In vivo- utvärdering av råtttavans mekaniska och viskoelastiska egenskaper
Summary
Vi beskriver ett kirurgiskt ingrepp i en bedövad råttmodell för bestämning av tungans muskelton och viskoelastiska egenskaper. Förfarandet innefattar specifik stimulering av hypoglossala nerver och applicering av passiva Lissajous kraft / deformationskurvor till muskeln.
Abstract
Tungan är en mycket innerverad och vaskulär muskelhydrostat på munnen av de flesta ryggradsdjur. Dess primära funktioner inkluderar stödjande mastication och deglutition, samt smaksavkänning och fonetik. Följaktligen kan styrkan och volymen på tungan påverka ryggradenas förmåga att åstadkomma grundläggande aktiviteter såsom utfodring, kommunikation och andning. Mänskliga patienter med sömnapné har förstorade tungor, kännetecknad av minskad muskelton och ökat intramuskulärt fett som kan visualiseras och kvantifieras genom magnetisk resonansbildning (MRI). Förmågan att mäta kraftgenerering och viskoelastiska egenskaper hos tungan utgör viktiga verktyg för att erhålla funktionell information för att korrelera med bilddata. Här presenterar vi tekniker för mätning av tungstyrka i bedövade Zucker-råttor via elektrisk stimulering av hypoglossala nerver och för bestämning av viskoelastiska egenskaper oF tungan genom att applicera passiva Lissajous kraft / deformationskurvor.
Introduction
Tungan ger väsentligt stöd för mastication, deglutition, smakavkänning och talande. Förekomsten av extrinsisk och inneboende muskulatur, med distinkt innervation och anatomi / funktion, står för den unika egenskapen hos denna muskelhydrostat. Nya framsteg inom bildtekniker har gett en mer detaljerad bild av dess komplexa anatomi 1 . Minskad tungafunktionalitet, tunga atrofi, dysfagi och talproblem är också vanliga manifestationer av myopatiska tillstånd, såsom Parkinson 2 , Amyotrophic lateral Sclerosis (ALS) 3 , Myotonic Dystrophy (MD) 4 och andra myopatier.
Förändringar i muskelsammansättning i samband med vanliga sjukdomstillstånd påverkar tungans mekaniska och viskoelastiska egenskaper. Till exempel har funktionell analys av tungstyrkan visat förändringar i kontraktil egenskaper som hör samman med åldrandetSs = "xref"> 5 , 6 , hypoxi 7 , 8 och fetma 9 , 10 . Vid muskeldystrofi leder ökad fibros till högre muskelstyvhet, vilket innebär att deformationens överensstämmelse blir lägre när ett Lissajous deformationsprotokoll tillämpas 11 . Omvänt förändrar förändringar i muskelfettinnehållet, som de som dokumenteras hos överviktiga patienter, både de metaboliska 12 och mekaniska egenskaperna hos skelettmusklerna 13 , 14 och förväntas öka muskelöverensstämmelsen med deformation. Ökat tunga fett korrelerar också med utvecklingen av obstruktiv sömnapné (OSA) hos människor 17 genom att öka tungvolymen till punkten för partiell övre luftvägsblock (apné) 15 , 16 . SimIlarly till människor, har tunga infiltration dokumenterats i obese Zucker råttor 10 , vilket tyder på att denna modell är ett värdefullt verktyg för att studera effekterna av fettinfiltrering på tungfysiologi.
Mätande tungstyrka kräver delikata kirurgiska tekniker för att isolera och bilateralt stimulera hypoglossala nerver 17 , 18 . Sådana tekniker har tidigare beskrivits i råttor 5 , 17 , 19 , 20 , kaniner 21 och människor 22 , 23 , men med begränsade visuella hjälpmedel till utredaren. På grund av sin högteknologiska natur skulle tillgängligheten av ett detaljerat protokoll betydligt förbättra tillgängligheten och reproducerbarheten av denna teknik. Målet med vårt experimentella paradigm är att vara sjukUstrate en giltig och pålitlig teknik för att mäta styrka och viskoelastiska egenskaper hos tungan i en råttmodell. För att uppnå detta bedöms råttan, hypoglossala nerver exponeras och luftröret kanyleras för att säkerställa fri tillgång till djurets tunga. En suturslinga ansluter sedan spetsen av tungan till en kraftgivare som kan styra både kraft och längd medan två bipolära krokelektroder stimulerar hypoglossala nerver för att inducera sammandragning av tungan. Efter att kraftmätningen är avslutad används kraftöverförarens längdstyrande förmåga att snabbt ändra längden på tungan, enligt ett sinusvågsprotokoll med Lissajous-kurvor, längd och frekvens, så att en kan härledas Dess viskoelastiska egenskaper 11 , 24 . Protokollet kommer att leda utredaren genom dissektionsstegen, positioneringen av djuret på den experimentella plattformenRm, placering av elektroder och slutligen till förvärv och analys av kraft- och viskoelasticitetsdata.
Protocol
Representative Results
Discussion
Förändringar i tungmetabolismen och / eller sammansättningen, t ex infektionen av tunga fett som en följd av fetma, förutses förorsaka kvantifierbara förändringar av parametrarna enligt vårt protokoll. Kvantifieringen av tungstyrkan är av stor intresse, eftersom en obalans mellan utskjutande och retrusiv aktivitet eller allmänt tunga försvagning kan resultera i ocklusion av den övre luftvägen 15 . Övningstekniker som syftar till ökad tungstyrka har framgångsrikt använts…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Denna undersökning stöddes av två nationella institut för hälsotillskott: HL089447 ("Fetma och OSA: Förstå betydelsen av tunga fett och metabolisk funktion") och HL094307 ("Förstå förhållandet mellan fetma och tunga fett")
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).
