Detta protokoll beskriver en unik teknik som kallas dosjusterad motståndsträning (DART), som kan införlivas i precisionsrehabiliteringsstudier utförda på små djur, såsom möss.
Progressiv motståndsträning (PRT), som innebär att man utför muskelsammandragningar mot gradvis större yttre belastningar, kan öka muskelmassan och styrkan hos friska individer och i patientpopulationer. Det finns ett behov av precisionsrehabiliteringsverktyg för att testa säkerheten och effektiviteten hos PRT för att bibehålla och/eller återställa muskelmassa och styrka i prekliniska studier på små och stora djurmodeller. PRT-metoden och enheten som beskrivs i den här artikeln kan användas för att utföra dosjusterad motståndsträning (DART). DART-anordningen kan användas som en fristående dynamometer för att objektivt bedöma det koncentriska kontraktila vridmomentet som genereras av fotledsdorsiflexorerna hos möss eller kan läggas till ett redan existerande isokinetiskt dynamometrisystem. DART-enheten kan tillverkas med en standard 3D-skrivare baserat på instruktionerna och 3D-utskriftsfiler med öppen källkod som tillhandahålls i detta arbete. Artikeln beskriver också arbetsflödet för en studie för att jämföra sammandragningsinducerad muskelskada orsakad av en enda anfall av DART med muskelskador orsakade av en jämförbar anfall av isometriska sammandragningar (ISOM) i en musmodell av muskeldystrofi av lembälte typ 2B / R2 (BLAJ-möss). Data från åtta BLJ-möss (fyra djur för varje tillstånd) tyder på att mindre än 10% av tibialis främre (TA) muskeln skadades av en enda anfall av DART eller ISOM, med DART som mindre skadligt än ISOM.
Motion ger många hälsofördelar på skelettmuskulaturen (granskad i Vina et al.1). Specifikt är progressiv motståndsträning (PRT), som innebär att man utför muskelsammandragningar mot gradvis större yttre belastningar (t.ex. skivstänger, hantlar, kabel-remskiva-viktkretsar), känt för att hjälpa till att öka muskelmassan och styrkan hos både friska individer och patientpopulationer (granskad i tidigare publikationer 2,3 ). PRT bygger på överbelastningsprincipen, som säger att när muskeln kontraherar mot gradvis större yttre belastningar, anpassar den sig genom att öka sin fysiologiska tvärsnittsarea samt kraftproducerande kapacitet4. Befintliga modeller av PRT hos gnagare inkluderar stegklättring med motstånd applicerat på svansen, samkontraktion av agonistmuskler mot motstånd från antagonister, löpning med en viktad sele, en hukövning framkallad av en elektrisk stöt och motstod hjulkörning 5,6,7,8,9,10 (granskad i tidigare publikationer 11,12 ). Det finns dock för närvarande inga forskningsverktyg för att utföra exakt muskelriktad, dosjusterad PRT hos möss som liknar PRT-metoderna och enheterna som används i mänsklig klinisk forskning och praxis12,13. Detta begränsar prövarnas förmåga att studera säkerheten och effektiviteten hos exakt doserad PRT i grundläggande och prekliniska studier på möss.
För att övervinna denna barriär utvecklas en PRT-metod och enhet i denna studie baserad på kabel-remskiva-viktkretsdesignerna som används i motståndsträningsutrustning i moderna gymnasier14,15,16. Denna metod för PRT kallas dosjusterad motståndsträning (DART), och enheten kallas DART-enheten. Förutom dess funktionalitet som ett precisionsrehabiliteringsträningsverktyg kan DART-enheten också användas som ett fristående instrument för att objektivt bedöma det maximala koncentriska kontraktila vridmomentet som kan genereras av tibialis främre (TA) muskeln i en mus, liknande hur en-repetitionsmaximum (1RM, den maximala belastningen som framgångsrikt kan lyftas / flyttas / pressas / hukas bara en gång med bibehållen god form) bedöms hos människor17, 18. DART-enheten kan också kopplas till en specialbyggd eller kommersiell isokinetisk dynamometer för att mäta den maximala isometriska tetaniska kraften som produceras av TA-muskeln i en mus (jämförbar med maximal frivillig sammandragning [MVC] hos människor) och sedan utföra dosjusterad PRT med ett motstånd som är baserat på den högsta tetaniska kraften (t.ex. 50% av toppkraften).
Denna artikel beskriver konstruktionen av DART-enheten och förklarar hur den kan kopplas till en specialbyggd dynamometer, som har beskrivits i tidigare publikationer 19,20,21,22, för att bedöma kontraktilt vridmoment och utföra DART. Studien beskriver också hur DART-enheten användes för att jämföra träningsinducerad muskelskada orsakad av en enda anfall av DART (4 uppsättningar med 10 koncentriskt partiska sammandragningar med 50% 1RM) med skador orsakade av en jämförbar anfall av isometriska sammandragningar (4 uppsättningar med 10 isometriska sammandragningar) i en musmodell av muskeldystrofi av lembälte typ 2B (LGMD2B, eller LGMDR2)23,24. Musmodellen som studerades saknar ett protein som kallas dysferlin, vilket spelar en viktig roll för att skydda skelettmuskulaturen mot fördröjd muskelskada efter skadliga excentriska sammandragningar 22,25,26,27,28,29,30 . Det har också visats hos dysferlin-bristfälliga manliga möss att koncentriskt partisk tvångsträning inte är lika skadlig som excentriskt partisk tvångsträning och att tidigare exponering för koncentriskt partisk träning ger skydd mot skada från en efterföljande anfall av excentriskt partiska sammandragningar22. Eftersom den aktuella studien genomfördes för att testa genomförbarheten av den nuvarande DART-metoden och enheten för att utföra dosjusterad, koncentriskt partisk motståndsträning, valdes manliga dysferlinbristmöss för undersökningen för att jämföra nya data från DART-enheten med tidigare data. I framtida studier kommer kvinnliga BLJ-möss att inkluderas för att studera effekten av kön som en biologisk variabel i förhållande till svaret på DART. Möss som var ~ 1,5 år gamla studerades eftersom de redan har dystrofa förändringar i många muskelgrupper och därför modellerar det patofysiologiska tillståndet där muskler kan vara hos patienter som redan har muskelsvaghet och slöseri och söker rehabiliterande vård för att upprätthålla muskelmassa och styrka26.
Den här artikeln presenterar steg-för-steg-instruktioner om hur man konstruerar en enhet för att utföra en typ av precisionsrehabiliteringsträning som kallas dosjusterad motståndsträning (DART). Arbetet beskriver också tillämpningen av DART-enheten och metodiken i en träningsstudie för att jämföra muskelskador 3 dagar efter en enda anfall av DART (DART-grupp) med skador 3 dagar efter en jämförbar anfall av isometrisk träning (ISOM-grupp).
De kritiska stegen i protokollet är ko…
The authors have nothing to disclose.
Denna studie finansierades av bidrag från Jain Foundation Inc., R03HD091648 från NICHD, ett pilotbidrag från AR3T under NIH P2CHD086843, ett FRAP-pris från EACPHS vid Wayne State University, ett fakultetsstartpaket från Wayne State University och en underleverantör från 1R01AR079884-01 (Peter L. Jones PI) till JAR. Denna studie finansierades också av ett forskningsbidrag från American Physical Therapy Association – Michigan (APTA-MI) till JMB, MEP och JAR. Författarna erkänner Dr. Renuka Roche (docent, Eastern Michigan University, MI) för att kritiskt läsa manuskriptet och ge feedback. Författarna erkänner Anselm D. Motha för råd om 3D-utskrift. Författarna tackar patienterna med dysferlinopatier som har delat sina berättelser på Jain Foundation-webbplatsen på https://www.jain-foundation.org/patient-physician-resources/patient-stories, särskilt deras erfarenheter av träning.
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 |