मांसपेशियों की क्षति के कम जोखिम के साथ चूहों में खुराक-समायोजित प्रतिरोध प्रशिक्षण
Summary
वर्तमान प्रोटोकॉल खुराक-समायोजित प्रतिरोध प्रशिक्षण (डार्ट) नामक एक अनूठी तकनीक का वर्णन करता है, जिसे चूहों जैसे छोटे जानवरों में किए गए सटीक पुनर्वास अध्ययनों में शामिल किया जा सकता है।
Abstract
प्रगतिशील प्रतिरोध प्रशिक्षण (पीआरटी), जिसमें उत्तरोत्तर अधिक बाहरी भार के खिलाफ मांसपेशियों के संकुचन करना शामिल है, स्वस्थ व्यक्तियों और रोगी आबादी में मांसपेशियों और ताकत को बढ़ा सकता है। छोटे और बड़े पशु मॉडल पर प्रीक्लिनिकल अध्ययनों में मांसपेशियों के द्रव्यमान और ताकत को बनाए रखने और / या बहाल करने के लिए पीआरटी की सुरक्षा और प्रभावशीलता का परीक्षण करने के लिए सटीक पुनर्वास उपकरणों की आवश्यकता है। इस आलेख में वर्णित पीआरटी पद्धति और डिवाइस का उपयोग खुराक-समायोजित प्रतिरोध प्रशिक्षण (डार्ट) करने के लिए किया जा सकता है। डार्ट डिवाइस का उपयोग चूहों में टखने डोर्सिफ्लेक्सर्स द्वारा उत्पन्न संकेंद्रित सिकुड़ा हुआ टोक़ का निष्पक्ष रूप से आकलन करने के लिए एक स्टैंडअलोन डायनेमोमीटर के रूप में किया जा सकता है या इसे पहले से मौजूद आइसोकाइनेटिक डायनेमोमेट्री सिस्टम में जोड़ा जा सकता है। डार्ट डिवाइस को इस काम में प्रदान किए गए निर्देशों और ओपन-सोर्स 3 डी प्रिंट फ़ाइलों के आधार पर एक मानक 3 डी प्रिंटर के साथ बनाया जा सकता है। लेख में लिंब-गर्डल मस्कुलर डिस्ट्रॉफी टाइप 2 बी / आर 2 (बीएलएजे चूहों) के माउस मॉडल में आइसोमेट्रिक संकुचन (आईएसओएम) के तुलनीय मुकाबले के कारण डार्ट के एकल मुकाबले के कारण संकुचन-प्रेरित मांसपेशियों की क्षति की तुलना करने के लिए एक अध्ययन के लिए वर्कफ़्लो का भी वर्णन किया गया है। आठ बीएलएजे चूहों (प्रत्येक स्थिति के लिए चार जानवर) के आंकड़ों से पता चलता है कि डार्ट या आईएसओएम के एक मुकाबले से टिबियलिस एंटीरियर (टीए) मांसपेशी का 10% से कम क्षतिग्रस्त हो गया था, जिसमें डार्ट आईएसओएम की तुलना में कम हानिकारक था।
Introduction
व्यायाम कंकाल की मांसपेशियों पर कई स्वास्थ्य लाभ प्रदान करता है (विना एट अल 1 में समीक्षा की गई)। विशेष रूप से, प्रगतिशील प्रतिरोध प्रशिक्षण (पीआरटी), जिसमें उत्तरोत्तर अधिक बाहरी भार (जैसे, बारबेल, डंबल, केबल-पुली-वजन सर्किट) के खिलाफ मांसपेशियों के संकुचन का प्रदर्शन करना शामिल है, स्वस्थ व्यक्तियों और रोगी आबादी दोनों में मांसपेशियों के द्रव्यमान और ताकत को बढ़ाने में मदद करने के लिए जाना जाता है (पिछले प्रकाशनोंमें समीक्षा 2,3) ). पीआरटी अधिभार सिद्धांत पर आधारित है, जो बताता है कि, जब मांसपेशी उत्तरोत्तर अधिक बाहरी भार के खिलाफ सिकुड़ती है, तो यह अपने शारीरिक क्रॉस-अनुभागीय क्षेत्र के साथ-साथ बल-उत्पादन क्षमता4 को बढ़ाकर अनुकूलित होती है। कृन्तकों में पीआरटी के मौजूदा मॉडल में पूंछ पर लागू प्रतिरोध के साथ सीढ़ी चढ़ना, विरोधी के प्रतिरोध के खिलाफ एगोनिस्ट मांसपेशियों का सह-संकुचन, भारित हार्नेस के साथ दौड़ना, बिजली के झटके से प्राप्त एक स्क्वैटिंग व्यायाम और 5,6,7,8,9,10 (पिछलेप्रकाशनों में समीक्षा की गई) शामिल हैं। ). हालांकि, वर्तमान में चूहों में मांसपेशियों-लक्षित, खुराक-समायोजित पीआरटी करने के लिए कोई शोध उपकरण नहीं हैं जो मानव नैदानिक अनुसंधान और अभ्यास12,13 में उपयोग किए जाने वाले पीआरटी विधियों और उपकरणों से निकटता से मिलते जुलते हैं। यह चूहों में बुनियादी और प्रीक्लिनिकल अध्ययनों में सटीक खुराक वाले पीआरटी की सुरक्षा और प्रभावशीलता का अध्ययन करने के लिए जांचकर्ताओं की क्षमता को सीमित करता है।
इस बाधा को दूर करने के लिए, आधुनिक व्यायामशालाओं14,15,16 में प्रतिरोध प्रशिक्षण उपकरणों में नियोजित केबल-पुली-वजन सर्किट डिजाइनों के आधार पर इस अध्ययन में एक पीआरटी पद्धति और उपकरण विकसित किया गया है। पीआरटी की इस विधि को खुराक-समायोजित प्रतिरोध प्रशिक्षण (डार्ट) के रूप में जाना जाता है, और डिवाइस को डार्ट डिवाइस कहा जाता है। एक सटीक पुनर्वास प्रशिक्षण उपकरण के रूप में इसकी कार्यक्षमता के अलावा, डार्ट डिवाइस का उपयोग माउस में टिबियलिस एंटीरियर (टीए) मांसपेशी द्वारा उत्पन्न अधिकतम संकेंद्रित सिकुड़ा हुआ टोक़ का निष्पक्ष रूप से आकलन करने के लिए एक स्टैंडअलोन उपकरण के रूप में भी किया जा सकता है, ठीक उसी तरह जैसे एक-पुनरावृत्ति अधिकतम (1आरएम, अधिकतम भार जिसे अच्छे रूप को बनाए रखते हुए केवल एक बार सफलतापूर्वक उठाया / स्थानांतरित / दबाया जा सकता है) कामूल्यांकन मनुष्यों में किया जाता है। 18. डार्ट डिवाइस को एक माउस में टीए मांसपेशी द्वारा उत्पादित पीक आइसोमेट्रिक टेटेनिक बल को मापने के लिए एक कस्टम-निर्मित या वाणिज्यिक आइसोकाइनेटिक डायनेमोमीटर के साथ भी जोड़ा जा सकता है (मनुष्यों में अधिकतम स्वैच्छिक संकुचन [एमवीसी] के बराबर) और फिर एक प्रतिरोध के साथ खुराक-समायोजित पीआरटी का प्रदर्शन करता है जो पीक टेटेनिक बल (जैसे, पीक बल का 50%) पर आधारित होता है।
यह लेख डार्ट डिवाइस के निर्माण का वर्णन करता है और बताता है कि इसे कस्टम-निर्मित डायनेमोमीटर के साथ कैसे जोड़ा जा सकता है, जिसे पूर्वप्रकाशनों 19,20,21,22 में वर्णित किया गया है, ताकि सिकुड़ा हुआ टोक़ का आकलन किया जा सके और डार्ट किया जा सके। अध्ययन में यह भी बताया गया है कि कैसे डार्ट डिवाइस का उपयोग डार्ट के एकल मुकाबले (50% 1आरएम के साथ 10 संकेंद्रित पक्षपाती संकुचन के 4 सेट) के कारण होने वाली व्यायाम-प्रेरित मांसपेशियों की क्षति की तुलना लिम्ब-गर्डल मस्कुलर डिस्ट्रॉफी टाइप 2 बी (एलजीएमडी 2 बी) के माउस मॉडल में आइसोमेट्रिक संकुचन (10 आइसोमेट्रिक संकुचन के 4 सेट) के कारण होने वाली क्षति से करने के लिए किया गया था। या एलजीएमडीआर 2) 23,24। अध्ययन किए गए माउस मॉडल में डिस्फेरिन नामक प्रोटीन की कमी है, जो हानिकारक सनकी संकुचन 22,25,26,27,28,29,30 के बाद देरी से शुरू होने वाली मांसपेशियों की क्षति के खिलाफ कंकाल की मांसपेशियों की रक्षा में महत्वपूर्ण भूमिका निभाता है . डिस्फेरिन की कमी वाले नर चूहों में यह भी प्रदर्शित किया गया है कि संकेंद्रित रूप से पक्षपाती जबरन व्यायाम उतना हानिकारक नहीं है जितना कि सनकी रूप से पक्षपाती मजबूर व्यायाम और यह कि संकेंद्रित रूप से पक्षपाती प्रशिक्षण के पूर्व संपर्क में आने से सनकी रूप से पक्षपाती संकुचन के बाद की चोट से सुरक्षामिलती है। चूंकि वर्तमान अध्ययन खुराक-समायोजित, संकेंद्रित पक्षपाती प्रतिरोध प्रशिक्षण करने में वर्तमान डार्ट पद्धति और डिवाइस की व्यवहार्यता का परीक्षण करने के लिए आयोजित किया गया था, इसलिए पिछले डेटा के साथ डार्ट डिवाइस से नए डेटा की तुलना करने के लिए जांच के लिए पुरुष डिस्फेर्लिन-कमी वाले चूहों को चुना गया था। भविष्य के अध्ययनों में, मादा BLAJ चूहों को डार्ट की प्रतिक्रिया के संबंध में जैविक चर के रूप में सेक्स के प्रभाव का अध्ययन करने के लिए शामिल किया जाएगा। चूहों जो ~ 1.5 वर्ष के थे, उनका अध्ययन किया गया था क्योंकि उनके पास पहले से ही कई मांसपेशी समूहों में डिस्ट्रोफिक परिवर्तन हैं और इसलिए, पैथोफिजियोलॉजिकल स्थिति का मॉडल बनाते हैं जिसमें मांसपेशियां उन रोगियों में हो सकती हैं जिनके पास पहले से ही मांसपेशियों की कमजोरी और बर्बादी है और मांसपेशियों और ताकतको बनाए रखने के लिए पुनर्वास देखभाल की मांग कर रहे हैं।
Protocol
Representative Results
Discussion
यह लेख खुराक-समायोजित प्रतिरोध प्रशिक्षण (डार्ट) नामक एक प्रकार के सटीक पुनर्वास प्रशिक्षण को करने के लिए एक उपकरण का निर्माण करने के तरीके पर चरण-दर-चरण निर्देश प्रस्तुत करता है। यह काम एक प्रशिक्षण अ?…
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
इस अध्ययन को जैन फाउंडेशन इंक, एनआईसीएचडी से आर03एचडी091648, एनआईएच पी 2 सीएचडी 086843 के तहत एआर3टी से पायलट अनुदान, वेन स्टेट यूनिवर्सिटी में ईएसीपीएचएस से एफआरएपी पुरस्कार, वेन स्टेट यूनिवर्सिटी से एक संकाय स्टार्टअप पैकेज और जेएआर को 1 आर 01 एआर 079884-01 (पीटर एल जोन्स पीआई) से एक उप-अनुबंध द्वारा वित्त पोषित किया गया था। इस अध्ययन को अमेरिकन फिजिकल थेरेपी एसोसिएशन – मिशिगन (एपीटीए-एमआई) द्वारा जेएमबी, एमईपी और जेएआर को अनुसंधान अनुदान द्वारा भी वित्त पोषित किया गया था। रेणुका रोश (एसोसिएट प्रोफेसर, पूर्वी मिशिगन विश्वविद्यालय, एमआई) को पांडुलिपि को गंभीर रूप से पढ़ने और प्रतिक्रिया प्रदान करने के लिए स्वीकार करते हैं। लेखक 3 डी प्रिंटिंग पर सलाह के लिए श्री एंसलम डी मोथा को स्वीकार करते हैं। लेखक डिस्फेर्लिनोपैथी वाले रोगियों को धन्यवाद देते हैं जिन्होंने https://www.jain-foundation.org/patient-physician-resources/patient-stories जैन फाउंडेशन की वेबसाइट पर अपनी कहानियों को साझा किया है, विशेष रूप से व्यायाम के साथ उनके अनुभव।
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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