في قياس الجسم الحي لوظيفة العضلات إكستنور الركبة في الفئران
Summary
تحديد كمي للقوة القصوى لتكثيف الركبة أمر حتمي لفهم التكيفات الوظيفية للشيخوخة والمرض والإصابة وإعادة التأهيل. نقدم طريقة جديدة لقياس مرارا وتكرارا في الجسم الحي تمديد الركبة متساوي القياس ذروة عزم الدوران التاثني.
Abstract
اللدونة العضلات الهيكل العظمي استجابة لظروف لا تعد ولا تحصى والمحفزات يتوسط التكيف الوظيفي المتزامنة، سواء السلبية والإيجابية. في العيادة ومختبر الأبحاث ، يتم قياس القوة العضلية القصوى على نطاق واسع طوليا في البشر ، مع عضلات موسع الركبة النتيجة الوظيفية الأكثر الإبلاغ عنها. علم الأمراض في الركبة مجمع العضلات المكبر موثقة توثيقا جيدا في الشيخوخة, إصابة العظام, مرض, وعدم الاستخدام; ترتبط قوة مقوي الركبة ارتباطا وثيقا بالقدرة الوظيفية وخطر الإصابة ، مما يؤكد على أهمية القياس الموثوق لقوة مقوي الركبة. قابل للتكرار، في تقييم الجسم الحي لقوة توسيع الركبة في دراسات القوارض قبل السريرية يقدم نقاط نهاية وظيفية قيمة للدراسات استكشاف هشاشة العظام أو إصابة الركبة. نحن تقرير في الجسم الحي وبروتوكول غير الغازية لقياس مرارا وتكرارا عزم الدوران ذروة متساوي القياس من امتدادات الركبة في الفئران عبر الزمن. نحن نظهر الاتساق باستخدام هذه الطريقة الجديدة لقياس قوة توسيع الركبة مع التقييم المتكرر في الفئران متعددة مما أدى إلى نتائج مماثلة.
Introduction
العضلات الهيكل العظمي هو نسيج قابل للتكيف للغاية مع تعديلات تعويضية على الكتلة والهيكل استجابة لعدد لا يحصى من المحفزات، مثل ممارسة الرياضة والتغذية والإصابة والمرض والشيخوخة، وعدم الاستخدام. تستخدم العديد من الدراسات التي تحقق في تكيف العضلات الهيكلية لدى البشر طرقا لقياس حجم العضلات الهيكلية والتأثير على الوظيفة ، حيث يمكن تكرار تقييمات القوة القياسية الذهبية بسهولة في الأشخاص البشريين.
على وجه التحديد، يتم تقييم قوة مقوي الركبة والمرن الأكثر في البحوث السريرية. وقد تم الإبلاغ عن تعديلات على قوة مطاهر الركبة على نطاق واسع في الدراسات البشرية للشيخوخة، وممارسة، وإصابات العظام، وهشاشة العظام في الركبة، والأمراض المزمنة، وعدم الاستخدام1،2،3،4،5،6،7. ومع ذلك ، كانت طرق تحليل قوة عضلة مسعور الركبة (quadriceps) بشكل متكرر وغير جراحي في دراسات القوارض الميكانيكية محدودة نسبيا. وقد وضعت طريقة لتحديد في الجسم الحي رباعية انقباض العضلات في الفئران سابقا8; ومع ذلك، يلزم تشييد معدات غير متاحة تجاريا على نطاق واسع. ونظرا لاتساع نماذج القوارض وضعتلدراسةالنتائج العضلية الهيكلية بعد إصابة في الركبة / هشاشة العظام 9،10،11،12،13 هناك حاجة لتقييم غير الغازية من قوة quadriceps.
وعلاوة على ذلك، فإن دراسات القوارض التي تحقق في الآليات الجزيئية التي يقوم عليها تكيف العضلات الهيكلية غالبا ما تستخدم نماذج الماوس بسبب بساطة التعديل الوراثي، كما تفعل العديد من دراسات التدخل الدوائي بسبب انخفاض النفقات المالية المرتبطة بانخفاض الكمية القائمة على الوزن لدواء في الفئران مقارنة بالجرذان. نحن نبلغ عن طريقة غير الغازية لقياس مرارا وتكرارا في وظيفة توسيع الركبة في الجسم الحي في نفس الماوس مع مرور الوقت باستخدام المعدات المتاحة تجاريا مع تعديل طفيف، وتسهيل استنساخ بين مختبرات مختلفة، وتوفير مقارنة أكثر مباشرة لنتائج القوة البشرية.
Protocol
Representative Results
Discussion
قياس وتحليل وظيفة العضلات في نماذج القوارض أمر حتمي لجعل الاستدلالات المترجمة وذات مغزى فيما يتعلق التكيفات العضلات الهيكلية النسيجية والجزيئية لوحظ مع ممارسة الرياضة, إصابة, مرض, والعلاج العلاجي. نحن نظهر طريقة لتقييم القوة القصوى لأقصى حد لأقصى حد من الكعبة بشكل موثوق ومتكرر في الفئران باستخدام المعدات المتاحة تجاريا ، مع قطعة بلاستيكية قابلة للتعديل لعقد الطرف الخلفي السفلي في الساق الأمامية كونها الجزء الوحيد المخصص المصنعة التي يمكن تكرارها.
وقد استخدمت أدوات التقييم الوظيفي المشتركة على نطاق واسع لتقييم الأداء البدني مرارا وتكرارا داخل نفس الماوس، مثل تشغيل حلقة مفرغة إلى التعب الإرادي، واختبار الأداء الدوار، واختبار التشبث المقلوب، واختبار قوة قبضة. ومع ذلك ، في حين أن المعلومات ، وهذه التقييمات تنطوي على القلب والكون السلوكي (ق) ، والتي يمكن أن تشوش استجواب وظيفة العصبية والعضلية المرتبطة هذه التدابير الأداء البدني. وعلاوة على ذلك، عناصر القدرة على التحمل والتنسيق والتوازن موجودة في العديد من هذه التقييمات الوظيفية إلى مستويات متفاوتة، والحد من تفسير واضح بالنسبة لقوة العضلات. يمكن قياس القوة المنتجة لقدرة عضلات القوارض في المختبر أو في الموقع أو في الجسم الحي. ولكل نهج مزايا وقيود نسبية. على وجه التحديد ، مع التقييم في المختبر ، يتم عزل العضلات تماما وإزالتها من جسم الحيوان بحيث لا يكون هناك تأثير من التشوه أو التواء19. وهذا ينتج بيئة تسيطر عليها جيدا للتأكد من القدرة على الانكماش ولكن يحد من حجم العضلات التي تدرس من خلال الاعتماد على الانتشار السلبي للأوكسجين والمواد المغذية أثناء الاختبار. في الاختبار الموقعي يحافظ على التدني وإمدادات الدم من العضلات، ولكن يقتصر على تقييم محطة فريدة، كما هو الحال مع اختبار المختبر20. وأخيرا، في اختبار الجسم الحي هو الأقل الغازية مع العضلات المتبقية في بيئتها الأصلية مع أقطاب كهربائية عن طريق الجلد إدراجها بالقرب من العصب الحركي لتحفيز كهربائيا العضلات. قوة في نهج في الجسم الحي هو إمكانية لاختبار طولي عبر الزمن21,22,23.
في تقييم الجسم الحي من انكماش العضلات الذروة يقيس على النحو الأمثل أقصى قدر من القوة والتشريح الطبيعي وعلم وظائف الأعضاء من الماوس لا تزال سليمة ويمكن تكرار هذه الطريقة على نفس الماوس قبل وبعد التدخل أو طوال العمر. على وجه التحديد، في قياس الجسم الحي لقوة تمديد الركبة في الفئران هو تقييم قوة مورين مع أكبر صلة ترجمة للدراسات البشرية، كما يقاس عادة الحد الأقصى لعزم دوران تمديد الركبة ويعتبر اختبار القوة معيار الذهب في البشر مع ارتباط لمختلف النتائج الوظيفية والصحية24،25،26،27 . وعلاوة على ذلك، لوحظ أمراض توسيع الركبة مع الشيخوخة، فضلا عن عدد لا يحصى من الإصابات والأمراض1،2،4،5،6،ولكن تقييم تأثير هذه الشروط على قوة امتداد الركبة طوليا في الفئران لم يكن من السهل تحقيقها.
على الرغم من أن هذه الطريقة توفر فائدة لتحديد عزم دوران ذروة الباسط الركبة بطريقة طولية, وينبغي النظر في بعض القيود المفروضة على البروتوكول. تم حذف الترددات المنخفضة بين 40 هرتز إلى 120 هرتز من بروتوكول تردد عزم الدوران، مما قد يحد من القدرة على اكتشاف التحولات اليسرى أو اليمنى في منحنى عزم الدوران التردد مع الإصابة أو المرض. ومع ذلك، باستخدام هذا البروتوكول عزم الدوران التردد، تمكنا من الكشف عن التعديلات إلى عزم الدوران التيتين الذروة في نموذج إصابة دوري أبطال آسيا وبين الفئران نوع البرية C56BL/6 ونموذج الماوس المعدلة وراثيا من كتلة العضلات فوق الفسيولوجية(الشكل 8). نلاحظ أنه قد يكون من المفيد تأمين الأقطاب الكهربائية مع أيدي المساعدة أو جهاز مماثل لأن تقلصات العضلات قد تحرك الأقطاب الكهربائية قليلا. لم نلاحظ أي نزوح واضح للأقطاب الكهربائية مع تقلصات تدريجية؛ ومع ذلك ، لا يمكن استبعاد إمكانية حدوث حركة طفيفة للأقطاب الكهربائية ، مما قد يؤثر على تحفيز العضلات. بالإضافة إلى ذلك، لم يتم إجراء التصوير الكهربائي العضلي (EMG) بالتزامن مع بروتوكول التحفيز؛ ومع ذلك، قد يكون إدراج تدابير الفريق البيئي البيئي ممكنا، إذا كان مرغوبا ومناسبا للنموذج التجريبي للاهتمام.
تقييم قوة مطاهم الركبة في نماذج مورين من إصابات العظام والمرض سوف تسهل البحوث قبل السريرية مع أهمية ترجمة ذات مغزى لتدابير القوة السريرية. بروتوكولنا يتيح تقييم دقيق ومتكرر لقوة مضاعف الركبة القصوى في الفئران مع المعدات المتاحة تجاريا في متناول أي مختبر.
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
ونود أن نشكر روزاريو ماروتو على المساعدة التقنية. تم دعم الأبحاث التي تم الإبلاغ عنها في هذا المنشور من قبل المعهد الوطني لالتهاب المفاصل والأمراض العضلية الهيكلية والجلدية للمعاهد الوطنية للصحة تحت الجائزة رقم R01 AR072061 (CSF). المحتوى هو فقط مسؤولية المؤلفين ولا يمثل بالضرورة وجهات النظر الرسمية للمعاهد الوطنية للصحة.
Materials
| 1300A: 3-in-1 Whole Animal System- Mouse | Aurora Scientific Incorporated | 300D-305C-FP: dual-mode motor with custom knee extension apparatus, 605A: Dynamic Muscle Data Acquisition and Analysis System, 701C: Electrical Stimulator, 809C: in-situ Mouse Apparatus | |
| 6100 Dynamic Muscle Control LabBook software | Aurora Scientific Incorporated | DMC v6.000 | |
| 611A Dynamic Muscle Analysis | Aurora Scientific Incorporated | DMA v5.501 | |
| BravMini hair clippers | Wahl Clipper Corporation | ASIN: B00IN24ILE | |
| Eye Lube | Optixcare | Item Number: 142422 | |
| Isoflurane | Covetrus | NDC: 11695-6777-2 | |
| V-1 Tabletop Laboratory Animal Anesthesia System | VetEquip Inhalation Anesthesia Systems | Item Number: 901806 | |
| Prism 8 | GraphPad Software, LLC | Version 8.3.0 (328) |
References
- Brightwell, C. R., et al. Moderate-intensity aerobic exercise improves skeletal muscle quality in older adults. Translational Sports Medicine. 2 (3), 109-119 (2019).
- Moro, T., et al. Muscle protein anabolic resistance to essential amino acids does not occur in healthy older adults before or after resistance exercise training. Journal of Nutrition. 148 (6), 900-909 (2018).
- Angelozzi, M., et al. Rate of force development as an adjunctive outcome measure for return-to-sport decisions after anterior cruciate ligament reconstruction. Journal of Orthopedic Sports Physical Therapy. 42 (9), 772-780 (2012).
- Kalyani, R. R., et al. Quadriceps strength, quadriceps power, and gait speed in older U.S. adults with diabetes mellitus: results from the National Health and Nutrition Examination Survey, 1999-2002. Journal of American Geriatric Society. 61 (5), 769-775 (2013).
- Culvenor, A. G., Ruhdorfer, A., Juhl, C., Eckstein, F., Øiestad, B. E. Knee extensor strength and risk of structural, symptomatic, and functional decline in knee osteoarthritis: A systematic review and meta-analysis. Arthritis Care Res (Hoboken). 69 (5), 649-658 (2017).
- Abramowitz, M. K., et al. Skeletal muscle fibrosis is associated with decreased muscle inflammation and weakness in patients with chronic kidney disease. American Journal of Physiology and Renal Physiology. 315 (6), 1658-1669 (2018).
- Arentson-Lantz, E. J., English, K. L., Paddon-Jones, D., Fry, C. S. Fourteen days of bed rest induces a decline in satellite cell content and robust atrophy of skeletal muscle fibers in middle-aged adults. Journal of Applied Physiology. 120 (1985), 965-975 (2016).
- Pratt, S. J. P., Lovering, R. M. A stepwise procedure to test contractility and susceptibility to injury for the rodent quadriceps muscle. Journal of Biological Methods. 1 (2), (2014).
- Kamekura, S., et al. Osteoarthritis development in novel experimental mouse models induced by knee joint instability. Osteoarthritis Cartilage. 13 (7), 632-641 (2005).
- Kwok, J., et al. Histopathological analyses of murine menisci: implications for joint aging and osteoarthritis. Osteoarthritis Cartilage. 24 (4), 709-718 (2016).
- Glasson, S. S., Blanchet, T. J., Morris, E. A. The surgical destabilization of the medial meniscus (DMM) model of osteoarthritis in the 129/SvEv mouse. Osteoarthritis Cartilage. 15 (9), 1061-1069 (2007).
- Christiansen, B. A., et al. Musculoskeletal changes following non-invasive knee injury using a novel mouse model of post-traumatic osteoarthritis. Osteoarthritis Cartilage. 20 (7), 773-782 (2012).
- Wurtzel, C. N., et al. Pharmacological inhibition of myostatin protects against skeletal muscle atrophy and weakness after anterior cruciate ligament tear. Journal of Orthopedic Research. 35 (11), 2499-2505 (2017).
- Botter, A., et al. Atlas of the muscle motor points for the lower limb: implications for electrical stimulation procedures and electrode positioning. European Journal of Applied Physiology. 111 (10), 2461-2471 (2011).
- Gobbo, M., Maffiuletti, N. A., Orizio, C., Minetto, M. A. Muscle moter point identification is essential for optimizing neuromuscular electrical stimulation use. Journal of Neuroengineering and Rehabililitation. 11, 17 (2014).
- Neelakantan, H., et al. Small molecule nicotinamide N-methyltransferase inhibitor activates senescent muscle stem cells and improves regenerative capacity of aged skeletal muscle. Biochemical Pharmacology. 163, 481-492 (2019).
- Kline, P. W., Morgan, K. D., Johnson, D. L., Ireland, M. L., Noehren, B. Impaired quadriceps rate of torque development and knee mechanics after anterior cruciate ligament reconstruction with patellar tendon autograft. American Journal of Sports Medicine. 43 (10), 2553-2558 (2015).
- Hiemstra, L. A., Webber, S., MacDonald, P. B., Kriellaars, D. J. Knee strength deficits after hamstring tendon and patellar tendon anterior cruciate ligament reconstruction. Medicine and Science in Sports and Exercise. 32 (8), 1472-1479 (2000).
- Park, K. H., et al. Ex vivo assessment of contractility, fatigability and alternans in isolated skeletal muscles. Journal of Visualized Experiments. (69), e4198 (2012).
- MacIntosh, B. R., Esau, S. P., Holash, R. J., Fletcher, J. R. Procedures for rat in situ skeletal muscle contractile properties. Journal of Visualized Experiments. (56), e3167 (2011).
- Chiu, C. S., et al. Non-invasive muscle contraction assay to study rodent models of sarcopenia. BMC Musculoskeletal Disorder. 12, 246 (2011).
- Mintz, E. L., Passipieri, J. A., Lovell, D. Y., Christ, G. J. Applications of in vivo functional testing of the rat tibialis anterior for evaluating tissue engineered skeletal muscle repair. Journal of Visualized Experiments. (116), e54487 (2016).
- Gerlinger-Romero, F., et al. Non-invasive assessment of dorsiflexor muscle function in mice. Journal of Visualized Experiments. (143), e58696 (2019).
- Davis, C. C., Ellis, T. J., Amesur, A. K., Hewett, T. E., Di Stasi, S. Improvements in knee extension strength are associated with improvements in self-reported hip function following arthroscopy for femoroacetabular impingement syndrome. International Journal of Sports Physical Therapy. 11 (7), 1065-1075 (2016).
- Omori, G., et al. Quadriceps muscle strength and its relationship to radiographic knee osteoarthritis in Japanese elderly. Journal of Orthopedic Science. 18 (4), 536-542 (2013).
- Wilk, K. E., Romaniello, W. T., Soscia, S. M., Arrigo, C. A., Andrews, J. R. The relationship between subjective knee scores, isokinetic testing, and functional testing in the ACL-reconstructed knee. Journal of Orthopedic Sports and Physical Therapy. 20 (2), 60-73 (1994).
- Bobowik, P., Wiszomirska, I. Diagnostic dependence of muscle strength measurements and the risk of falls in the elderly. Internation Journal of Rehabilitation Research. 43 (4), 330-336 (2020).
