Kvantificering af knæ extensor maksimal styrke er bydende nødvendigt at forstå funktionelle tilpasninger til aldring, sygdom, skade, og rehabilitering. Vi præsenterer en ny metode til gentagne gange at måle in vivo knæ forlængelse isometrisk peak stivkrampe drejningsmoment.
Skeletmuskulatur plasticitet som reaktion på utallige forhold og stimuli medierer samtidig funktionel tilpasning, både negativ og positiv. I klinikken og forskningslaboratoriet måles maksimal muskelstyrke bredt langsgående hos mennesker, med knæudtrykte muskulatur det mest rapporterede funktionelle resultat. Patologi af knæet extensor muskel kompleks er veldokumenteret i aldring, ortopædiske skader, sygdom, og disuse; knæ extensor styrke er tæt forbundet med funktionel kapacitet og skade risiko, understreger betydningen af pålidelig måling af knæ extensor styrke. Repeterbar, in vivo vurdering af knæ extensor styrke i prækliniske gnaver undersøgelser tilbyder værdifulde funktionelle endepunkter for undersøgelser udforske slidgigt eller knæskade. Vi rapporterer en in vivo og ikke-invasiv protokol til gentagne gange at måle isometrisk peak stivkrampe drejningsmoment af knæ extensors i mus over tid. Vi demonstrerer konsistens ved hjælp af denne nye metode til at måle knæudvdestyrke med gentagen vurdering hos flere mus, der producerer lignende resultater.
Skeletmuskulatur er et meget tilpasningsligt væv med kompenserende ændringer til masse og struktur som reaktion på et utal af stimuli, såsom motion, ernæring, skade, sygdom, aldring og disuse. Mange undersøgelser, der undersøger skeletmuskulaturtilpasning hos mennesker, anvender metoder til at måle både skeletmuskulaturstørrelse og indvirkning på funktionen, da guldstandardstyrkevurderinger let kan gentages hos mennesker.
Specifikt, knæ extensor og flexor styrke er mest vurderet i klinisk forskning. Ændringer i knæ extensor styrke er blevet bredt rapporteret i humane undersøgelser af aldring, motion, ortopædisk skade, knæ slidgigt, kronisk sygdom, og disuse1,2,3,4,5,6,7. Men metoder til gentagne gange og ikke-invasivt analysere knæ extensor muskel (quadriceps) styrke i mekanistiske gnaver undersøgelser har været relativt begrænset. En metode til bestemmelse af in vivo quadriceps muskelkontraktilitet hos rotter blev tidligere udviklet8; Der kræves dog omfattende konstruktion af ikke-kommercielt tilgængeligt udstyr. I betragtning af bredden af gnavermodeller udviklet til at studere muskuloskeletale resultater efter knæskade / slidgigt9,10,11,12,13 eksisterer der behov for ikke-invasiv vurdering af quadriceps styrke.
Desuden anvender gnaverundersøgelser, der undersøger molekylære mekanismer, der understøtter skeletmuskulaturtilpasning, ofte musemodeller på grund af enkelheden af genetisk modifikation, ligesom mange farmakologiske interventionsundersøgelser på grund af de reducerede økonomiske omkostninger forbundet med lavere vægtbaseret dosering af et lægemiddel hos mus sammenlignet med rotter. Vi rapporterer en ikke-invasiv metode til gentagne gange at måle in vivo knæ extensor funktion i samme mus over tid ved hjælp af kommercielt tilgængelige udstyr med mindre modifikation, lette reproducerbarhed blandt forskellige laboratorier, og giver mere direkte sammenligning med menneskelige styrke resultater.
Måling og analyse af muskelfunktion i gnavermodeller er afgørende for at gøre translationelle og meningsfulde slutninger vedrørende histologiske og molekylære skeletmuskulaturtilpasninger observeret med motion, skade, sygdom og terapeutisk behandling. Vi demonstrerer en metode til at vurdere knæ extensor maksimal styrke pålideligt og gentagne gange i mus ved hjælp af kommercielt tilgængeligt udstyr, med den justerbare plast stykke til at holde underekstremmen på den forreste skinneben er den eneste brugerdefinerede fabrikerede del, der kan replikeres.
Fælles funktionelle vurderingsværktøjer er blevet meget brugt til gentagne gange at evaluere fysisk ydeevne inden for den samme mus, såsom løbebånd, der løber til viljetræthed, rotarod performance test, omvendt klæbende test og grebsstyrketest. Men mens informative, disse vurderinger involverer kardiopulmonal og adfærdsmæssige komponent (r), som kan sløre forhør af neuromuskulær funktion forbundet med disse fysiske præstationsforanstaltninger. Desuden er elementer af udholdenhed, koordinering og balance til stede i mange af disse funktionelle vurderinger til forskellige niveauer, hvilket begrænser klar fortolkning i forhold til muskelstyrke. Den kraftproducerende evne til gnavermuskler kan måles in vitro, in situ eller in vivo. Hver tilgang har relative fordele og begrænsninger. Specifikt, med in vitro vurdering, musklen er helt isoleret og fjernet fra dyrets krop, så der ikke er nogen indflydelse fra perfusion eller innervation19. Dette giver et velkontrolleret miljø for at fastslå kontraktile evne, men begrænser størrelsen af musklen, der undersøges gennem afhængighed af passiv diffusion af ilt og næringsstoffer under test. In situ test opretholder innervation og blodforsyning af musklen, men er begrænset til en enestående terminal vurdering, som med in vitro test20. Endelig er in vivo test den mindst invasive med musklen tilbage i sit oprindelige miljø med perkutane elektroder indsat i nærheden af motornerven for elektrisk at stimulere musklen. En styrke ved in vivo-tilgangen er potentialet for langsgående test på tværs af tid21,22,23.
In vivo evaluering af peak muskel kontraktilitet optimalt måler maksimal styrke som den normale anatomi og fysiologi af musen forbliver intakt, og metoden kan gentages på samme mus før og efter en intervention eller i hele levetiden. Specifikt er in vivomåling af knæudseendestyrke hos mus murinstyrkevurderingen med den største translationelle relevans for humane undersøgelser, da maksimal knæforlængelsesmoment almindeligvis måles og betragtes som guldstandardstyrketest hos mennesker med korrelation til forskellige funktionelle og sundhedsmæssige resultater24,25,26,27 . Desuden observeres knæ extensorpatologi med aldring samt et utal af skader og sygdomme1,2,4,5,6, men det har ikke været let at opnå en vurdering af virkningen af disse tilstande på knæudtryk eller styrke i længderetningen hos mus.
Selv om denne metode giver mulighed for at bestemme knæ extensor peak drejningsmoment i en langsgående måde, visse begrænsninger af protokollen bør overvejes. Lavere frekvenser mellem 40 Hz og 120 Hz blev udeladt fra momentfrekvensprotokollen, hvilket kan begrænse muligheden for at detektere venstre eller højre skift i momentfrekvenskurven med skade eller sygdom. Men ved hjælp af denne momentfrekvensprotokol har vi været i stand til at opdage ændringer for at toppe stivkrampemoment i en ACL-skadesmodel og mellem C56BL/6 vilde mus og en transgen musemodel af suprafysiologisk muskelmasse (Figur 8). Vi bemærker, at det kan være gavnligt at sikre elektroderne med hjælpende hænder eller lignende apparater, da muskelsammentrækninger kan bevæge elektroder lidt. Vi noterede os ikke nogen åbenlys forskydning af elektroder med progressive sammentrækninger; muligheden for let bevægelse af elektroderne kan dog ikke udelukkes, hvilket kan påvirke muskelstimulering. Derudover blev intramuskulær elektromyografi (EMG) ikke udført i forbindelse med stimulusprotokollen; det kan dog være muligt at medtage EMG-foranstaltninger, hvis det ønskes og hensigtsmæssigt for forsøgsmodellen af interesse.
Vurdering af knæ extensor styrke i murin modeller af ortopædiske skader og sygdom vil lette præklinisk forskning med meningsfuld translationel relevans for kliniske styrke foranstaltninger. Vores protokol muliggør præcis og gentagen vurdering af maksimal knæudvrætstyrke hos mus med kommercielt tilgængeligt udstyr, der er tilgængeligt for ethvert laboratorium.
The authors have nothing to disclose.
Vi vil gerne takke Rosario Maroto for teknisk bistand. Forskning rapporteret i denne publikation blev støttet af National Institute of Arthritis and Musculoskeletal and Skin Diseases of the National Institutes of Health under Award Number R01 AR072061 (CSF). Indholdet er udelukkende forfatternes ansvar og repræsenterer ikke nødvendigvis de officielle synspunkter fra National Institutes of Health.
1300A: 3-in-1 Whole Animal System- Mouse | Aurora Scientific Incorporated | 300D-305C-FP: dual-mode motor with custom knee extension apparatus, 605A: Dynamic Muscle Data Acquisition and Analysis System, 701C: Electrical Stimulator, 809C: in-situ Mouse Apparatus | |
6100 Dynamic Muscle Control LabBook software | Aurora Scientific Incorporated | DMC v6.000 | |
611A Dynamic Muscle Analysis | Aurora Scientific Incorporated | DMA v5.501 | |
BravMini hair clippers | Wahl Clipper Corporation | ASIN: B00IN24ILE | |
Eye Lube | Optixcare | Item Number: 142422 | |
Isoflurane | Covetrus | NDC: 11695-6777-2 | |
V-1 Tabletop Laboratory Animal Anesthesia System | VetEquip Inhalation Anesthesia Systems | Item Number: 901806 | |
Prism 8 | GraphPad Software, LLC | Version 8.3.0 (328) |