Esecuzione della miografia ad impedenza elettrica in vivo ed ex vivo nei roditori

Summary

Questo articolo descrive in dettaglio come eseguire la miografia ad impedenza elettrica in vivo (utilizzando array di elettrodi di superficie e ad ago) ed ex vivo (utilizzando una cella dielettrica) sul muscolo gastrocnemio dei roditori. Dimostrerà la tecnica sia nei topi che nei ratti e dettaglierà le modifiche disponibili (cioè animali obesi, cuccioli).

Abstract

La miografia ad impedenza elettrica (EIM) è una tecnica conveniente che può essere utilizzata in studi preclinici e clinici per valutare la salute e la malattia del tessuto muscolare. L’EIM si ottiene applicando una corrente elettrica a bassa intensità, focalizzata direzionalmente, a un muscolo di interesse attraverso una gamma di frequenze (cioè da 1 kHz a 10 MHz) e registrando le tensioni risultanti. Da questi, si ottengono diversi componenti di impedenza standard, tra cui la reattanza, la resistenza e la fase. Quando si eseguono misurazioni ex vivo sul muscolo asportato, è possibile calcolare anche le proprietà elettriche passive intrinseche del tessuto, vale a dire la conducibilità e la permittività relativa. L’EIM è stato ampiamente utilizzato negli animali e nell’uomo per diagnosticare e monitorare le alterazioni muscolari in una varietà di malattie, in relazione alla semplice atrofia da disuso o come misura di intervento terapeutico. Dal punto di vista clinico, l’EIM offre il potenziale per monitorare la progressione della malattia nel tempo e valutare l’impatto degli interventi terapeutici, offrendo così l’opportunità di abbreviare la durata della sperimentazione clinica e ridurre i requisiti di dimensione del campione. Poiché può essere eseguito in modo non invasivo o minimamente invasivo in modelli animali viventi e nell’uomo, EIM offre il potenziale per fungere da nuovo strumento traslazionale che consente sia lo sviluppo preclinico che clinico. Questo articolo fornisce istruzioni dettagliate su come eseguire misurazioni EIM in vivo ed ex vivo in topi e ratti, compresi gli approcci per adattare le tecniche a condizioni specifiche, come per l’uso in cuccioli o animali obesi.

Introduction

La miografia ad impedenza elettrica (EIM) fornisce un potente metodo per valutare le condizioni muscolari, consentendo potenzialmente la diagnosi di disturbi neuromuscolari, il monitoraggio della progressione della malattia e la valutazione della risposta alla terapia ^1,2,3. Può essere applicato analogamente ai modelli di malattie animali e agli esseri umani, consentendo una traduzione relativamente fluida dagli studi preclinici a quelli clinici. Le misure EIM sono facilmente ottenute utilizzando quattro elettrodi posizionati linearmente, con i due esterni che applicano una corrente elettrica indolore e debole su un intervallo di frequenze (generalmente tra 1 kHz e circa 2 MHz), e i due interni che registrano le tensioni risultanti¹. Da queste tensioni si possono ottenere le caratteristiche di impedenza del tessuto, tra cui la resistenza (R), una misura di quanto sia difficile per la corrente passare attraverso il tessuto, e la reattanza (X) o “caricabilità” del tessuto, una misura correlata alla capacità del tessuto di immagazzinare carica (capacità). Dalla reattanza e dalla resistenza, l’angolo di fase (θ) viene calcolato tramite la seguente equazione: , fornendo una singola misura sommativa dell’impedenza. Tali misurazioni possono essere ottenute utilizzando qualsiasi dispositivo di bioimpedenza multifrequenza. Poiché le miofibre sono essenzialmente cilindri lunghi, il tessuto muscolare è anche altamente anisotropo, con la corrente che scorre più facilmente lungo le fibre che attraverso di esse ^4,5. Pertanto, l’EIM viene spesso eseguito in due direzioni: con l’array posizionato lungo le fibre in modo tale che la corrente scorra parallela a loro e attraverso il muscolo in modo tale che la corrente fluisca perpendicolarmente a loro. Inoltre, nelle misurazioni ex vivo, in cui un volume noto di tessuto viene misurato in una cella di misurazione dell’impedenza, è possibile derivare le proprietà elettriche intrinseche del muscolo (cioè la conducibilità e la permittività relativa)⁶.

Il termine “disturbi neuromuscolari” definisce una vasta gamma di malattie primarie e secondarie che portano ad alterazioni e disfunzioni muscolari strutturali. Ciò include la sclerosi laterale amiotrofica e varie forme di distrofia muscolare, nonché cambiamenti più semplici legati all’invecchiamento (ad esempio, sarcopenia), atrofia da disuso (ad esempio, a causa di riposo a letto prolungato o microgravità) o persino lesioni⁷. Mentre le cause sono abbondanti e possono provenire dal motoneurone, dai nervi, dalle giunzioni neuromuscolari o dal muscolo stesso, l’EIM può essere utilizzato per rilevare alterazioni precoci nel muscolo a causa di molti di questi processi e per monitorare la progressione o la risposta alla terapia. Ad esempio, nei pazienti con distrofia muscolare di Duchenne (DMD), l’EIM ha dimostrato di rilevare la progressione della malattia e la risposta ai corticosteroidi⁸. Recenti lavori hanno anche dimostrato che l’EIM è sensibile ai vari stati di disuso, tra cui la gravità frazionaria⁹, come si sperimenterebbe sulla Luna o su Marte, e gli effetti dell’invecchiamento^10,11. Infine, applicando algoritmi predittivi e di machine learning al set di dati ottenuti con ogni misurazione (dati multifrequenza e direzionalmente dipendenti), diventa possibile dedurre aspetti istologici del tessuto, tra cui la dimensione della miofibra 12,13, le alterazioni infiammatorie e l’edema 14, e il tessuto connettivo e il contenuto di grasso ^15,16.

Diversi altri metodi non invasivi o minimamente invasivi sono utilizzati anche per valutare la salute muscolare negli esseri umani e negli animali, tra cui l’elettromiografia con ago¹⁷ e tecnologie di imaging come la risonanza magnetica, la tomografia computerizzata e gli ultrasuoni^18,19. Tuttavia, EIM dimostra vantaggi distinti rispetto a queste tecnologie. Ad esempio, l’elettromiografia registra solo le proprietà elettriche attive delle membrane miofibre e non le proprietà passive, e quindi non può fornire una vera valutazione della composizione o della struttura muscolare. In un certo senso, i metodi di imaging sono più strettamente correlati all’EIM, in quanto anch’essi forniscono informazioni sulla struttura e la composizione del tessuto. Ma in un certo senso, forniscono troppi dati, richiedendo una segmentazione dettagliata delle immagini e un’analisi di esperti piuttosto che fornire solo un output quantitativo. Inoltre, data la loro complessità, le tecniche di imaging sono anche fortemente influenzate dalle specifiche sia dell’hardware che del software utilizzati, idealmente richiedendo l’uso di sistemi identici in modo che i set di dati possano essere confrontati. Al contrario, il fatto che EIM sia molto più semplice significa che è meno influenzato da questi problemi tecnici e non richiede alcuna forma di elaborazione delle immagini o analisi di esperti.

Il seguente protocollo dimostra come eseguire EIM in vivo in ratti e topi, utilizzando tecniche non invasive (array di superficie) e minimamente invasive (array di aghi subdermici), nonché EIM ex vivo su muscoli appena asportati.

Protocol

Tutti i metodi qui descritti sono stati approvati dal Comitato istituzionale per la cura e l’uso degli animali del Beth Israel Deaconess Medical Center con numeri di protocollo (031-2019; 025-2019). Indossare attrezzature DPI adeguate per gestire gli animali e aderire alle linee guida IACUC per tutto il lavoro animale. 1. EIM di superficie in vivo Metti l’animale in una scatola per anestesia per indurre l’anestesia.NOTA: Per i ratti sono stati utilizzati…

Representative Results

L’EIM può essere ottenuto in molte condizioni, tra cui array in vivo di superficie (Figura 1), array di aghi in vivo (Figura 2A-F) e celle dielettriche ex vivo (Figura 2G,H). EIM fornisce un’istantanea quasi istantanea della condizione muscolare in base ai valori di impedenza misurati. Le misurazioni vengono acquisite rapidamen…

Discussion

Questo articolo fornisce i metodi di base per eseguire EIM nei roditori, sia in vivo che ex vivo. Per acquisire misurazioni affidabili, è fondamentale eseguire una serie di passaggi. In primo luogo, è necessario identificare correttamente il muscolo di interesse, poiché ogni muscolo avrà risposte diverse a malattie, trattamenti e patologie. Bisogna essere consapevoli che i dati acquisiti su un muscolo (ad esempio, gastrocnemio) non forniranno le stesse informazioni di un altro muscolo (ad esempio, t…

Materials

3D Printer	Formlabs Inc.	Form 2 Desktop	3D printer
3D Printer	Shenzhen Creality 3D Technology Co. LTD	Creality Ender 3 V2	3D printer
3M Micropore surgical tape	Fisher	19-027761 and 19-061655	models 1530-0 and 1530-1
3M TRANSPORE surgical tape	Fisher	18-999-380 and 18-999-381	models 1527-0 and 1527-1
Connector header vertical 10 POS 1 mm spacing	Digi-Key (Sullins connector solution)	S9214-ND (SMH100-LPSE-S10-ST-BK)	Plastic spacer 1 mm holes for the rat in vivo array displayed in Figure 2A
Cotton-tipped applicators	Fisher	22-363-172
Dental Wax	Fisher	NC9377103
Depilatory agent	NAIR	NA	hair remover lotion with softening baby oil
Dumont #7b Forceps	Fine Science Tools	No. 11270-20	Used for dissection, Style: #7b, Tip Shape: Curved, Tips: Standard, Tip Dimensions: 0.17 mm x 0.1 mm, Alloy/Material: Inox, Length: 11 cm
Electronic Digital Caliper	Fisher	14-648-17	Used to measure out the dimensions of the Gastrocnemius muscle
Epoxy adhesive dual cartridge 4 min work life	Devcon	series 14265, model 2217	Glue used in the rat in vivo array displayed in Figure 2A
Ex vivo dielectric impedance cell	Custom	NA	Dielectric cells were 3D printed in the Rutkove laboratory
Graefe Forceps	Fine Science Tools	No. 11051-10	Used for muscle to place and adjust, Length: 10 cm, Tip Shape: Curved, Tips: Serrated, Tip Width: 0.8 mm, Tip Dimensions: 0.8 mm x 0.7 mm, Alloy/Material
Hair clipper	Amazon	NA	Wahl professional animal BravMini+
Impedance Animal Device	Myolex	EIM1103	mView system – investigational electrical impedance myography device for use in animal research
In vivo needle arrays	Custom	NA	Custom arrays using 27 G subdermal needles from Ambu. The construction was finalized using a 3D printer in the Rutkove laboratory
In vivo surface array	Custom	NA	The in vivo surface array was printed and assembled in the Rutkove laboratory
Isoflurane	Patterson Veterinary Supplies	07-893-8441 (NDC: 46066-755-04)	Pivetal – 250 mL bottle
Non-woven gauze	Fisher	22-028-559	2 x 2 inch
Polystyrene Weighing Dishes	Fisher	S67090A	Dimensions (L x W x H): 88.9 mm x 88.9 mm x 25.4 mm
Razor Blades	Fisher	12-640	Used to cut muscle to right dimensions, Single-edge carbon steel blades
Student Fine Scissors	Fine Science Tools	No. 91460-11	Used for dissection, Tips: Sharp-Sharp, Alloy/Material: Student Stainless Steel, Serrated: No, Tip Shape: Straight, Cutting Edge: 20 mm, Length: 11.5 cm, Feature: Student Quality
Subdermal needles 27 G Neuroline	Ambu	745 12-50/24	Needles used in the rat in vivo array displayed in Figure 2A
Surgical Scissors – Sharp	Fine Science Tools	No. 14002-13	Used to cut skin, Tips: Sharp-Sharp, Alloy/Material: Stainless Steel, Serrated: No, Tip Shape: Straight, Cutting Edge: 42 mm, Length: 13 cm
TECA ELITE monopolar needle electrodes	Natus	902-DMG50-S	0.46 mm diameter (26 G). Blue hub
Teknova 0.9% saline solution	Fisher	S5815	1000 mL sterile