In vivo מדידה של שריר המתיר הברך תפקוד שריר בעכברים
Summary
כימות כוח מקסימלי של הרחבת הברך הוא הכרחי כדי להבין התאמות תפקודיות להזדקנות, מחלות, פציעה ושיקום. אנו מציגים שיטה חדשנית למדוד שוב ושוב מומנט איזומטרי שיא איזומטרי של הרחבת הברך vivo.
Abstract
פלסטיות שריר השלד בתגובה לאינספור תנאים וגירויים מתווכת הסתגלות תפקודית בו זמנית, הן שלילית והן חיובית. במרפאה ובמעבדת המחקר, כוח שרירים מקסימלי נמדד באופן נרחב לאורך בבני אדם, עם שרירים מתרחב הברך התוצאה התפקודית המדווחת ביותר. פתולוגיה של קומפלקס שרירים מרומם הברך מתועדת היטב בהזדקנות, פגיעה אורתופדית, מחלות, חוסר שימוש; עוצמת המרחיב בברך קשורה קשר הדוק ליכולת תפקודית ולסיכון לפציעה, ומדגיש את החשיבות של מדידה אמינה של כוח מתן לחץ הברך. ניתן לחזור על עצמו, בהערכת vivo של כוח מתרומם הברך במחקרים מכרסמים פרה קליניים מציע נקודות קצה פונקציונליות יקרות ערך למחקרים לחקור דלקת מפרקים ניוונית או פציעה בברך. אנו מדווחים על פרוטוקול in vivo ולא פולשני כדי למדוד שוב ושוב מומנט טטאני שיא איזומטרי של מקטיני הברך בעכברים לאורך זמן. אנו מפגינים עקביות באמצעות שיטה חדשנית זו כדי למדוד את כוח המגבר הברך עם הערכה חוזרת ונשנית בעכברים מרובים המפיקים תוצאות דומות.
Introduction
שריר השלד הוא רקמה מותאמת מאוד עם שינויים מפצים למסה ומבנה בתגובה לאינספור גירויים, כגון פעילות גופנית, תזונה, פציעה, מחלה, הזדקנות, חוסר שימוש. מחקרים רבים החוקרים הסתגלות שרירי השלד בבני אדם משתמשים בשיטות למדידת גודל שריר השלד וההשפעה על התפקוד, שכן הערכות כוח סטנדרטיות זהב ניתנות לחזרה בקלות בנושאים אנושיים.
באופן ספציפי, מגבר הברך וכוח flexor מוערכים ביותר במחקר קליני. שינויים בכוח הרחבת הברך דווחו בהרחבה במחקרים בבני אדם על הזדקנות, פעילות גופנית, פגיעה אורתופדית, דלקת מפרקים ניוונית בברך, מחלה כרונית, ושימוש1,2,3,4,5,6,7. עם זאת, שיטות לנתח שוב ושוב ולא פולשני שריר מרומם הברך (שרירים מרובעים) כוח במחקרים מכרסמים מכניים היו מוגבלים יחסית. שיטה לקבוע ב vivo quadriceps התכווצות שריר בחולדות פותחה בעבר8; עם זאת, נדרשת בנייה נרחבת של ציוד שאינו זמין מסחרית. בהתחשב ברוחב של מודלים מכרסמים שפותחו כדי לחקור את התוצאות שרירים ושלד בעקבות פגיעה בברך/דלקת מפרקים ניוונית9,10,11,12,13 קיים צורך בהערכה לא פולשנית של כוח שריר הארבע ראשי.
יתר על כן, מחקרי מכרסמים החוקרים מנגנונים מולקולריים העומדים בבסיס הסתגלות שרירי השלד משתמשים לעתים קרובות במודלים של עכברים בשל הפשטות של שינוי גנטי, כמו גם מחקרי התערבות פרמקולוגיים רבים בגלל הירידה בהוצאה הכספית הקשורה למינון מבוסס משקל נמוך יותר של תרופה בעכברים בהשוואה לחולדות. אנו מדווחים על שיטה לא פולשנית למדוד שוב ושוב את תפקוד מרחב הברך של vivo באותו עכבר לאורך זמן באמצעות ציוד זמין מסחרית עם שינוי קל, להקל על רבייה בין מעבדות שונות, ומספק השוואה ישירה יותר לתוצאות כוח האדם.
Protocol
Representative Results
Discussion
מדידה וניתוח של תפקוד השריר במודלים מכרסמים הוא הכרחי כדי להפוך מסקנות תרגומיות ומשמעותיות לגבי הסתגלויות שרירי השלד היסתולוגיים והמולקולריים שנצפו עם פעילות גופנית, פציעה, מחלות וטיפול טיפולי. אנו מדגימים שיטה להערכת כוח מרבי של מסלסל הברך באופן אמין ושוב ושוב בעכברים המשתמשים בציוד זמין מסחרית, כאשר חתיכת הפלסטיק המתכווננת מחזיקה את הגפה האחורית התחתונה בשוקה האחורית האחורית היא החלק המפוברק המותאם אישית היחיד שניתן לשכפל.
כלי הערכה פונקציונליים נפוצים שימשו באופן נרחב להערכה חוזרת ונשנית של הביצועים הגופניים בתוך אותו עכבר, כגון הליכון רץ לעייפות רצונית, בדיקת ביצועים של רוטרוד, מבחן היצמדות הפוך ומבחן כוח אחיזה. עם זאת, בעוד אינפורמטיבי, הערכות אלה כרוכות מרכיבים קרדיו-ריאותיים והתנהגותיים, אשר יכול לטשטש את החקירה של תפקוד עצבי-שרירי הקשורים אלה מדדי ביצועים פיזיים. יתר על כן, אלמנטים של סיבולת, קואורדינציה ואיזון נמצאים ברבות מהערכות תפקודיות אלה לרמות שונות, ומגבילים פרשנות ברורה ביחס לכוח השריר. הכוח המייצר את היכולת של שרירי מכרסמים ניתן למדוד במבחנה, במקום, או ב vivo. לכל גישה יתרונות ומגבלות יחסיים. באופן ספציפי, עם הערכה במבחנה, השריר מבודד לחלוטין ומוסר מגופו של החיה, כך שאין השפעה על זלוף או פנימיות19. זה מניב סביבה מבוקרת היטב כדי לברר את יכולת התכווצות אבל מגביל את גודל השריר הנחקר באמצעות תלות על דיפוזיה פסיבית של חמצן וחומרים מזינים במהלך הבדיקה. בבדיקת situ שומרת על הפנימיות ואספקת הדם של השריר, אך מוגבלת להערכת מסוף ייחודית, כמו בבדיקת מבחנה20. לבסוף, בבדיקת vivo היא הפחות פולשנית עם השריר שנותר בסביבתו הטבעית עם אלקטרודות עוריות המוחדרות ליד עצב המנוע כדי לעורר את השריר חשמלית. כוחה של גישת in vivo הוא הפוטנציאל לבדיקות אורך לאורך זמן21,22,23.
בהערכת vivo של התכווצות שריר שיא מודד באופן אופטימלי כוח מקסימלי כמו האנטומיה והפיזיולוגיה הרגילה של העכבר נשאר שלם ואת השיטה עשויה לחזור על אותו עכבר לפני ואחרי התערבות או לאורך תוחלת החיים. באופן ספציפי, במדידת vivo של כוח הרחבת הברך בעכברים היא הערכת כוח מורין עם הרלוונטיות התרגומית הגדולה ביותר למחקרים בבני אדם, כמו מומנט הרחבת הברך המרבי נמדד בדרך כלל ונחשב מבחן כוח תקן זהב בבני אדם עם מתאם לתוצאות תפקודיות ובריאותיות שונות24,25,26,27 . יתר על כן, פתולוגיה מתן לחץ הברך הוא ציין עם הזדקנות, כמו גם מספר עצום של פציעות ומחלות1,2,4,5,6, אבל הערכת ההשפעה של תנאים אלה על כוח המגדיל הברך אורך בעכברים לא היה בר השגה.
למרות שיטה זו מציעה שירות כדי לקבוע מומנט שיא הרחבת הברך באופן אורך, מגבלות מסוימות של הפרוטוקול צריך להיחשב. תדרים נמוכים יותר בין 40 הרץ ל-120 הרץ הושמטו מפרוטוקול תדר המומנט, מה שעשוי להגביל את היכולת לזהות תזוזות שמאלה או ימינה בעקומת תדר המומנט עם פציעה או מחלה. עם זאת, באמצעות פרוטוקול תדר מומנט זה, הצלחנו לזהות שינויים לשיא מומנט טטאני במודל פגיעה ACL ובין עכברי סוג בר C56BL / 6 ומודל עכבר מהונדס של מסת שריר על-פיזיולוגית (איור 8). אנו מציינים כי זה עשוי להיות מועיל כדי לאבטח את האלקטרודות עם ידיים עוזרות או מכשיר דומה כמו התכווצויות שרירים עשוי להזיז אלקטרודות מעט. לא שמנו לב לעקירה ברורה של אלקטרודות עם התכווצויות מתקדמות; עם זאת, לא ניתן לשלול את האפשרות של תנועה קלה של האלקטרודות, אשר עשוי להשפיע על גירוי שרירים. בנוסף, אלקטרומיוגרפיה תוך שרירית (EMG) לא בוצעה בשילוב עם פרוטוקול הגירוי; עם זאת, הכללת אמצעי EMG עשויה להיות ריאלית, אם תרצה ומתאימה למודל הניסיוני של עניין.
הערכת כוח מגבר הברך במודלים מוריניים של פגיעה אורתופדית ומחלות תקל על מחקר פרה-קליני עם רלוונטיות תרגומית משמעותית לאמצעי חוזק קליניים. הפרוטוקול שלנו מאפשר הערכה מדויקת וחזרנית של עוצמת המגדילים המקסימלית של הברך בעכברים עם ציוד זמין מסחרית הנגיש לכל מעבדה.
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
ברצוננו להודות לרוסאריו מארוטו על הסיוע הטכני. מחקר שדווח בפרסום זה נתמך על ידי המכון הלאומי לדלקת פרקים ומחלות שרירים ושלד ועור של המכונים הלאומיים לבריאות תחת פרס מספר R01 AR072061 (CSF). התוכן הוא באחריות המחברים בלבד ואינו מייצג בהכרח את הדעות הרשמיות של המכונים הלאומיים לבריאות.
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).
