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Neuroscienze

근육 손상 위험이 감소한 마우스에서 복용량 조정 저항 훈련

Published: August 31, 2022
doi:
10.3791/64000
, , , , , , , , ,
1Physical Therapy Program, Department of Health Care Sciences, Eugene Applebaum College of Pharmacy and Health Sciences,Wayne State University, 2Department of Pharmacology,University of Nevada, Reno School of Medicine

Summary

본 프로토콜은 마우스와 같은 작은 동물에서 수행되는 정밀 재활 연구에 통합될 수 있는 투여량 조정 저항 훈련(DART)이라는 독특한 기술을 설명합니다.

Abstract

점진적으로 더 큰 외부 부하에 대해 근육 수축을 수행하는 것을 포함하는 점진적 저항 훈련(PRT)은 건강한 개인과 환자 집단에서 근육량과 근력을 증가시킬 수 있습니다. 소형 및 대형 동물 모델에 대한 전임상 연구에서 근육량과 근력을 유지 및/또는 회복하기 위해 PRT의 안전성과 효과를 테스트하기 위한 정밀 재활 도구가 필요합니다. 이 기사에 설명 된 PRT 방법론 및 장치를 사용하여 용량 조정 저항 훈련 (DART)을 수행 할 수 있습니다. DART 장치는 독립형 동력계로 사용하여 마우스의 발목 배굴근에서 생성된 동심 수축 토크를 객관적으로 평가하거나 기존 등속성 역동계 시스템에 추가할 수 있습니다. DART 장치는이 작업에 제공된 지침 및 오픈 소스 3D 인쇄 파일을 기반으로 표준 3D 프린터로 제작할 수 있습니다. 이 기사는 또한 사지 거들 근이영양증 유형 2B/R2(BLAJ 마우스)의 마우스 모델에서 DART의 단일 발작으로 인한 수축 유발 근육 손상과 유사한 등척성 수축(ISOM)으로 인한 근육 손상을 비교하는 연구의 워크플로에 대해 설명합니다. 8 마리의 BLAJ 마우스 (각 조건에 대해 4 마리의 동물)의 데이터에 따르면 경골 전방 (TA) 근육의 10 % 미만이 DART 또는 ISOM의 단일 발작으로 손상되었으며 DART는 ISOM보다 덜 손상되었습니다.

Introduction

운동은 골격근에 수많은 건강상의 이점을 부여합니다 (Vina et al.1에서 검토 됨). 특히, 점진적으로 더 큰 외부 하중(예: 바벨, 덤벨, 케이블 풀리 웨이트 회로)에 대해 근육 수축을 수행하는 것을 포함하는 점진적 저항 훈련(PRT)은 건강한 개인과 환자 집단 모두에서 근육량과 근력을 증가시키는 데 도움이 되는 것으로 알려져 있습니다(이전 간행물 2,3 ). PRT는 근육이 점진적으로 더 큰 외부 하중에 대해 수축할 때 생리적 단면적과 힘생성 능력을 증가시켜 적응한다는 과부하 원리를 기반으로 합니다4. 설치류의 기존 PRT 모델에는 꼬리에 저항이 가해진 사다리 등반, 길항제의 저항에 대한 작용제 근육의 공동 수축, 가중 하네스로 달리기, 전기 충격에 의해 유발되는 쪼그리고 앉는 운동, 바퀴 달리기저항 5,6,7,8,9,10(이전 간 행 물 11,12에서 검토됨) ). 그러나, 현재 인간 임상 연구 및 실습12,13에 사용되는 PRT 방법 및 장치와 매우 유사한 마우스에서 정확하게 근육 표적화, 용량 조정 PRT를 수행하는 연구 도구는 없다. 이것은 연구자가 마우스의 기초 및 전임상 연구에서 정확하게 투여 된 PRT의 안전성과 효과를 연구하는 능력을 제한합니다.

이러한 장벽을 극복하기 위해, 현대 체육관14,15,16의 저항 훈련 장비에 사용되는 케이블 풀리 웨이트 회로 설계를 기반으로 PRT 방법론 및 장치가 본 연구에서 개발된다. 이 PRT 방법을 용량 조정 저항 훈련 (DART)이라고하며이 장치를 DART 장치라고합니다. 정밀 재활 훈련 도구로서의 기능 외에도 DART 장치는 마우스의 경골 전방 (TA) 근육에 의해 생성 될 수있는 최대 동심 수축 토크를 객관적으로 평가하기위한 독립형 기기로도 사용될 수 있으며, 이는 1 회 반복 최대 (1RM, 좋은 형태를 유지하면서 한 번만 성공적으로 들어 올릴 수있는 최대 하중)가 인간에서 평가되는 방식과 유사합니다17, 18. DART 장치는 또한 맞춤형 또는 상용 등척성 동력계와 결합하여 마우스의 TA 근육에 의해 생성된 피크 등척성 파상풍력(인간의 최대 자발적 수축[MVC]에 필적함)을 측정한 다음 피크 파상풍력(예: 피크 힘의 50%)을 기반으로 하는 저항으로 용량 조정 PRT를 수행할 수 있습니다.

이 기사에서는 DART 장치의 구성에 대해 설명하고 수축 토크를 평가하고 DART를 수행하기 위해 이전 간행물 19,20,21,22에서 설명한 맞춤형 동력계와 결합하는 방법을 설명합니다. 이 연구는 또한 DART 장치를 사용하여 사지 거들 근이영양증 유형 2B(LGMD2B, 또는 LGMDR2)23,24. 연구된 마우스 모델에는 유해한 편심 수축 후 지연 발병 근육 손상으로부터 골격근을 보호하는 데 중요한 역할을 하는 디스페린이라는 단백질이 부족합니다. 22,25,26,27,28,29,30 . 또한 dysferlin 결핍 수컷 마우스에서 동심원으로 편향된 강제 운동은 편심적으로 편향된 강제 운동만큼 해롭지 않으며 동심원으로 편향된 훈련에 대한 사전 노출은 편심적으로 편향된 수축의 후속 발작으로 인한 부상으로부터 보호된다는 것이 입증되었습니다22. 현재 연구는 투여량 조정, 동심원 편향 저항 훈련을 수행함에있어 현재 DART 방법론 및 장치의 타당성을 테스트하기 위해 수행 되었기 때문에 수컷 디스 페린 결핍 마우스를 조사를 위해 DART 장치의 새로운 데이터를 이전 데이터와 비교하기 위해 선택되었습니다. 향후 연구에서는 DART에 대한 반응과 관련하여 생물학적 변수로서의 성의 효과를 연구하기 위해 암컷 BLAJ 마우스가 포함될 것입니다. ~ 1.5 세의 마우스는 이미 많은 근육 그룹에서 영양 장애 변화가 있기 때문에 연구되었으며, 따라서 이미 근육 약화와 소모가 있고 근육량과 힘을 유지하기 위해 재활 치료를 찾고있는 환자의 근육이있을 수있는 병태 생리 학적 상태를 모델링합니다26.

Protocol

이 기사에 설명 된 실험은 실험실 동물의 관리 및 사용 가이드 (1996, National Academy Press, 2101 Constitution Ave. NW, Washington, DC 20055, USA)에 따라 미국 미시간 주 디트로이트에있는 웨인 주립 대학의 기관 동물 관리 및 사용위원회 (IACUC)의 승인을 받았습니다. 나6. A-Dysfprmd/GeneJ 마우스(일명 BLAJ 마우스, 수컷, ~1.5세)를 LGMD2B/R2 모델로 하여 본 연구에 사용하였다. 마우스는 상업적 공급원으로부터 …

Representative Results

~1.5세 나이의 BLAJ 수컷 마우스를 연구했습니다. BLAJ 마우스는 인간 근육 질환인 LGMD2B/R2를 모델링합니다. 이들 마우스는 편심 근육 수축의 단일 시합으로부터 지연된 발병 근육 손상에 특히 취약하다(22,29). 따라서 BLAJ 마우스는 TA 근육이 동심원으로 편향된 방식으로 작동해야하는 저항을 정확하게 조정하여 DART를 비 해롭지 않은 방식으로 수행 할 수 있?…

Discussion

이 기사에서는 용량 조정 저항 훈련(DART)이라고 하는 일종의 정밀 재활 훈련을 수행하기 위해 장치를 구성하는 방법에 대한 단계별 지침을 제공합니다. 이 연구는 또한 DART (DART 그룹)의 단일 시합 후 3 일 후 근육 손상과 유사한 등척성 훈련 (ISOM 그룹) 후 3 일 손상을 비교하는 훈련 연구에서 DART 장치 및 방법론의 적용을 설명합니다.

프로토콜의 중요한 단계는 DART 장치 34,35의 ?…

Divulgazioni

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

이 연구는 Jain Foundation Inc.의 보조금, NICHD의 R03HD091648, NIH P2CHD086843에 따른 AR3T의 파일럿 보조금, Wayne State University의 EACPHS의 FRAP Award, Wayne State University의 교수진 스타트 업 패키지 및 1R01AR079884-01 (Peter L. Jones PI)에서 JAR로의 하청 계약으로 자금을 지원했습니다. 이 연구는 또한 JMB, MEP 및 JAR에 대한 미국 물리 치료 협회-미시간 (APTA-MI) 연구 보조금의 지원을 받았습니다. 저자는 원고를 비판적으로 읽고 피드백을 제공한 Renuka Roche 박사(미시건 이스턴 미시간 대학교 부교수)에게 감사를 표합니다. 저자는 3D 프린팅에 대한 조언을 구한 Anselm D. Motha 씨를 인정합니다. 저자는 https://www.jain-foundation.org/patient-physician-resources/patient-stories 의 자이나교 재단 웹 사이트에서 자신의 이야기, 특히 운동 경험을 공유 한 dysferlinopathes 환자에게 감사드립니다.

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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Riferimenti

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Dosage-adjusted Resistance TrainingMuscle DamageMiceAnterior Tibial MusclesEccentrically Biased ContractionsSciatic NerveElectrical StimulationIsothermal Gel Heating PadDepilatory CreamLidocaine CreamTibial Stabilizing PinDART DeviceFootplate

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Begam, M., Narayan, N., Mankowski, D., Camaj, R., Murphy, N., Roseni, K., Pepin, M. E., Blackmer, J. M., Jones, T. I., Roche, J. A. Dosage-Adjusted Resistance Training in Mice with a Reduced Risk of Muscle Damage. J. Vis. Exp. (186), e64000, doi:10.3791/64000 (2022).
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