יישום של גירוי כרוני ללמוד עיבודים פנוטיפי של שרירי השלד כויץ הנוצרות על-ידי פעילות עכברוש
Summary
פרוטוקול זה מתאר את השימוש של הדגם פעילות כויץ כרונית של תרגיל להתבונן הנוצרות על-ידי גירוי שרירי השלד עיבודים ב hindlimb החולדה.
Abstract
שרירי השלד הוא רקמה מאוד, כמו תכונותיו הביוכימי, פיזיולוגיים הם שינו באופן משמעותי בתגובה פעילות גופנית כרונית. לחקור את המנגנונים הבסיסית לגבי עיבודים שרירים שונים, מספר תרגיל פרוטוקולים כגון הליכון, גלגל ריצה ואימון שחייה היו בשימוש במחקרים בבעלי חיים. עם זאת, התרגיל אלה מודלים דורשים תקופה ארוכה של זמן כדי להשיג שרירים עיבודים, אשר עשוי להיות מוסדרים גם על ידי גורמים ההורמונאלית או נוירולוגיות, ובכך יגביל את היישומים שלהם ללמוד עיבודים הנוצרות על-ידי התכווצות של שרירים ספציפיים. גירוי עקיף בתדר נמוך (10 Hz) כדי לעודד פעילות כויץ כרונית (המרכז לאמנות עכשווית) שימש כמודל חלופי עבור תרגיל אימונים, כמו זה יכול בהצלחה להוביל עיבודים מיטוכונדריאלי שרירים תוך 7 ימים, עצמאית של גורמים מערכתית. מאמר זה מפרט את טכניקות ניתוחיות הדרוש כדי להחיל את הטיפול של המרכז לאמנות עכשווית שרירי השלד של חולדות, יישום נרחב בעתיד מחקרים.
Introduction
שרירי השלד יכול להסתגל תרגיל אימון באמצעות שינויים ביואנרגיה ואת המבנה הפיזי1. אחד השינויים העיקריים הביא על ידי אימון סבולת הוא להן מיטוכונדריאלי, אשר יכול להיות מוערך על ידי עלייה בביטוי של רכיבים מיטוכונדריאלי (למשל, ציטוכרום c אוקסידאז [קוקס] subunits), כמו גם הביטוי של coactivator תעתיק, PGC-1α2. מספר גדל והולך של מחקרים הראו כי גורמים רבים אחרים, כולל מחזור מיטוכונדריאלי, mitophagy, חשובים גם עיבודים שריר. עם זאת, המנגנון על ידי איזה תרגיל אקוטי או כרוני לווסת את אלה תהליכים בשרירי השלד לא ברורים.
על המסלולים המסדירה שריר הנגרמת עיבודים, מודלים שונים של פעילות גופנית היו בשימוש נפוץ במחקרים מכרסמים, כולל הליכון, גלגל ריצה ושחייה תרגיל. אולם, פרוטוקולים אלה יש כמה מגבלות בכך ~ 4-12 שבועות יש צורך לבחון אלו שינויים פנוטיפי3,4,5. ניסיוני כאמצעי חלופי, תדירות נמוכה הנוצרות על-ידי גירוי כרוני כויץ פעילות (המרכז לאמנות עכשווית) השתמשו ביעילות רבה, כמו זה יכול להוביל עיבודים שרירים תוך תקופה קצרה יותר באופן משמעותי (קרי, עד 7 ימים) ונראה את השפעותיו להיות דומה, או אף יותר מאשר פרוטוקולים אחרים פעילות גופנית. יתר על כן, הנוכחות של הורמונלי6, טמפרטורה7ותופעות נוירולוגיות8 עשוי להקשות להבין תגובות ספציפיות שרירים פעילות גופנית כרונית. לדוגמה, הורמון בלוטת התריס9,10 ו פקטורי גדילה דמויי אינסולין (IGF)-111 זוהו לתווך עיבודים הכשרה-induced שרירים, אשר יכול גם לווסת את איתות המסלולים אחרות בהשלד שריר. ראוי לציין, המרכז לאמנות עכשווית-induced אפקטים מינימלית מוסדרים על ידי גורמים מערכתית, המאפשר מיקוד להניחו על התגובה הישירה של שריר השלד כויץ פעילות.
היחידה חיצוני עבור המרכז לאמנות עכשווית הוצג לראשונה על ידי טיילר, רייט12, פותחה עם שינויים12. בקיצור, היחידה מורכבת משלושה חלקים עיקריים: גלאי אינפרא-אדום זה ניתן להפעיל ולכבות כתוצאה מחשיפה אור אינפרא-אדום, גנרטור הדופק, מחוון הדופק (איור 1). עיצוב מפורט מעגל של היחידה ממריץ היה שתואר לעיל13. המאפיינים המפורטים של המרכז לאמנות עכשווית ניתן למצוא יותר עומק במספר של סקירת מאמרים14,15,16,17. בקצרה, פרוטוקול גירוי נועד להפעיל את שיתוק נפוצות בתדר נמוך (קרי, 10 הרץ), ואת השרירים innervated (השוקתי הקדמי [ת א], השריר פושט האצבעות הארוך [אדי]) נאלצים נכלל בחוזה מראש את משך הזמן (למשל, h 3-6). לאורך זמן, זה משמרות את השרירים הנ ל כדי הפנוטיפ אירובית יותר, הפגינו מעלייה ברמת צפיפות נימי18 והן תוכן מיטוכונדריאלי19,20,21. לכן, בשיטה זו הוא מודל מוכח לחקות חלק עיבודים אימון סיבולת גדולה תוך שרירי השלד של חולדות.
מאמר זה מציג הליך מפורט של הניתוח השרשה אלקטרודה לזירוז המרכז לאמנות עכשווית, כך החוקרים ניתן להחיל את המודל הזה בלימודיהם תרגיל. המרכז לאמנות עכשווית היא דוגמנית מעולה ללמוד מסלול הזמן של עיבודים השריר, ובכך לספק כלי יעיל עבור חקירת האירועים המולקולריים איתות השונים בשתי נקודות זמן מוקדם ומאוחר יותר בעקבות תחילת תרגיל אימונים.
Protocol
Representative Results
Discussion
הדגם פעילות כויץ כרונית (המרכז לאמנות עכשווית) של פעילות גופנית, דרך השריר בתדר נמוך גירוי ויוו, הוא מודל מצויין ללמוד שריר עיבודים פנוטיפי לממש24,13,25 , 26. כפי שמוצג מחקרים קודמים20,27, ה?…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
. אנחנו אסירת תודה ליאם Tyron על קריאתו מומחה של כתב היד. עבודה זו נתמכה על ידי מימון מדעי הטבע, הנדסה מחקר המועצה של קנדה (NSERC) ד א הוד. ד א הוד הוא גם האוחז כיסא מחקר קנדה בפיזיולוגיה של התא.
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 |
References
- 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).
