In vivo Измерение функции мышц-разгибательных мышц колена у мышей
Summary
Количественная оценка максимальной силы разгибателя коленного сустава необходима для понимания функциональных адаптаций к старению, болезням, травмам и реабилитации. Представлен новый метод многократного измерения in vivo изометрического пикового тетанического крутящего момента.
Abstract
Пластичность скелетных мышц в ответ на бесчисленные состояния и стимулы опосредует одновременную функциональную адаптацию, как отрицательную, так и положительную. В клинике и исследовательской лаборатории максимальная мышечная сила широко измеряется продольно у людей, причем мышца разгибателя колена является наиболее сообщаемым функциональным результатом. Патология коленного разгибательного мышечного комплекса хорошо документирована при старении, ортопедических травмах, заболеваниях и неиспользовании; прочность разгибателя колена тесно связана с функциональной способностью и риском травм, что подчеркивает важность надежного измерения прочности разгибателя колена. Повторяемая оценка in vivo силы разгибателя коленного сустава в доклинических исследованиях на грызунах предлагает ценные функциональные конечные точки для исследований, изучающих остеоартрит или травму колена. Мы сообщаем о in vivo и неинвазивном протоколе для многократного измерения изометрического пикового тетанического момента коленных разгибателей у мышей во времени. Мы демонстрируем согласованность, используя этот новый метод для измерения силы разгибателя колена с повторной оценкой у нескольких мышей, дающих аналогичные результаты.
Introduction
Скелетные мышцы – это высоко адаптируемая ткань с компенсаторными изменениями массы и структуры в ответ на множество стимулов, таких как физические упражнения, питание, травмы, болезни, старение и неиспользование. Многие исследования, изучающие адаптацию скелетных мышц у людей, используют методы измерения как размера скелетных мышц, так и влияния на функцию, поскольку оценки силы золотого стандарта легко повторяются у людей.
В частности, прочность разгибателя коленного сустава и сгибателя наиболее оценивается в клинических исследованиях. Изменения в силе разгибателя колена широко сообщалось в исследованиях старения на людях, физических упражнений, ортопедических травм, остеоартрита коленного сустава, хронических заболеваний и неиспользование1,2,3,4,5,6,7. Однако методы многократного и неинвазивного анализа силы мышц-разгибательных мышц колена (квадрицепсов) в механистических исследованиях грызунов были относительно ограничены. Метод определения сократимости мышц in vivo квадрицепсов у крыс был ранее разработан8; однако требуется обширное строительство некоммерческого оборудования. Учитывая широту моделей грызунов, разработанных для изучения результатов опорно-двигательного аппарата после травмы колена / остеоартрита9,10,11,12,13, существует необходимость в неинвазивной оценке силы квадрицепсов.
Кроме того, исследования на грызунах, изучающие молекулярные механизмы, лежащие в основе адаптации скелетных мышц, часто используют мышиные модели из-за простоты генетической модификации, как и многие фармакологические интервенционные исследования из-за снижения финансовых затрат, связанных с более низким дозированием препарата на основе веса у мышей по сравнению с крысами. Мы сообщаем о неинвазивном методе многократного измерения функции разгибателя коленного сустава in vivo у одной и той же мыши с течением времени с использованием коммерчески доступного оборудования с незначительными изменениями, облегчающим воспроизводимость среди различных лабораторий и обеспечивающим более прямое сравнение с результатами силы человека.
Protocol
Representative Results
Discussion
Измерение и анализ мышечной функции в моделях грызунов необходимы для выполнения трансляционных и значимых выводов относительно гистологических и молекулярных адаптаций скелетных мышц, наблюдаемых при физических упражнениях, травмах, заболеваниях и терапевтическом лечении. Мы демонстрируем метод оценки максимальной прочности разгибателя колена надежно и многократно у мышей с использованием коммерчески доступного оборудования, при этом регулируемый пластиковый кусок для удержания нижней задней конечности в передней голени является единственной изготовленной на заказ частью, которая может быть воспроизведена.
Общие инструменты функциональной оценки широко используются для многократной оценки физической работоспособности в пределах одной и той же мыши, такие как беговая дорожка до волевой усталости, тест на производительность ротарода, тест на перевернутое цепляние и тест на прочность захвата. Однако, хотя эти оценки информативны, они включают сердечно-легочный и поведенческий компонент (компоненты), который может запутать опрос нервно-мышечной функции, связанной с этими показателями физической работоспособности. Кроме того, элементы выносливости, координации и равновесия присутствуют во многих из этих функциональных оценок на различных уровнях, ограничивая четкую интерпретацию относительно мышечной силы. Силообразующая способность мышц (мышц) грызуна может быть измерена in vitro, in situ или in vivo. Каждый подход имеет относительные преимущества и ограничения. В частности, при оценке in vitro мышца полностью изолируется и удаляется из тела животного, чтобы не было влияния перфузии или иннервации19. Это дает хорошо контролируемую среду для определения сократительной способности, но ограничивает размер изучаемой мышцы из-за зависимости от пассивной диффузии кислорода и питательных веществ во время тестирования. Тестирование in situ поддерживает иннервацию и кровоснабжение мышц, но ограничивается единственной терминальной оценкой, как при тестировании in vitro20. Наконец, тестирование in vivo является наименее инвазивным, когда мышца остается в своей родной среде с чрескожными электродами, вставленными вблизи двигательного нерва для электрической стимуляции мышцы. Сильной стороной подхода in vivo является потенциал для продольных испытаний вовремени 21,22,23.
Оценка in vivo пиковой сократимости мышц оптимально измеряет максимальную силу, поскольку нормальная анатомия и физиология мыши остаются нетронутыми, и метод может быть повторен на одной и той же мыши до и после вмешательства или на протяжении всей жизни. В частности, измерение in vivo силы разгибателя колена у мышей является оценкой силы мыши с наибольшим трансляционным значением для исследований на людях, поскольку максимальный крутящий момент разгибателя колена обычно измеряется и считается золотым стандартом теста на прочность у людей с корреляцией с различными функциональными и медицинскими исходами24,25,26,27 . Кроме того, патология разгибателя коленного сустава наблюдается со старением, а также множество травм и заболеваний1,2,4,5,6,но оценка влияния этих состояний на силу разгибателя колена продольно у мышей не была легко достижима.
Хотя этот метод полезает для определения пикового крутящего момента коленного разгибателя продольным способом, следует учитывать некоторые ограничения протокола. Более низкие частоты от 40 Гц до 120 Гц были исключены из протокола крутящего момента, что может ограничить способность обнаруживать сдвиги влево или вправо на кривой крутящего момента и частоты с травмой или заболеванием. Однако, используя этот протокол крутящего момента и частоты, мы смогли обнаружить изменения пикового тетанического крутящего момента в модели травмы ACL и между мышами дикого типа C56BL/6 и трансгенной мышиной моделью супрафизиологической мышечной массы(рисунок 8). Отметим, что может быть полезно закрепить электроды руками помощи или аналогичным аппаратом, так как мышечные сокращения могут слегка сдвинуть электроды. Мы не отметили какого-либо явного смещения электродов с прогрессирующими сокращениями; однако нельзя исключать возможность незначительного движения электродов, что может повлиять на стимуляцию мышц. Кроме того, внутримышечная электромиография (ЭМГ) не проводилась совместно с протоколом стимулов; однако включение мер ЭМГ может быть осуществимым, если это желательно и целесообразно для экспериментальной модели, которая представляет интерес.
Оценка силы разгибателя коленного сустава в мышиных моделях ортопедических травм и заболеваний будет способствовать доклиническим исследованиям со значимой трансляционной значимой трансляционной значимой мерой силы. Наш протокол позволяет точно и многократно оценить максимальную прочность разгибателя колена у мышей с коммерчески доступным оборудованием, доступным для любой лаборатории.
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Мы хотели бы поблагодарить Росарио Марото за техническую помощь. Исследования, представленные в этой публикации, были поддержаны Национальным институтом артрита и костно-мышечных и кожных заболеваний Национальных институтов здравоохранения под номером R01 AR072061 (CSF). Содержание является исключительной ответственностью авторов и не обязательно отражает официальную точку зрения Национальных институтов здравоохранения.
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).
