In Vivo Оценка механических и вязкоупругих свойств крысиного языка
Summary
Мы описываем хирургическую процедуру в анестезированной модели крысы для определения мышечного тонуса и вязкоупругих свойств языка. Процедура включает в себя специфическую стимуляцию гипоглоссальных нервов и применение пассивных кривых силы / деформации Лиссажу к мышце.
Abstract
Язык – это сильно иннервированный и васкуляризированный гидростат мышц на полу устья большинства позвоночных. Его основные функции включают поддержку жевания и деградации, а также вкусовые ощущения и фонетику. Соответственно, сила и объем языка могут влиять на способность позвоночных выполнять основные виды деятельности, такие как питание, общение и дыхание. Человеческие пациенты с апноэ во сне имеют расширенные языки, характеризующиеся уменьшением мышечного тонуса и увеличенным внутримышечным жиром, который можно визуализировать и количественно определять с помощью магнитно-резонансной томографии (МРТ). Способность измерять генерацию силы и вязкоупругие свойства языка являются важными инструментами для получения функциональной информации для корреляции с данными визуализации. Здесь мы представляем методы измерения образования силы языка у анестезированных крыс Цукера посредством электрической стимуляции гипоглобулярных нервов и для определения вязкоупругих свойств oF язык, применяя пассивные кривые силы / деформации Лиссажу.
Introduction
Язык обеспечивает необходимую поддержку для жевания, дегуляции, вкуса и речи. Присутствие внешней и внутренней мускулатуры с выраженной иннервацией и анатомией / функцией объясняет уникальность этого мускульного гидростата. Недавние достижения в технике визуализации позволили более детально рассмотреть сложную анатомию 1 . Снижение функциональности языка, атрофия языка, дисфагия и речевые затруднения также являются распространенными проявлениями миопатических состояний, таких как паркинсон 2 , амиотрофический болевой склероз (ALS) 3 , миотоническая дистрофия (MD) 4 и другие миопатии.
Изменения в составе мышц, связанные с распространенными болезненными состояниями, влияют на механические и вязкоупругие свойства языка. Например, функциональный анализ силы языка обнаружил изменения в сократительных свойствах, связанных со старениемSs = "xref"> 5 , 6 , гипоксия 7 , 8 и ожирение 9 , 10 . В случае мышечной дистрофии повышенный фиброз приводит к более высокой жесткости мышц, что приводит к снижению соответствия деформации при применении протокола деформации Лиссажу 11 . И наоборот, изменения в содержании мышечного жира, как и те, которые описаны у пациентов с ожирением, изменяют как метаболические 12, так и механические свойства скелетных мышц 13 , 14 и, как прогнозируется, увеличивают соответствие мышц деформации. Повышенный жир языка также коррелирует с развитием обструктивного апноэ сна (OSA) у людей 17 путем увеличения объема языка до точки частичной окклюзии верхних дыхательных путей (апноэ) 15 , 16 . СимА также у людей, инфильтрация жировой ткани была зарегистрирована у тучных крыс Цукера 10 , что свидетельствует о том, что эта модель является ценным инструментом для изучения влияния инфильтрации жира на физиологию языка.
Измерение силы языка требует деликатных хирургических методов, чтобы изолировать и билатерально стимулировать гипоглоссальные нервы 17 , 18 . Такие методы были ранее описаны у крыс 5 , 17 , 19 , 20 , кроликов 21 и людей 22 , 23 , но с ограниченными визуальными средствами для исследователя. Благодаря высокому техническому характеру доступность подробного протокола значительно улучшит доступность и воспроизводимость этого метода. Цель нашей экспериментальной парадигмы – плохоИспользовать достоверную и надежную методику измерения прочности и вязкоупругих свойств языка в модели крысы. Для этого крыса анестезируется, появляются гипоглоссальные нервы, а трахея канюлирована, чтобы обеспечить свободный доступ к языку животного. Затем шовный шлейф соединяет кончик язычка с преобразователем силы, способным контролировать как силу, так и длину, в то время как два биполярных крюковых электрода стимулируют гипоглоссальные нервы, чтобы вызвать сжатие языка. После того, как измерение силы завершено, возможности контроля длины усилителя силы используются для быстрого изменения длины язычка в соответствии с протоколом синусоидальной волны с фиксированной амплитудой (кривые Лиссажу), длительностью и частотой, что позволяет получить Его вязкоупругие свойства 11 , 24 . Протокол будет направлять исследователя через шаги вскрытия, позиционирование животного на экспериментальной платоRm, размещение электродов и, наконец, получение и анализ данных о силе и вязкоупругости.
Protocol
Representative Results
Discussion
Предполагается, что изменения в метаболизме и / или составе языка, например, инфильтрация жировой ткани вследствие ожирения, приводят к количественным изменениям параметров, которые оцениваются по нашему протоколу. Количественная оценка силы языка представляет большой интерес, ?…
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Это исследование было поддержано двумя национальными институтами медицинских грантов: HL089447 («Ожирение и OSA: понимание важности жирной и метаболической функции») и HL094307 («Понимание взаимосвязи между ожирением и жирным жиром»)
Materials
| SurgiSuite (heated Surgical tray) | Kent Scientific | SurgiSuite-LG | Includes heated platform |
| LED Lighting and Magnification Kit | Kent Scientific | SURGI- 5003 | |
| RC2 Rodent Circuit Controller | VetEquip | 922100 | |
| Isoflurane | Butler Schein Animal Health Supply | 29405 | |
| Alcohol Prep | Webcol | 6818 | |
| Cotton-tipped applicators | MediChoice | WOD1002 | |
| Hair clipper | Conair | ||
| Hair remover lotion | Nair | ||
| Medical tape | Transpore | 3M | |
| D-PBS | Corning | 21-030-CM | |
| Operating Scissors | World Precision Instruments | 503717-12 | |
| Hemostatic Forceps | Merit | 97-458 | Any tissue forceps can be used instead |
| Microdissecting Forceps, Angled, Serrated, 10.2cm, SS | World Precision Instruments | 504479 | |
| Suture Tying Forceps | Fine Science Tools | 18025-10 | |
| Blunt Micro Hook | Fine Science Tools | 10062-12 | |
| Microhemostat | Fine Science Tools | 12075-14 | |
| Thermal cautery | WPI | 501292 | Disposable cauteries are available at lower cost |
| IV 14g x 3.25" cannula | BD | B-D382268H | For tracheal cannulation |
| Braided silk non-absorbable suture size 4-0 | Harvard Apparatus | SP104 | For stabilization of the tracheal cannula |
| Braided non-absorbable silk 5/0 suture | Surgik LC, USA | ESILRC15387550 | For suturing the tongue |
| Plastic-coated metal twist-tie (or electrical wire) | For securing the rat's nose to the platform | ||
| Camera stick | |||
| 3 way-swivel and Trilene 9Kg test monofilament line | Berkley | For securing the jaw and maintaining the mouth open | |
| Camera stick with adjustable angle | For supporting the 3 way-swivel and maintaining the mouth open. | ||
| in situ Muscle Test System | Aurora Scientific | 809C | This system is designed for mice and was modified by extending the platform. Alternatively the rat-specific 806D system can be used. |
| Dual-Mode Muscle lever (force transducer) | Aurora Scientific | 305C-LR | 309C offers higher excursion capabilities than 305C-LR. Link for more information and specifications: http://aurorascientific.com/products/muscle-physiology/dual-mode-muscle-levers/ |
| Needle Electrodes (surgical steel, 29 gauge) | AD Instruments | MLA1204 | 300C is recommended for use in mice. |
| Magnetic Stands | World Precision Instruments | M10 | Used for making the bipolar stimulating hook electrodes |
| Kite Manual Micromanipulator | World Precision Instruments | KITE-R and KITE-L | Require a steel plate |
| Stackable Double Binding Post with Banana Jack x BNC Jack | McMaster Carr | 6704K13 | |
| Carbon fiber composites digital caliper | VWR | 36934-152 |
Riferimenti
- Sanders, I., Mu, L. A three-dimensional atlas of human tongue muscles. Anat Rec (Hoboken). 296 (7), 1102-1114 (2013).
- Ciucci, M. R., et al. Tongue force and timing deficits in a rat model of Parkinson disease. Behav Brain Res. 222 (2), 315-320 (2011).
- Easterling, C., Antinoja, J., Cashin, S., Barkhaus, P. E. Changes in tongue pressure, pulmonary function, and salivary flow in patients with amyotrophic lateral sclerosis. Dysphagia. 28 (2), 217-225 (2013).
- Wang, Z. J., Huang, X. S. Images in clinical medicine. Myotonia of the tongue. N Engl J Med. 365 (15), e32 (2011).
- Ota, F., Connor, N. P., Konopacki, R. Alterations in contractile properties of tongue muscles in old rats. Ann Otol Rhinol Laryngol. 114 (10), 799-803 (2005).
- Schwarz, E. C., Thompson, J. M., Connor, N. P., Behan, M. The Effects of Aging on Hypoglossal Motoneurons in Rats. Dysphagia. 24 (1), 40 (2008).
- Pae, E. -. K., Wu, J., Nguyen, D., Monti, R., Harper, R. M. Geniohyoid muscle properties and myosin heavy chain composition are altered after short-term intermittent hypoxic exposure. J Appl Physiol. 98 (3), 889-894 (2005).
- Fuller, D. D., Fregosi, R. F. Fatiguing contractions of tongue protrudor and retractor muscles: influence of systemic hypoxia. J Appl Physiol. 88 (6), 2123-2130 (2000).
- Ray, A. D., Farkas, G. A., Pendergast, D. R. In-situ mechanical characteristics of the tongue are not altered in the obese Zucker rat. Sleep. 32 (7), 957 (2009).
- Brennick, M. J., et al. Tongue fat infiltration in obese versus lean Zucker rats. Sleep. 37 (6), 1095-1102 (2014).
- Stedman, H. H., Sweeney, H. L., Shrager, J. B., Maguire, H. C., Panettieri, R. A., Petrof, B., Narusawa, M., Leferovich, J. M., Sladky, J. T., Kelly, A. M. The mdx mouse diaphragm reproduces the degenerative changes of Duchenne muscular dystrophy. Nature. 352 (6335), 536-539 (1991).
- Goodpaster, B. H., Wolf, D. Skeletal muscle lipid accumulation in obesity, insulin resistance, and type 2 diabetes. Pediatr Diabetes. 5 (4), 219-226 (2004).
- Loro, E., et al. IL-15Rα is a determinant of muscle fuel utilization, and its loss protects against obesity. Am J Physiol Regul Integr Comp Physiol. 309 (8), R835-R844 (2015).
- Rahemi, H., Nigam, N., Wakeling, J. M. The effect of intramuscular fat on skeletal muscle mechanics: implications for the elderly and obese. J R Soc Interface. 12 (109), 20150365 (2015).
- Kim, A. M., et al. Tongue fat and its relationship to obstructive sleep apnea. Sleep. 37 (10), 1639-1648 (2014).
- Kim, A. M., et al. Metabolic activity of the tongue in obstructive sleep apnea. A novel application of FDG positron emission tomography imaging. Am J Respir Crit Care Med. 189 (11), 1416-1425 (2014).
- Gilliam, E. E., Goldberg, S. J. Contractile properties of the tongue muscles: effects of hypoglossal nerve and extracellular motoneuron stimulation in rat. J Neurophysiol. 74 (2), 547-555 (1995).
- Sokoloff, A. J. Localization and contractile properties of intrinsic longitudinal motor units of the rat tongue. J Neurophysiol. 84 (2), 827-835 (2000).
- Becker, B. J., Russell, J. A., Connor, N. P. Effects of aging on evoked retrusive tongue actions. Arch Oral Biol. 60 (6), 966-971 (2015).
- Connor, N. P., et al. Tongue muscle plasticity following hypoglossal nerve stimulation in aged rats. Muscle Nerve. 47 (2), 230-240 (2013).
- Seo, J., et al. Nerve cuff electrode using embedded magnets and its application to hypoglossal nerve stimulation. J Neural Eng. 13 (6), 066014 (2016).
- Friedman, M., et al. Targeted hypoglossal nerve stimulation for the treatment of obstructive sleep apnea: Six-month results. Laryngoscope. 126 (11), 2618-2623 (2016).
- Heiser, C., Maurer, J. T., Steffen, A. Functional outcome of tongue motions with selective hypoglossal nerve stimulation in patients with obstructive sleep apnea. Sleep Breath. 20 (2), 553-560 (2016).
- Syme, D. A. Passive viscoelastic work of isolated rat, Rattus norvegicus, diaphragm muscle. J Physiol. 424, 301-315 (1990).
- Connor, N. P., et al. Effect of tongue exercise on protrusive force and muscle fiber area in aging rats. J Speech Lang Hear Res. 52 (3), 732-744 (2009).
- Schaser, A. J., Stang, K., Connor, N. P., Behan, M. The effect of age and tongue exercise on BDNF and TrkB in the hypoglossal nucleus of rats. Behav Brain Res. 226 (1), 235-241 (2012).
- Puhan, M. A., et al. Didgeridoo playing as alternative treatment for obstructive sleep apnea syndrome: randomised controlled trial. BMJ. 332 (7536), 266-270 (2006).
- Guimarães, K. C., Drager, L. F., Genta, P. R., Marcondes, B. F., Lorenzi-Filho, G. Effects of oropharyngeal exercises on patients with moderate obstructive sleep apnea syndrome. Am J Respir Crit Care Med. 179 (10), 962-966 (2009).
- Ueda, H., Almeida, F. R., Chen, H., Lowe, A. A. Effect of 2 jaw exercises on occlusal function in patients with obstructive sleep apnea during oral appliance therapy: a randomized controlled trial. Am J Orthod Dentofacial Orthop. 135 (4), 430 (2009).
- Strollo, P. J., et al. Upper-airway stimulation for obstructive sleep apnea. N Engl J Med. 370 (2), 139-149 (2014).
- Perrier, P., Payan, Y., Zandipour, M., Perkell, J. Influences of tongue biomechanics on speech movements during the production of velar stop consonants: A modeling study. J Acoust Soc Am. 114 (3), 1582-1599 (2003).
- Connor, N. P., et al. Tongue muscle plasticity following hypoglossal nerve stimulation in aged rats. Muscle & nerve. 47 (2), 230-240 (2013).
- Brady, J. P., et al. AlphaB-crystallin in lens development and muscle integrity: a gene knockout approach. Invest Ophthalmol Vis Sci. 42 (12), 2924-2934 (2001).
- Spassov, A., et al. Differential expression of myosin heavy chain isoforms in the masticatory muscles of dystrophin-deficient mice. Eur J Orthod. , ciq113 (2010).
- Lever, T. E., et al. Videofluoroscopic Validation of a Translational Murine Model of Presbyphagia. Dysphagia. 30 (3), 328-342 (2015).
- Gantois, I., et al. Ablation of D1 dopamine receptor-expressing cells generates mice with seizures, dystonia, hyperactivity, and impaired oral behavior. Proc Natl Acad Sci. 104 (10), 4182-4187 (2007).
