Mekanik Değerlendirme için İnsan Musculus Tibialis Anterior Üstün Bölmesi İskelet Kas Biyopsileri Toplama
Summary
Bu teknik rapor, lif hasarını sınırlayan musculus tibialis anterior biyopsisi için modifiye Bergström tekniğinin bir varyasyonu açıklanmaktadır.
Abstract
İskelet liflerinin mekanik özellikleri genel kas sağlığı, fonksiyon ve performansın önemli göstergeleridir. İnsan iskelet kas biyopsileri genellikle bu çabalar için toplanır. Ancak, biyopsi prosedürleri nispeten az teknik açıklamalar, yaygın olarak kullanılan musculus vastus lateralis dışında, mevcuttur. Biyopsi teknikleri genellikle çalışma altında her kas özelliklerini karşılamak için ayarlanmış olsa da, birkaç teknik raporlar büyük topluluk için bu değişiklikleri paylaşmak. Böylece, insan katılımcıların kas dokusu genellikle operatör tekerleği yeniden icat olarak israf edilir. Çeşitli kaslardan biyopsiler üzerinde mevcut malzeme genişletilmesi başarısız biyopsiler olayını azaltabilir. Bu teknik rapor, musculus tibialis anterior üzerindeki modifiye Bergström tekniğinin lif hasarını sınırlayan ve mekanik değerlendirme için yeterli lif uzunluklarını sağlayan bir varyasyonu açıklamaktadır. Ameliyat bir saat içinde tamamlanabilecek bir ayakta tedavi prosedürüdür. Bu işlem için iyileşme süresi hafif aktivite için hemen (yani, yürüyüş), normal fiziksel aktivitenin devamı için üç güne kadar, ve yara bakımı için yaklaşık bir hafta. Çıkarılan doku mekanik kuvvet deneyleri için kullanılabilir ve burada temsili aktivasyon verileri salıyoruz. Bu protokol çoğu toplama amacıyla uygundur, potansiyel olarak diğer iskelet kaslarına uyarlanabilir ve toplama iğnesindeki değişikliklerle geliştirilebilir.
Introduction
Klinik veya araştırma amaçlı insan kas fizyolojisi çalışma genellikle kas biyopsisi gerektirir. Örneğin, insan kas fizyolojisi ve biyomekanik önemli bir sorun arasında ayrım yapmak ve egzersiz kas performansı çeşitli adaptasyonları anlamaktır. Performans adaptasyonları sadece yapısal adaptasyonları içermez (örneğin, kontraktil proteinlerdeki değişiklikler, kas mimarisi) ama aynı zamanda insan kaslarında sağlam test yaparken ayrı ayrı değerlendirmek için çok zor, imkansız olmayan sinirsel adaptasyonlar1’ide içerir. Lif düzeyindedeneyler bu yüksek seviye bileşenleri kaldırmak ve kas kasılması daha doğrudan değerlendirilmesi için izin ve biyopsi teknikleri ile toplanabilir. Kas biyopsileri en az 18682yılından beri toplanmıştır. Bugün, kas biyopsileri toplamak için baskın teknik modifiye Bergström tekniği3,4,5, diğer teknikler bir Weil-Blakesley conchotome kullanımı da dahil olmak üzere kullanılabilir olmasına rağmen6 veya sözde ince iğne7,8. Tüm bu teknikler kas içine geçmek ve doku bir parça kesmek için tasarlanmış özel iğne benzeri aletler kullanın. Özellikle, modifiye Bergström tekniği büyük bir modifiye iğne kullanır (5 mm iğne boyutu burada; Şekil 1) bu iğne ucuna yakın bir pencere ve iğne pencereden geçerken kas kesme, aşağı ve aşağı iğne hareket eden daha küçük bir iç trocar vardır. Bu hallow trocar içinde yukarı ve aşağı trocar şaft hareket eder ve iğne penceresine doğru biyopsi iter bir ramrod olduğunu. İğne penceresiiçine kas çekmek için, bir emme hortumu, hangi iğne hava emer ve negatif basınç ile iğne penceresiiçine kas çeker eklenir.
Kas biyopsileri genellikle protein içeriği değişiklikleri incelemek için elde edilir, gen ekspresyonu, ya da morfoloji hastalığın neden olduğu ya da bir egzersiz programına yanıtolarak 1,9,10,11. Kas biyopsileri için bir diğer kritik kullanım, lif kontraktil kuvvetinin ölçülmesi, kas lifsertliği ve geçmişe bağlı kas özellikleri12,,13,,14,15,16gibi mekanik deneylerdir. Tek elyaf veya lif demeti mekaniği aynı anda kuvvet ölçerken lif uzunluğunu kontrol özel teçhizatları üzerinde bir uzunluk motoru ve kuvvet transdüser arasında lifler takArak ölçülür. Geçirimsizleştirici (örn. deri yüzme) lifleri ile sarkolemma membran, banyo çözeltisindeki kimyasallara geçirilebilir hale gelir ve kalsiyum konsantrasyonunu değiştirerek aktivasyon kontrolü sağlar. Ayrıca, kontraktil özelliklerinin kimyasallar/farmasötikler/diğer proteinler üzerindeki etkisi, söz konusu reaktifin banyo çözeltisine eklenmesiyle kolayca değerlendirilebilir. Ancak, bu teknik son derece diğer hayvan modellerinde kullanılırken, belirgin daha az çalışma insan kas biyopsileri17,18,,19derili lifler üzerinde mekanik testler yaptı. Bunun nedenlerinden biri, biyopsi araçları nın ve protokollerinin doku çıkarma sırasında oluşan yapısal hasar seviyesine daha az göz önünde bulundurularak mümkün olduğunca çok kas dokusunu çıkarmak üzere tasarlanmış olmasıdır. Nitekim, yeni bir biyopsi protokolü kas içine biyopsi iğne sürücü vekas3 2-4 parçaları toplamak öneriyor. Sürecin kendisi DNA veya protein materyaline çok az zarar verir, ancak genellikle lif ve sarkoerik yapıları kas liflerinin aktivasyonu kararsız veya imkansız hale gelir şekilde yok eder. Ayrıca biyopsi deki liflerin göreceli uzunluğu genellikle kısadır (<2 mm) ve mekanik testler için kolayca işlenmez. Mekanik testler için ideal lifler uzundur (3-5 mm) ve yapısal olarak hasar görmemişlerdir.
Daha gelişmiş doku çıkarma teknikleri lif hasarı sınırlamak için kullanılabilir. Örneğin,20 kişilik bir grup, kasların tam olarak maruz kaldığı ve bir cerrahın kas yapısını görselleştirebildiği ve nispeten büyük ve yapısal olarak hasar görmemiş kas dokusu (15 mm x 5mm x 5 mm) örneklerini dikkatlice inceleyebildiği ön kolların önceden planlanmış “açık ameliyatlarından” (örn. kemik kırığı onarımı) yararlandı. Bu “açık biyopsi” tekniği, katılımcılar daha önce planlanmış bir prosedürden geçerken tercih edilir ve bu nedenle, özellikle sağlıklı yetişkinler için, aksi takdirde hiçbir ameliyat ların gerçekleşeceği potansiyel katılımcıların havuzunu sınırlar. Böylece, araştırma amaçlı yapılan birçok biyopsi ayakta tedavi işlemi olarak yapılırken, enfeksiyon, yara izi ve iyileşme süresini sınırlamak için kesi bölgesi mümkün olduğunca küçük tutulmaktadır. Bu nedenle, en biyopsiler körü körüne toplanır (yani, operatör kas içine fasya geçer gibi toplama iğne görmek mümkün değildir). Bu biyopsi kalitesi neredeyse tamamen operatör beceri ve deneyime dayalı olduğu anlamına gelir. Her kas doku toplarken kendi zorlukları vardır, sinirler ve kan damarları ihlal riskleri gibi, ideal bir toplama derinliği ve yer seçimi, ve mümkün olduğunca gevşek kas tutmak için uygun bir vücut pozisyonu karar. Ne yazık ki, kas özgü skillsets çoğu yazılı değildir ve bu yüzden her hekim onlara yeni kaslar üzerinde biyopsi yaparken “tekerleği yeniden icat” gerekir. Hekim bu kas biyopsiler için en iyi uygulamaları tanımlayana kadar deneyim Bu eksikliği genellikle düşük kaliteli çeşitli koleksiyonlara yol açar. Acemi hekimler genellikle daha deneyimli meslektaşları ile konuşmaları yoluyla beceri öğrenmek, ancak nispeten az bilgilendirici ve hakemli metinler bu konuda var, geleneksel biyopsi toplama için kullanılmayan kaslar için özellikle. Yukarıdaki bilgileri göz önünde bulundurursak, biyopsiler için insan gönüllüleri işe almanın zorluğu ile birlikte, her katılımcı için başarı şansını en üst düzeye çıkaran daha fazla öğretim bilgisine ihtiyaç duyulduğu açıktır.
Bu yazının amacı, mekanik testler için uzun, hasarsız lif parçaları ile kas biyopsilerinin başarılı bir şekilde toplanması için protokoller sağlayan bir kas biyopsisi tekniği sunmaktır. İnsan kas biyopsileri genellikle yapılır, ve biyopsi eğitim materyalinin toplu, musculus vastus lateralis. Onun nispeten büyük kas boyutu ve cilde göre yüzeysel konumu yeterli kas dokusunun toplanması için izin verir, hasta rahatsızlık ve fiziksel travma en aza indirirken1,21. Ancak, uzunlamasına eğitim çalışmaları için vastus lateralis kullanarak bazı sınırlamalar vardır. Örneğin, bir eğitim programı içeren deneysel protokoller sırasında, katılımcılar genellikle 2-6 ay aşan bir süre için çalışma dışında ek eğitim kaçınmalısınız. Sporcular için bu genellikle mümkün değildir, çünkü vastus lateralis genellikle tipik egzersizler sırasında (örneğin, çömelmeler, atlar) veya genellikle spor için kullanılır (örn. koşu, bisiklet) için kullanılır. Çalışmanın amacından uzak bu ayrı eğitim deneyimleri kas mekaniği, mimari ve fizyolojiyi kas özellikleri üzerinde çalışmanın deneysel protokolünün gerçek etkisini bilmek zor ya da imkansız bir şekilde değiştiren kas adaptasyonlarına neden olabilir. Çalışmaların bu tür için, genellikle eğitim alayları odak noktası olmayan bir hedef kas seçmek için ideal olacaktır. Musculus tibialis anterior (TA) yukarıdaki gereksinimleri karşılayan ideal bir hedef kastır. Buna ek olarak, eğitim müdahaleleri bir dinamometre kullanımı gibi kontrol edilebilir yaklaşımlar kullanılarak TA’ya yönelik olarak hedeflenebilir. TA kas biyopsisi ile ilgili neredeyse hiçbir eğitim materyali yoktur. Bu nedenle, ta nispeten hasarsız kas biyopsileri toplamak için değiştirilmiş bir protokol geliştirdi.
Protocol
Representative Results
Discussion
Bu raporda, TA’dan yapısal olarak hasar görmemiş kas dokusubiyopsisi için bir teknik tanımlanmıştır. Biz bu prosedür kullanılabilir kas lifleri kabul edilebilir bir içerik verimleri bulundu (5-10 lif demeti preparatları başına 50 toplanan doku mg) mekanik testler için. Ayrıca mekanik, genetik ve proteomik deneylerin takibi için yeterli dokuya sahiptik.
Genellikle kas biyopsileri 3,,4,3,6</s…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Michaela Rau, Lea-Fedia Rissmann, Michael Marsh, Janina-Sophie Tennler, Kilian Kimmeskamp ve Wolfgang Linke’e projeye yardımcı olduklarından dolayı teşekkür ederiz. Bu projenin finansmanı MERCUR Vakfı (ID: An-2016-0050) tarafından DH’ye sağlanmıştır.
Materials
| 26 guage subcutaneous needle with 2 ml glass syringe | B. Braun Melsungen AG Carl-Braun-Straße 1 34212 Melsungen, Hessen Germany |
4606027V | Drug administration |
| 5mm Berstöm needle | homemade | N/A | Tissue collection. Similar to other Berstöm needles |
| Acrylastic | BSN medical GmbH 22771 Hamburg |
269700 | elastic compression bandage |
| Complete protease inhibitor cocktail | Roche Diagnostics, Mannheim, Germany | 11836145001 | Protease inhibitor tabeletes added to all solutions that hold muscle tissue. |
| Cutasept | PAUL HARTMANN AG Paul-Hartmann-Straße 12 89522 Heidenheim Germany |
9805630 | Disenfectant spray for the skin |
| Leucomed T plus | BSN medical GmbH 22771 Hamburg |
7238201 | Transparent wound dressing with wound pad to seal the wound and protect against infection |
| Leukostrip | Smith and Nephew medical Limitied 101 Hessle road, Hull Great Britain |
66002876 | wound closure |
| Surgical disposable scalpels | Aesculap AG Am Aesculap-Platz 78532 Tuttlingen Germany |
BA200 series | Incision |
| Unihaft cohesive elastic bandage | BSN medical GmbH 22771 Hamburg |
4589600 | cohesive elastic bandage that protects against mechanical impact |
| Xylocitin 2% with Epinephrin | Milbe GmbH Münchner Straße 15 06796 Brehna Germany |
N/A | Controlled substance anesthesia, vasoconstriction |
References
- Franchi, M., et al. Architectural, functional and molecular responses to concentric and eccentric loading in human skeletal muscle. Acta Physiologica. 210 (3), 642-654 (2014).
- Duchene, G. B. A. De la paralysie musculaire pseudo-hypertrophique, ou paralysie myo-sclérosique / par le Dr Duchenne (de Boulogne). Archives of General Internal Medicine. 11 (30), (1868).
- Shanely, R. A., et al. Human skeletal muscle biopsy procedures using the modified Bergström technique. Journal of Visualized Experiments. (91), e51812 (2014).
- Evans, W. J., Phinney, S. D., Young, V. R. Suction applied to a muscle biopsy maximizes sample size. Medicine and Science in Sports and Exercise. 14 (1), 101-102 (1982).
- Bergstrom, J. Percutaneous needle biopsy of skeletal muscle in physiological and clinical research. Scandinavian Journal of Clinical and Laboratory Investigation. 35 (7), 609-616 (1975).
- Baczynska, A. M., et al. Human Vastus Lateralis Skeletal Muscle Biopsy Using the Weil-Blakesley Conchotome. Journal of Visualized Experiments. (109), e53075 (2016).
- Pesta, D., Gnaiger, E. High-resolution respirometry: OXPHOS protocols for human cells and permeabilized fibers from small biopsies of human muscle. Methods in Molecular Biology. 810, 25-58 (2012).
- Buck, E., et al. High-resolution respirometry of fine-needle muscle biopsies in pre-manifest Huntington’s disease expansion mutation carriers shows normal mitochondrial respiratory function. Plos One. 12 (4), 01175248 (2017).
- Murgia, M., et al. Single Muscle Fiber Proteomics Reveals Fiber-Type-Specific Features of Human Muscle Aging. Cell Reports. 19 (11), 2396-2409 (2017).
- Friedmann-Bette, B., et al. Effects of strength training with eccentric overload on muscle adaptation in male athletes. European Journal of Applied Physiology. 108 (4), 821-836 (2010).
- McPhee, J. S., et al. The contributions of fibre atrophy, fibre loss, in situ specific force and voluntary activation to weakness in sarcopenia. The Journals of Gerontology. Series A, Biological Sciences and Medical Sciences. 73 (10), 1287-1294 (2018).
- Nocella, M., Cecchi, G., Bagni, M. A., Colombini, B. Force enhancement after stretch in mammalian muscle fiber: no evidence of cross-bridge involvement. American Journal of Physiology. Cell Physiology. 307 (12), 1123-1129 (2014).
- Patel, J. R., McDonald, K. S., Wolff, M. R., Moss, R. L. Ca2+ binding to troponin C in skinned skeletal muscle fibers assessed with caged Ca2+ and a Ca2+ fluorophore. Invariance of Ca2+ binding as a function of sarcomere length. The Journal of Biological Chemistry. 272 (9), 6018-6027 (1997).
- Hessel, A. L., Joumaa, V., Eck, S., Herzog, W., Nishikawa, K. C. Optimal length, calcium sensitivity and twitch characteristics of skeletal muscles from mdm mice with a deletion in N2A titin. The Journal of Experimental Biology. 222, (2019).
- Joumaa, V., Herzog, W. Calcium sensitivity of residual force enhancement in rabbit skinned fibers. American Journal of Physiology. Cell Physiology. 307 (4), 395-401 (2014).
- Joumaa, V., Rassier, D. E., Leonard, T. R., Herzog, W. The origin of passive force enhancement in skeletal muscle. American Journal of Physiology. Cell Physiology. 294 (1), 74-78 (2008).
- Hilber, K., Galler, S. Mechanical properties and myosin heavy chain isoform composition of skinned skeletal muscle fibres from a human biopsy sample. Pflugers Archiv: European Journal of Physiology. 434 (5), 551-558 (1997).
- Miller, M. S., et al. Chronic heart failure decreases cross-bridge kinetics in single skeletal muscle fibres from humans. The Journal of Physiology. 588, 4039-4053 (2010).
- Pinnell, R. A. M., et al. Residual force enhancement and force depression in human single muscle fibres. Journal of Biomechanics. 91, 164-169 (2019).
- Einarsson, F., Runesson, E., Fridén, J. Passive mechanical features of single fibers from human muscle biopsies–effects of storage. Journal of Orthopaedic Surgery and Research. 3, 22 (2008).
- Flann, K. L., LaStayo, P. C., McClain, D. A., Hazel, M., Lindstedt, S. L. Muscle damage and muscle remodeling: no pain, no gain. The Journal of Experimental Biology. 214, 674-679 (2011).
- Commission for Hospital Hygiene and Infection Prevention (KRINKO), Federal Institute for Drugs and Medical Devices (BfArM). Anforderungen an die Hygiene bei der Aufbereitung von Medizinprodukten [Hygiene requirements for the reprocessing of medical devices]. Bundesgesundheitsblatt, Gesundheitsforschung, Gesundheitsschutz. 55 (10), 1244-1310 (2012).
- Koch-Institut, R. Ergänzung zur Empfehlung Anforderungen an die Hygiene bei der Aufbereitung von Medizinprodukten. RKI-Bib1. , (2018).
- Rutala, W. A., Weber, D. J. Disinfection and sterilization in healthcare facilities. Practical Healthcare Epidemiology. , 58-81 (2018).
- Rassier, D. E., MacIntosh, B. R. Sarcomere length-dependence of activity-dependent twitch potentiation in mouse skeletal muscle. BMC Physiology. 2, 19 (2002).
- Mounier, Y., Holy, X., Stevens, L. Compared properties of the contractile system of skinned slow and fast rat muscle fibres. Pflugers Archiv: European Journal of Physiology. 415 (2), 136-141 (1989).
- Henriksson, K. G. Semi-open muscle biopsy technique. A simple outpatient procedure. Acta Neurologica Scandinavica. 59 (6), 317-323 (1979).
- Dietrichson, P., et al. Conchotome and needle percutaneous biopsy of skeletal muscle. Journal of Neurology, Neurosurgery, and Psychiatry. 50 (11), 1461-1467 (1987).
- Iachettini, S., et al. Tibialis anterior muscle needle biopsy and sensitive biomolecular methods: a useful tool in myotonic dystrophy type 1. European Journal of Histochemistry. 59 (4), 2562 (2015).
- Cotter, J. A., et al. Suction-modified needle biopsy technique for the human soleus muscle. Aviation, Space, and Environmental Medicine. 84 (10), 1066-1073 (2013).
- Edwards, R. H., Round, J. M., Jones, D. A. Needle biopsy of skeletal muscle: a review of 10 years experience. Muscle & Nerve. 6 (9), 676-683 (1983).
- Gibreel, W. O., et al. Safety and yield of muscle biopsy in pediatric patients in the modern era. Journal of Pediatric Surgery. 49 (9), 1429-1432 (2014).
- Cuisset, J. M., et al. Muscle biopsy in children: Usefulness in 2012. Revue Neurologique. 169 (8-9), 632-639 (2013).
- Nilipor, Y., et al. Evaluation of one hundred pediatric muscle biopsies during a 2-year period in mofid children and toos hospitals. Iranian Journal of Child Neurology. 7 (2), 17-21 (2013).
- Schiaffino, S., Reggiani, C. Fiber types in mammalian skeletal muscles. Physiological Reviews. 91 (4), 1447-1531 (2011).
- Wang, K., Wright, J. Architecture of the sarcomere matrix of skeletal muscle: immunoelectron microscopic evidence that suggests a set of parallel inextensible nebulin filaments anchored at the Z line. The Journal of Cell Biology. 107 (6), 2199-2212 (1988).
- Ma, W., Gong, H., Irving, T. Myosin head configurations in resting and contracting murine skeletal muscle. International Journal of Molecular Sciences. 19 (9), (2018).
- Ma, W., Gong, H., Kiss, B., Lee, E. J., Granzier, H., Irving, T. Thick-Filament Extensibility in Intact Skeletal Muscle. Biophysical Journal. 115 (8), 1580-1588 (2018).
- Bonafiglia, J. T., et al. A comparison of pain responses, hemodynamic reactivity and fibre type composition between Bergström and microbiopsy skeletal muscle biopsies. Current Research in Physiology. 3, 1-10 (2020).
- Wickiewicz, T. L., Roy, R. R., Powell, P. L., Edgerton, V. R. Muscle architecture of the human lower limb. Clinical Orthopaedics and Related Research. (179), 275-283 (1983).
