عن الإثارة تم تضمينها في نظام قيد الدراسة. وعلاوة على ذلك، اختبار وظيفي من الألياف واحدة يمكن أن تستخدم لتكمل نتائج تحديد البروتين مقلص مثل تلكالتي تم الحصول عليها من خلال المناعية أو هلام الكهربائي + البقعة الغربية 22.
واحدة من الوظائف الأساسية للعضلات الهيكل العظمي هو لتوليد القوة. ونتيجة لذلك SF س، وهو مقياس لقدرة توليد القوة الجوهرية للنظام مقلص، هو من مصلحة كبيرة للفسيولوجي العضلات. تتطلب تقديرات موثوقة لSF س مقاييس دقيقة لكل من الليف CSA وF س. منذ الألياف هي، بشكل عام، لا التعميم في المقطع العرضي، ولا موحدة في CSA طول امتدادها، ينبغي الحرص الشديد عند تقدير CSA. تحقيقا لهذه الغاية، يتم إجراء قياسات في عدة مواقع على طول الألياف، وفي كل مكان، من منظورين مفصولة 90 درجة. تتطلب مقاييس موثوق منها F س التركيز على العديد من التفاصيل بما في ذلك مراعاة قوة سلبية، وتعديل طول قسيم عضلي لتحقيق أقصى قدر من تداخل خيوط سميكة ورقيقة، وتوظيف حلا تفعيل مع ر تركيز الكالسيومنتائج قبعة في تفعيل القصوى، والحفاظ على درجة حرارة التجريبية المطلوب، والحفاظ على ظروف التخزين المثلى (درجة الحرارة والمدة) من الألياف قبل يوم من التجربة.
في حين أن الخطوات المذكورة هنا تصف الإجراء لتقييم أقصى قوة متساوي القياس، فمن المستحسن في كثير من الأحيان إلى تقييم الصفات الوظيفية الهامة الأخرى من ألياف العضلات الهيكلية. ويمكن تحقيق ذلك من خلال توسيع بروتوكول تجريبي لتشمل التلاعب الميكانيكية إضافية من الألياف. على سبيل المثال، قياس السرعة التي الألياف يقصر ضد سلسلة من الأحمال المختلفة يسمح تحديد العلاقة قوة السرعة، والتي من علاقات القوة السلطة وسرعة الطاقة يمكن حسابها 10،23،24. بالإضافة إلى ذلك، وسرعة تقصير إلغاء تحميل يمكن تحديد من خلال توظيف "اختبار الركود" 25، والتي تتكون من تطبيق سلسلة من الذي يحفز الركود الخطوات تقصير وmeasuriنانوغرام الوقت اللازم من قبل الألياف لإزالة الترهل. آخر المعلمة الحركية التي كثيرا ما يقال هو ك TR، ثابت معدل لاستخدام القوة التجديد بعد اضطراب الميكانيكية التي يفصل مؤقتا عن crossbridges 26. وأخيرا، فإن العلاقة بين تركيز الكالسيوم وتوليد قوة النشط ("العلاقة قوة PCA") في كثير من الأحيان من الفائدة 18 ويمكن تحديدها من خلال تعريض الألياف إلى سلسلة من الحلول مع تركيزات الكالسيوم تتراوح من دون الحد الأدنى لتفعيل مقلص النظام لتلك كافية لإثارة أقصى تفعيل وبالتالي أقصى درجات القوة (F س).
على الرغم من الكثير من المعدات المذكورة هناك حاجة لتقييم الألياف انقباض واحد، ومعدات أخرى ليست ضرورية تماما. للتحكم طول، على سبيل المثال، أمر ضروري لأية البروتوكول التجريبي الذي يتطلب إطالة السريعة أو دقيقة أو تقصير من الألياف،ولكن ليس من الضروري للغاية لتقييم أقصى قوة متساوي القياس (على الرغم من مستوى الصفر القوة في السجل القوة لا يزال يتعين تحديدها من قبل بعض وسائل). ورشة عمل التي تسمح للمراقبة من الألياف من الجانب، وإن كانت مفيدة لتقييم مساحة المقطع العرضي، ليست ضرورية تماما عند وضع الألياف داخل الغرفة التجريبية. وعلاوة على ذلك، وسائل بديلة لتعريض الألياف إلى مختلف الحلول التجريبية يمكن استخدامها، بما في ذلك وضع نظام تشغيلها يدويا من الدوائر أو غرفة واحدة تسمح لملء السريع وتفريغه من الحلول. وأخيرا، في حين أن درجات الحرارة التجريبية الفرعية الفسيولوجية مثل 15 ° C تستخدم عادة لتحسين استنساخ القياسات الميكانيكية 1،2،3،5،8،12،17،27، فمن الممكن لتوليد بيانات صالحة في درجات حرارة أخرى 23 ، يتم أخذ 28 طالما آثار الحرارة على الخواص الحل (تركيز الكالسيوم، ودرجة الحموضة، وما إلى ذلك) في الاعتبار. </P>
تركيبة من حلول الاختبارات هي من بين أهم جوانب تقنيات الألياف permeabilized هو موضح هنا. الاعتبارات المتعلقة بتكوين حل معقدة وخارج نطاق هذا المقال. تم تصميم الحلول هو موضح في الخطوة 5 من قسم البروتوكول مع التركيز على تنشيط السريع من الألياف permeabilized على انتقاله من مرحلة ما قبل تفعيل لتفعيل الحلول مع الحفاظ على قوة ثابتة الأيونية، وتكوين الموجبة، والأسمولية 6،29. وقد استخدمت مناهج أخرى لتكوين حل مع نجاحا ملحوظا من قبل مجموعات بحثية أخرى وعادة الاستفادة من ثوابت ملزمة المنشورة والأدوات الحسابية 27،30،31. تركيزات أيونات الكالسيوم في مختلف الحلول تفعيل أهمية خاصة في دراسة شملت تفعيل submaximal مثل التقييمات قوة محكمة التحكيم الدائمة. للتجارب التي يتم تفعيلها بشكل كامل الألياف، مثل تلك التي تصفد هنا، وتركيز الكالسيوم في الحل تفعيل يتجاوز عادة بهامش مريح هو مطلوب لتحقيق أقصى قدر من القوة، مما يجعل معرفتها بدقة أقل أهمية. إضافة فوسفات الكرياتين مهم للتخزين المؤقت لاعبي التنس المحترفين وADP تقلبات intramyofibrillar التي لولاها تترافق مع النشاط مقلص. مطلوب الكرياتين كيناز لتحفيز نقل الفوسفات من فوسفات الكرياتين إلى ADP. تحت الظروف التجريبية التي تؤدي إلى ارتفاع معدلات دوران اعبي التنس المحترفين، بما في ذلك العمل في درجات حرارة عالية أو قياس عالية السرعة تقصير في الألياف السريعة 32، يجب إضافة الكرياتين كيناز إلى حل لاستكمال كيناز الكرياتين الذاتية التي لا تزال منضمة إلى الألياف. لظروف تجريبية أقل تطلبا، ونظام تجديد ATP هو أقل أهمية (27).
وتشمل القيود المفروضة على تقنية الألياف واحدة permeabilized ما يلي. البيانات التي تولدها هذه الاختبارات تحددخصائص مقلص من وحدة myofibrillar المحددة التي جرى ضمه الى جهاز تجريبي. ونتيجة لذلك، وهذا يجسد سوى جزء صغير من الألياف متعددة النوى كله من الذي حصل على الجزء الذي يمثل بدوره جزء صغير من العدد الإجمالي للألياف داخل العضلات. وهكذا ينبغي للمحققين أن تنظر بعناية في أخذ العينات اللازمة لدعم أي الاستنتاجات المستخلصة من التجارب. بالإضافة إلى ذلك، تقييم أثر تدخل التمرينات على وظيفة الألياف يفترض أن الألياف تقييم تم تجنيدهم بالفعل أثناء التدريب. على الرغم من محاولات بروتوكول لمحاكاة الوسط بين الخلايا الطبيعية من الألياف، وعملية permeabilization غمد الليف العضلي هي غير محددة ويسمح بالضرورة مكونات الخلايا القابلة للذوبان لنشر بحرية في حلول الاستحمام. وثمة نتيجة أخرى من نفاذية الغشاء هو تغيير في التوازن الاسموزي يتضح من تورم في حجم الألياف 33. الالألياف تورم يزيد من المسافة بين الأكتين والميوسين خيوط مما أدى إلى انخفاض حساسية الكالسيوم من النظام خيط عضلي 34،35، ولكن يمكن عكسها من خلال إدخال والمركبات النشطة osmotically كبيرة 34. A الحد النهائي للنظر هو نتيجة للأسلوب يستخدم لتوصيل الألياف إلى جهاز تجريبي. وهذا يتطلب دائما تشويه العلاقة المكانية داخل منظومة خيوط في وبالقرب من نقطة المرفق، مع حضور عجز وظيفي. على وجه التحديد، ومناطق من الألياف في والمتاخمة للنقاط التعلق يتم المساس وظيفيا، وبالتالي يسهم مصطنعة سلسلة مرونة لنظام القياس.
باختصار، لقد وصفنا وسيلة يمكن من خلالها تقييم القدرة على توليد القوة من ألياف العضلات الهيكلية permeabilized كيميائيا في المختبر. على الرغم من كان التركيز في هذه المادة على تقدير أقصى قوة generatin متساوي القياسز قدرة ألياف العضلات الهيكلية البشرية، يمكن تعديل المنهج التجريبي ومددت لتحديد مجموعة متنوعة من المعلمات والعلاقات الحركية عبر مجموعة من الأنواع، والثدييات أو غير ذلك.
The authors have nothing to disclose.
This work was supported by the following funding sources: R01-AR063649, AG-020591, F31-AR035931.
Polystyrene culture test tube with cap | Fisher Scientific | 14-956-3D | |
0.5 mL screw cap micocentrifuge | Fisher Scientific | 02-681-334 | |
0.5 mL microcentrifuge caps with o-ring | Fisher Scientific | 02-681-358 | |
Microcentrifuge cryobox | Fisher Scientific | 5055-5005 | |
pH meter | Mettler-Toledo | FE20 | |
Petri dish | Fisher Scientific | 08-757-11YZ | |
Nonsterile-suture 10-0 monofilament | Ashaway Line Twine | S30002 | |
Insect pins | Fine Science Tools | 26002-10 | |
Forceps – Dumont #5 | Fine Science Tools | 11251-20 | |
Microdissecting scissors | Fine Science Tools | 15000-08 | |
Stereo microscope | Leica Microsystems | MZ8 | |
Micrometer drives | Parker Hannifin | 3936M | |
Thermometer | Physitemp | BAT-12 | |
Water bath circulator | Neslab Instruments | RTE-111 | |
Temperature controller | Aplha Omega Instruments | Series 800 | |
LabVIEW software | National Instruments | – | |
Computer | Varied | – | |
Chamber system | Aurora Scientific | 802D | |
Length-controller | Aurora Scientific | 312C | |
Force-transducer | Aurora Scientific | 403A | |
Reagents | |||
K-proprionate | TCI America | P0510 | |
Imadizole | Sigma-Aldrich | I0125 | |
MgCl2•6H20 | Sigma-Aldrich | M2670 | |
Brij 58 | Sigma-Aldrich | P5884 | |
EGTA (acid) | Sigma-Aldrich | E0396 | |
Na2H2ATP•0.56H2O | Sigma-Aldrich | A7699 | |
Glycerol | Sigma-Aldrich | G6279 | |
HEPES (acid) | Sigma-Aldrich | H7523 | |
MgO | Sigma-Aldrich | 529699 | |
HDTA (acid) | TCI America | D2019 | |
CaCO3 | Sigma-Aldrich | C4830 | |
NaN3 | Sigma-Aldrich | S8032 | |
KOH (1N) | Sigma-Aldrich | 35113 | |
HCL (1N) | Sigma-Aldrich | 318949 | |
Na2CrP•4H2O | Sigma-Aldrich | P7936 | |
pH 10 standard | Fisher Scientific | SB115 | |
pH 7 standard | Fisher Scientific | SB107 |