In vivo meting van de spierfunctie van de knie-extensor bij muizen
Summary
Kwantificering van de maximale kracht van de knie-extensor is noodzakelijk om functionele aanpassingen aan veroudering, ziekte, letsel en revalidatie te begrijpen. We presenteren een nieuwe methode om herhaaldelijk in vivo knie-extensie isometrisch piek tetanisch koppel te meten.
Abstract
Skeletspierplasticiteit als reactie op talloze aandoeningen en stimuli bemiddelt gelijktijdige functionele aanpassing, zowel negatief als positief. In de kliniek en het onderzoekslaboratorium wordt de maximale spierkracht op grote schaal longitudinaal gemeten bij mensen, waarbij knie-extensormusculatuur de meest gerapporteerde functionele uitkomst is. Pathologie van het knie-extensor spiercomplex is goed gedocumenteerd bij veroudering, orthopedisch letsel, ziekte en onbruik; de sterkte van de knie-extensor hangt nauw samen met de functionele capaciteit en het blessurerisico, wat het belang van betrouwbare meting van de knie-extensorsterkte onderstreept. Herhaalbare, in vivo beoordeling van de knie-extensorsterkte in preklinische knaagdierstudies biedt waardevolle functionele eindpunten voor onderzoeken naar artrose of knieletsel. We rapporteren een in vivo en niet-invasief protocol om herhaaldelijk het isometrische piek tetanische koppel van de knie-extensoren bij muizen in de tijd te meten. We tonen consistentie aan met behulp van deze nieuwe methode om de knie-extensorsterkte te meten met herhaalde beoordeling bij meerdere muizen die vergelijkbare resultaten opleveren.
Introduction
Skeletspieren zijn een zeer aanpasbaar weefsel met compenserende veranderingen in massa en structuur als reactie op een groot aantal stimuli, zoals lichaamsbeweging, voeding, letsel, ziekte, veroudering en onbruik. Veel studies die de aanpassing van skeletspieren bij mensen onderzoeken, gebruiken methoden om zowel de grootte van de skeletspier als de impact op de functie te meten, omdat krachtbeoordelingen van de gouden standaard gemakkelijk herhaalbaar zijn bij menselijke proefpersonen.
In het bijzonder worden knie-extensor en flexorsterkte het meest beoordeeld in klinisch onderzoek. Veranderingen in de kracht van de knie-extensor zijn op grote schaal gemeld in menselijke studies van veroudering, lichaamsbeweging, orthopedisch letsel, knieartrose, chronische ziekte en onbruik1,2,3,4,5,6,7. Methoden om herhaaldelijk en niet-invasief de kracht van de knie-extensorspier (quadriceps) te analyseren in mechanistische knaagdierstudies zijn echter relatief beperkt. Een methode om in vivo quadriceps spiercontractiliteit bij ratten te bepalen werd eerder ontwikkeld8; uitgebreide constructie van niet-commercieel beschikbare apparatuur is echter vereist. Gezien de breedte van knaagdiermodellen die zijn ontwikkeld om musculoskeletale uitkomsten na knieletsel / artrose9,10,11,12,13 tebestuderen,bestaat er behoefte aan niet-invasieve beoordeling van de sterkte van quadriceps.
Bovendien maken knaagdierstudies die moleculaire mechanismen onderzoeken die ten grondslag liggen aan de aanpassing van skeletspieren vaak gebruik van muismodellen vanwege de eenvoud van genetische modificatie, net als veel farmacologische interventiestudies vanwege de verminderde financiële kosten die gepaard gaan met een lagere op gewicht gebaseerde dosering van een medicijn bij muizen in vergelijking met ratten. We rapporteren een niet-invasieve methode om herhaaldelijk de in vivo knie-extensorfunctie in dezelfde muis in de loop van de tijd te meten met behulp van commercieel beschikbare apparatuur met kleine wijzigingen, waardoor reproduceerbaarheid tussen verschillende laboratoria wordt vergemakkelijkt en een directere vergelijking met menselijke krachtresultaten wordt geboden.
Protocol
Representative Results
Discussion
Meting en analyse van de spierfunctie in knaagdiermodellen is noodzakelijk om translationele en zinvolle gevolgtrekkingen te maken met betrekking tot histologische en moleculaire skeletspieraanpassingen waargenomen bij inspanning, letsel, ziekte en therapeutische behandeling. We demonstreren een methode om de maximale sterkte van de knie-extensor betrouwbaar en herhaaldelijk te beoordelen bij muizen met behulp van in de handel verkrijgbare apparatuur, waarbij het verstelbare plastic stuk om de onderste achterpoot bij het voorste scheenbeen vast te houden het enige op maat gemaakte onderdeel is dat kan worden gerepliceerd.
Gemeenschappelijke functionele beoordelingstools zijn op grote schaal gebruikt om de fysieke prestaties binnen dezelfde muis herhaaldelijk te evalueren, zoals loopbandlopen tot vrijwillige vermoeidheid, rotarod-prestatietest, omgekeerde vershoudtest en gripsterktetest. Hoewel informatief, omvatten deze beoordelingen cardiopulmonale en gedragscomponenten, die de ondervraging van de neuromusculaire functie in verband met deze fysieke prestatiemetingen kunnen verdoezelen. Bovendien zijn elementen van uithoudingsvermogen, coördinatie en balans aanwezig in veel van deze functionele beoordelingen tot verschillende niveaus, waardoor een duidelijke interpretatie met betrekking tot spierkracht wordt beperkt. Het krachtproducerend vermogen van knaagdierspier(en) kan in vitro, in situ of in vivo worden gemeten. Elke aanpak heeft relatieve voordelen en beperkingen. In het bijzonder wordt bij in vitro beoordeling de spier volledig geïsoleerd en verwijderd uit het lichaam van het dier, zodat er geen invloed is van perfusie of innervatie19. Dit levert een goed gecontroleerde omgeving op om het contractiel vermogen vast te stellen, maar beperkt de grootte van de spier die wordt bestudeerd door afhankelijkheid van passieve diffusie van zuurstof en voedingsstoffen tijdens het testen. In situ testen handhaaft de innervatie en bloedtoevoer van de spier, maar is beperkt tot een enkelvoudige terminale beoordeling, zoals bij in vitro testen20. Ten slotte is in vivo testen het minst invasief, waarbij de spier in zijn oorspronkelijke omgeving blijft met percutane elektroden die in de buurt van de motorische zenuw worden ingebracht om de spier elektrisch te stimuleren. Een kracht van de in vivo benadering is het potentieel voor longitudinale testen in de tijd21,22,23.
In vivo evaluatie van piekspiercontractiliteit meet optimaal de maximale sterkte, omdat de normale anatomie en fysiologie van de muis intact blijft en de methode op dezelfde muis kan worden herhaald voor en na een interventie of gedurende de hele levensduur. In het bijzonder is in vivo meting van de knie-extensorsterkte bij muizen de beoordeling van de murinesterkte met de grootste translationele relevantie voor menselijke studies, omdat het maximale knie-extensiekoppel gewoonlijk wordt gemeten en beschouwd als de gouden standaard sterktetest bij mensen met correlatie met verschillende functionele en gezondheidsresultaten24,25,26,27 . Bovendien wordt knie-extensorpathologie waargenomen bij veroudering en een groot aantal verwondingenen ziekten1,2,4,5,6,maar het beoordelen van de impact van deze aandoeningen op de kracht van de knie-extensor in de lengterichting bij muizen is niet gemakkelijk haalbaar geweest.
Hoewel deze methode nut biedt om het piekkoppel van de knie-extensor op een longitudinale manier te bepalen, moeten bepaalde beperkingen van het protocol worden overwogen. Lagere frequenties tussen 40 Hz en 120 Hz werden weggelaten uit het koppelfrequentieprotocol, wat de mogelijkheid kan beperken om links- of rechtswaartse verschuivingen in de koppelfrequentiecurve te detecteren met letsel of ziekte. Met behulp van dit koppelfrequentieprotocol hebben we echter veranderingen in het piektetanische koppel kunnen detecteren in een ACL-letselmodel en tussen C56BL / 6 wildtype muizen en een transgeen muismodel van suprafysiologische spiermassa (figuur 8). We merken op dat het nuttig kan zijn om de elektroden vast te zetten met helpende handen of soortgelijke apparaten, omdat spiercontracties elektroden enigszins kunnen bewegen. We merkten geen duidelijke verplaatsing van elektroden met progressieve contracties op; de mogelijkheid van lichte beweging van de elektroden kan echter niet worden uitgesloten, wat van invloed kan zijn op spierstimulatie. Bovendien werd intramusculaire elektromyografie (EMG) niet uitgevoerd in combinatie met het stimulusprotocol; het opnemen van EMG-maatregelen kan echter haalbaar zijn, indien gewenst en geschikt voor het experimentele model van belang.
Beoordeling van de knie-extensorsterkte in muizenmodellen van orthopedisch letsel en ziekte zal preklinisch onderzoek vergemakkelijken met zinvolle translationele relevantie voor klinische sterktemetingen. Ons protocol maakt een nauwkeurige en herhaalde beoordeling van de maximale knie-extensorsterkte mogelijk bij muizen met in de handel verkrijgbare apparatuur die toegankelijk is voor elk laboratorium.
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
We willen Rosario Maroto bedanken voor de technische assistentie. Onderzoek gerapporteerd in deze publicatie werd ondersteund door het National Institute of Arthritis and Musculoskeletal and Skin Diseases van de National Institutes of Health onder awardnummer R01 AR072061 (CSF). De inhoud is uitsluitend de verantwoordelijkheid van de auteurs en vertegenwoordigt niet noodzakelijkerwijs de officiële standpunten van de National Institutes of Health.
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).
