In vivo Evaluering af Rattens Tunge Mekaniske og Viskoelastiske Egenskaber
Summary
Vi beskriver en kirurgisk procedure i en bedøvet rottemodel til bestemmelse af tungenes muskelton og viskoelastiske egenskaber. Proceduren indebærer specifik stimulering af hypoglossale nerver og anvendelse af passive Lissajous kraft / deformationskurver til musklen.
Abstract
Tungen er en stærkt innerveret og vaskulariseret muskelhydrostat på gulvet i de fleste hvirveldyrs mund. Dets primære funktioner omfatter understøttelse af masticering og afbøjning samt smagsfølsomhed og fonetik. Følgelig kan styrken og volumenet af tungen påvirke hvirveldyrs evne til at udføre grundlæggende aktiviteter som fodring, kommunikation og vejrtrækning. Menneskepatienter med søvnapnø har forstørrede tunger, præget af nedsat muskelton og øget intramuskulært fedt, som kan visualiseres og kvantificeres ved magnetisk resonansbilleddannelse (MR). Evnerne til at måle kraftgenerering og viskoelastiske egenskaber af tungen er vigtige værktøjer til at opnå funktionel information for at korrelere med billeddannelsesdata. Her præsenterer vi teknikker til måling af tungekraftproduktion i bedøvede Zucker-rotter via elektrisk stimulering af hypoglossale nerver og til bestemmelse af de viskoelastiske egenskaber oF tungen ved at anvende passive Lissajous kraft / deformationskurver.
Introduction
Tungen giver væsentlig støtte til mastication, afgiftition, smagsfølsomhed og tale. Tilstedeværelsen af ekstrinsic og indre muskulatur, med særskilt indervation og anatomi / funktion, tegner sig for den unikke karakter af denne muskulære hydrostat. Nylige fremskridt inden for billedteknik har givet et mere detaljeret billede af dets komplekse anatomi 1 . Reduceret tungefunktionalitet, tungeatrofi, dysfagi og taleforstyrrelser er også almindelige manifestationer af myopatiske tilstande, såsom Parkinson 2 , Amyotrofisk Lateral Sclerose (ALS) 3 , Myotonisk Dystrofi (MD) 4 og andre myopatier.
Ændringer i muskelsammensætning associeret med almindelige sygdomstilstande påvirker tungens mekaniske og viskoelastiske egenskaber. For eksempel har funktionel analyse af tungekraft afdækket ændringer i kontraktile egenskaber forbundet med aldringSs = "xref"> 5 , 6 , hypoxi 7 , 8 og fedme 9 , 10 . I tilfælde af muskeldystrofi fører forøget fibrose til højere muskelstivhed, hvilket betyder, at deformation overholdes, når der anvendes en Lissajous deformationsprotokol 11 . Omvendt ændrer ændringer i muskelfedtindholdet, ligesom dem, der dokumenteres hos overvægtige patienter, både de metaboliske 12 og mekaniske egenskaber i skelettmuskel 13 , 14 og forventes at øge muskeloverensstemmelsen efter deformation. Øget tungefedt korrelerer også med udviklingen af obstruktiv søvnapnø (OSA) hos mennesker 17 ved at øge tungevolumen til punktet for delvis øvre luftvejseklusion (apnø) 15 , 16 . SimIlarly til mennesker, er tunge fedtsinfiltrering dokumenteret i overvægtige Zucker-rotter 10 , hvilket tyder på, at denne model er et værdifuldt værktøj til at studere virkningerne af fedtinfiltrering på tunfysiologi.
Målingstunge kraft kræver følsomme kirurgiske teknikker til at isolere og bilateralt stimulere hypoglossale nerver 17 , 18 . Sådanne teknikker er tidligere blevet beskrevet i rotter 5 , 17 , 19 , 20 , kaniner 21 og mennesker 22 , 23 , men dog med begrænsede visuelle hjælpemidler til undersøgeren. På grund af dets meget tekniske karakter vil tilgængeligheden af en detaljeret protokol betydeligt forbedre tilgængeligheden og reproducerbarheden af denne teknik. Målet med vores eksperimentelle paradigme er at sygeUstrate en gyldig og pålidelig teknik til måling af styrke og viskoelastiske egenskaber af tungen i en rotte model. For at opnå dette bedres rotten, hypoglossale nerver udsættes, og luftrøret er kanyleres for at sikre fri adgang til dyrets tunge. En sutursløjfe forbinder så spidsen af tungen med en krafttransducer, der er i stand til at styre både kraft og længde, mens to bipolære krogelektroder stimulerer hypoglossale nerver til at inducere sammentrækning af tungen. Efter at kraftmåling er afsluttet, anvendes kraftoverføringsorganets længdekontrolfunktioner til hurtigt at ændre længden af tungen ifølge en sinusbølgeprotokol med faste amplitude (Lissajous-kurver), varighed og frekvens, hvilket gør det muligt for en at udlede Dets viskoelastiske egenskaber 11 , 24 . Protokollen vil lede efterforskeren gennem dissektionstrinnene, positioneringen af dyret på den eksperimentelle platfoRm, placering af elektroder og endelig til opkøb og analyser af kraft- og viskoelasticitetsdata.
Protocol
Representative Results
Discussion
Ændringer i tungemetabolismen og / eller sammensætningen, fx tunge fedtsinfiltrering som følge af fedme, forudses at medføre kvantificerbare ændringer af parametrene vurderet ved vores protokol. Kvantificeringen af tungekraft er af stor interesse, da en ubalance mellem fremspringende og retrusiv aktivitet eller overordnet tunge svækkelse kan resultere i okklusion af den øvre luftvej 15 . Træningsteknikker, der sigter mod at øge tunge styrke, er blevet anvendt med succes ho…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Denne undersøgelse blev støttet af to nationale institutter for sundhedsbidrag: HL089447 ("Fedme og OSA: Forstå betydningen af tunge fedt og metabolisk funktion") og HL094307 ("Forstå forholdet mellem fedme og tunge fedt")
Materials
| SurgiSuite (heated Surgical tray) | Kent Scientific | SurgiSuite-LG | Includes heated platform |
| LED Lighting and Magnification Kit | Kent Scientific | SURGI- 5003 | |
| RC2 Rodent Circuit Controller | VetEquip | 922100 | |
| Isoflurane | Butler Schein Animal Health Supply | 29405 | |
| Alcohol Prep | Webcol | 6818 | |
| Cotton-tipped applicators | MediChoice | WOD1002 | |
| Hair clipper | Conair | ||
| Hair remover lotion | Nair | ||
| Medical tape | Transpore | 3M | |
| D-PBS | Corning | 21-030-CM | |
| Operating Scissors | World Precision Instruments | 503717-12 | |
| Hemostatic Forceps | Merit | 97-458 | Any tissue forceps can be used instead |
| Microdissecting Forceps, Angled, Serrated, 10.2cm, SS | World Precision Instruments | 504479 | |
| Suture Tying Forceps | Fine Science Tools | 18025-10 | |
| Blunt Micro Hook | Fine Science Tools | 10062-12 | |
| Microhemostat | Fine Science Tools | 12075-14 | |
| Thermal cautery | WPI | 501292 | Disposable cauteries are available at lower cost |
| IV 14g x 3.25" cannula | BD | B-D382268H | For tracheal cannulation |
| Braided silk non-absorbable suture size 4-0 | Harvard Apparatus | SP104 | For stabilization of the tracheal cannula |
| Braided non-absorbable silk 5/0 suture | Surgik LC, USA | ESILRC15387550 | For suturing the tongue |
| Plastic-coated metal twist-tie (or electrical wire) | For securing the rat's nose to the platform | ||
| Camera stick | |||
| 3 way-swivel and Trilene 9Kg test monofilament line | Berkley | For securing the jaw and maintaining the mouth open | |
| Camera stick with adjustable angle | For supporting the 3 way-swivel and maintaining the mouth open. | ||
| in situ Muscle Test System | Aurora Scientific | 809C | This system is designed for mice and was modified by extending the platform. Alternatively the rat-specific 806D system can be used. |
| Dual-Mode Muscle lever (force transducer) | Aurora Scientific | 305C-LR | 309C offers higher excursion capabilities than 305C-LR. Link for more information and specifications: http://aurorascientific.com/products/muscle-physiology/dual-mode-muscle-levers/ |
| Needle Electrodes (surgical steel, 29 gauge) | AD Instruments | MLA1204 | 300C is recommended for use in mice. |
| Magnetic Stands | World Precision Instruments | M10 | Used for making the bipolar stimulating hook electrodes |
| Kite Manual Micromanipulator | World Precision Instruments | KITE-R and KITE-L | Require a steel plate |
| Stackable Double Binding Post with Banana Jack x BNC Jack | McMaster Carr | 6704K13 | |
| Carbon fiber composites digital caliper | VWR | 36934-152 |
References
- Sanders, I., Mu, L. A three-dimensional atlas of human tongue muscles. Anat Rec (Hoboken). 296 (7), 1102-1114 (2013).
- Ciucci, M. R., et al. Tongue force and timing deficits in a rat model of Parkinson disease. Behav Brain Res. 222 (2), 315-320 (2011).
- Easterling, C., Antinoja, J., Cashin, S., Barkhaus, P. E. Changes in tongue pressure, pulmonary function, and salivary flow in patients with amyotrophic lateral sclerosis. Dysphagia. 28 (2), 217-225 (2013).
- Wang, Z. J., Huang, X. S. Images in clinical medicine. Myotonia of the tongue. N Engl J Med. 365 (15), e32 (2011).
- Ota, F., Connor, N. P., Konopacki, R. Alterations in contractile properties of tongue muscles in old rats. Ann Otol Rhinol Laryngol. 114 (10), 799-803 (2005).
- Schwarz, E. C., Thompson, J. M., Connor, N. P., Behan, M. The Effects of Aging on Hypoglossal Motoneurons in Rats. Dysphagia. 24 (1), 40 (2008).
- Pae, E. -. K., Wu, J., Nguyen, D., Monti, R., Harper, R. M. Geniohyoid muscle properties and myosin heavy chain composition are altered after short-term intermittent hypoxic exposure. J Appl Physiol. 98 (3), 889-894 (2005).
- Fuller, D. D., Fregosi, R. F. Fatiguing contractions of tongue protrudor and retractor muscles: influence of systemic hypoxia. J Appl Physiol. 88 (6), 2123-2130 (2000).
- Ray, A. D., Farkas, G. A., Pendergast, D. R. In-situ mechanical characteristics of the tongue are not altered in the obese Zucker rat. Sleep. 32 (7), 957 (2009).
- Brennick, M. J., et al. Tongue fat infiltration in obese versus lean Zucker rats. Sleep. 37 (6), 1095-1102 (2014).
- Stedman, H. H., Sweeney, H. L., Shrager, J. B., Maguire, H. C., Panettieri, R. A., Petrof, B., Narusawa, M., Leferovich, J. M., Sladky, J. T., Kelly, A. M. The mdx mouse diaphragm reproduces the degenerative changes of Duchenne muscular dystrophy. Nature. 352 (6335), 536-539 (1991).
- Goodpaster, B. H., Wolf, D. Skeletal muscle lipid accumulation in obesity, insulin resistance, and type 2 diabetes. Pediatr Diabetes. 5 (4), 219-226 (2004).
- Loro, E., et al. IL-15Rα is a determinant of muscle fuel utilization, and its loss protects against obesity. Am J Physiol Regul Integr Comp Physiol. 309 (8), R835-R844 (2015).
- Rahemi, H., Nigam, N., Wakeling, J. M. The effect of intramuscular fat on skeletal muscle mechanics: implications for the elderly and obese. J R Soc Interface. 12 (109), 20150365 (2015).
- Kim, A. M., et al. Tongue fat and its relationship to obstructive sleep apnea. Sleep. 37 (10), 1639-1648 (2014).
- Kim, A. M., et al. Metabolic activity of the tongue in obstructive sleep apnea. A novel application of FDG positron emission tomography imaging. Am J Respir Crit Care Med. 189 (11), 1416-1425 (2014).
- Gilliam, E. E., Goldberg, S. J. Contractile properties of the tongue muscles: effects of hypoglossal nerve and extracellular motoneuron stimulation in rat. J Neurophysiol. 74 (2), 547-555 (1995).
- Sokoloff, A. J. Localization and contractile properties of intrinsic longitudinal motor units of the rat tongue. J Neurophysiol. 84 (2), 827-835 (2000).
- Becker, B. J., Russell, J. A., Connor, N. P. Effects of aging on evoked retrusive tongue actions. Arch Oral Biol. 60 (6), 966-971 (2015).
- Connor, N. P., et al. Tongue muscle plasticity following hypoglossal nerve stimulation in aged rats. Muscle Nerve. 47 (2), 230-240 (2013).
- Seo, J., et al. Nerve cuff electrode using embedded magnets and its application to hypoglossal nerve stimulation. J Neural Eng. 13 (6), 066014 (2016).
- Friedman, M., et al. Targeted hypoglossal nerve stimulation for the treatment of obstructive sleep apnea: Six-month results. Laryngoscope. 126 (11), 2618-2623 (2016).
- Heiser, C., Maurer, J. T., Steffen, A. Functional outcome of tongue motions with selective hypoglossal nerve stimulation in patients with obstructive sleep apnea. Sleep Breath. 20 (2), 553-560 (2016).
- Syme, D. A. Passive viscoelastic work of isolated rat, Rattus norvegicus, diaphragm muscle. J Physiol. 424, 301-315 (1990).
- Connor, N. P., et al. Effect of tongue exercise on protrusive force and muscle fiber area in aging rats. J Speech Lang Hear Res. 52 (3), 732-744 (2009).
- Schaser, A. J., Stang, K., Connor, N. P., Behan, M. The effect of age and tongue exercise on BDNF and TrkB in the hypoglossal nucleus of rats. Behav Brain Res. 226 (1), 235-241 (2012).
- Puhan, M. A., et al. Didgeridoo playing as alternative treatment for obstructive sleep apnea syndrome: randomised controlled trial. BMJ. 332 (7536), 266-270 (2006).
- Guimarães, K. C., Drager, L. F., Genta, P. R., Marcondes, B. F., Lorenzi-Filho, G. Effects of oropharyngeal exercises on patients with moderate obstructive sleep apnea syndrome. Am J Respir Crit Care Med. 179 (10), 962-966 (2009).
- Ueda, H., Almeida, F. R., Chen, H., Lowe, A. A. Effect of 2 jaw exercises on occlusal function in patients with obstructive sleep apnea during oral appliance therapy: a randomized controlled trial. Am J Orthod Dentofacial Orthop. 135 (4), 430 (2009).
- Strollo, P. J., et al. Upper-airway stimulation for obstructive sleep apnea. N Engl J Med. 370 (2), 139-149 (2014).
- Perrier, P., Payan, Y., Zandipour, M., Perkell, J. Influences of tongue biomechanics on speech movements during the production of velar stop consonants: A modeling study. J Acoust Soc Am. 114 (3), 1582-1599 (2003).
- Connor, N. P., et al. Tongue muscle plasticity following hypoglossal nerve stimulation in aged rats. Muscle & nerve. 47 (2), 230-240 (2013).
- Brady, J. P., et al. AlphaB-crystallin in lens development and muscle integrity: a gene knockout approach. Invest Ophthalmol Vis Sci. 42 (12), 2924-2934 (2001).
- Spassov, A., et al. Differential expression of myosin heavy chain isoforms in the masticatory muscles of dystrophin-deficient mice. Eur J Orthod. , ciq113 (2010).
- Lever, T. E., et al. Videofluoroscopic Validation of a Translational Murine Model of Presbyphagia. Dysphagia. 30 (3), 328-342 (2015).
- Gantois, I., et al. Ablation of D1 dopamine receptor-expressing cells generates mice with seizures, dystonia, hyperactivity, and impaired oral behavior. Proc Natl Acad Sci. 104 (10), 4182-4187 (2007).
