Sıçan Dilinin Mekanik ve Viskoelastik Özelliklerinin In Vivo Değerlendirilmesi
Summary
Anestezik fare modelinde dildeki kas tonusu ve viskoelastik özelliklerini belirlemek için cerrahi bir prosedürü tarif ediyoruz. Prosedür, hipoglossal sinirlerin spesifik olarak uyarılmasını ve kaslara pasif Lissajous kuvvet / deformasyon eğrilerinin uygulanmasını içerir.
Abstract
Dil, omurgalıların çoğunun ağzında çok sinirlendirilmiş ve vaskülarize kas hidrostatıdır. Birincil işlevleri çiğneme ve yalancılaştırmanın yanı sıra tadı algılama ve fonetik desteklemektir. Buna göre, dilin kuvveti ve hacmi, omurgalıların beslenme, iletişim ve nefes alma gibi temel faaliyetleri gerçekleştirme kabiliyetini etkiler. Uyku apneli hastalarda, manyetik rezonans görüntüleme (MRG) ile görülebilen ve nicelenebilen artmış kas tonusu ve intramüsküler yağ artışı ile karakterize genişlemiş dildir. Dengenin kuvvet üretimini ve viskoelastik özelliklerini ölçme yetenekleri, görüntüleme verileri ile ilişkilendirilebilecek işlevsel bilgi elde etmek için önemli araçlar oluşturmaktadır. Burada, anestezi altındaki Zucker sıçanlarında dil kuvvet üretimini ölçmek için hipoglossal sinirlerin elektriksel uyarımı yoluyla ve viskoelastik özelliklerin belirlenmesi için teknikler sunulmaktadırPasif Lissajous kuvvet / deformasyon eğrileri uygulayarak dil.
Introduction
Dil, çiğneme, sökme, tat algılama ve konuşma için gerekli desteği sağlar. Farklı innerve ve anatomi / fonksiyona sahip ekstrinsik ve intrinsik kasların varlığı, bu kaslı hidrostatın tekliğinden sorumludur. Görüntüleme tekniklerindeki son gelişmeler, karmaşık anatomisinin daha ayrıntılı bir görünümünü sağlamıştır 1 . Dil işlevselliklerinde azalma, dil atrofisi, disfaji ve konuşma engelleri, Parkinson 2 , Amyotrofik Lateral Skleroz (ALS) 3 , Myotonic Distrofi (MD) 4 ve diğer miyopatiler gibi miyopatik rahatsızlıkların da belirtileridir.
Sık görülen hastalık durumlarıyla ilişkili kas kompozisyonundaki değişiklikler dilin mekanik ve viskoelastik özelliklerini etkiler. Örneğin, dil kuvvetinin işlevsel analizi yaşlanma ile ilişkili kasılma özelliklerinde değişiklikler ortaya çıkarmıştırSs = "xref"> 5 , 6 , hipoksi 7 , 8 ve obezite 9 , 10 . Kas distrofisi durumunda, artmış fibrozis, bir kas gerilmesine neden olur ve bu da bir Lissajous deformasyon protokolü uygulandığında deformasyona daha az uyuma neden olur 11 . Tersine, obez hastalarda belgelenenler gibi kas yağ içeriğindeki değişiklikler hem metabolik 12 hem de iskelet kasının 13 , 14 mekanik özelliklerini değiştirir ve kasın deformasyona uyumunu artırması beklenir. Artan dil fizi, kısmi üst hava yolu tıkanıklığı (apne) noktasına dil hacmini arttırarak, insanlardaki 17 , obstrüktif uyku apnesinin (OSA) gelişimi ile de korelasyon gösterir 15,16. SimObez Zucker sıçanlarında ( 10) dilin yağ infiltrasyonu belgelendi ve bu modelin, dil fızyolojisine yağ infiltrasyonunun etkilerini incelemek için değerli bir araç olduğunu düşündürdü.
Dil kuvvetinin ölçülmesi, hipoglossal sinirleri 17 , 18 izole etmek ve çift taraflı olarak stimule etmek için hassas cerrahi teknikler gerektirir. Bu tür teknikler daha önce farelere 5 , 17 , 19 , 20 , tavşanlar 21 ve insanlar 22 , 23'de tarif edilmiş, ancak araştırmacıya sınırlı görsel yardımlar yapılmıştır. Oldukça teknik doğası nedeniyle ayrıntılı bir protokolün varlığı, bu tekniğin erişilebilirliğini ve tekrarlanabilirliğini önemli ölçüde artıracaktır. Deneysel paradigmamızın amacı,Bir sıçan modelinde dilin mukavemet ve viskoelastik özelliklerini ölçmek için geçerli ve güvenilir bir teknik gereklidir. Bunu gerçekleştirmek için sıçan anestezi altına alınıp, hipoglossal sinirlere maruz bırakılır ve hayvanın dile serbestçe erişmesini sağlamak için trakea kanüle edilir. Bir sütür ilmesi daha sonra, iki kuvvet ve uzunluğu kontrol edebilen bir kuvvet dönüştürücüsüne dilin ucunu bağlarken, iki bipolar kanca elektrotu hipoglossal sinirleri dilin kasılmasını başlatmaya teşvik eder. Kuvvet ölçümü tamamlandıktan sonra, kuvvet transdüserinin uzunluk kontrol yetenekleri, sabit amplitüd (Lissajous eğrileri), süresi ve frekansı olan bir sinüs dalgası protokolüne göre, dilin süresini hızla değiştirmek için kullanılır; Viskoelastik özellikleri 11 , 24 . Protokol araştırmacıya diseksiyon aşamaları, hayvanın deneysel platfo üzerinde konumlandırılması konularında rehberlik edecektirRm, elektrot yerleştirilmesi ve son olarak kuvvet ve viskoelastiklik verisinin edinimi ve analizleri.
Protocol
Representative Results
Discussion
Dil metabolizması ve / veya bileşimindeki değişiklikler, örneğin obezite sonucu dilde yağ infiltrasyonunun, protokolümüz tarafından değerlendirilen parametrelerin nicelenebilir değişikliklerine neden olduğu tahmin edilmektedir. Diş kuvvetinin nicelendirilmesi büyük önem taşımaktadır, çünkü çıkıntılı ve geriye çekici aktivite veya genel dilde zayıflama arasındaki bir dengesizlik üst hava yolu 15'ün tıkanmasına neden olabilir. Dil kuvvetini artırmayı amaçlayan egzersiz t…
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Bu araştırma iki Ulusal Sağlık Teşviği Enstitüsü tarafından desteklendi: HL089447 ("Obezite ve OSA: Dilde Yağ ve Metabolik Fonksiyonun Önemini Anlamak") ve HL094307 ("Obezite ve Dil Falı İlişkisini Anlamak")
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).
