Dosisjusteret modstandstræning hos mus med reduceret risiko for muskelskader
Summary
Den nuværende protokol beskriver en unik teknik kaldet doseringsjusteret modstandstræning (DART), som kan indarbejdes i præcisionsrehabiliteringsundersøgelser udført på små dyr, såsom mus.
Abstract
Progressiv modstandstræning (PRT), som involverer udførelse af muskelsammentrækninger mod gradvist større ydre belastninger, kan øge muskelmasse og styrke hos raske individer og i patientpopulationer. Der er behov for præcisionsrehabiliteringsværktøjer til at teste sikkerheden og effektiviteten af PRT for at opretholde og / eller genoprette muskelmasse og styrke i prækliniske undersøgelser af små og store dyremodeller. PRT-metoden og -enheden, der er beskrevet i denne artikel, kan bruges til at udføre dosisjusteret modstandstræning (DART). DART-enheden kan bruges som et selvstændigt dynamometer til objektivt at vurdere det koncentriske kontraktile drejningsmoment, der genereres af ankeldorsiflexorerne hos mus eller kan føjes til et allerede eksisterende isokinetisk dynamometrisystem. DART-enheden kan fremstilles med en standard 3D-printer baseret på instruktionerne og open source 3D-printfiler, der leveres i dette arbejde. Artiklen beskriver også arbejdsgangen for en undersøgelse for at sammenligne sammentrækningsinduceret muskelskade forårsaget af et enkelt anfald af DART med muskelskader forårsaget af et sammenligneligt anfald af isometriske sammentrækninger (ISOM) i en musemodel af lemmer-bælte muskeldystrofi type 2B / R2 (BLAJ mus). Dataene fra otte BLAJ-mus (fire dyr for hver tilstand) tyder på, at mindre end 10% af tibialis anterior (TA) musklen blev beskadiget fra et enkelt anfald af DART eller ISOM, hvor DART var mindre skadelig end ISOM.
Introduction
Motion giver mange sundhedsmæssige fordele for skeletmuskulaturen (gennemgået i Vina et al.1). Specifikt er progressiv modstandstræning (PRT), som involverer udførelse af muskelsammentrækninger mod gradvist større eksterne belastninger (f.eks. Vægtstænger, håndvægte, kabel-remskive-vægtkredsløb), kendt for at hjælpe med at øge muskelmasse og styrke hos både raske individer og patientpopulationer (gennemgået i tidligere publikationer 2,3 ). PRT er baseret på overbelastningsprincippet, som siger, at når musklen trækker sig sammen mod gradvist større ydre belastninger, tilpasser den sig ved at øge sit fysiologiske tværsnitsareal samt kraftproducerende kapacitet4. Eksisterende modeller af PRT hos gnavere omfatter stigeklatring med modstand påført halen, co-sammentrækning af agonistmuskler mod modstand fra antagonister, løb med en vægtet sele, en squatting-øvelse fremkaldt af et elektrisk stød og modstået hjulløb 5,6,7,8,9,10 (gennemgået i tidligere publikationer 11,12 ). Der er dog i øjeblikket ingen forskningsværktøjer til at udføre præcist muskelmålrettet, doseringsjusteret PRT hos mus, der ligner de PRT-metoder og enheder, der anvendes i human klinisk forskning og praksis12,13. Dette begrænser investigatorernes evne til at studere sikkerheden og effektiviteten af præcist doseret PRT i grundlæggende og prækliniske undersøgelser på mus.
For at overvinde denne barriere udvikles en PRT-metode og enhed i denne undersøgelse baseret på kabel-remskive-vægtkredsløbsdesign, der anvendes i modstandstræningsudstyr i moderne gymnasier14,15,16. Denne metode til PRT kaldes doseringsjusteret modstandstræning (DART), og enheden kaldes DART-enheden. Ud over dets funktionalitet som et præcisionsrehabiliteringstræningsværktøj kan DART-enheden også bruges som et selvstændigt instrument til objektivt at vurdere det maksimale koncentriske kontraktile drejningsmoment, der kan genereres af tibialis anterior (TA) muskel i en mus, svarende til hvordan maksimum for en gentagelse (1RM, den maksimale belastning, der med succes kan løftes / flyttes / presses / squattes kun én gang, mens den opretholder god form) vurderes hos mennesker17, 18. DART-enheden kan også kombineres med et specialbygget eller kommercielt isokinetisk dynamometer til at måle den maksimale isometriske tetaniske kraft produceret af TA-musklen i en mus (sammenlignelig med maksimal frivillig sammentrækning [MVC] hos mennesker) og derefter udføre dosisjusteret PRT med en modstand, der er baseret på den maksimale tetaniske kraft (f.eks. 50% af topkraften).
Denne artikel beskriver konstruktionen af DART-enheden og forklarer, hvordan den kan kombineres med et specialbygget dynamometer, som er beskrevet i tidligere publikationer 19,20,21,22, for at vurdere kontraktilt drejningsmoment og udføre DART. Undersøgelsen beskriver også, hvordan DART-enheden blev brugt til at sammenligne træningsinduceret muskelskade forårsaget af et enkelt anfald af DART (4 sæt af 10 koncentrisk forspændte sammentrækninger med 50% 1RM) med skader forårsaget af et sammenligneligt anfald af isometriske sammentrækninger (4 sæt af 10 isometriske sammentrækninger) i en musemodel af lembælte muskeldystrofi type 2B (LGMD2B, eller LGMDR2)23,24. Musemodellen, der blev undersøgt, mangler et protein kaldet dysferlin, som spiller en vigtig rolle i beskyttelsen af skeletmuskulaturen mod forsinket muskelskade efter skadelige excentriske sammentrækninger 22,25,26,27,28,29,30 . Det er også blevet påvist hos dysferlin-mangelfulde hanmus, at koncentrisk forudindtaget tvungen træning ikke er så skadelig som excentrisk forudindtaget tvungen træning, og at tidligere eksponering for koncentrisk forudindtaget træning giver beskyttelse mod skade fra et efterfølgende anfald af excentrisk partiske sammentrækninger22. Da den nuværende undersøgelse blev udført for at teste gennemførligheden af den nuværende DART-metode og enhed til udførelse af dosisjusteret, koncentrisk forudindtaget modstandstræning, blev hanmus med dysferlinmangel valgt til undersøgelsen for at sammenligne nye data fra DART-enheden med tidligere data. I fremtidige studier vil hunmus med BLAJ blive inddraget for at undersøge effekten af køn som biologisk variabel i forhold til responsen på DART. Mus, der var ~ 1,5 år gamle, blev undersøgt, da de allerede har dystrofiske ændringer i mange muskelgrupper og derfor modellerer den patofysiologiske tilstand, hvor muskler kan være hos patienter, der allerede har muskelsvaghed og spild og søger rehabiliterende pleje for at opretholde muskelmasse og styrke26.
Protocol
Representative Results
Discussion
Denne artikel præsenterer trinvise instruktioner om, hvordan man konstruerer en enhed til at udføre en type præcisionsrehabiliteringstræning kaldet doseringsjusteret modstandstræning (DART). Arbejdet beskriver også anvendelsen af DART-enheden og metoden i en træningsundersøgelse til at sammenligne muskelskader 3 dage efter en enkelt omgang DART (DART-gruppe) med skade 3 dage efter en sammenlignelig omgang isometrisk træning (ISOM-gruppe).
De kritiske trin i protokollen er den korrekte…
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Denne undersøgelse blev finansieret af tilskud fra Jain Foundation Inc., R03HD091648 fra NICHD, et pilottilskud fra AR3T under NIH P2CHD086843, en FRAP-pris fra EACPHS ved Wayne State University, en fakultetsstartpakke fra Wayne State University og en underentreprise fra 1R01AR079884-01 (Peter L. Jones PI) til JAR. Denne undersøgelse blev også finansieret af en American Physical Therapy Association – Michigan (APTA-MI) forskningsbevilling til JMB, MEP og JAR. Forfatterne anerkender Dr. Renuka Roche (lektor, Eastern Michigan University, MI) for kritisk at læse manuskriptet og give feedback. Forfatterne anerkender Mr. Anselm D. Motha for råd om 3D-udskrivning. Forfatterne takker patienterne med dysferlinopatier, der har delt deres historier på Jain Foundation-webstedet på https://www.jain-foundation.org/patient-physician-resources/patient-stories, især deres erfaringer med motion.
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
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- Souza, M. K., et al. l-Arginine supplementation blunts resistance exercise improvement in rats with chronic kidney disease. Life Sciences. 232, 116604 (2019).
- 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).
- 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).
- 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).
- Zhu, W. G., et al. Weight pulling: A novel mouse model of human progressive resistance exercise. Cells. 10 (9), 2459 (2021).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- . 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)
- Hansson, N., Ottosson, A. Nobel prize for physical therapy? Rise, fall, and revival of medico-mechanical institutes. Physical Therapy. 95 (8), 1184-1194 (2015).
- 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).
- 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).
- Bloch, R. J., et al. Small-Animal Unit for Muscle Injury, Muscle Testing and Muscle Training in Vivo. US Patent. , (2012).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- . DYSFERLIN Available from: https://www.omim.org/entry/603009 (2021)
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- Dutton, M. . Orthopaedics for the Physical Therapist Assistant. , 238 (2011).
- 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).
- 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).
- Schwiening, C. 3D printing primer for physiologists. Physiology News. (101), (2015).
- 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).
- Lott, D. J., et al. Safety, feasibility, and efficacy of strengthening exercise in Duchenne muscular dystrophy. Muscle & Nerve. 63 (3), 320-326 (2021).
- 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).
- 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).
- 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).
- Gerlinger-Romero, F., et al. Non-invasive assessment of dorsiflexor muscle function in mice. Journal of Visualized Experiments. (143), e58696 (2019).
- Brightwell, C. R., et al. In vivo measurement of knee extensor muscle function in mice. Journal of Visualized Experiments. (169), e62211 (2021).
- 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).
- Shields, R. K. Precision rehabilitation: How lifelong healthy behaviors modulate biology, determine health, and affect populations. Physical Therapy. 102 (1), 248 (2022).
- . Medical Rehabilitation Research Resource Network (MR3N). Precision Rehabilitation – Inaugural Scientific Retreat Available from: https://ncmrr.org/education-training/archived-presentations/precision-rehab-archive (2021)
- 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).
- 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).
