Entraînement en résistance ajusté en fonction de la posologie chez les souris présentant un risque réduit de lésions musculaires
Summary
Le présent protocole décrit une technique unique appelée entraînement en résistance ajustée à la dose (DART), qui peut être incorporée dans des études de réadaptation de précision effectuées sur de petits animaux, tels que des souris.
Abstract
L’entraînement progressif en résistance (PRT), qui consiste à effectuer des contractions musculaires contre des charges externes progressivement plus importantes, peut augmenter la masse musculaire et la force chez les individus en bonne santé et dans les populations de patients. Il existe un besoin d’outils de réadaptation de précision pour tester l’innocuité et l’efficacité de la PRT afin de maintenir et/ou de restaurer la masse musculaire et la force dans les études précliniques sur des modèles animaux de petite et de grande taille. La méthodologie et le dispositif PRT décrits dans cet article peuvent être utilisés pour effectuer un entraînement de résistance ajusté à la posologie (DART). Le dispositif DART peut être utilisé comme dynamomètre autonome pour évaluer objectivement le couple contractile concentrique généré par les fléchisseurs dorsoles de la cheville chez la souris ou peut être ajouté à un système de dynamométrie isocinétique préexistant. Le dispositif DART peut être fabriqué avec une imprimante 3D standard basée sur les instructions et les fichiers d’impression 3D open source fournis dans ce travail. L’article décrit également le flux de travail d’une étude visant à comparer les lésions musculaires induites par la contraction causées par un seul épisode d’EICC aux lésions musculaires causées par un épisode comparable de contractions isométriques (OMA) dans un modèle murin de dystrophie musculaire de type 2B / R2 (souris BLAJ). Les données de huit souris BLAJ (quatre animaux pour chaque condition) suggèrent que moins de 10% du muscle antérieur du tibial (TA) a été endommagé par un seul épisode de DART ou d’ISOM, le DART étant moins dommageable que l’ISOM.
Introduction
L’exercice confère de nombreux avantages pour la santé des muscles squelettiques (examinés dans Vina et al.1). Plus précisément, l’entraînement progressif en résistance (PRT), qui consiste à effectuer des contractions musculaires contre des charges externes progressivement plus importantes (p. ex. haltères, haltères, circuits câble-poulie-poids), est connu pour aider à augmenter la masse musculaire et la force chez les personnes en bonne santé et les populations de patients (revue dans des publications antérieures 2,3 ). La PRT est basée sur le principe de surcharge, selon lequel, lorsque le muscle se contracte contre des charges externes de plus en plus importantes, il s’adapte en augmentant sa section transversale physiologique ainsi que sa capacité de production de force4. Les modèles existants de PRT chez les rongeurs comprennent l’escalade d’échelle avec résistance appliquée à la queue, la co-contraction des muscles agonistes contre la résistance des antagonistes, la course avec un harnais lesté, un exercice accroupi provoqué par un choc électrique et la résistance à la marche des roues 5,6,7,8,9,10 (revue dans des publications antérieures 11,12 ). Cependant, il n’existe actuellement aucun outil de recherche permettant d’effectuer une PRT ciblée avec précision et ajustée en fonction de la posologie chez la souris qui ressemble étroitement aux méthodes et dispositifs PRT utilisés dans la recherche et la pratique cliniques humaines12,13. Cela limite la capacité des chercheurs à étudier l’innocuité et l’efficacité de la PRT à dose précise dans les études fondamentales et précliniques chez la souris.
Pour surmonter cet obstacle, une méthodologie et un dispositif PRT sont développés dans cette étude sur la base des conceptions de circuits câble-poulie utilisées dans les équipements d’entraînement en résistance dans les gymnases modernes14,15,16. Cette méthode de PRT est appelée entraînement de résistance ajusté à la dose (DART), et le dispositif est appelé dispositif DART. En plus de sa fonctionnalité en tant qu’outil d’entraînement de réadaptation de précision, le dispositif DART peut également être utilisé comme instrument autonome pour évaluer objectivement le couple contractile concentrique maximal qui peut être généré par le muscle tibial antérieur (TA) chez une souris, de la même manière que le maximum d’une répétition (1RM, la charge maximale qui peut être soulevée / déplacée / pressée / accroupie avec succès une seule fois tout en maintenant une bonne forme) est évaluée chez l’homme17, 18. Le dispositif DART peut également être couplé à un dynamomètre isocinétique fabriqué sur mesure ou commercial pour mesurer la force tétanique isométrique maximale produite par le muscle TA chez une souris (comparable à la contraction volontaire maximale [MVC] chez l’homme), puis effectuer une PRT ajustée à la dose avec une résistance basée sur la force tétanique maximale (p. ex., 50 % de la force de crête).
Cet article décrit la construction du dispositif DART et explique comment il peut être couplé à un dynamomètre sur mesure, qui a été décrit dans les publications antérieures 19,20,21,22, pour évaluer le couple contractile et effectuer l’EICC. L’étude décrit également comment le dispositif DART a été utilisé pour comparer les dommages musculaires induits par l’exercice causés par un seul épisode de DART (4 séries de 10 contractions concentriquement biaisées avec 50% 1RM) aux dommages causés par un épisode comparable de contractions isométriques (4 séries de 10 contractions isométriques) dans un modèle murin de dystrophie musculaire de type 2B (LGMD2B, ou LGMDR2)23,24. Le modèle murin étudié manque d’une protéine appelée dysferline, qui joue un rôle important dans la protection du muscle squelettique contre les lésions musculaires d’apparition retardée à la suite de contractions excentriques nuisibles 22,25,26,27,28,29,30 . Il a également été démontré chez des souris mâles déficientes en dysferline que l’exercice forcé concentré n’est pas aussi dommageable que l’exercice forcé excentrique et que l’exposition antérieure à un entraînement concentriquement biaisé offre une protection contre les blessures résultant d’un épisode ultérieur de contractions excentriquementbiaisées 22. Étant donné que la présente étude a été menée pour tester la faisabilité de la méthodologie et du dispositif DART actuels pour effectuer un entraînement de résistance à dosage ajusté et biaisé concentriquement, des souris mâles déficientes en dysferline ont été choisies pour l’étude afin de comparer les nouvelles données du dispositif DART avec les données précédentes. Dans les études futures, des souris BLAJ femelles seront incluses pour étudier l’effet du sexe en tant que variable biologique par rapport à la réponse à l’EICC. Les souris âgées de ~ 1,5 an ont été étudiées car elles présentent déjà des changements dystrophiques dans de nombreux groupes musculaires et, par conséquent, modélisent l’état physiopathologique dans lequel les muscles pourraient être chez les patients qui ont déjà une faiblesse musculaire et une atrophie musculaire et qui recherchent des soins de réadaptation pour maintenir la masse musculaire et la force26.
Protocol
Representative Results
Discussion
Cet article présente des instructions étape par étape sur la façon de construire un appareil pour effectuer un type d’entraînement de réadaptation de précision appelé entraînement de résistance ajusté à la dose (DART). Le travail décrit également l’application du dispositif et de la méthodologie DART dans une étude d’entraînement pour comparer les dommages musculaires 3 jours après un seul épisode de DART (groupe DART) avec les dommages 3 jours après un entraînement isométrique comparable (gro…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Cette étude a été financée par des subventions de la Jain Foundation Inc., R03HD091648 du NICHD, une subvention pilote de AR3T sous NIH P2CHD086843, un prix FRAP de l’EACPHS à Wayne State University, un Faculty Startup Package de Wayne State University et un contrat de sous-traitance de 1R01AR079884-01 (Peter L. Jones PI) à JAR. Cette étude a également été financée par une subvention de recherche de l’American Physical Therapy Association – Michigan (APTA-MI) à JMB, MEP et JAR. Les auteurs remercient la Dre Renuka Roche (professeure agrégée, Eastern Michigan University, MI) pour avoir lu le manuscrit de manière critique et fourni des commentaires. Les auteurs remercient M. Anselm D. Motha pour ses conseils sur l’impression 3D. Les auteurs remercient les patients atteints de dysferlinopathies qui ont partagé leurs histoires sur le site Web de la Fondation Jain à https://www.jain-foundation.org/patient-physician-resources/patient-stories, en particulier leurs expériences avec l’exercice.
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 |
References
- Vina, J., Sanchis-Gomar, F., Martinez-Bello, V., Gomez-Cabrera, M. C. Exercise acts as a drug; The pharmacological benefits of exercise. British Journal of Pharmacology. 167 (1), 1-12 (2012).
- Murton, A. J., Greenhaff, P. L. Resistance exercise and the mechanisms of muscle mass regulation in humans: Acute effects on muscle protein turnover and the gaps in our understanding of chronic resistance exercise training adaptation. The International Journal of Biochemistry & Cell Biology. 45 (10), 2209-2214 (2013).
- Pepin, M. E., Roche, J. A., Malek, M. H., Chandler, T. J., Brown, L. E. Strength Training for Special Populations. Conditioning for Strength and Human Performance. , 547-570 (2019).
- Helland, C., et al. Training strategies to improve muscle power: Is Olympic-style weightlifting relevant. Medicine and Science in Sports and Exercise. 49 (4), 736-745 (2017).
- Souza, M. K., et al. l-Arginine supplementation blunts resistance exercise improvement in rats with chronic kidney disease. Life Sciences. 232, 116604 (2019).
- Schmoll, M., et al. SpillOver stimulation: A novel hypertrophy model using co-contraction of the plantar-flexors to load the tibial anterior muscle in rats. PloS One. 13 (11), 0207886 (2018).
- Adams, G. R., Haddad, F., Bodell, P. W., Tran, P. D., Baldwin, K. M. Combined isometric, concentric, and eccentric resistance exercise prevents unloading-induced muscle atrophy in rats. Journal of Applied Physiology. 103 (5), 1644-1654 (2007).
- Guedes, J. M., et al. Muscular resistance, hypertrophy and strength training equally reduce adiposity, inflammation and insulin resistance in mice with diet-induced obesity. Einstein. 18, (2019).
- Zhu, W. G., et al. Weight pulling: A novel mouse model of human progressive resistance exercise. Cells. 10 (9), 2459 (2021).
- Call, J. A., McKeehen, J. N., Novotny, S. A., Lowe, D. A. Progressive resistance voluntary wheel running in the mdx mouse. Muscle & Nerve. 42 (6), 871-880 (2010).
- Strickland, J. C., Smith, M. A. Animal models of resistance exercise and their application to neuroscience research. Journal of Neuroscience Methods. 273, 191-200 (2016).
- Greising, S. M., Basten, A. M., Schifino, A. G., Call, J. A., Greising, S. M., Call, J. A. Considerations for Small Animal Physical Rehabilitation. Regenerative Rehabilitation: From Basic Science to the Clinic. , 39-59 (2022).
- Roche, J. A., Greising, S. M., Call, J. A. Regenerative Rehabilitation for Nonlethal Muscular Dystrophies. Regenerative Rehabilitation: From Basic Science to the Clinic. , 61-84 (2022).
- Schott, N., Johnen, B., Holfelder, B. Effects of free weights and machine training on muscular strength in high-functioning older adults. Experimental Gerontology. 122, 15-24 (2019).
- . Dr. Gustav Zander’s Victorian-Era Exercise Machines Made the Bowflex Look Like Child’s Play Available from: https://www.smithsonianmag.com/smithsonian-institution/gustav-zander-victorian-era-exercise-machines-bowflex-180957758/ (2016)
- Hansson, N., Ottosson, A. Nobel prize for physical therapy? Rise, fall, and revival of medico-mechanical institutes. Physical Therapy. 95 (8), 1184-1194 (2015).
- ACSM. American College of Sports Medicine position stand. Progression models in resistance training for healthy adults. Medicine and Science in Sports and Exercise. 41 (3), 687-708 (2009).
- Suchomel, T. J., Nimphius, S., Bellon, C. R., Hornsby, W. G., Stone, M. H. Training for muscular strength: Methods for monitoring and adjusting training intensity. Sports Medicine. 51 (10), 2051-2066 (2021).
- Bloch, R. J., et al. Small-Animal Unit for Muscle Injury, Muscle Testing and Muscle Training in Vivo. US Patent. , (2012).
- Lovering, R. M., Roche, J. A., Goodall, M. H., Clark, B. B., McMillan, A. An in vivo rodent model of contraction-induced injury and non-invasive monitoring of recovery. Journal of Visualized Experiments. (51), e2782 (2011).
- Begam, M., et al. Diltiazem improves contractile properties of skeletal muscle in dysferlin-deficient BLAJ mice, but does not reduce contraction-induced muscle damage. Physiological Reports. 6 (11), 13727 (2018).
- Begam, M., et al. The effects of concentric and eccentric training in murine models of dysferlin-associated muscular dystrophy. Muscle and Nerve. 62 (3), 393-403 (2020).
- Straub, V., Murphy, A., Udd, B. 229th ENMC international workshop: Limb girdle muscular dystrophies – Nomenclature and reformed classification Naarden, the Netherlands. Neuromuscular Disorders. 28 (8), 702-710 (2018).
- . DYSFERLIN Available from: https://www.omim.org/entry/603009 (2021)
- Millay, D. P., et al. Genetic manipulation of dysferlin expression in skeletal muscle: Novel insights into muscular dystrophy. American Journal of Pathology. 175 (5), 1817-1823 (2009).
- Nagy, N., et al. Hip region muscular dystrophy and emergence of motor deficits in dysferlin-deficient Bla/J mice. Physiological Reports. 5 (6), 13173 (2017).
- Roche, J. A., Lovering, R. M., Bloch, R. J. Impaired recovery of dysferlin-null skeletal muscle after contraction-induced injury in vivo. Neuroreport. 19 (16), 1579-1584 (2008).
- Roche, J. A., et al. Extensive mononuclear infiltration and myogenesis characterize recovery of dysferlin-null skeletal muscle from contraction-induced injuries. American Journal of Physiology: Cell Physiology. 298 (2), 298-312 (2010).
- Roche, J. A., Ru, L. W., Bloch, R. J. Distinct effects of contraction-induced injury in vivo on four different murine models of dysferlinopathy. Journal of Biomedicine and Biotechnology. 2012, 134031 (2012).
- Roche, J. A., et al. Myofiber damage precedes macrophage infiltration after in vivo injury in dysferlin-deficient A/J mouse skeletal muscle. American Journal of Pathology. 185 (6), 1686-1698 (2015).
- Ingalls, C. P., Warren, G. L., Zhang, J. Z., Hamilton, S. L., Armstrong, R. B. Dihydropyridine and ryanodine receptor binding after eccentric contractions in mouse skeletal muscle. Journal of Applied Physiology. 96 (5), 1619-1625 (2004).
- Dutton, M. . Orthopaedics for the Physical Therapist Assistant. , 238 (2011).
- Begam, M., Abro, V. M., Mueller, A. L., Roche, J. A. Sodium 4-phenylbutyrate reduces myofiber damage in a mouse model of Duchenne muscular dystrophy. Applied Physiology, Nutrition, and Metabolism. Physiologie Appliquée, Nutrition et Métabolisme. 41 (10), 1108-1111 (2016).
- Tully, J. J., Meloni, G. N. A scientist’s guide to buying a 3D printer: How to choose the right printer for your laboratory. Analytical Chemistry. 92 (22), 14853-14860 (2020).
- Schwiening, C. 3D printing primer for physiologists. Physiology News. (101), (2015).
- Begam, M., Roche, J. A. Damaged muscle fibers might masquerade as hybrid fibers – A cautionary note on immunophenotyping mouse muscle with mouse monoclonal antibodies. European Journal of Histochemistry. 62 (3), 2896 (2018).
- Lott, D. J., et al. Safety, feasibility, and efficacy of strengthening exercise in Duchenne muscular dystrophy. Muscle & Nerve. 63 (3), 320-326 (2021).
- Lindsay, A., Larson, A. A., Verma, M., Ervasti, J. M., Lowe, D. A. Isometric resistance training increases strength and alters histopathology of dystrophin-deficient mouse skeletal muscle. Journal of Applied Physiology. 126 (2), 363-375 (2019).
- Dalkin, W., Taetzsch, T., Valdez, G. The fibular nerve Injury method: A reliable assay to identify and test factors that repair neuromuscular junctions. Journal of Visualized Experiments. (114), e54186 (2016).
- Amend, S. R., Valkenburg, K. C., Pienta, K. J. Murine hind limb long bone dissection and bone marrow isolation. Journal of Visualized Experiments. (110), e53936 (2016).
- Gerlinger-Romero, F., et al. Non-invasive assessment of dorsiflexor muscle function in mice. Journal of Visualized Experiments. (143), e58696 (2019).
- Brightwell, C. R., et al. In vivo measurement of knee extensor muscle function in mice. Journal of Visualized Experiments. (169), e62211 (2021).
- Pratt, S. J. P., Lawlor, M. W., Shah, S. B., Lovering, R. M. An in vivo rodent model of contraction-induced injury in the quadriceps muscle. Injury. 43 (6), 788-793 (2012).
- Shields, R. K. Precision rehabilitation: How lifelong healthy behaviors modulate biology, determine health, and affect populations. Physical Therapy. 102 (1), 248 (2022).
- . Medical Rehabilitation Research Resource Network (MR3N). Precision Rehabilitation – Inaugural Scientific Retreat Available from: https://ncmrr.org/education-training/archived-presentations/precision-rehab-archive (2021)
- Roche, J. A., et al. Minimally invasive muscle embedding generates donor-cell-derived muscle fibers that express desmin and dystrophin. Military Medicine. 185, 423-429 (2020).
- Roche, J. A., et al. Minimally invasive muscle embedding (MIME), facilitates the development of functional muscle fibers of human cadaveric origin, in host mice. The FASEB Journal. 33, 602 (2019).
