Die Quantifizierung der maximalen Kniestreckkraft ist unerlässlich, um funktionelle Anpassungen an Alterung, Krankheit, Verletzung und Rehabilitation zu verstehen. Wir stellen eine neuartige Methode vor, um das isometrische Spitzentitanmoment der Kniestreckung wiederholt in vivo zu messen.
Skelettmuskelplastizität als Reaktion auf unzählige Zustände und Reize vermittelt gleichzeitige funktionelle Anpassung, sowohl negativ als auch positiv. In der Klinik und im Forschungslabor wird die maximale Muskelkraft beim Menschen weitgehend longitudinal gemessen, wobei die Kniestreckmuskulatur das am häufigsten berichtete funktionelle Ergebnis ist. Pathologie des Kniestreckmuskelkomplexes ist gut dokumentiert bei Alterung, orthopädischen Verletzungen, Krankheit und Nichtgebrauch; Die Kniestreckkraft hängt eng mit der Funktionsfähigkeit und dem Verletzungsrisiko zusammen, was die Bedeutung einer zuverlässigen Messung der Kniestreckkraft unterstreicht. Die wiederholbare In-vivo-Bewertung der Kniestreckkraft in präklinischen Nagetierstudien bietet wertvolle funktionelle Endpunkte für Studien zur Erforschung von Arthrose oder Knieverletzungen. Wir berichten über ein In-vivo- und nicht-invasives Protokoll zur wiederholten Messung des isometrischen tetanischen Spitzendrehmoments der Kniestreckmuskeln bei Mäusen im Laufe der Zeit. Wir demonstrieren Konsistenz mit dieser neuartigen Methode zur Messung der Kniestreckkraft mit wiederholter Beurteilung bei mehreren Mäusen, die ähnliche Ergebnisse erzielen.
Skelettmuskel ist ein hochgradig anpassungsfähiges Gewebe mit kompensatorischen Veränderungen von Masse und Struktur als Reaktion auf eine Vielzahl von Reizen wie Bewegung, Ernährung, Verletzungen, Krankheit, Alterung und Nichtgebrauch. Viele Studien, die die Anpassung der Skelettmuskulatur beim Menschen untersuchen, verwenden Methoden, um sowohl die Skelettmuskelgröße als auch den Einfluss auf die Funktion zu messen, da Goldstandard-Kraftbewertungen bei menschlichen Probanden leicht wiederholbar sind.
Insbesondere Kniestreck- und Beugefestigkeit werden in der klinischen Forschung am meisten bewertet. Veränderungen der Kniestreckkraft wurden in Humanstudien über Alterung, Bewegung, orthopädische Verletzungen, Kniearthrose, chronische Erkrankungen und Nichtgebrauch1,2,3,4,5,6,7weit verbreitet . Die Methoden zur wiederholten und nicht-invasiven Analyse der Kniestreckmuskelstärke (Quadrizeps) in mechanistischen Nagetierstudien waren jedoch relativ begrenzt. Eine Methode zur Bestimmung der In-vivo-Quadrizepsmuskelkontraktilität bei Ratten wurde zuvor entwickelt8; Es ist jedoch ein umfangreicher Bau von nicht kommerziell verfügbaren Geräten erforderlich. Angesichts der Breite der Nagetiermodelle, die zur Untersuchung der muskuloskelettalen Ergebnisse nach Knieverletzungen/Osteoarthritis entwickelt wurden9,10,11,12,13 besteht ein Bedarf an nicht-invasiver Beurteilung der Quadrizepsstärke.
Darüber hinaus verwenden Nagetierstudien, die molekulare Mechanismen untersuchen, die die Anpassung der Skelettmuskulatur untermauern, aufgrund der Einfachheit der genetischen Veränderung häufig Mausmodelle, ebenso wie viele pharmakologische Interventionsstudien aufgrund der geringeren finanziellen Kosten, die mit einer geringeren gewichtsbasierten Dosierung eines Arzneimittels bei Mäusen im Vergleich zu Ratten verbunden sind. Wir berichten über eine nicht-invasive Methode zur wiederholten Messung der In-vivo-Kniestreckfunktion in derselben Maus im Laufe der Zeit mit kommerziell erhältlichen Geräten mit geringfügigen Modifikationen, was die Reproduzierbarkeit zwischen verschiedenen Labors erleichtert und einen direkteren Vergleich mit den Ergebnissen der menschlichen Stärke ermöglicht.
Die Messung und Analyse der Muskelfunktion in Nagetiermodellen ist unerlässlich, um translationale und aussagekräftige Rückschlüsse auf histologische und molekulare Skelettmuskelanpassungen zu ziehen, die bei Bewegung, Verletzungen, Krankheiten und therapeutischer Behandlung beobachtet werden. Wir demonstrieren eine Methode zur zuverlässigen und wiederholten Beurteilung der maximalen Kniestreckfestigkeit bei Mäusen mit handelsüblichen Geräten, wobei das verstellbare Kunststoffstück zur Befestigung der unteren Hintergliedmaße an der vorderen Tibia das einzige kundenspezifische Teil ist, das repliziert werden kann.
Gängige Funktionelle Bewertungswerkzeuge wurden häufig verwendet, um die körperliche Leistung innerhalb derselben Maus wiederholt zu bewerten, z. B. Laufbandlauf bis hin zu willensermüdender Ermüdung, Rotarod-Leistungstest, invertierter Klammertest und Grifffestigkeitstest. Obwohl diese Bewertungen informativ sind, beinhalten sie kardiopulmonale und Verhaltenskomponenten, die die Abfrage der neuromuskulären Funktion im Zusammenhang mit diesen körperlichen Leistungsmessungen verschleiern können. Darüber hinaus sind Elemente der Ausdauer, Koordination und des Gleichgewichts in vielen dieser funktionellen Bewertungen auf unterschiedlichen Ebenen vorhanden, was eine klare Interpretation in Bezug auf die Muskelkraft einschränkt. Die Kraftproduktionsfähigkeit von Nagetiermuskel(n) kann in vitro, in situ oder in vivo gemessen werden. Jeder Ansatz hat relative Vorteile und Grenzen. Insbesondere bei der In-vitro-Beurteilung wird der Muskel vollständig isoliert und aus dem Körper des Tieres entfernt, so dass es keinen Einfluss von Perfusion oder Innervation gibt19. Dies führt zu einer gut kontrollierten Umgebung, um die kontraktile Fähigkeit zu bestimmen, begrenzt jedoch die Größe des untersuchten Muskels durch Abhängigkeit von passiver Diffusion von Sauerstoff und Nährstoffen während des Tests. In-situ-Tests erhalten die Innervation und Blutversorgung des Muskels, beschränken sich jedoch auf eine singuläre terminale Beurteilung, wie bei In-vitro-Tests20. Schließlich ist der In-vivo-Test am wenigsten invasiv, wobei der Muskel in seiner nativen Umgebung verbleibt, wobei perkutane Elektroden in der Nähe des motorischen Nervs eingeführt werden, um den Muskel elektrisch zu stimulieren. Eine Stärke des In-vivo-Ansatzes ist das Potenzial für Längsschnitttests über die Zeit21,22,23.
Die In-vivo-Bewertung der maximalen Muskelkontraktilität misst optimal die maximale Stärke, da die normale Anatomie und Physiologie der Maus intakt bleibt und die Methode vor und nach einem Eingriff oder während der gesamten Lebensdauer an derselben Maus wiederholt werden kann. Insbesondere ist die In-vivo-Messung der Kniestreckkraft bei Mäusen die Beurteilung der Murinstärke mit der größten translationalen Relevanz für Humanstudien, da das maximale Kniestreckmoment häufig gemessen und als Goldstandard-Festigkeitstest beim Menschen mit Korrelation zu verschiedenen funktionellen und gesundheitlichen Ergebnissen angesehen wird24,25,26,27 . Darüber hinaus wird die Kniestreckpathologie mit dem Altern sowie einer Vielzahl von Verletzungen undKrankheiten beobachtet 1,2,4,5,6, aber die Bewertung der Auswirkungen dieser Zustände auf die Kniestreckkraft in Längsform bei Mäusen war nicht ohne weiteres erreichbar.
Obwohl diese Methode nützlich ist, um das Spitzendrehmoment des Kniestrecks in Längshöhe zu bestimmen, sollten bestimmte Einschränkungen des Protokolls berücksichtigt werden. Niedrigere Frequenzen zwischen 40 Hz und 120 Hz wurden im Drehmoment-Frequenz-Protokoll weggelassen, was die Fähigkeit einschränken kann, Links- oder Rechtsverschiebungen in der Drehmoment-Frequenz-Kurve mit Verletzungen oder Krankheiten zu erkennen. Mit diesem Drehmoment-Frequenz-Protokoll konnten wir jedoch Veränderungen des maximalen tetanischen Drehmoments in einem ACL-Verletzungsmodell und zwischen C56BL/6-Wildtyp-Mäusen und einem transgenen Mausmodell der supraphysiologischen Muskelmasse erkennen (Abbildung 8). Wir weisen darauf hin, dass es von Vorteil sein kann, die Elektroden mit helfenden Händen oder ähnlichen Geräten zu sichern, da Muskelkontraktionen Elektroden leicht bewegen können. Wir haben keine offensichtliche Verschiebung von Elektroden mit fortschreitenden Kontraktionen bemerkt; Es kann jedoch nicht ausgeschlossen werden, dass sich die Elektroden leicht bewegen, was sich auf die Muskelstimulation auswirken kann. Darüber hinaus wurde die intramuskuläre Elektromyographie (EMG) nicht in Verbindung mit dem Stimulusprotokoll durchgeführt; Die Einbeziehung von EMG-Maßnahmen kann jedoch möglich sein, wenn dies gewünscht und für das experimentelle Modell von Interesse angemessen ist.
Die Bewertung der Kniestreckkraft in murinen Modellen orthopädischer Verletzungen und Erkrankungen wird die präklinische Forschung mit aussagekräftiger translationaler Relevanz für klinische Kraftmessungen erleichtern. Unser Protokoll ermöglicht eine präzise und wiederholte Beurteilung der maximalen Kniestreckkraft bei Mäusen mit kommerziell erhältlichen Geräten, die für jedes Labor zugänglich sind.
The authors have nothing to disclose.
Wir danken Rosario Maroto für die technische Unterstützung. Die in dieser Veröffentlichung berichtete Forschung wurde vom National Institute of Arthritis and Musculoskeletal and Skin Diseases der National Institutes of Health unter der Award-Nummer R01 AR072061 (CSF) unterstützt. Der Inhalt liegt allein in der Verantwortung der Autoren und stellt nicht unbedingt die offiziellen Ansichten der National Institutes of Health dar.
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