Évaluation des mesures de résultats de la connectivité des unités motrices du diaphragme du rat en tant que biomarqueurs quantitatifs de la dégénérescence et de la compensation des motoneurones phréniques
Summary
Dans cette étude, nous présentons une méthode in vivo d’estimation du nombre et de la taille de l’unité motrice afin de quantifier la connectivité de l’unité motrice à diaphragme de rat. Une approche étape par étape de ces techniques est décrite.
Abstract
La perte de la fonction du muscle ventilatoire est une conséquence d’une lésion des motoneurones et de la neurodégénérescence (par exemple, une lésion de la moelle épinière cervicale et une sclérose latérale amyotrophique, respectivement). Les motoneurones phréniques sont le lien final entre le système nerveux central et le muscle, et leurs unités motrices respectives (groupes de fibres musculaires innervées par un seul motoneurone) représentent la plus petite unité fonctionnelle du système ventilatoire neuromusculaire. Le potentiel d’action musculaire composé (CMAP), le potentiel d’unité motrice unique (SMUP) et l’estimation du nombre d’unités motrices (MUNE) sont des approches électrophysiologiques établies qui permettent l’évaluation longitudinale de l’intégrité des unités motrices dans des modèles animaux au fil du temps, mais ont principalement été appliquées aux muscles des membres. Par conséquent, les objectifs de cette étude sont de décrire une approche dans les études précliniques sur les rongeurs qui peut être utilisée longitudinalement pour quantifier la MUNE phrénique, la taille de l’unité motrice (représentée par SMUP) et la CMAP, puis de démontrer l’utilité de ces approches dans un modèle de perte de motoneurones. Des biomarqueurs sensibles, objectifs et pertinents sur le plan translationnel pour les lésions neuronales, la dégénérescence et la régénération dans les lésions et les maladies des motoneurones peuvent considérablement aider et accélérer les découvertes de la recherche expérimentale jusqu’aux tests cliniques.
Introduction
Les motoneurones phréniques (MN), s’étendant des niveaux de myotome C3 à C6, forment le lien final entre le système nerveux central (SNC) et le muscle du diaphragme1. Les unités motrices phréniques (UM) sont composées d’une seule MN spinale et de ses fibres musculaires diaphragmales innervées, formant la plus petite unité fonctionnelle du système neuromusculaire respiratoire. La fonction ventilatoire nécessite une contraction adéquate du muscle du diaphragme obtenue par l’activation coordonnée de la piscine phrénique MU 2,3. De nombreuses maladies neurologiques, y compris la sclérose latérale amyotrophique (SLA), entraînent une insuffisance ventilatoire sévère, contribuant finalement à la cause du décès4.
Plusieurs approches électrophysiologiques peuvent être utilisées pour évaluer et surveiller l’intégrité du pool d’unités motrices (UM) in vivo. Le potentiel d’action musculaire composé (CMAP) reflète la dépolarisation totale de toutes les fibres musculaires d’un muscle ou d’un groupe musculaire spécifique après une stimulation nerveuse périphérique et est sensible à une gamme d’affections neuromusculaires, y compris la SLA 5,6 et l’amyotrophie spinale (SMA)7,8,9. Une limite de l’évaluation CMAP est que la germination collatérale peut conduire au maintien de l’amplitude et de la surface du CMAP même en présence d’une perte MU10. Pour surmonter cette limitation, des modifications ont été apportées à la technique CMAP afin d’évaluer à la fois le nombre d’unités motrices et la taille11. De plus, une étude in vivo portant sur l’évaluation fonctionnelle du CMAP du diaphragme par un système électrophysiologique a suggéré qu’il pourrait également être possible d’utiliser la technique d’enregistrement du CMAP du diaphragme décrite pour l’estimation du nombre d’unités motrices12.
La technique d’estimation incrémentielle du nombre d’unités motrices (MUNE) a été initialement introduite au début des années 1970 par McComas et al. pour le muscle extenseur digitorum brevis chez l’homme13. L’approche MUNE incrémentielle était une modification de la technique d’enregistrement CMAP traditionnelle au cours de laquelle une stimulation progressivement croissante était délivrée pour enregistrer des incréments sous-maximaux quantiques, tout ou rien, comme indices des réponses d’une seule unité motrice. Les incréments additionnés et moyennés ont été utilisés pour calculer une estimation de la taille du potentiel d’une seule unité motrice (SMUP). Cette taille calculée a ensuite été divisée en amplitude CMAP pour estimer le nombre d’UM innervant le muscle examiné11. MUNE fait preuve d’une grande sensibilité dans la détection et la surveillance de la perte d’unité motrice, ce qui permet d’identifier le dysfonctionnement de l’unité motrice avant les changements observables dans des mesures telles que l’amplitude CMAP ou l’aire14,15. Chez les patients atteints de SLA, MUNE s’est avéré exceptionnellement sensible, servant de biomarqueur important pour l’apparition, la progression et le pronostic de la maladie16,17.
De nombreuses adaptations de MUNE ont été développées et largement utilisées pour évaluer la fonction de l’UM dans des conditions telles que la neurodégénérescence, les lésions neuronales et le processus de vieillissement naturel 18,19,20,21. Depuis la description initiale, diverses adaptations utilisant à la fois des réponses électrophysiologiques et des mesures de force incrémentielle (mécaniques) ont été employées dans des études humaines et des modèles animaux22. MUNE fournit une évaluation fonctionnelle non invasive de la connectivité des motoneurones avec le muscle. L’application longitudinale de MUNE permet de comprendre la progression de la maladie ou du phénotype induit et d’évaluer les effets protecteurs ou régénératifs des interventions thérapeutiques, tant dans des contextes cliniques que précliniques. Indépendamment de l’efficacité de la reproductibilité des mesures MUNE et de la pertinence clinique de la technique pour les flaques d’UM dans la majeure partie du corps humain, les efforts se sont largement concentrés sur les muscles des membres dans les muscles des rongeurs 10,23,24,25.
Par conséquent, les objectifs de cette étude étaient de décrire une approche pour obtenir le potentiel d’action musculaire composé (CMAP), le SMUP et le nombre d’unités motrices phréniques (MUNE) en tant qu’évaluations in vivo qui peuvent être utilisées longitudinalement dans les études précliniques sur les rongeurs pour quantifier le MUNE, la taille de l’unité motrice (représentée par SMUP) et le CMAP. De plus, nous présentons des données représentatives qui mettent en évidence la perte du nombre de MU du diaphragme suite à l’administration intrapleurale d’un agent dégénératif phrénique MN, un fragment de toxine B du choléra conjugué à la saporine (CTB-SAP).
Protocol
Representative Results
Discussion
Dans les maladies dégénératives MN, telles que la SLA, il est crucial d’évaluer les MU impliquées dans la ventilation28. Malgré l’apparition d’une dégénérescence respiratoire de la MN chez les patients atteints de SLA, l’apparition et la progression spécifiques de la mort par MN restent incomplètement comprises 29,30,31. Reconnaissant l’importance de …
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Ce travail a été financé par une subvention du programme de recherche sur les lésions et les maladies de la moelle épinière du programme de recherche sur les lésions et les maladies de la moelle épinière du Missouri (NLN et 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 |
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