Allenamento di resistenza aggiustato in base al dosaggio nei topi con un rischio ridotto di danni muscolari
Summary
Il presente protocollo descrive una tecnica unica chiamata allenamento di resistenza aggiustato dal dosaggio (DART), che può essere incorporata in studi di riabilitazione di precisione eseguiti su piccoli animali, come i topi.
Abstract
L’allenamento di resistenza progressiva (PRT), che comporta l’esecuzione di contrazioni muscolari contro carichi esterni progressivamente maggiori, può aumentare la massa muscolare e la forza in individui sani e in popolazioni di pazienti. Vi è la necessità di strumenti di riabilitazione di precisione per testare la sicurezza e l’efficacia del PRT per mantenere e / o ripristinare la massa muscolare e la forza negli studi preclinici su modelli animali di piccole e grandi dimensioni. La metodologia PRT e il dispositivo descritti in questo articolo possono essere utilizzati per eseguire l’allenamento di resistenza aggiustato per il dosaggio (DART). Il dispositivo DART può essere utilizzato come dinamometro autonomo per valutare oggettivamente la coppia contrattile concentrica generata dai dorsiflessori della caviglia nei topi o può essere aggiunto a un sistema di dinamometria isocinetica preesistente. Il dispositivo DART può essere fabbricato con una stampante 3D standard in base alle istruzioni e ai file di stampa 3D open source forniti in questo lavoro. L’articolo descrive anche il flusso di lavoro per uno studio per confrontare il danno muscolare indotto dalla contrazione causato da un singolo attacco di DART con il danno muscolare causato da un attacco comparabile di contrazioni isometriche (ISOM) in un modello murino di distrofia muscolare dei cingoli di tipo 2B / R2 (topi BLAJ). I dati di otto topi BLAJ (quattro animali per ogni condizione) suggeriscono che meno del 10% del muscolo tibiale anteriore (TA) è stato danneggiato da un singolo attacco di DART o ISOM, con DART che è meno dannoso di ISOM.
Introduction
L’esercizio fisico conferisce numerosi benefici per la salute al muscolo scheletrico (recensito in Vina et al.1). In particolare, l’allenamento di resistenza progressiva (PRT), che comporta l’esecuzione di contrazioni muscolari contro carichi esterni progressivamente maggiori (ad esempio, bilancieri, manubri, circuiti a cavo-puleggia), è noto per aiutare ad aumentare la massa muscolare e la forza sia in individui sani che in popolazioni di pazienti (recensito in pubblicazioni precedenti 2,3 ). La PRT si basa sul principio di sovraccarico, che afferma che, quando il muscolo si contrae contro carichi esterni progressivamente maggiori, si adatta aumentando la sua area fisiologica della sezione trasversale e la capacità di produrre forza4. I modelli esistenti di PRT nei roditori includono l’arrampicata su scala con resistenza applicata alla coda, la co-contrazione dei muscoli agonisti contro la resistenza degli antagonisti, la corsa con un’imbracatura appesantita, un esercizio accovacciato suscitato da una scossa elettrica e la resistenza alla corsa delle ruote 5,6,7,8,9,10 (recensito in pubblicazioni precedenti 11,12 ). Tuttavia, attualmente non ci sono strumenti di ricerca per eseguire con precisione PRT mirata ai muscoli e aggiustata per il dosaggio nei topi che assomigliano molto ai metodi e ai dispositivi PRT utilizzati nella ricerca clinica umana e nella pratica12,13. Ciò limita la capacità dei ricercatori di studiare la sicurezza e l’efficacia del PRT dosato con precisione negli studi di base e preclinici nei topi.
Per superare questa barriera, in questo studio vengono sviluppati una metodologia e un dispositivo PRT basati sui progetti di circuiti a fune-puleggia impiegati nelle attrezzature per l’allenamento di resistenza nelle moderne palestre14,15,16. Questo metodo di PRT è indicato come allenamento di resistenza regolato dal dosaggio (DART) e il dispositivo è chiamato dispositivo DART. Oltre alla sua funzionalità come strumento di allenamento per la riabilitazione di precisione, il dispositivo DART può anche essere utilizzato come strumento autonomo per valutare oggettivamente la coppia contrattile concentrica massima che può essere generata dal muscolo tibiale anteriore (TA) in un topo, in modo simile a come viene valutato nell’uomo il massimo di una ripetizione (1RM, il carico massimo che può essere sollevato / spostato / premuto / accovacciato con successo solo una volta mantenendo una buona forma)17, 18. Il dispositivo DART può anche essere accoppiato con un dinamometro isocinetico personalizzato o commerciale per misurare la forza tetanica isometrica di picco prodotta dal muscolo TA in un topo (paragonabile alla massima contrazione volontaria [MVC] nell’uomo) e quindi eseguire PRT regolato dal dosaggio con una resistenza basata sulla forza tetanica di picco (ad esempio, 50% della forza di picco).
Questo articolo descrive la costruzione del dispositivo DART e spiega come può essere accoppiato con un dinamometro personalizzato, che è stato descritto nelle pubblicazioni precedenti 19,20,21,22, per valutare la coppia contrattile ed eseguire DART. Lo studio descrive anche come il dispositivo DART è stato utilizzato per confrontare il danno muscolare indotto dall’esercizio causato da un singolo attacco di DART (4 serie di 10 contrazioni concentricamente distorte con 50% 1RM) con danni causati da un attacco comparabile di contrazioni isometriche (4 serie di 10 contrazioni isometriche) in un modello murino di distrofia muscolare dei cingoli di tipo 2B (LGMD2B, o LGMDR2)23,24. Il modello murino studiato manca di una proteina chiamata disferlina, che svolge un ruolo importante nella protezione del muscolo scheletrico dal danno muscolare a insorgenza ritardata a seguito di contrazioni eccentriche dannose 22,25,26,27,28,29,30 . È stato anche dimostrato in topi maschi carenti di disferlina che l’esercizio forzato concentricamente distorto non è così dannoso come l’esercizio forzato eccentricamente distorto e che l’esposizione precedente all’allenamento concentricamente distorto offre protezione contro le lesioni da un successivo attacco di contrazioni eccentricamente distorte22. Poiché l’attuale studio è stato condotto per testare la fattibilità dell’attuale metodologia DART e del dispositivo nell’esecuzione di un allenamento di resistenza aggiustato in base al dosaggio e con distorsioni concentriche, sono stati scelti topi maschi carenti di disferlina per l’indagine per confrontare i nuovi dati del dispositivo DART con i dati precedenti. In studi futuri, topi BLAJ femmina saranno inclusi per studiare l’effetto del sesso come variabile biologica in relazione alla risposta alla DART. I topi che avevano ~ 1,5 anni sono stati studiati poiché hanno già cambiamenti distrofici in molti gruppi muscolari e, quindi, modellano lo stato fisiopatologico in cui i muscoli potrebbero essere in pazienti che hanno già debolezza muscolare e deperimento e stanno cercando cure riabilitative per mantenere la massa muscolare e la forza26.
Protocol
Representative Results
Discussion
Questo articolo presenta istruzioni dettagliate su come costruire un dispositivo per eseguire un tipo di allenamento di riabilitazione di precisione chiamato allenamento di resistenza aggiustato dal dosaggio (DART). Il lavoro descrive anche l’applicazione del dispositivo DART e la metodologia in uno studio di allenamento per confrontare il danno muscolare 3 giorni dopo un singolo attacco di DART (gruppo DART) con il danno 3 giorni dopo un attacco comparabile di allenamento isometrico (gruppo ISOM).
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The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Questo studio è stato finanziato da sovvenzioni della Jain Foundation Inc., R03HD091648 da NICHD, una sovvenzione pilota da AR3T sotto NIH P2CHD086843, un premio FRAP da EACPHS presso la Wayne State University, un pacchetto di avvio della facoltà dalla Wayne State University e un subcontratto da 1R01AR079884-01 (Peter L. Jones PI) a JAR. Questo studio è stato anche finanziato da una borsa di ricerca dell’American Physical Therapy Association – Michigan (APTA-MI) a JMB, MEP e JAR. Gli autori riconoscono la dott.ssa Renuka Roche (professore associato, Eastern Michigan University, MI) per aver letto criticamente il manoscritto e fornito feedback. Gli autori riconoscono il signor Anselm D. Motha per i consigli sulla stampa 3D. Gli autori ringraziano i pazienti con disferlinopatie che hanno condiviso le loro storie sul sito web della Jain Foundation a https://www.jain-foundation.org/patient-physician-resources/patient-stories, in particolare le loro esperienze con l’esercizio fisico.
Materials
| AnMiao Star 608 Ceramic Ball Bearing | Anmiao Star (N/A) | AMS127 | High precision, low friction wheel bearing. If make and model is not commercially available, an alternative version of a 608 low-friction wheel bearing, 8 mm bore diameter, 22 mm outside diameter, with silicon nitride ceramic balls in 420 stainless steel housing should suffice. Excess friction in the wheel bearing will adversely impact performance of the DART device and will increase overall resistance to muscle contractions. |
| Axio Scope.A1 microscope | Carl Zeiss (Peabody, MA) | Product #Axio Scope.A1 | Light and fluorescence microscope |
| B6.A-Dysfprmd/GeneJ (a.k.a. BLAJ mice) | The Jackson Laboratory (Bar Harbor, ME). Special colony maintained by The Jain Foundation Inc. for collaborators who study dysferlin. | Stock #012767 | Dysferlin deficient mice that model human limb girdle muscular dystrophy type 2B/R2. |
| Bipolar, transcutaneous, neuromuscular electrical stimulation (NMES) electrode | Harvard Apparatus, Holliston, MA | BS4 50–6824 | Electrode for NMES. If this electrode is not commercially available, please contact corresponding author for alternatives. |
| Coplin Staining Dish | ThermoFisher (Waltham, MA) | Catalog No. S17495 | Staining dish/jar for hematoxylin and eosin (H&E) staining of sections |
| Cura 4.4.1. Software | Ultimaker, Utrecht, Netherlands | Ultimaker Cura 4.4.1. | Slicing software to convert stereolithography files into G-CODE files |
| Deltaphase isothermal gel heating pad | Braintree Scientific (Braintree, MA) | Item #39DP | Heating pad to provide thermal support to animals while under anesthesia |
| Eosin Y | Millipore Sigma (Burlington, MA) | HT110132-1L | Pink cytoplasmic stain |
| Gorilla Super Glue | The Gorilla Glue Company (Cincinnati, OH) | Gorilla Super Glue Micro Precise | Cyanoacrylate adhesive to bond PLA components |
| Hematoxylin solution, Gill No.3 | Millipore Sigma (Burlington, MA) | GHS332-1L | Dark blue stain for nuclei |
| HM525NX cryostat | ThermoFisher (Waltham, MA) | Catalog #HM525NX | Cryostat to make frozen sections of muscle |
| Lab Wipes. Kimberly-Clark Professional Kimtech Science Kimwipes Delicate Task Wipers, 1-Ply | ThermoFisher (Waltham, MA) | Catalog No. 06-666. Manufacturer #34120 | Laboratory wipes to blot mineral oil from muscle tissue before snap freezing and for other purposes. |
| Labview 2014 | National Instruments, Austin, Texas, USA | Labview 2014 | Software for custom-written programs/routines that operate the dynamometer and trigger the NMES stimulator. |
| Liquid nitrogen HDPE Dewar Flasks | ThermoFisher (Waltham, MA) | S34074B. Thermo Scientific 41502000/EMD | Flask to hold liquid nitrogen for snap freezing muscle or other tissue |
| Magic depilatory cream | Softsheen Carson (New York, NY) | N/A | Razorless hair removal cream |
| Metal alligator clip | JINSHANGTOPK (web-based business) | 24Pcs 51mm Metal Alligator Clip Spring Clamps | Spring clamp to hold tibial pin |
| Micrscope slides | Globe Scientific (Mahwah, NJ) | 1354W. Diamond White Glass Slides | Charged microscope slides |
| Mineral Oil | ThermoFisher (Waltham, MA) | BP26291 | Mineral oil to cryoprotect muscle tissue before snap freezing |
| Monoprice Premium 3D Printer Filament PLA | Monoprice (Rancho Cucamonga, CA) | #11778 | Premium 3D Printer Filament PLA 1.75mm 1 kg/spool, Gray. This is the material used to 3D print device components. |
| Monoprice Select Mini V2 3D printer | Monoprice (Rancho Cucamonga, CA) | Mini V2 3D | 3D printer for computer-aided fabrication of device components. |
| NIH Image software | National Instritues of Health (NIH, Bethesda, MD) | NIH Image for Windows | Image processing and analysis software used to quantify area of muscle damage. NIH Image is also known as Image J. |
| Photoshop CS4 | Adobe (San Jose, CA) | Creative Suite (CS4). 64 bit version for Windows | Image processing and analysis software used to generate tiled/stiched images of entire muscle cross-section from images of indvidual overlapping fields |
| PSIU6 stimulation isolation unit | Grass Instruments (West Warwick, RI) | PSIU6 isolation unit | Isolation unit for NMES. Stimulators, such as Model 4100 from A-M come with a built in stimulation isoloation unit |
| Roboz 4-0 silk black braided suture material | Roboz Surgical (Gaithersburg, MD) | Roboz Surgical SUT152 | Suture material to connect DART device footplate to dynamometer footplate or resistance for resistance training |
| S48 square pulse stimulator | Grass Instruments (West Warwick, RI) | S48 Stimulator | Laboratory electrical stimulator for NMES . If this stimulator is not commercially available, Model 4100 Isolated High Power Stimulator from A-M systems could be an alternative. Please contact co-author Jones for more information. |
| Scott’s bluing reagent | Ricca Chemical Company (Arlington, TX) | 6697-32 | Bluing solution that intensifies hematoxylin nuclear staining |
| SigmaStat version 3.5 | Systat Software (San Jose, CA) | SigmaStat version 3.5 | Statistical software package for statistical analyses |
| Tabletop isoflurane vaporizer | VetEquip (Livermore, CA) | Item #901801 | Inhaled tabletop anesthesia system |
| Triple antibiotic first aid ointment | Global Health Products (wed-based business) | Globe Triple Antibiotic First Aid Ointment, 1 oz (2-Pack) First Aid Antibiotic Ointment | Antibiotic ointment applied on tibial pin as part of post-procedural care |
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