Kvantifisering av kneekstensor maksimal styrke er viktig for å forstå funksjonelle tilpasninger til aldring, sykdom, skade og rehabilitering. Vi presenterer en ny metode for å gjentatte ganger måle in vivo kneforlengelse isometrisk topp tetanisk dreiemoment.
Skjelettmuskelplastisitet som svar på utallige forhold og stimuli formidler samtidig funksjonell tilpasning, både negativ og positiv. I klinikken og forskningslaboratoriet måles maksimal muskelstyrke langsgående hos mennesker, med kneekstensormuskulatur som det mest rapporterte funksjonelle utfallet. Patologi av kneet extensor muskelkomplekset er godt dokumentert i aldring, ortopedisk skade, sykdom og disuse; kneekstensorstyrke er nært knyttet til funksjonell kapasitet og skaderisiko, noe som understreker viktigheten av pålitelig måling av kneekstensorstyrke. Repeterbar, in vivo vurdering av kneet ekstensor styrke i pre-kliniske gnager studier tilbyr verdifulle funksjonelle endepunkter for studier som utforsker slitasjegikt eller kneskade. Vi rapporterer en in vivo og ikke-invasiv protokoll for gjentatte ganger å måle isometrisk topp tetanisk dreiemoment av kneekstensorene hos mus over tid. Vi viser konsistens ved hjelp av denne nye metoden for å måle kneekstensorstyrke med gjentatt vurdering hos flere mus som gir lignende resultater.
Skjelettmuskulatur er et svært tilpasningsdyktig vev med kompenserende endringer i masse og struktur som svar på et utall stimuli, som trening, ernæring, skade, sykdom, aldring og disuse. Mange studier som undersøker skjelettmuskulaturtilpasning hos mennesker, bruker metoder for å måle både skjelettmuskulaturstørrelse og innvirkning på funksjon, da gullstandard styrkevurderinger lett kan gjentas hos mennesker.
Spesielt er kneekstensor og flexor styrke mest vurdert i klinisk forskning. Endringer i kneekstensorstyrke har blitt mye rapportert i menneskelige studier av aldring, trening, ortopedisk skade, kne slitasjegikt, kronisk sykdom og bruk1,2,3,4,5,6,7. Imidlertid har metoder for gjentatte ganger og ikke-invasivt analysere kneekstensormuskel (quadriceps) styrke i mekanistiske gnagerstudier vært relativt begrenset. En metode for å bestemme in vivo quadriceps muskel kontraktilitet hos rotter ble tidligere utviklet8; Det kreves imidlertid omfattende bygging av ikke-kommersielt tilgjengelig utstyr. Gitt bredden av gnagermodeller utviklet for å studere muskuloskeletale utfall etter kneskade / slitasjegikt9,10,11,12,13, eksisterer det behov for ikke-invasiv vurdering av quadriceps styrke.
Videre bruker gnagerstudier som undersøker molekylære mekanismer som underbygger skjelettmuskulaturtilpasning ofte musemodeller på grunn av enkelheten i genetisk modifikasjon, som mange farmakologiske intervensjonsstudier på grunn av de reduserte økonomiske utgiftene forbundet med lavere vektbasert dosering av et stoff hos mus sammenlignet med rotter. Vi rapporterer en ikke-invasiv metode for gjentatte ganger å måle in vivo kne ekstensor funksjon i samme mus over tid ved hjelp av kommersielt tilgjengelig utstyr med mindre modifikasjon, letter reproduserbarhet blant ulike laboratorier, og gir mer direkte sammenligning med menneskelige styrke utfall.
Måling og analyse av muskelfunksjon i gnagermodeller er avgjørende for å gjøre translasjonelle og meningsfulle slutninger angående histologiske og molekylære skjelettmuskulaturtilpasninger observert med trening, skade, sykdom og terapeutisk behandling. Vi demonstrerer en metode for å vurdere kneekstensor maksimal styrke pålitelig og gjentatte ganger hos mus som bruker kommersielt tilgjengelig utstyr, med det justerbare plaststykket for å holde bakre lem på den fremre tibiaen som den eneste tilpassede fabrikkerte delen som kan replikeres.
Vanlige funksjonelle vurderingsverktøy har blitt mye brukt til å evaluere fysisk ytelse gjentatte ganger i samme mus, for eksempel tredemølle som løper til volitional tretthet, rotarod ytelsestest, invertert klammetest og grepstyrketest. Men selv om de er informative, involverer disse vurderingene kardiopulmonale og atferdsmessige komponenter, som kan tilsløre avhør av nevromuskulær funksjon forbundet med disse fysiske ytelsestiltakene. Videre er elementer av utholdenhet, koordinering og balanse til stede i mange av disse funksjonelle vurderingene til forskjellige nivåer, noe som begrenser klar tolkning i forhold til muskelstyrke. Kraften som produserer evne til gnagermuskel(er) kan måles in vitro, in situ eller in vivo. Hver tilnærming har relative fordeler og begrensninger. Spesielt, med in vitro vurdering, er muskelen helt isolert og fjernet fra dyrets kropp slik at det ikke er noen innflytelse fra perfusjon eller innervasjon19. Dette gir et godt kontrollert miljø for å fastslå kontraktil evne, men begrenser størrelsen på muskelen som studeres gjennom avhengighet av passiv diffusjon av oksygen og næringsstoffer under testing. In situ testing opprettholder innervering og blodtilførsel av muskelen, men er begrenset til en entall terminal vurdering, som med in vitro testing20. Til slutt er in vivo-testing den minst invasive med muskelen som gjenstår i sitt opprinnelige miljø med perkutane elektroder satt inn i nærheten av motornerven for å stimulere muskelen elektrisk. En styrke av in vivo-tilnærmingen er potensialet for langsgående testing over tid21,22,23.
In vivo evaluering av topp muskel kontraktilitet optimalt måler maksimal styrke som normal anatomi og fysiologi av musen forblir intakt og metoden kan gjentas på samme mus før og etter en intervensjon eller gjennom hele levetiden. Spesielt er in vivo-måling av kneekstensorstyrke hos mus den murine styrkevurderingen med størst translasjonell relevans for menneskelige studier, da maksimalt kneforlengelsesmoment måles og betraktes som gullstandard styrketest hos mennesker med sammenheng med ulike funksjonelle og helsemessige resultater24,25,26,27 . Videre observeres kneekstensorpatologi med aldring samt et utall skader og sykdommer1,2,4,5,6, men å vurdere virkningen av disse forholdene på kneekstensorstyrke langsgående hos mus har ikke vært lett oppnåelig.
Selv om denne metoden tilbyr verktøy for å bestemme kneekstensor topp dreiemoment på en langsgående måte, bør visse begrensninger i protokollen vurderes. Lavere frekvenser mellom 40 Hz og 120 Hz ble utelatt fra momentfrekvensprotokollen, noe som kan begrense muligheten til å oppdage venstre eller høyredreiningsskift i dreiemomentfrekvenskurven med skade eller sykdom. Ved hjelp av denne dreiemomentfrekvensprotokollen har vi imidlertid kunnet oppdage endringer i topp tetanisk dreiemoment i en ACL-skademodell og mellom C56BL/6 wild type mus og en transgen musemodell av suprafysiologisk muskelmasse (figur 8). Vi merker at det kan være gunstig å sikre elektrodene med hjelpende hender eller lignende apparater, da muskelsammentrekninger kan bevege elektroder litt. Vi noterte ingen åpenbar forskyvning av elektroder med progressive sammentrekninger; Muligheten for liten bevegelse av elektrodene kan imidlertid ikke utelukkes, noe som kan påvirke muskelstimulering. I tillegg ble intramuskulær elektromyografi (EMG) ikke utført i forbindelse med stimulusprotokollen; Inkludering av EMG-tiltak kan imidlertid være mulig, om ønskelig og hensiktsmessig for den eksperimentelle interessemodellen.
Vurdering av kneekstensorstyrke i murinmodeller av ortopedisk skade og sykdom vil legge til rette for preklinisk forskning med meningsfull translasjonell relevans for kliniske styrketiltak. Vår protokoll muliggjør presis og gjentatt vurdering av maksimal kneekstensorstyrke hos mus med kommersielt tilgjengelig utstyr tilgjengelig for ethvert laboratorium.
The authors have nothing to disclose.
Vi vil takke Rosario Maroto for teknisk assistanse. Forskning rapportert i denne publikasjonen ble støttet av National Institute of Arthritis and Musculoskeletal and Skin Diseases of the National Institutes of Health under Award Number R01 AR072061 (CSF). Innholdet er utelukkende forfatternes ansvar og representerer ikke nødvendigvis de offisielle synspunktene til National Institutes of Health.
1300A: 3-in-1 Whole Animal System- Mouse | Aurora Scientific Incorporated | 300D-305C-FP: dual-mode motor with custom knee extension apparatus, 605A: Dynamic Muscle Data Acquisition and Analysis System, 701C: Electrical Stimulator, 809C: in-situ Mouse Apparatus | |
6100 Dynamic Muscle Control LabBook software | Aurora Scientific Incorporated | DMC v6.000 | |
611A Dynamic Muscle Analysis | Aurora Scientific Incorporated | DMA v5.501 | |
BravMini hair clippers | Wahl Clipper Corporation | ASIN: B00IN24ILE | |
Eye Lube | Optixcare | Item Number: 142422 | |
Isoflurane | Covetrus | NDC: 11695-6777-2 | |
V-1 Tabletop Laboratory Animal Anesthesia System | VetEquip Inhalation Anesthesia Systems | Item Number: 901806 | |
Prism 8 | GraphPad Software, LLC | Version 8.3.0 (328) |