Summary

Dosjusterad styrketräning hos möss med minskad risk för muskelskador

Published: August 31, 2022
doi:

Summary

Detta protokoll beskriver en unik teknik som kallas dosjusterad motståndsträning (DART), som kan införlivas i precisionsrehabiliteringsstudier utförda på små djur, såsom möss.

Abstract

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.

Introduction

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.

Protocol

Experimenten som beskrivs i denna artikel godkändes av Institutional Animal Care and Use Committee (IACUC) vid Wayne State University, Detroit, Michigan, USA, i enlighet med Guide for the Care and Use of Laboratory Animals (1996, publicerad av National Academy Press, 2101 Constitution Ave. NW, Washington, DC 20055, USA). B6. A-Dysfprmd/GeneJ-möss (aka BLAJ-möss, hanar, ~1,5 år gamla) som modell LGMD2B/R2 användes för den aktuella studien. Mössen erhölls från en kommersiell källa (se …

Representative Results

BLAJ hanmöss, som var ~ 1,5 år gamla, studerades. BLAJ-möss modellerar den mänskliga muskelsjukdomen, LGMD2B/R2. Dessa möss är särskilt mottagliga för fördröjd muskelskada från en enda anfall av excentriska muskelsammandragningar22,29. BLAJ-möss valdes därför för dessa studier för att lära sig om DART kunde utföras på ett icke-skadligt sätt genom att exakt justera motståndet mot vilket TA-muskeln måste arbeta på ett koncentriskt partiskt s?…

Discussion

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…

Divulgazioni

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

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.

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

Riferimenti

  1. Vina, J., Sanchis-Gomar, F., Martinez-Bello, V., Gomez-Cabrera, M. C. Exercise acts as a drug; The pharmacological benefits of exercise. British Journal of Pharmacology. 167 (1), 1-12 (2012).
  2. Murton, A. J., Greenhaff, P. L. Resistance exercise and the mechanisms of muscle mass regulation in humans: Acute effects on muscle protein turnover and the gaps in our understanding of chronic resistance exercise training adaptation. The International Journal of Biochemistry & Cell Biology. 45 (10), 2209-2214 (2013).
  3. Pepin, M. E., Roche, J. A., Malek, M. H., Chandler, T. J., Brown, L. E. Strength Training for Special Populations. Conditioning for Strength and Human Performance. , 547-570 (2019).
  4. Helland, C., et al. Training strategies to improve muscle power: Is Olympic-style weightlifting relevant. Medicine and Science in Sports and Exercise. 49 (4), 736-745 (2017).
  5. Souza, M. K., et al. l-Arginine supplementation blunts resistance exercise improvement in rats with chronic kidney disease. Life Sciences. 232, 116604 (2019).
  6. Schmoll, M., et al. SpillOver stimulation: A novel hypertrophy model using co-contraction of the plantar-flexors to load the tibial anterior muscle in rats. PloS One. 13 (11), 0207886 (2018).
  7. Adams, G. R., Haddad, F., Bodell, P. W., Tran, P. D., Baldwin, K. M. Combined isometric, concentric, and eccentric resistance exercise prevents unloading-induced muscle atrophy in rats. Journal of Applied Physiology. 103 (5), 1644-1654 (2007).
  8. Guedes, J. M., et al. Muscular resistance, hypertrophy and strength training equally reduce adiposity, inflammation and insulin resistance in mice with diet-induced obesity. Einstein. 18, (2019).
  9. Zhu, W. G., et al. Weight pulling: A novel mouse model of human progressive resistance exercise. Cells. 10 (9), 2459 (2021).
  10. Call, J. A., McKeehen, J. N., Novotny, S. A., Lowe, D. A. Progressive resistance voluntary wheel running in the mdx mouse. Muscle & Nerve. 42 (6), 871-880 (2010).
  11. Strickland, J. C., Smith, M. A. Animal models of resistance exercise and their application to neuroscience research. Journal of Neuroscience Methods. 273, 191-200 (2016).
  12. Greising, S. M., Basten, A. M., Schifino, A. G., Call, J. A., Greising, S. M., Call, J. A. Considerations for Small Animal Physical Rehabilitation. Regenerative Rehabilitation: From Basic Science to the Clinic. , 39-59 (2022).
  13. Roche, J. A., Greising, S. M., Call, J. A. Regenerative Rehabilitation for Nonlethal Muscular Dystrophies. Regenerative Rehabilitation: From Basic Science to the Clinic. , 61-84 (2022).
  14. Schott, N., Johnen, B., Holfelder, B. Effects of free weights and machine training on muscular strength in high-functioning older adults. Experimental Gerontology. 122, 15-24 (2019).
  15. . Dr. Gustav Zander’s Victorian-Era Exercise Machines Made the Bowflex Look Like Child’s Play Available from: https://www.smithsonianmag.com/smithsonian-institution/gustav-zander-victorian-era-exercise-machines-bowflex-180957758/ (2016)
  16. Hansson, N., Ottosson, A. Nobel prize for physical therapy? Rise, fall, and revival of medico-mechanical institutes. Physical Therapy. 95 (8), 1184-1194 (2015).
  17. ACSM. American College of Sports Medicine position stand. Progression models in resistance training for healthy adults. Medicine and Science in Sports and Exercise. 41 (3), 687-708 (2009).
  18. Suchomel, T. J., Nimphius, S., Bellon, C. R., Hornsby, W. G., Stone, M. H. Training for muscular strength: Methods for monitoring and adjusting training intensity. Sports Medicine. 51 (10), 2051-2066 (2021).
  19. Bloch, R. J., et al. Small-Animal Unit for Muscle Injury, Muscle Testing and Muscle Training in Vivo. US Patent. , (2012).
  20. Lovering, R. M., Roche, J. A., Goodall, M. H., Clark, B. B., McMillan, A. An in vivo rodent model of contraction-induced injury and non-invasive monitoring of recovery. Journal of Visualized Experiments. (51), e2782 (2011).
  21. Begam, M., et al. Diltiazem improves contractile properties of skeletal muscle in dysferlin-deficient BLAJ mice, but does not reduce contraction-induced muscle damage. Physiological Reports. 6 (11), 13727 (2018).
  22. Begam, M., et al. The effects of concentric and eccentric training in murine models of dysferlin-associated muscular dystrophy. Muscle and Nerve. 62 (3), 393-403 (2020).
  23. Straub, V., Murphy, A., Udd, B. 229th ENMC international workshop: Limb girdle muscular dystrophies – Nomenclature and reformed classification Naarden, the Netherlands. Neuromuscular Disorders. 28 (8), 702-710 (2018).
  24. . DYSFERLIN Available from: https://www.omim.org/entry/603009 (2021)
  25. Millay, D. P., et al. Genetic manipulation of dysferlin expression in skeletal muscle: Novel insights into muscular dystrophy. American Journal of Pathology. 175 (5), 1817-1823 (2009).
  26. Nagy, N., et al. Hip region muscular dystrophy and emergence of motor deficits in dysferlin-deficient Bla/J mice. Physiological Reports. 5 (6), 13173 (2017).
  27. Roche, J. A., Lovering, R. M., Bloch, R. J. Impaired recovery of dysferlin-null skeletal muscle after contraction-induced injury in vivo. Neuroreport. 19 (16), 1579-1584 (2008).
  28. Roche, J. A., et al. Extensive mononuclear infiltration and myogenesis characterize recovery of dysferlin-null skeletal muscle from contraction-induced injuries. American Journal of Physiology: Cell Physiology. 298 (2), 298-312 (2010).
  29. Roche, J. A., Ru, L. W., Bloch, R. J. Distinct effects of contraction-induced injury in vivo on four different murine models of dysferlinopathy. Journal of Biomedicine and Biotechnology. 2012, 134031 (2012).
  30. Roche, J. A., et al. Myofiber damage precedes macrophage infiltration after in vivo injury in dysferlin-deficient A/J mouse skeletal muscle. American Journal of Pathology. 185 (6), 1686-1698 (2015).
  31. Ingalls, C. P., Warren, G. L., Zhang, J. Z., Hamilton, S. L., Armstrong, R. B. Dihydropyridine and ryanodine receptor binding after eccentric contractions in mouse skeletal muscle. Journal of Applied Physiology. 96 (5), 1619-1625 (2004).
  32. Dutton, M. . Orthopaedics for the Physical Therapist Assistant. , 238 (2011).
  33. Begam, M., Abro, V. M., Mueller, A. L., Roche, J. A. Sodium 4-phenylbutyrate reduces myofiber damage in a mouse model of Duchenne muscular dystrophy. Applied Physiology, Nutrition, and Metabolism. Physiologie Appliquée, Nutrition et Métabolisme. 41 (10), 1108-1111 (2016).
  34. Tully, J. J., Meloni, G. N. A scientist’s guide to buying a 3D printer: How to choose the right printer for your laboratory. Analytical Chemistry. 92 (22), 14853-14860 (2020).
  35. Schwiening, C. 3D printing primer for physiologists. Physiology News. (101), (2015).
  36. Begam, M., Roche, J. A. Damaged muscle fibers might masquerade as hybrid fibers – A cautionary note on immunophenotyping mouse muscle with mouse monoclonal antibodies. European Journal of Histochemistry. 62 (3), 2896 (2018).
  37. Lott, D. J., et al. Safety, feasibility, and efficacy of strengthening exercise in Duchenne muscular dystrophy. Muscle & Nerve. 63 (3), 320-326 (2021).
  38. Lindsay, A., Larson, A. A., Verma, M., Ervasti, J. M., Lowe, D. A. Isometric resistance training increases strength and alters histopathology of dystrophin-deficient mouse skeletal muscle. Journal of Applied Physiology. 126 (2), 363-375 (2019).
  39. Dalkin, W., Taetzsch, T., Valdez, G. The fibular nerve Injury method: A reliable assay to identify and test factors that repair neuromuscular junctions. Journal of Visualized Experiments. (114), e54186 (2016).
  40. Amend, S. R., Valkenburg, K. C., Pienta, K. J. Murine hind limb long bone dissection and bone marrow isolation. Journal of Visualized Experiments. (110), e53936 (2016).
  41. Gerlinger-Romero, F., et al. Non-invasive assessment of dorsiflexor muscle function in mice. Journal of Visualized Experiments. (143), e58696 (2019).
  42. Brightwell, C. R., et al. In vivo measurement of knee extensor muscle function in mice. Journal of Visualized Experiments. (169), e62211 (2021).
  43. Pratt, S. J. P., Lawlor, M. W., Shah, S. B., Lovering, R. M. An in vivo rodent model of contraction-induced injury in the quadriceps muscle. Injury. 43 (6), 788-793 (2012).
  44. Shields, R. K. Precision rehabilitation: How lifelong healthy behaviors modulate biology, determine health, and affect populations. Physical Therapy. 102 (1), 248 (2022).
  45. . Medical Rehabilitation Research Resource Network (MR3N). Precision Rehabilitation – Inaugural Scientific Retreat Available from: https://ncmrr.org/education-training/archived-presentations/precision-rehab-archive (2021)
  46. Roche, J. A., et al. Minimally invasive muscle embedding generates donor-cell-derived muscle fibers that express desmin and dystrophin. Military Medicine. 185, 423-429 (2020).
  47. Roche, J. A., et al. Minimally invasive muscle embedding (MIME), facilitates the development of functional muscle fibers of human cadaveric origin, in host mice. The FASEB Journal. 33, 602 (2019).

Play Video

Citazione di questo articolo
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).

View Video