Aplicação da estimulação crônica para estudar ratos induzida pela atividade contrátil adaptações fenotípica de músculo esquelético
Özet
Este protocolo descreve o uso do modelo de atividade contrátil crônica de exercício para observar adaptações do músculo esquelético induzida por estimulação no membro posterior de ratos.
Abstract
Músculo esquelético é um tecido altamente adaptável, conforme suas propriedades bioquímicas e fisiológicas são grandemente alteradas em resposta ao exercício crônico. Para investigar os mecanismos subjacentes que trazer várias adaptações musculares, um número de protocolos de exercícios como esteira, corrida de rodas e natação exercício têm sido utilizado nos estudos animais. No entanto, estes exercem modelos requerem um longo período de tempo para alcançar as adaptações musculares, que podem também ser reguladas por fatores humorais ou neurológicas, limitando assim suas aplicações em estudar as adaptações induzida pela contração do músculo específico. Estimulação indireta de baixa frequência (10 Hz) para induzir a atividade contrátil crônica (CCA) tem sido utilizada como um modelo alternativo para o exercício de treinamento, como com êxito pode levar a adaptações mitocondrial muscular dentro de 7 dias, independentes de fatores sistêmicos. Este documento detalha as técnicas cirúrgicas necessárias para aplicar o tratamento de CCA para o músculo esquelético de ratos, para estudos de aplicação generalizada no futuro.
Introduction
Músculo esquelético pode adaptar-se para exercer a formação através de mudanças na sua Bioenergética e estrutura física1. Dentre as principais alterações provocadas pelo treinamento de resistência é a biogênese mitocondrial, o que pode ser avaliada por um aumento na expressão de componentes mitocondriais (por exemplo, subunidades de c oxidase [COX] citocromo), bem como a expressão de o coactivator transcriptional, PGC-1 α2. Um número crescente de estudos têm indicado que inúmeros outros fatores, incluindo volume mitocondrial e mitophagy, também são importantes para as adaptações musculares. No entanto, os mecanismos pelo qual o exercício agudo ou crônico regulam estes processos no músculo esquelético não são ainda claras.
Para delinear as vias que regulam as adaptações musculares induzidas pelo exercício, vários modelos de exercício têm sido comumente utilizados em estudos de roedores, incluindo esteira, rodando a roda e exercício de natação. No entanto, estes protocolos têm algumas limitações, em que ~ 4-12 semanas são necessárias para observar essas alterações fenotípicas3,4,5. Como uma alternativa do método experimental, baixa frequência induzida por estimulação crônica atividade contrátil (CCA) tem sido efetivamente utilizada, pode levar a adaptações do músculo em um período substancialmente mais curto (ou seja, até 7 dias) e seus efeitos parecem ser comparável, ou até mesmo maior do que outros protocolos de exercício. Além disso, a presença de hormonais6, temperatura7e efeitos neurológicos8 pode dificultar a entender as respostas específicas do músculo ao exercício crônico. Por exemplo, o hormônio tireoidiano9,10 e fator de crescimento semelhante à insulina (IGF) -111 foram identificadas para mediar adaptações musculares induzidas pelo treinamento, que também podem regular outras vias de sinalização em esquelética muscular. Notavelmente, induzida pela CCA efeitos minimamente são regulados por fatores sistêmicos, permitindo que o foco para ser colocado sobre a resposta direta a atividade contrátil do músculo esquelético.
Unidade externa para CCA foi introduzido pela primeira vez por Tyler e Wright12e foi desenvolvida com modificações12. Em suma, a unidade é composta por três partes principais: um detector de infravermelho que pode ser ligado e desligada pela exposição à luz infravermelha, um gerador de pulso e um indicador de pulso (Figura 1). O projeto de circuito detalhado da unidade estimulador tem sido descrito anteriormente13. As características detalhadas e específicas de CCA podem ser encontradas em maiores profundidade em um número de revisão artigos14,15,16,17. Em breve, o protocolo de estimulação é projetado para ativar o nervo fibular comum em baixa frequência (ou seja, 10 Hz), e os músculos inervados (tibial anterior [TA] e músculo extensor dos dedos longus [EDI]) são obrigados a contratar para um comprimento pré-determinado de tempo (por exemplo, 3-6 h). Ao longo do tempo, esta desloca os músculos acima mencionados para um fenótipo mais aeróbico, demonstrado pelo aumento na densidade capilar18 e conteúdo mitocondrial19,20,21. Assim, esse método é um modelo comprovado para imitar alguns das adaptações de treinamento de grande resistência no músculo esquelético de ratos.
Este trabalho apresenta um procedimento detalhado da cirurgia de implante de eletrodo para induzir o CCA para que os pesquisadores podem aplicar este modelo em seus estudos de exercício. CCA é um excelente modelo para estudar o curso de tempo das adaptações musculares, proporcionando assim uma ferramenta eficaz para a investigação de vários eventos moleculares e sinalização em ambos os pontos de tempo de início e, mais tarde, após o início do exercício.
Protocol
Representative Results
Discussion
O modelo de atividade contrátil crônica (CCA) do exercício, com baixa frequência músculo estimulação na vivo, é um excelente modelo para o estudo adaptações fenotípica do músculo para exercer13,24,25 , 26. como mostrado em anteriores estudos20,27, CCA é uma ferramenta eficaz pelo qual os pesquisadores podem control…
Açıklamalar
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Nós estamos gratos ao Liam Tyron para seu especialista em leitura do manuscrito. Este trabalho foi apoiado pelo financiamento das ciências naturais e engenharia pesquisa Conselho de Canadá (NSERC) para D. A. Hood. M. r. Hood também é o titular de uma cadeira de pesquisa do Canadá em fisiologia celular.
Materials
| Sprague Dawley Rat | Charles River | Strain 400 | |
| Chronic contractile activity unit | Home-made | n/a | |
| CCA unit protective box (3.5 x 3.5 x 2.5 cm) | Home-made | n/a | Box should be made of opaque material or covered in an opague tape |
| Coin lithium ion batteries (3V) | Panasonic | CR2016 | |
| Medwire | Leico Industries | 316SS7/44T | |
| Solder pin (socket) | Digi-Key | ED6218-ND | |
| Zonas porous tape | Johnson & Johnson | 5104 | |
| Suture silk (Size 5) | Ethicon | 640G | |
| Suture silk (Size 6) | Ethicon | 706G | |
| Curved blunt scissor (11.5 cm Length) | F.S.T. | 14075-11 | |
| Curved blunt scissor (15 cm Length) | F.S.T. | 14111-15 | |
| Delicate haemostatic forceps (16 cm Length) | Lawton | 06-0230 | |
| Scalpel | Feather | 3 | |
| Curved forceps | F.S.T. | 11052-10 | |
| Stainless-steel rod (30 cm; 7mm diameter) | Home-made | n/a | Rod should have 5 mm slit in one end to hold the wire for tunneling under the skin |
| Clip applying forceps | KLS Martin | 20-916-12 | |
| Staples (clips) | Bbraun | BN507R | |
| Metal hooks/retractor | Home-made | n/a | |
| Povidone-iodine (500 mL) | Rougier | #NPN00172944 | |
| Ampicillin sodium | Novopharm | #DIN00872644 | |
| Metacam | Boehringer | #DIN02240463 | |
| Digital multimeter (voltmeter) | Soar Corporation | ME-501 | |
| LED digital stroboscope | Lutron Electronic Enterprise | DT-2269 |
Referanslar
- Holloszy, J. O., Coyle, E. F. Adaptations of skeletal muscle to endurance exercise and their metabolic consequences. J Appl Physiol Respir Environ Exerc Physiol. 56 (4), 831-838 (1984).
- Hood, D. A. Invited Review: contractile activity-induced mitochondrial biogenesis in skeletal muscle. J Appl Physiol. 90 (3), 1137-1157 (2001).
- Fernandes, T., et al. Exercise training restores the endothelial progenitor cells number and function in hypertension: implications for angiogenesis. J Hypertens. 30 (11), 2133-2143 (2012).
- Chabi, B., Adhihetty, P. J., O’Leary, M. F., Menzies, K. J., Hood, D. A. Relationship between Sirt1 expression and mitochondrial proteins during conditions of chronic muscle use and disuse. J Appl Physiol. 107 (6), 1730-1735 (2009).
- Lessard, S. J., et al. Resistance to aerobic exercise training causes metabolic dysfunction and reveals novel exercise-regulated signaling networks. Diabetes. 62 (8), 2717-2727 (2013).
- Irrcher, I., Adhihetty, P. J., Sheehan, T., Joseph, A. M., Hood, D. A. PPARgamma coactivator-1alpha expression during thyroid hormone- and contractile activity-induced mitochondrial adaptations. Am J Physiol Cell Physiol. 284 (6), C1669-C1677 (2003).
- Tamura, Y., et al. Postexercise whole body heat stress additively enhances endurance training-induced mitochondrial adaptations in mouse skeletal muscle. Am J Physiol Regul Integr Comp Physiol. 307 (7), R931-R943 (2014).
- Mosole, S., et al. Long-term high-level exercise promotes muscle reinnervation with age. J Neuropathol Exp Neurol. 73 (4), 284-294 (2014).
- Irrcher, I., Walkinshaw, D. R., Sheehan, T. E., Hood, D. A. Thyroid hormone (T3) rapidly activates p38 and AMPK in skeletal muscle in vivo. J Appl Physiol. 104 (1), 178-185 (2008).
- Lesmana, R., et al. The change in thyroid hormone signaling by altered training intensity in male rat skeletal muscle. Endocr J. 63 (8), 727-738 (2016).
- Hokama, J. Y., Streeper, R. S., Henriksen, E. J. Voluntary exercise training enhances glucose transport in muscle stimulated by insulin-like growth factor I. J Appl Physiol. 82 (2), 508-512 (1997).
- Tyler, K. R., Wright, A. J. A. Light weight portable stimulators for stimulation of skeletal muscles at different frequencies and for cardiac pacing. J Physiol Lond. 307, 6-7 (1980).
- Takahashi, M., Rana, A., Hood, D. A. Portable electrical stimulator for use in small animals. J Appl Physiol. 74 (2), 942-945 (1993).
- Ljubicic, V., Adhihetty, P. J., Hood, D. A. Application of animal models: chronic electrical stimulation-induced contractile activity. Can J Appl Physiol. 30 (5), 625-643 (2005).
- Pette, D., Vrbova, G. What does chronic electrical stimulation teach us about muscle plasticity?. Muscle Nerve. 22 (6), 666-677 (1999).
- Pette, D. Historical Perspectives: plasticity of mammalian skeletal muscle. J Appl Physiol. 90 (3), 1119-1124 (2001).
- Pette, D., Vrbova, G. The Contribution of Neuromuscular Stimulation in Elucidating Muscle Plasticity Revisited. Eur J Transl Myol. 27 (1), 6368 (2017).
- Skorjanc, D., Jaschinski, F., Heine, G., Pette, D. Sequential increases in capillarization and mitochondrial enzymes in low-frequency-stimulated rabbit muscle. Am J Physiol. 274 (3 Pt 1), C810-C818 (1998).
- Kim, Y., Hood, D. A. Regulation of the autophagy system during chronic contractile activity-induced muscle adaptations. Physiol Rep. 5 (14), (2017).
- Memme, J. M., Oliveira, A. N., Hood, D. A. Chronology of UPR activation in skeletal muscle adaptations to chronic contractile activity. Am J Physiol Cell Physiol. 310 (11), C1024-C1036 (2016).
- Ljubicic, V., et al. Molecular basis for an attenuated mitochondrial adaptive plasticity in aged skeletal muscle. Aging (Albany NY). 1 (9), 818-830 (2009).
- Schwarz, G., Leisner, E., Pette, D. Two telestimulation systems for chronic indirect muscle stimulation in caged rabbits and mice. Pflugers Arch. 398 (2), 130-133 (1983).
- Simoneau, J. A., Pette, D. Species-specific effects of chronic nerve stimulation upon tibialis anterior muscle in mouse, rat, guinea pig, and rabbit. Pflugers Arch. 412 (1-2), 86-92 (1988).
- Ohlendieck, K., et al. Effects of chronic low-frequency stimulation on Ca2+-regulatory membrane proteins in rabbit fast muscle. Pflugers Arch. 438 (5), 700-708 (1999).
- Brown, M. D., Cotter, M. A., Hudlicka, O., Vrbova, G. The effects of different patterns of muscle activity on capillary density, mechanical properties and structure of slow and fast rabbit muscles. Pflugers Arch. 361 (3), 241-250 (1976).
- Skorjanc, D., Traub, I., Pette, D. Identical responses of fast muscle to sustained activity by low-frequency stimulation in young and aging rats. J Appl Physiol. 85 (2), 437-441 (1998).
- Kim, Y., Triolo, M., Hood, D. A. Impact of Aging and Exercise on Mitochondrial Quality Control in Skeletal Muscle. Oxid Med Cell Longev. 2017, 3165396 (2017).
- Callewaert, L., Puers, B., Sansen, W., Jarvis, J. C., Salmons, S. Programmable implantable device for investigating the adaptive response of skeletal muscle to chronic electrical stimulation. Med Biol Eng Comput. 29 (5), 548-553 (1991).
- Kern, H., et al. Electrical stimulation counteracts muscle decline in seniors. Front Aging Neurosci. 6, 189 (2014).
- Zampieri, S., et al. Physical exercise in aging human skeletal muscle increases mitochondrial calcium uniporter expression levels and affects mitochondria dynamics. Physiol Rep. 4 (24), (2016).
