מדידת כוח טטוני איזומטרי מקסימלית של שריר השוקיות בעכברוש
Summary
הערכת התאוששות מוטורית נותרה מדד התוצאה של בחינת ביצועים במחקרי עצבים היקפיים ניסיוניים. מדידת הכוח הטטוני איזומטרי של השריר הראשי tibialis בחולדה הוא כלי שלא יסולא בפז כדי להעריך את התוצאות התפקודיות לאחר שחזור של פגמים עצביים sciatic. השיטות והניואנסים מפורטים במאמר זה.
Abstract
פציעות עצביות טראומטיות גורמות לאובדן תפקודי משמעותי ומומים עצביים מגזריים מחייבים לעתים קרובות שימוש בשתלי עצבים אוטולוגיים. בשל זמינותם המוגבלת ותחלואה בצד התורם, מחקרים רבים בתחום התחדשות העצבים מתמקדים בטכניקות חלופיות לגשר על פער עצבי מגזרי. על מנת לחקור את התוצאות של אפשרויות טיפול ניסיוני כירורגי או תרופתי, מודל העצב הסיאטי החולדה משמש לעתים קרובות כמו bioassay. ישנן מגוון של מדידות תוצאה המשמשות במודלים חולדה כדי לקבוע את היקף התחדשות העצבים. כוח התפוקה המרבי של שריר היעד נשאר התוצאה הרלוונטית ביותר לתרגום קליני של טיפולים ניסיוניים. מדידת כוח איזומטרי של התכווצות שרירים tetanic תוארה בעבר כטכניקה לשחזור ותקף להערכת התאוששות מוטורית לאחר פגיעה עצבית או תיקון בדגמי חולדה וארנב כאחד. בסרטון זה, אנו נספק הוראה צעד אחר צעד של הליך זה שלא יסולא בפז להערכת התאוששות תפקודית של השריר הקדמוני tibialis במודל פגם עצבי sciatic חולדה באמצעות פרמטרים אופטימיזציה. נתאר את ההכנות הקדם-ניתוחיות הדרושות בנוסף לגישה הכירורגית ולניתוח של עצב הפרונל המשותף וגיד השרירים הקדמוניים של השוקית. טכניקת מדידת הכוח הטטוני איזומטרית תהיה מפורטת. קביעת אורך השריר האופטימלי ותדירות דופק גירוי מוסבר ומדידת התכווצות שרירים tetanic המרבי הוא הפגין.
Introduction
אובדן תפקוד מוטורי בעקבות פגיעה עצבית היקפית טראומטית יש השפעה משמעותית על איכות החיים ומצב סוציו-אקונומי של חולים1,2,3. הפרוגנוזה של אוכלוסיית חולים זו נשארת גרועה עקב שיפורים מינימליים בטכניקות כירורגיות לאורך השנים4. תיקון אפינואלי ישיר מקצה לקצה ללא מתח יוצר את השחזור הכירורגי הסטנדרטי לזהב. עם זאת, במקרים עם פערים עצביים מורחבים interposition של שתל עצבי אוטולוגי הוכיח להיות מעולה5,6. תחלואה באתר התורמים הקשורים וזמינות מוגבלת של שתלי עצב אוטולוגיים הטילו את הצורך בטכניקות חלופיות7,8.
מודלים ניסיוניים של בעלי חיים שימשו כדי להבהיר את המנגנון של התחדשות העצבים ההיקפיים ולהעריך את התוצאות של מגוון רחב של אפשרויות טיפול שחזור ופרמקולוגי8,9. מודל העצבים הסיאטיים של החולדה הוא המודל החייתי הנפוץ ביותר10. הגודל הקטן שלהם עושה אותם קל לטפל בבית. בשל הפוטנציאל הנוירו-רגנרטיבי המופלג שלהם, הזמן המופחת בין התערבות להערכת התוצאות יכול לגרום לעלויות נמוכות יחסית11,12. יתרונות נוספים של השימוש בו כוללים דמיון מורפולוגי לסיבי עצב אנושיים ומספר גבוה של מחקרים השוואתיים /היסטוריים13. למרות האחרון יש לגשת בזהירות, כמו מגוון רחב של מדדי תוצאה שונים בין מחקרים מקשה להשוות תוצאות14,15,16,17,18.
מדדי התוצאה להערכת התחדשות העצבים נעים בין אלקטרופיזיולוגיה להיסטומורפומטריה, אך שיטות אלה מרמזות על מתאם אך אינן בהכרח מודדות ישירות את חזרתה של פונקציה מוטורית14,15. התחדשות סיבי עצב לא יכול לעשות חיבורים מתאימים אשר יכול לגרום להערכת יתר של מספר חיבוריםפונקציונליים 14,15,19,20. המדידה הטובה ביותר ורלוונטית ביותר קלינית כדי להדגים reinnervation הנכון של איברי הקצה נשאר הערכה של תפקוד השריר21,22,23. עם זאת, יצירת כלים להערכת תפקוד מוטורי עבור מודלים של בעלי חיים היא מאתגרת. Medinaceli et al. תיאר לראשונה את ניתוח מסלול ההליכה, אשר מאז היה השיטה הנפוצה ביותר להערכת התאוששות תפקודית במחקרי עצב היקפי ניסיוני21,24,25,26,27,28. ניתוח מסלול ההליכה מכמת את המדד הפונקציונלי הסיאטי (SFI) בהתבסס על מדידות של כפות רגליים מעכברושיםמהלכים 21,29. מגבלות עיקריות של ניתוח מסלול ההליכה, כגון חוזים בוהן, automutilation, מריחת ההדפסה מתאם לקוי עם מדדים אחרים של reinnervation, חייבו את השימוש בפרמטרים אחרים לכימות של התאוששות תפקודית30,31.
במחקרים קודמים בחולדות לואיס32 וניו זילנד ארנבות33, אימתנו את מדידת הכוח הטטני האיזומטרי (ITF) לשריר השוקאי (ת”א) והדגמנו את יעילותו בהערכת התאוששות השרירים לאחר סוגים שונים של תיקון עצבים34,35,36,37,38,39. שריר ת”א מתאים היטב בגלל גודלו הגדול יחסית, innervation על ידי הענף peroneal של העצב הסיאטי ותכונות ביוכימיות מוארות היטב40,41,42,43. כאשר אורך השריר (כוח preload) ופרמטרים חשמליים ממוטבים ITF מספק שונות מצד לצד של 4.4% ו 7.5% בחולדות32 וארנבות33, בהתאמה.
מאמר זה מספק פרוטוקול מפורט של מדידת ITF במודל העצב הסיאטי של החולדה, כולל תיאור יסודי של התכנון הקדם ניתוחי הדרוש, גישה כירורגית וניתוח של עצב הצפק המשותף וגיד שריר TA דיסטלי. באמצעות ערכים קבועים מראש עבור עוצמת הגירוי ומשך הזמן, אורך השריר האופטימלי ותדירות הדופק גירוי יוגדרו. עם ארבעת הפרמטרים האלה, ניתן למדוד את ה- ITF באופן עקבי ומדויק.
Protocol
Representative Results
Discussion
פרוטוקול זה מתאר שיטה מאומתת בעבר לרכישת מדידות ITF מרביות מדויקות של שריר ת”א במודל עכברוש32. ההתאוששות של כוח מרבי לאחר טיפולים ניסיוניים שחזור עצבי הוא עניין ראשוני בסביבה הקלינית כפי שהוא מוכיח כי העצב לא רק התחדש, אלא גם עשה חיבורי עבודה עם שריר היעד. ניתן להשתמש ב- ITF במודל פ…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
מחקר שדווח בפרסום זה נתמך על ידי המכון הלאומי להפרעות נוירולוגיות ושבץ של המכונים הלאומיים לבריאות תחת פרס מספר RO1 NS 102360. התוכן הוא באחריות המחברים בלבד ואינו מייצג בהכרח את השקפותיהם הרשמיות של המכונים הלאומיים לבריאות.
Materials
| 0.9% Sodium Chloride | Baxter Healthcare Corporation, Deerfield, IL, USA | G130203 | |
| 1 mm Kirshner wires | Pfizer Howmedica, Rutherford, NJ | N/A | |
| Adson Tissue Forceps | ASSI, Westbury, NY, USA | MTK-6801226 | |
| Bipolar electrode cables | Grass Instrument, Quincy, MA | N/A | |
| Bipolar stimulator device | Grass SD9, Grass Instrument, Quincy, MA | N/A | |
| Cotton-tip Applicators | Cardinal Health, Waukegan, IL, USA | C15055-006 | |
| Curved Mosquito forceps | ASSI, Westbury, NY, USA | MTK-1201112 | |
| Force Transducer MDB-2.5 | Transducer Techniques, Temecula, CA | N/A | |
| Gauze Sponges 4×4 | Covidien, Mansfield, MA, USA | 2733 | |
| Ground cable | Grass Instrument, Quincy, MA | N/A | |
| Isoflurane chamber | N/A | N/A | Custom-made |
| Ketamine | Ketalar, Par Pharmaceutical, Chestnut, NJ | 42023-115-10 | |
| LabView Software | National Instruments, Austin, TX | ||
| Loop | N/A | N/A | Custom-made |
| Microsurgical curved forceps | ASSI, Westbury, NY, USA | JFA-5B | |
| Microsurgical scissors | ASSI, Westbury, NY, USA | SAS-15R-8-18 | |
| Microsurgical straight forceps | ASSI, Westbury, NY, USA | JF-3 | |
| Retractor | ASSI, Westbury, NY, USA | AG-124426 | |
| Scalpel Blade No. 15 | Bard-Parker, Aspen Surgical, Caledonia, MI, USA | 371115 | |
| Slim Body Skin Stapler | Covidien, Mansfield, MA, USA | 8886803512 | |
| Subminiature electrode | Harvard Apparatus, Holliston, MA | N/A | |
| Surgical Nerve Stimulator | Checkpoint Surgical LCC, Cleveland, OH, USA | 9094 | |
| Terrell Isoflurane | Piramal Critical Care Inc., Bethlehem, PA, USA | H961J19A | |
| Testing platform | N/A | N/A | Custom-made |
| Tetontomy Scissors | ASSI, Westbury, NY, USA | ASIM-187 | |
| Traceable Big-Digit Timer/Stopwatch | Fisher Scientific, Waltham, MA, USA | S407992 | |
| USB-6009 multifunctional I/O data acquisition (DAQ) device | National Instruments, Austin, TX | 779026-01 | |
| Vacuum Base Holder | Noga Engineering & Technology Ltd., Shlomi, Isreal | N/A | Attached clamp is custom-made |
| Weight (10 g) | Denver Instruments, Denver, CO, USA | 820010.4 | |
| Weight (20 g) | Denver Instruments, Denver, CO, USA | 820020.4 | |
| Weight (50 g) | Denver Instruments, Denver, CO, USA | 820050.4 | |
| Xylazine | Xylamed, Bimeda MTC Animal Health, Cambridge, Canada | 1XYL002 |
References
- Taylor, C. A., Braza, D., Rice, J. B., Dillingham, T. The incidence of peripheral nerve injury in extremity trauma. American Journal of Physical Medicine & Rehabilitation. 87 (5), 381-385 (2008).
- Huckhagel, T., Nuchtern, J., Regelsberger, J., Lefering, R., TraumaRegister, D. G. U. Nerve injury in severe trauma with upper extremity involvement: evaluation of 49,382 patients from the TraumaRegister DGU(R) between 2002 and 2015. Scandinavian Journal of Trauma, Resuscitation and Emergency Medicine. 26 (1), 76 (2018).
- Tapp, M., Wenzinger, E., Tarabishy, S., Ricci, J., Herrera, F. A. The Epidemiology of Upper Extremity Nerve Injuries and Associated Cost in the US Emergency Departments. Annals of Plastic Surgery. 83 (6), 676-680 (2019).
- Grinsell, D., Keating, C. P. Peripheral nerve reconstruction after injury: a review of clinical and experimental therapies. BioMed Research International. 2014, 698256 (2014).
- Terzis, J., Faibisoff, B., Williams, B. The nerve gap: suture under tension vs. graft. Plastic and Reconstructive Surgery. 56 (2), 166-170 (1975).
- Millesi, H. Forty-two years of peripheral nerve surgery. Microsurgery. 14 (4), 228-233 (1993).
- Wood, M. D., Kemp, S. W., Weber, C., Borschel, G. H., Gordon, T. Outcome measures of peripheral nerve regeneration. Annals of Anatomy-Anatomischer Anzeiger. 193 (4), 321-333 (2011).
- Alvites, R., et al. Peripheral nerve injury and axonotmesis: State of the art and recent advances. Cogent Medicine. 5 (1), 1466404 (2018).
- Diogo, C. C., et al. The use of sheep as a model for studying peripheral nerve regeneration following nerve injury: review of the literature. Journal of Neurology Research. 39 (10), 926-939 (2017).
- Irintchev, A. Potentials and limitations of peripheral nerve injury models in rodents with particular reference to the femoral nerve. Annals of Anatomy. 193 (4), 276-285 (2011).
- Brenner, M. J., et al. Role of timing in assessment of nerve regeneration. Microsurgery. 28 (4), 265-272 (2008).
- Vleggeert-Lankamp, C. L. The role of evaluation methods in the assessment of peripheral nerve regeneration through synthetic conduits: a systematic review. Laboratory investigation. Journal of Neurosurgery. 107 (6), 1168-1189 (2007).
- Deumens, R., Marinangeli, C., Bozkurt, A., Brook, G. A. Assessing motor outcome and functional recovery following nerve injury. Methods in Molecular Biology. 1162, 179-188 (2014).
- Dellon, A. L., Mackinnon, S. E. Selection of the appropriate parameter to measure neural regeneration. Annals of Plastic Surgery. 23 (3), 197-202 (1989).
- Munro, C. A., Szalai, J. P., Mackinnon, S. E., Midha, R. Lack of association between outcome measures of nerve regeneration. Muscle Nerve. 21 (8), 1095-1097 (1998).
- Varejao, A. S., Melo-Pinto, P., Meek, M. F., Filipe, V. M., Bulas-Cruz, J. Methods for the experimental functional assessment of rat sciatic nerve regeneration. Journal of Neurology Research. 26 (2), 186-194 (2004).
- Hadlock, T. A., Koka, R., Vacanti, J. P., Cheney, M. L. A comparison of assessments of functional recovery in the rat. Journal of the Peripheral Nervous System. 4 (3-4), 258-264 (1999).
- Kanaya, F., Firrell, J. C., Breidenbach, W. C. Sciatic function index, nerve conduction tests, muscle contraction, and axon morphometry as indicators of regeneration. Plastic and Reconstructive Surgery. 98 (7), 1264-1271 (1996).
- Nichols, C. M., et al. Choosing the correct functional assay: a comprehensive assessment of functional tests in the rat. Behavioural Brain Research. 163 (2), 143-158 (2005).
- Terzis, J. K., Smith, K. J. Repair of severed peripheral nerves: comparison of the “de Medinaceli” and standard microsuture methods. Experimental Neurology. 96 (3), 672-680 (1987).
- de Medinaceli, L., Freed, W. J., Wyatt, R. J. An index of the functional condition of rat sciatic nerve based on measurements made from walking tracks. Experimental Neurology. 77 (3), 634-643 (1982).
- Doi, K., Hattori, Y., Tan, S. H., Dhawan, V. Basic science behind functioning free muscle transplantation. Clinics in Plastic Surgery. 29 (4), (2002).
- Vathana, T., et al. An Anatomic study of the spinal accessory nerve: Extended harvest permits direct nerve transfer to distal plexus targets. Clinical Anatomy. 20 (8), 899-904 (2007).
- Chaiyasate, K., Schaffner, A., Jackson, I. T., Mittal, V. Comparing FK-506 with basic fibroblast growth factor (b-FGF) on the repair of a peripheral nerve defect using an autogenous vein bridge model. Journal of Investigative Surgery. 22 (6), 401-405 (2009).
- Lee, B. K., Kim, C. J., Shin, M. S., Cho, Y. S. Diosgenin improves functional recovery from sciatic crushed nerve injury in rats. Journal of Exercise Rehabilitation. 14 (4), 566-572 (2018).
- Lubiatowski, P., Unsal, F. M., Nair, D., Ozer, K., Siemionow, M. The epineural sleeve technique for nerve graft reconstruction enhances nerve recovery. Microsurgery. 28 (3), 160-167 (2008).
- Luis, A. L., et al. Use of PLGA 90:10 scaffolds enriched with in vitro-differentiated neural cells for repairing rat sciatic nerve defects. Tissue Engineering, Part A. 14 (6), 979-993 (2008).
- Shabeeb, D., et al. Histopathological and Functional Evaluation of Radiation-Induced Sciatic Nerve Damage: Melatonin as Radioprotector. Medicina. 55 (8), (2019).
- Bain, J. R., Mackinnon, S. E., Hunter, D. A. Functional evaluation of complete sciatic, peroneal, and posterior tibial nerve lesions in the rat. Plastic and Reconstructive Surgery. 83 (1), 129-138 (1989).
- Monte-Raso, V. V., Barbieri, C. H., Mazzer, N., Yamasita, A. C., Barbieri, G. Is the Sciatic Functional Index always reliable and reproducible. Journal of Neuroscience Methods. 170 (2), 255-261 (2008).
- Lee, J. Y., et al. Functional evaluation in the rat sciatic nerve defect model: a comparison of the sciatic functional index, ankle angles, and isometric tetanic force. Plastic and Reconstructive Surgery. 132 (5), 1173-1180 (2013).
- Shin, R. H., et al. Isometric tetanic force measurement method of the tibialis anterior in the rat. Microsurgery. 28 (6), 452-457 (2008).
- Giusti, G., et al. Description and validation of isometric tetanic muscle force test in rabbits. Microsurgery. 32 (1), 35-42 (2012).
- Bulstra, L. F., et al. Functional Outcome after Reconstruction of a Long Nerve Gap in Rabbits Using Optimized Decellularized Nerve Allografts. Plastic and Reconstructive Surgery. 145 (6), 1442-1450 (2020).
- Giusti, G., et al. The influence of vascularization of transplanted processed allograft nerve on return of motor function in rats. Microsurgery. 36 (2), 134-143 (2016).
- Giusti, G., et al. The influence of nerve conduits diameter in motor nerve recovery after segmental nerve repair. Microsurgery. 34 (8), 646-652 (2014).
- Hundepool, C. A., et al. Comparable functional motor outcomes after repair of peripheral nerve injury with an elastase-processed allograft in a rat sciatic nerve model. Microsurgery. 38 (7), 772-779 (2018).
- Lee, J. Y., et al. The effect of collagen nerve conduits filled with collagen-glycosaminoglycan matrix on peripheral motor nerve regeneration in a rat model. Journal of Bone and Joint Surgery. 94 (22), 2084-2091 (2012).
- Shin, R. H., Friedrich, P. F., Crum, B. A., Bishop, A. T., Shin, A. Y. Treatment of a segmental nerve defect in the rat with use of bioabsorbable synthetic nerve conduits: a comparison of commercially available conduits. Journal of Bone and Joint Surgery. 91 (9), 2194-2204 (2009).
- Coombes, J. S., et al. Effects of vitamin E deficiency on fatigue and muscle contractile properties. Eur J Appl Physiol. 87 (3), 272-277 (2002).
- Kauvar, D. S., Baer, D. G., Dubick, M. A., Walters, T. J. Effect of fluid resuscitation on acute skeletal muscle ischemia-reperfusion injury after hemorrhagic shock in rats. Journal of the American College of Surgeons. 202 (6), 888-896 (2006).
- Murlasits, Z., et al. Resistance training increases heat shock protein levels in skeletal muscle of young and old rats. Experimental Gerontology. 41 (4), 398-406 (2006).
- Zhou, Z., Cornelius, C. P., Eichner, M., Bornemann, A. Reinnervation-induced alterations in rat skeletal muscle. Neurobiology of Disease. 23 (3), 595-602 (2006).
- Schmoll, M., et al. In-situ measurements of tensile forces in the tibialis anterior tendon of the rat in concentric, isometric, and resisted co-contractions. Physiological Reports. 5 (8), (2017).
- Heinzel, J. C., Hercher, D., Redl, H. The course of recovery of locomotor function over a 10-week observation period in a rat model of femoral nerve resection and autograft repair. Brain and Behavior. 10 (4), 01580 (2020).
- Kingery, W. S., Vallin, J. A. The development of chronic mechanical hyperalgesia, autotomy and collateral sprouting following sciatic nerve section in rat. Pain. 38 (3), 321-332 (1989).
- Weber, R. A., Proctor, W. H., Warner, M. R., Verheyden, C. N. Autotomy and the sciatic functional index. Microsurgery. 14 (5), 323-327 (1993).
- Kunst, G., Graf, B. M., Schreiner, R., Martin, E., Fink, R. H. Differential effects of sevoflurane, isoflurane, and halothane on Ca2+ release from the sarcoplasmic reticulum of skeletal muscle. Anesthesiology. 91 (1), 179-186 (1999).
- Schmoll, M., et al. A novel miniature in-line load-cell to measure in-situ tensile forces in the tibialis anterior tendon of rats. PLoS One. 12 (9), 0185209 (2017).
- Paul, R. J., Sperelakis, N. . Cell Physiology Source Book (Fourth Edition). , 801-821 (2012).
