Spiersnelheid Recovery Cycli om spiermembraan eigenschappen te onderzoeken
Summary
Hier gepresenteerd is een protocol voor de registratie van spiersnelheid herstelcycli (MVRCs), een nieuwe methode voor het onderzoeken van spiermembraan eigenschappen. MVRCs maken in vivo beoordeling van spiermembraanpotentieel en veranderingen in spier-ionkanaalfunctie met betrekking tot pathologie mogelijk, en het maakt de demonstratie van spierdepolarisatie in neurogene spieren mogelijk.
Abstract
Hoewel conventionele zenuwgeleidingsstudies (NCS) en elektromyografie (EMG) geschikt zijn voor de diagnose van neuromusculaire aandoeningen, bieden ze beperkte informatie over spiervezelmembraaneigenschappen en onderliggende ziektemechanismen. Spiersnelheid herstelcycli (MVRCs) illustreren hoe de snelheid van een spieractiepotentieel afhangt van de tijd na een voorafgaand actiepotentieel. MVRCs zijn nauw verwant aan veranderingen in membraanpotentieel die een actiepotentieel volgen, waardoor informatie wordt verstrekt over spiervezelmembraaneigenschappen. MVRCs kunnen snel en eenvoudig worden geregistreerd door directe stimulatie en opname van multi-fiber bundels in vivo. MVRCs zijn nuttig geweest bij het begrijpen van ziektemechanismen bij verschillende neuromusculaire aandoeningen. Studies bij patiënten met channelopathies hebben de verschillende effecten van specifieke ionenkanaalmutaties op spierexcitability aangetoond. MVRCs zijn eerder getest bij patiënten met neurogene spieren. In deze eerdere studie werd de spierrelatieve brekingperiode (MRRP) verlengd en werden vroege supernormaliteit (ESN) en late supernormaliteit (LSN) verminderd bij patiënten in vergelijking met gezonde controles. Daardoor kunnen MVRCs in vivo bewijs leveren van membraandepolarisatie in intacte menselijke spiervezels die ten grondslag liggen aan hun verminderde prikkelbaarheid. Het hier gepresenteerde protocol beschrijft hoe je MVRCs opnemen en de opnames analyseren. MVRCs kunnen dienen als een snelle, eenvoudige en nuttige methode voor het onthullen van ziektemechanismen over een breed scala van neuromusculaire aandoeningen.
Introduction
Zenuwgeleidingsstudies (NCS) en elektromyografie (EMG) zijn de conventionele elektrofysiologische methoden die worden gebruikt voor de diagnose van neuromusculaire aandoeningen. NCS maakt detectie van axonal verlies en demyelinatie in de zenuwen1,terwijl EMG kan differentiëren of myopathie of neurogene veranderingen aanwezig zijn in de spier als gevolg van zenuwschade. Echter, NCS of EMG bieden beperkte informatie over spiervezel membraan eigenschappen en onderliggende ziekte mechanismen. Deze informatie kan worden bereikt met behulp van intracellulaire elektroden in geïsoleerde spieren van spierbiopten2,3,4. Het is echter van klinisch belang om methodologieën te gebruiken met behulp van opnames van intacte spieren bij patiënten.
De snelheid van een tweede spiervezel actie potentieel verandert als een functie van de vertraging na de eerste5, en deze snelheid herstelfunctie (of herstelcyclus) is aangetoond te veranderen in dystrofische of gederedeerde spieren. De opbrengst van dergelijke opnames van enkele spiervezels was echter te laag om als klinisch hulpmiddel te worden gebruikt6. Echter, Z’Graggen en Bostock later vond dat multi-fiber opnames, verkregen door directe stimulatie en opname van dezelfde bundel van spiervezels, bieden een snelle en eenvoudige methode voor het verkrijgen van dergelijke opnames in vivo7. Een opeenvolging van gepaarde pulselektrische stimuli met verschillende interstimulusintervallen (ISI’s) wordt gebruikt in deze methode7,8,9,10,11.
De geëvalueerde MVRC-parameters omvatten de volgende: 1) spierrelatieve vuurvaste periode (MRRP), de duur na een spieractiepotentieel totdat het volgende actiepotentieel kan worden ontlokt; 2) vroege supernormaliteit (ESN); en 3) late supernormaliteit (LSN). ESN en LSN zijn de perioden na de vuurvaste periode waarin de actiemogelijkheden sneller dan normaal langs het spiermembraan worden uitgevoerd. De depolariserende napotentieel, en kaliumaccumulatie in de t-tubuli van de spier respectievelijk, worden verondersteld als de belangrijkste oorzaken voor de twee periodes van supernormaliteit.
De brede toepasbaarheid van MVRCs op spieraandoeningen is aangetoond bij het detecteren van membraandepolarisatie in ischemie7,10,12 en nierfalen13, evenals het verstrekken van informatie over spiermembraanafwijkingen bij kritieke ziekte myopathie14 en inclusie lichaam myositis15. Frequentiehelling en intermitterende 15 Hz en 20 Hz simulatie protocollen zijn sindsdien geïntroduceerd. MVRCs, samen met deze aanvullende protocollen, hebben aangetoond dat de verschillende effecten op spiermembraan prikkelbaarheid in verband met verlies van functie of gain-of-function mutaties in verschillende spierionenkanalen in de erfelijke spierionen kanaalopathies (dat wil zeggen, natriumkanaal myotonie, paramyotonia congenita16, myotonische dystrofie17, Andersen-Tawil syndroom18, en myotonia congenita19,20).
In een recente studie werd voor het eerst de toepasbaarheid van MVRCs op neurogene spieren aangetoond. De term “neurogene spier” verwijst naar de secundaire veranderingen in skeletspieren die zich ontwikkelen als denervation en reinnervation na een blessure aan de voorste hoorncellen of motorische axonen. Denervation wordt in EMG gekarakteriseerd als spontane activiteit (d.w.z. fibrillaties [fibs] en positieve scherpe golven [psws]), terwijl grote motoreenheid met langdurige duur en verhoogde amplitude reinnervation presenteert21. EMG veranderingen zijn duidelijk in gederevated spieren, maar de onderliggende cellulaire veranderingen in spiervezel membraan potentials zijn alleen aangetoond in experimentele studies op geïsoleerd spierweefsel2,3,4. MVRCs bieden verder inzicht in in vivo menselijke spiermembraaneigenschappen met betrekking tot het denervationproces.
Dit document beschrijft de methodologie van MVRCs in detail. Het vat ook de veranderingen in neurogene spieren in een subgroep van patiënten uit een eerder gerapporteerde studie22 en gezonde controle onderwerpen die het mogelijk maakt de bepaling van de vraag of de methode geschikt is voor een geplande studie.
De opnames worden uitgevoerd met behulp van een opnameprotocol dat deel uitmaakt van een softwareprogramma. Andere gebruikte apparatuur is een geïsoleerde lineaire bipolaire constante stroomstimulator, 50 Hz noise eliminator, geïsoleerde elektromyografieversterker en analoog-naar-digitaal converter.
Protocol
Representative Results
Discussion
MVRCs, zoals geprogrammeerd in de opnamesoftware, is een sterk geautomatiseerde procedure, maar zorg is nodig om betrouwbare resultaten te verkrijgen. In de opnamefase, terwijl het aanpassen van de naalden, is het belangrijk om te voorkomen dat het stimuleren van de eindplaat zone of zenuw. Dit leidt meestal tot grote spiertrekkingen, wat het risico op verplaatsing van de stimulatie en/of opnamenaald verhoogt tijdens het opnemen van MVRCs. Tot op heden is de methode toegepast op verschillende spieren die beter hebben bes…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Deze studie werd voornamelijk financieel ondersteund door de twee subsidies van Lundbeck Foundation (Subsidienummer R191-2015-931 en Subsidienummer R290-2018-751). Daarnaast werd de studie financieel ondersteund door Novo Nordisk Foundation Challenge Programme (Subsidienummer NNF14OC0011633) als onderdeel van het International Diabetic Neuropathy Consortium.
Materials
| 50 Hz Noise Eliminator | Digitimer Ltd | Humbug | |
| Analogue-to-Digital Converter | National Instruments | NI-6221 | |
| Analysing software program | Digitimer Ltd (copyright Institute of Neurology, University College, London) | QtracP, MANAL9 | |
| Disposable concentric needle electrode, 25 mm x 30G | Natus | Dantec DCN | |
| Disposable monopolar needle electrode, 25 mm x 26G | Natus | TECA elite | |
| Isolated EMG amplifier | Digitimer Ltd | D440 | |
| Isolated linear bipolar constant-current stimulator | Digitimer Ltd | DS5 | |
| Software and recording protocol | Digitimer Ltd (copyright Institute of Neurology, University College, London) | QtracW software, M3REC3 recording protocol written by Hugh Bostock, Istitute of Neurology, London, UK) |
References
- Tankisi, H., et al. Pathophysiology inferred from electrodiagnostic nerve tests and classification of polyneuropathies. Suggested guidelines. Clinical Neurophysiology. 116 (7), 1571-1580 (2005).
- Gregorio, C. C., Hudecki, M. S., Pollina, C. M., Repasky, E. A. Effects of denervation on spectrin concentration in avian skeletal muscle. Muscle and Nerve. 11 (4), 372-379 (1988).
- Kotsias, B. A., Venosa, R. Role of sodium and potassium permeabilities in the depolarization of denervated rat muscle fibers. Journal of Physiology. 392, 301-313 (1987).
- Kirsch, G. E., Anderson, M. F. Sodium channel kinetics in normal and denervated rabbit muscle membrane. Muscle and Nerve. 9 (8), 738-747 (1986).
- Stalberg, E. Propagation velocity in human muscle fibers in situ. Acta Physiologica Scandinava Supplementum. 287, 1 (1966).
- Mihelin, M., Trontelj, J. V., Stalberg, E. Muscle fiber recovery functions studied with double pulse stimulation. Muscle and Nerve. 14 (8), 739-747 (1991).
- Z’Graggen, W. J., Bostock, H. Velocity recovery cycles of human muscle action potentials and their sensitivity to ischemia. Muscle and Nerve. 39 (5), 616-626 (2009).
- Bostock, H., Tan, S. V., Boerio, D., Z’Graggen, W. J. Validity of multi-fiber muscle velocity recovery cycles recorded at a single site using submaximal stimuli. Clinical Neurophysiology. 123 (11), 2296-2305 (2012).
- Z’Graggen, W. J., Troller, R., Ackermann, K. A., Humm, A. M., Bostock, H. Velocity recovery cycles of human muscle action potentials: repeatability and variability. Clinical Neurophysiology. 122 (11), 2294-2299 (2011).
- Lee, J. H. F., Boland-Freitas, R., Ng, K. Sarcolemmal excitability changes in normal human aging. Muscle and Nerve. 57 (6), 981-988 (2018).
- Lee, J. H. F., Boland-Freitas, R., Ng, K. Physiological differences in sarcolemmal excitability between human muscles. Muscle and Nerve. 60 (4), 433-436 (2019).
- Humm, A. M., Bostock, H., Troller, R., Z’Graggen, W. J. Muscle ischaemia in patients with orthostatic hypotension assessed by velocity recovery cycles. Journal of Neurology, Neurosurgery and Psychiatry. 82 (12), 1394-1398 (2011).
- Z’Graggen, W. J., et al. Velocity recovery cycles of human muscle action potentials in chronic renal failure. Clinical Neurophysiology. 121 (6), 874-881 (2010).
- Z’Graggen, W. J., et al. Muscle membrane dysfunction in critical illness myopathy assessed by velocity recovery cycles. Clinical Neurophysiology. 122 (4), 834-841 (2011).
- Lee, J. H., Boland-Freitas, R., Liang, C., Ng, K. Sarcolemmal depolarization in sporadic inclusion body myositis assessed with muscle velocity recovery cycles. Clinical Neurophysiology. 19 (31205-2), 1388 (2019).
- Tan, S. V., Z’Graggen, W. J., Hanna, M. G., Bostock, H. In vivo assessment of muscle membrane properties in the sodium channel myotonias. Muscle and Nerve. 57 (4), 586-594 (2018).
- Tan, S. V., et al. In vivo assessment of muscle membrane properties in myotonic dystrophy. Muscle and Nerve. 54 (2), 249-257 (2016).
- Tan, S. V., et al. Membrane dysfunction in Andersen-Tawil syndrome assessed by velocity recovery cycles. Muscle and Nerve. 46 (2), 193-203 (2012).
- Tan, S. V., et al. Chloride channels in myotonia congenita assessed by velocity recovery cycles. Muscle and Nerve. 49 (6), 845-857 (2014).
- Boland-Freitas, R., et al. Sarcolemmal excitability in the myotonic dystrophies. Muscle and Nerve. 57 (4), 595-602 (2018).
- Stalberg, E., et al. Standards for quantification of EMG and neurography. Clinical Neurophysiology. 130 (9), 1688-1729 (2019).
- Witt, A., et al. Muscle velocity recovery cycles in neurogenic muscles. Clinical Neurophysiology. 130 (9), 1520-1527 (2019).
- Kristensen, R. S., et al. MScanFit motor unit number estimation (MScan) and muscle velocity recovery cycle recordings in amyotrophic lateral sclerosis patients. Clinical Neurophysiology. 130 (8), 1280-1288 (2019).
- Marrero, H. G., Stalberg, E. V. Optimizing testing methods and collection of reference data for differentiating critical illness polyneuropathy from critical illness MYOPATHIES. Muscle and Nerve. 53 (4), 555-563 (2016).
- Allen, D. C., Arunachalam, R., Mills, K. R. Critical illness myopathy: further evidence from muscle-fiber excitability studies of an acquired channelopathy. Muscle and Nerve. 37 (1), 14-22 (2008).
