تقييم مقاييس نتائج اتصال وحدة محرك الحجاب الحاجز للفئران كمؤشرات حيوية كمية لتنكس الخلايا العصبية الحركية الحجابي والتعويض
Summary
في هذه الدراسة ، نقدم طريقة في الجسم الحي لتقدير عدد وحجم الوحدة الحركية لتحديد اتصال الوحدة الحركية للغشاء الفئران. يتم وصف نهج خطوة بخطوة لهذه التقنيات.
Abstract
فقدان وظيفة العضلات التنفسية هو نتيجة لإصابة الخلايا العصبية الحركية والتنكس العصبي (على سبيل المثال ، إصابة الحبل الشوكي العنقي والتصلب الجانبي الضموري ، على التوالي). الخلايا العصبية الحركية الحجابي هي الرابط الأخير بين الجهاز العصبي المركزي والعضلات ، وتمثل الوحدات الحركية الخاصة بكل منها (مجموعات من الألياف العضلية المعصبة بواسطة خلية عصبية حركية واحدة) أصغر وحدة وظيفية في الجهاز التنفسي العصبي العضلي. جهد عمل العضلات المركبة (CMAP) ، جهد الوحدة الحركية المفردة (SMUP) ، وتقدير عدد الوحدات الحركية (MUNE) هي مناهج فيزيولوجية كهربية تم إنشاؤها لتمكين التقييم الطولي لسلامة الوحدة الحركية في النماذج الحيوانية بمرور الوقت ولكن تم تطبيقها في الغالب على عضلات الأطراف. لذلك ، فإن أهداف هذه الدراسة هي وصف نهج في دراسات القوارض قبل السريرية التي يمكن استخدامها طوليا لتحديد كمية MUNE الحجابي ، وحجم الوحدة الحركية (الممثلة باسم SMUP) ، و CMAP ، ثم لإثبات فائدة هذه الأساليب في نموذج فقدان الخلايا العصبية الحركية. يمكن للمؤشرات الحيوية الحساسة والموضوعية وذات الصلة بالترجمة لإصابة الخلايا العصبية والتنكس والتجديد في إصابة الخلايا العصبية الحركية وأمراضها أن تساعد بشكل كبير وتسريع اكتشافات الأبحاث التجريبية للاختبارات السريرية.
Introduction
تشكل الخلايا العصبية الحركية الحجابي (MNs) ، التي تمتد من مستويات بضع العضل C3 إلى C6 ، الرابط النهائي من الجهاز العصبي المركزي (CNS) إلى عضلة الحجاب الحاجز1. تتكون الوحدات الحركية الحجيبية (MUs) من MN واحد في العمود الفقري وألياف عضلات الحجاب الحاجز المعصبة التي تشكل أصغر وحدة وظيفية في الجهاز العصبي العضلي التنفسي. تتطلب وظيفة التهوية تقلصا كافيا لعضلة الحجاب الحاجز يتحقق من خلال التنشيط المنسق لتجمع MU الحجابي 2,3. تؤدي العديد من الأمراض العصبية ، بما في ذلك التصلب الجانبي الضموري (ALS) ، إلى ضعف شديد في التهوية ، مما يساهم في النهاية في سبب الوفاة4.
يمكن استخدام العديد من الأساليب الفيزيولوجية الكهربية لتقييم ومراقبة سلامة تجمع الوحدة الحركية (MU) في الجسم الحي. تعكس إمكانات عمل العضلات المركبة (CMAP) إزالة الاستقطاب المجمعة لجميع ألياف العضلات في عضلة معينة أو مجموعة عضلية بعد تحفيز الأعصاب الطرفية وهي حساسة لمجموعة من الحالات العصبية العضلية ، بما في ذلك ALS 5,6 وضمور العضلات الشوكي (SMA)7,8,9. يتمثل أحد قيود تقييم CMAP في أن تنبت الضمانات يمكن أن يؤدي إلى الحفاظ على سعة CMAP ومساحتها حتى في وجود خسارة MU10. للتغلب على هذا القيد ، تم إجراء تعديلات على تقنية CMAP لتقييم كل من رقم الوحدة الحركية والحجم11. بالإضافة إلى ذلك ، اقترحت دراسة في الجسم الحي تبحث في التقييم الوظيفي للحجاب الحاجز CMAP بواسطة نظام فيزيولوجي كهربية أنه قد يكون من الممكن أيضا استخدام تقنية تسجيل CMAP للحجاب الحاجز الموصوفة لتقدير رقم الوحدة الحركية12.
تم تقديم تقنية تقدير عدد الوحدات الحركية الإضافية (MUNE) في البداية في أوائل سبعينيات القرن العشرين من قبل McComas et al. لعضلة الباسطة digitorum brevis في البشر13. كان نهج MUNE التدريجي عبارة عن تعديل لتقنية تسجيل CMAP التقليدية التي تم خلالها تقديم تحفيز متزايد تدريجيا لتسجيل الزيادات الكمية ، كل شيء أو لا شيء دون الحد الأقصى كمؤشرات لاستجابات الوحدة الحركية الواحدة. تم استخدام الزيادات المجمعة والمتوسطة لحساب تقدير لحجم جهد وحدة محرك واحدة (SMUP). ثم تم تقسيم هذا الحجم المحسوب إلى سعة CMAP لتقدير عدد MUs التي تعصب العضلات قيد الفحص11. يظهر MUNE حساسية عالية في اكتشاف ومراقبة فقدان الوحدة الحركية ، مما يسمح بتحديد خلل الوحدة الحركية قبل التغييرات الملحوظة في التدابير مثل سعة CMAP أو المنطقة14,15. في مرضى ALS ، أثبت MUNE أنه حساس بشكل استثنائي ، حيث يعمل كعلامة حيوية بارزة لبداية المرض وتطوره وتشخيصه16،17.
تم تطوير العديد من التعديلات على MUNE واستخدامها على نطاق واسع لتقييم وظيفة MU في حالات مثل التنكس العصبي والإصابة العصبية وعملية الشيخوخة الطبيعية18،19،20،21. منذ الوصف الأولي ، تم استخدام العديد من التكيفات باستخدام كل من الاستجابات الكهربية وقياسات القوة الإضافية (الميكانيكية) في كل من الدراسات البشرية والنماذج الحيوانية22. يوفر MUNE تقييما وظيفيا غير جراحي لاتصال الخلايا العصبية الحركية بالعضلات. يتيح تطبيق MUNE طوليا فهم المرض أو تطور النمط الظاهري المستحث وتقييم التأثيرات الوقائية أو التجديدية للتدخلات العلاجية ، سواء في البيئات السريرية أو قبل السريرية. بغض النظر عن فعالية مقاييس MUNE للتكاثر والأهمية السريرية لتقنية حمامات MU في معظم أنحاء جسم الإنسان ، فقد ركزت الجهود إلى حد كبير على عضلات الأطراف في عضلات القوارض10،23،24،25.
لذلك ، كانت أهداف هذه الدراسة هي وصف نهج للحصول على إمكانات عمل العضلات المركبة (CMAP) ، SMUP ، ورقم الوحدة الحركية الحجيبية (MUNE) كما هو الحال في تقييمات الجسم الحي التي يمكن استخدامها طوليا في دراسات القوارض قبل السريرية لتحديد حجم MUNE وحجم الوحدة الحركية (ممثلة باسم SMUP) و CMAP. علاوة على ذلك ، نقدم بيانات تمثيلية تسلط الضوء على فقدان رقم MU الحجاب الحاجز بعد إعطاء عامل تنكسي MN محموم داخل الجنبة ، شظية سم الكوليرا B مترافقة مع سابورين (CTB-SAP).
Protocol
Representative Results
Discussion
في الأمراض التنكسية MN ، مثل ALS ، من الأهمية بمكان تقييم MUs المشاركة في التهوية28. على الرغم من حدوث تنكس MN التنفسي في مرضى ALS ، إلا أن البداية المحددة وتطور وفاة MN لا تزال غير مفهومة بشكل كامل29،30،31. وإدراكا لأهم…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
تم تمويل هذا العمل من خلال منحة برنامج أبحاث إصابات / أمراض الحبل الشوكي من برنامج أبحاث إصابات / أمراض الحبل الشوكي في ميسوري (NLN و WDA).
Materials
| 2 mL Glass Syringe | Kent Scientific Corporation | SOMNO-2ML | |
| 50 mL, Model 705 RN syringe | Hamilton Company | 7637-01 | Utilized to conduct intrapleural injection |
| Autoclavable 26 G needles (26S RN 9.52 mm 40°) | Hamilton Company | 7804-04 | Utilized to conduct intrapleural injection |
| Cholera toxin B-subunit (CTB) | MilliporeSigma | C9903 | Utilized for intrapleural injection to label surviving motor neurons |
| Cholera toxin B-subunit conjugated to saporin (CTB-SAP) | Advanced Targeting Systems | IT-14 | Utilized for intrapleural injection to cause motor neuron death |
| Detachable Cable | Technomed | 202845-0000 | to connect the recorder electrode to the electrodiagnostic machine |
| Disposable 2" x 2" disc electrode with leads | Cadwell | 302290-000 | ground electrode |
| disposable monopolar needles 28 G | Technomed | 202270-000 | cathode and anode stimulating electrodes- recording electrodes |
| EMG needle cable (Amp/stim switch box) | Cadwell | 190266-200 | to connect monopolar electrodes to electrodiagnostic stimulator |
| Helping Hands alligator clip with iron base | Radio Shack | 64-079 | Maintaining recording electrode placement |
| Isoflurane (250 mL bottle) | Piramal Healthcare | ||
| monoject curved tip irrigating syringe | Covidien | 81412012 | utilized for application of electrode gel |
| PhysioSuite Physiological Monitoring System with RightTemp Homeothermic Warming | Kent Scientific Corporation | PS-RT | Includes infrared warming pad, rectal probe, and pad temperature probe |
| Pro trimmer Pet Grooming Kit | Oster | 078577-010-003 | clippers for hair removal |
| Saporin (SAP) | Advanced Targeting Systems | PR-01 | Utilized for intrapleural injection (control agent when injected by itself) |
| Sierra Summit EMG system | Cadwell Industries, Inc., Kennewick, WA | portable electrodiagnostic system | |
| SomnoSuite Low-Flow Digital Anesthesia System | Kent Scientific Corporation | SOMNO | Includes anti-spill, anti-vapor bottle top adapter; Y adapter tubing; charcoal scavenging filter |
| Sprague-Dawley rat | Envigo colony 208a, Indianapolis, IN | ||
| Veterinarian petroleum-based ophthalmic ointment | Puralube | 26870 | applied during anesthesia to avoid corneal injury |
References
- Mantilla, C. B., Zhan, W. -. Z., Sieck, G. C. Retrograde labeling of phrenic motoneurons by intrapleural injection. J Neurosci Methods. 182 (2), 244-249 (2009).
- Nichols, N. L., Satriotomo, I., Harrigan, D. J., Mitchell, G. S. Acute intermittent hypoxia induced phrenic long-term facilitation despite increased sod1 expression in a rat model of als. Exp Neurol. 273, 138-150 (2015).
- Nichols, N. L., Craig, T. A., Tanner, M. A. Phrenic long-term facilitation following intrapleural ctb-sap-induced respiratory motor neuron death. Respir Physiol Neurobiol. 256, 43-49 (2018).
- Kiernan, M. C., et al. Amyotrophic lateral sclerosis. Lancet. 377 (9769), 942-955 (2011).
- Boërio, D., Kalmar, B., Greensmith, L., Bostock, H. Excitability properties of mouse motor axons in the mutant sod1g93a model of amyotrophic lateral sclerosis. Muscle Nerve. 41 (6), 774-784 (2010).
- Shibuya, K., et al. Motor cortical function determines prognosis in sporadic als. Neurology. 87 (5), 513-520 (2016).
- Lewelt, A., et al. Compound muscle action potential and motor function in children with spinal muscular atrophy. Muscle Nerve. 42 (5), 703-708 (2010).
- Mcgovern, V. L., et al. Smn expression is required in motor neurons to rescue electrophysiological deficits in the smnδ7 mouse model of sma. Hum Mol Genet. 24 (19), 5524-5541 (2015).
- Arnold, W. D., et al. Electrophysiological biomarkers in spinal muscular atrophy: Preclinical proof of concept. Ann Clin Transl Neurol. 1 (1), 34-44 (2014).
- Harrigan, M. E., et al. Assessing rat forelimb and hindlimb motor unit connectivity as objective and robust biomarkers of spinal motor neuron function. Sci Rep. 9 (1), 16699 (2019).
- Arnold, W. D., et al. Electrophysiological motor unit number estimation (mune) measuring compound muscle action potential (cmap) in mouse hindlimb muscles. J. Vis. Exp: JoVE. (103), e52899 (2015).
- Martin, M., Li, K., Wright, M. C., Lepore, A. C. Functional and morphological assessment of diaphragm innervation by phrenic motor neurons. J. Vis. Exp: JoVE. (99), e52605 (2015).
- Mccomas, A., Fawcett, P. R. W., Campbell, M., Sica, R. Electrophysiological estimation of the number of motor units within a human muscle. J Neurol Neurosurg Psychiatry. 34 (2), 121-131 (1971).
- Felice, K. J. A longitudinal study comparing thenar motor unit number estimates to other quantitative tests in patients with amyotrophic lateral sclerosis. Muscle Nerve. 20 (2), 179-185 (1997).
- Vucic, S., Rutkove, S. B. Neurophysiological biomarkers in amyotrophic lateral sclerosis. Curr Opin Neurol. 31 (5), 640-647 (2018).
- Carleton, S., Brown, W. Changes in motor unit populations in motor neurone disease. J Neurol Neurosurg Psychiatry. 42 (1), 42-51 (1979).
- Yuen, E. C., Olney, R. K. Longitudinal study of fiber density and motor unit number estimate in patients with amyotrophic lateral sclerosis. Neurology. 49 (2), 573-578 (1997).
- Gooch, C. L., et al. Motor unit number estimation: A technology and literature review. Muscle Nerve. 50 (6), 884-893 (2014).
- Henderson, R. D., Ridall, P. G., Hutchinson, N. M., Pettitt, A. N., Mccombe, P. A. Bayesian statistical mune method. Muscle Nerve. 36 (2), 206-213 (2007).
- Shefner, J., et al. Multipoint incremental motor unit number estimation as an outcome measure in als. Neurology. 77 (3), 235-241 (2011).
- Stein, R. B., Yang, J. F. Methods for estimating the number of motor units in human muscles. Ann Neurol. 28 (4), 487-495 (1990).
- Shefner, J. M. Motor unit number estimation in human neurological diseases and animal models. Clin Neurophysiol. 112 (6), 955-964 (2001).
- Ahad, M., Rutkove, S. Correlation between muscle electrical impedance data and standard neurophysiologic parameters after experimental neurogenic injury. Physiol Meas. 31 (11), 1437 (2010).
- Kasselman, L. J., Shefner, J. M., Rutkove, S. B. Motor unit number estimation in the rat tail using a modified multipoint stimulation technique. Muscle Nerve. 40 (1), 115-121 (2009).
- Ngo, S., et al. The relationship between bayesian motor unit number estimation and histological measurements of motor neurons in wild-type and sod1g93a mice. Clin Neurophysiol. 123 (10), 2080-2091 (2012).
- Feasby, T., Brown, W. Variation of motor unit size in the human extensor digitorum brevis and thenar muscles. J Neurol Neurosurg Psychiatry. 37 (8), 916-926 (1974).
- Nichols, N. L., Vinit, S., Bauernschmidt, L., Mitchell, G. S. Respiratory function after selective respiratory motor neuron death from intrapleural ctb-saporin injections. Exp Neurol. 267, 18-29 (2015).
- Nichols, N. L., et al. Ventilatory control in als. Respir Physiol Neurobiol. 189 (2), 429-437 (2013).
- Cifra, A., Nani, F., Nistri, A. Respiratory motoneurons and pathological conditions: Lessons from hypoglossal motoneurons challenged by excitotoxic or oxidative stress. Respir Physiol Neurobiol. 179 (1), 89-96 (2011).
- Kobayashi, Z., et al. Fals with gly72ser mutation in sod1 gene: Report of a family including the first autopsy case. J Neurol Sci. 300 (1), 9-13 (2011).
- Su, M., Wakabayashi, K., Tanno, Y., Inuzuka, T., Takahashi, H. An autopsy case of amyotrophic lateral sclerosis with concomitant alzheimer’s and incidental lewy body diseases. No to shinkei= Brain and nerve. 48 (10), 931-936 (1996).
- Lladó, J., et al. Degeneration of respiratory motor neurons in the sod1 g93a transgenic rat model of als. Neurobiol Dis. 21 (1), 110-118 (2006).
- Borkowski, L. F., Smith, C. L., Keilholz, A. N., Nichols, N. L. Divergent receptor utilization is necessary for phrenic long-term facilitation over the course of motor neuron loss following ctb-sap intrapleural injections. J Neurophysiol. 126 (3), 709-722 (2021).
- Nicolopoulos-Stournaras, S., Iles, J. F. Motor neuron columns in the lumbar spinal cord of the rat. J Comp Neurol. 217 (1), 75-85 (1983).
- Tosolini, A. P., Morris, R. Targeting motor end plates for delivery of adenoviruses: An approach to maximize uptake and transduction of spinal cord motor neurons. Sci Rep. 6 (1), 33058 (2016).
- Mchanwell, S., Biscoe, T. The localization of motoneurons supplying the hindlimb muscles of the mouse. Phil. Trans. R. , 477-508 (1981).
- Nair, J., et al. Histological identification of phrenic afferent projections to the spinal cord. Respir Physiol Neurobiol. 236, 57-68 (2017).
- Courtine, G., et al. Can experiments in nonhuman primates expedite the translation of treatments for spinal cord injury in humans. Nat Med. 13 (5), 561-566 (2007).
- Friedli, L., et al. Pronounced species divergence in corticospinal tract reorganization and functional recovery after lateralized spinal cord injury favors primates. Sci Transl Med. 7 (302), 134 (2015).
- Arnold, R., et al. Nerve excitability in the rat forelimb: A technique to improve translational utility. J Neurosci Methods. 275, 19-24 (2017).
- Boriek, A., Rodarte, J., Reid, M. Shape and tension distribution of the passive rat diaphragm. Am J Physiol Regul Integr Comp Physiol. 280, R33-R41 (2001).
.