神经肌肉接头(NMJ)的功能评估可提供有关肌肉与神经之间通信的关键信息。本文介绍了一种利用两种不同的肌肉-神经标本——即比目鱼肌-坐骨神经和膈肌-膈神经——全面评估NMJ及肌肉功能的实验方案。
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神经肌肉接头(NMJ)的功能评估可提供有关肌肉与神经之间通信的关键信息。本文介绍了一种利用两种不同的肌肉-神经标本——即比目鱼肌-坐骨神经和膈肌-膈神经——全面评估NMJ及肌肉功能的实验方案。
在研究运动神经元与肌肉之间通信功能受损的疾病(如衰老和肌萎缩侧索硬化症,ALS)时,神经肌肉接头(NMJ)的功能起着关键作用。本文介绍了一种实验方案,可通过结合两种类型的电刺激——直接肌肉膜刺激和通过神经的刺激——来评估NMJ功能。比较肌肉对这两种不同刺激的反应,有助于在功能层面上明确NMJ中可能导致肌肉功能下降的潜在改变。
E离体 制备样品适用于严格控制的研究。本文介绍了一种用于腓肠肌-坐骨神经制备和膈肌-膈神经制备的强化方案,以测量肌肉及神经肌肉接头(NMJ)功能的多个参数。该方案持续约60分钟,通过定制装置不间断地进行。 用于测量肌肉收缩动力学特性、肌肉与神经刺激下的力-频率关系,以及神经肌肉接头(NMJ)功能特异性的两个参数,即神经传递衰竭和串内疲劳的软件。该方法学被用于通过 SOD1 检测腓肠肌和膈肌肌肉-神经标本的损伤情况G93A 转基因小鼠,一种ALS的实验模型,该模型普遍过表达突变的抗氧化酶超氧化物歧化酶1(SOD1)。
神经肌肉接头(NMJ)是由肌纤维的运动终板与运动神经元轴突末梢连接形成的化学突触。研究表明,当肌肉与神经之间的通信受损时(如在衰老或肌萎缩侧索硬化症(ALS)中),NMJ发挥着关键作用。由于肌肉与神经之间存在双向通信1,2,能够将NMJ功能障碍与肌肉本身缺陷区分开来单独测量,可能有助于深入理解二者之间的病理生理相互作用。事实上,这种功能评估有助于判断形态学或生物化学的改变是否导致了神经传递信号功能的下降。
通过比较神经刺激引发的肌肉收缩反应与直接刺激同一肌肉膜所引发的收缩反应,已被提出作为神经肌肉接头(NMJ)功能的间接测量方法。事实上,由于膜刺激绕过了神经递质传递信号,因此两种收缩反应之间的任何差异均可归因于神经肌肉接头的变化。该方法已在大鼠中被广泛采用3,4,5,6,7,并同样用于获取小鼠模型的相关信息8,9,10,11,12。
在此,我们详细描述了一种切除并检测两种肌肉-神经标本的实验方法,即比目鱼肌-坐骨神经标本和膈肌-膈神经标本。使用定制的 软件,我们设计了一种连续测试方案,该方案结合了多个参数的测量,用以表征神经肌肉接头(NMJ)和肌肉功能,从而能够将NMJ损伤与肌肉损伤分别进行综合评估。具体而言,该方案测量了肌肉单收缩力、肌肉动力学参数、直接刺激与神经刺激下的力-频率曲线以及神经传递衰竭情况13 对于单次放电频率和强直性频率,以及阵内疲劳7.
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所有动物实验均经罗马第一大学组织学与医学胚胎学系伦理委员会批准,并依照现行的意大利动物保护法进行。
1. 实验设置
2. 腘绳肌和膈肌神经肌肉接头收缩特性的评估

图 1 - 比目鱼肌-坐骨神经标本制备。功能测试手术过程中暴露比目鱼肌-坐骨神经。使用一对镊子暴露坐骨神经。 请点击此处查看该图的放大版本。

图 2 - 膈肌-膈神经标本制备。图片显示了膈肌-膈神经标本切除过程中的一个阶段(A),以及用于功能测试的组织条(B)。请点击此处查看该图的放大版本。
| 实验类型 | 频率 | 持续时间 | 重复次数 | 肌肉或神经刺激 | 目的 |
| (Hz) | (s) | ||||
| 单收缩 | 单脉冲 | 1 | 肌肉 | 单收缩力及动力学 | |
| 休息 | 30 | ||||
| 单收缩 | 单脉冲 | 1 | 神经 | ||
| 休息 | 30 | ||||
| 单收缩 | 单脉冲 | 1 | 肌肉 | ||
| 休息 | 30 | ||||
| 单收缩 | 单脉冲 | 1 | 神经 | ||
| 休息 | 120 | ||||
| 不完全强直收缩 | 40 | 0.8 | 1 | 神经 | 神经与肌肉刺激的力-频率曲线 |
| 休息 | 180 | ||||
| 不完全强直收缩 | 60 | 0.8 | 1 | 肌肉 | |
| 休息 | 180 | ||||
| 完全强直收缩 | 80 | 0.8 | 1 | 神经 | |
| 休息 | 180 | ||||
| 不完全强直收缩 | 20 | 0.8 | 1 | 肌肉 | |
| 休息 | 180 | ||||
| 不完全强直收缩 | 60 | 0.8 | 1 | 神经 | |
| 休息 | 180 | ||||
| 完全强直收缩 | 80 | 0.8 | 1 | 肌肉 | |
| 休息 | 180 | ||||
| 不完全强直收缩 | 20 | 0.8 | 1 | 神经 | |
| 休息 | 180 | ||||
| 不完全强直收缩 | 40 | 0.8 | 1 | 肌肉 | |
| 休息 | 300 | ||||
| 疲劳范式 | 35 | 0.8 | 1次肌肉刺激后接14次神经刺激,每次间隔休息1.2 s,重复20次 | 神经传递衰竭(NF) | |
| 休息 | 900 | ||||
| 疲劳范式 | 80 | 0.8 | 1次肌肉刺激后接14次神经刺激,每次间隔休息1.2 s,重复20次 | 神经传递衰竭(NF)和峰内疲劳(IF) | |
表1 - 比目鱼肌-坐骨神经刺激方案。 该表格列出了构成比目鱼肌-坐骨神经标本测试完整方案的各测试步骤顺序。
| 实验类型 | 频率 | 持续时间 | 重复次数 | 肌肉或神经刺激 | 目的 |
| (Hz) | (s) | ||||
| 单收缩 | 单次脉冲 | 1 | 肌肉 | 单收缩力及动力学 | |
| 休息 | 30 | ||||
| 单收缩 | 单次脉冲 | 1 | 神经 | ||
| 休息 | 30 | ||||
| 单收缩 | 单次脉冲 | 1 | 肌肉 | ||
| 休息 | 30 | ||||
| 单收缩 | 单次脉冲 | 1 | 神经 | ||
| 休息 | 120 | ||||
| 不完全强直收缩 | 60 | 0.5 | 1 | 神经 | 神经与肌肉刺激的力-频率曲线 |
| 休息 | 120 | ||||
| 完全强直收缩 | 100 | 0.5 | 1 | 肌肉 | |
| 休息 | 180 | ||||
| 不完全强直收缩 | 40 | 0.5 | 1 | 神经 | |
| 休息 | 120 | ||||
| 不完全强直收缩 | 20 | 0.5 | 1 | 肌肉 | |
| 休息 | 120 | ||||
| 不完全强直收缩 | 80 | 0.5 | 1 | 神经 | |
| 休息 | 150 | ||||
| 不完全强直收缩 | 80 | 0.5 | 1 | 肌肉 | |
| 休息 | 150 | ||||
| 不完全强直收缩 | 20 | 0.5 | 1 | 神经 | |
| 休息 | 120 | ||||
| 完全强直收缩 | 100 | 0.5 | 1 | 肌肉 | |
| 休息 | 150 | ||||
| 完全强直收缩 | 100 | 0.5 | 1 | 神经 | |
| 休息 | 180 | ||||
| 不完全强直收缩 | 60 | 0.5 | 1 | 肌肉 | |
| 休息 | 300 | ||||
| 疲劳范式 | 35 | 0.33 | 1次肌肉刺激后接14次神经刺激,每次间隔0.67 s,重复20次 | 神经传递衰竭(NF) | |
| 休息 | 900 | ||||
| 疲劳范式 | 80 | 0.33 | 1次肌肉刺激后接14次神经刺激,每次间隔0.67 s,重复20次 | 神经传递衰竭(NF)和峰内疲劳(IF) | |
表2 - 膈肌-膈神经刺激方案。 该表格列出了构成完整膈肌-膈神经制备测试方案的测试顺序。
3. 数据分析
注意:在实验方案结束时,按以下方式计算所有需要的参数。


4. 统计学分析
注意:统计分析模型的选择必须根据是在同一动物模型内还是比较两种不同动物模型中肌肉对神经和膜刺激的反应来决定18,19。
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本方案可提供关于多种神经肌肉疾病或衰老相关肌肉减少症中功能性去神经支配的信息。该方案可用于确定肌肉的改变是否由肌肉本身或神经肌肉传递过程中的选择性变化引起,以及(若存在)发生在哪个层面。下图所示数据来自我们课题组此前的一项研究18,研究对象为肌萎缩侧索硬化症(ALS)的SOD1G93A转基因小鼠模型,在疾病终末期进行检测20。SOD1G93A转基因小鼠全身性地过表达突变型抗氧化酶超氧化物歧化酶1(SOD1)。图3和图4分别展示了比目鱼肌-坐骨神经(左)和膈肌-膈神经(右)标本的dF/dt值和强直收缩力值。这些结果表明,本研究所提出的技术能够区分转基因肌肉中与神经肌肉接头(NMJ)相关的功能缺陷和仅与肌肉本身相关的功能缺陷。事实上,无论是dF/dt还是强直收缩力,SOD1G93A比目鱼肌在直接刺激时的收缩反应均低于对照组肌肉,而通过神经刺激时则进一步降低。相比之下,当膈肌条通过膜直接刺激时,这两项参数仅表现出轻微改...
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上述实验方案为检测和区分肌肉本身直接发生或神经肌肉接头水平间接发生的功能改变提供了一种理想方法。由于该技术基于对神经肌肉接头功能的间接测量,因此无法用于确定任何功能缺陷是否与形态学变化或生物化学变化相关。然而,该方法能够有效判断任何形态学或生物化学改变是否导致了神经传递信号功能的下降。在完成力学测量后,可将肌肉从浴槽中取出,吸干,固定于最佳长度,周围包埋于包埋剂中,并在融化的异戊烷中快速冷冻。肌肉样品可在 -80 °C 下保存,以备后续进行免疫组织化学和形态学分析等评估。
本文提出的实验技术基于一种测试方案,该方案首次结合了对表征神经肌肉接头(NMJ)和肌肉功能的多个参数的测量。三个关键要点确保了该技术能够获得可靠的结果。
首先,尽管骨骼肌切除现在是一种相对常见的技术,但在进行手术操作时必须格外小心,以确保神经与肌肉保持完整连接。因此,在尝试任何其他实验模型之前,应先在对照小鼠上检验操作者的技术水平。在对照小鼠中,肌肉对直接刺激和间接刺激的收缩反应应相同,从而为操作者的手术能力提供对照依据。
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作者无任何利益冲突需要披露。
作者实验室的工作得到了罗马基金会和特莱顿基金会(资助编号:GGP14066)的支持。
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| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| 双模式杠杆系统 | Aurora Scientific Inc. | 300B | 驱动器/传感器 |
| 高功率双相刺激器 | Aurora Scientific Inc. | 701B | 脉冲刺激器(神经) |
| 高功率双相刺激器 | Aurora Scientific Inc. | 701C | 脉冲刺激器(肌肉) |
| 离体肌肉实验装置 | Aurora Scientific Inc. | 800A | |
| 组织预处理浴槽 | Radnoti | 158400 | |
| 单极吸引电极 | A-M Systems | 573000 | 配自制参考电极 |
| 示波器 | Tektronix | TDS2014 | |
| 体视显微镜 | Nikon | SMZ 800 | |
| 冷光源照明器 | Photonic Optics | PL 3000 | |
| 数据采集板 | National Instruments | NI PCIe-6353 | |
| 连接器模块 | National Instruments | NI 2110 | |
| 个人计算机 | AMD Phenom II x4 970 | 处理器 3.50 GHz,搭载 Windows 7 操作系统 | |
| LabView 2012 软件 | National Instruments | ||
| Krebs-Ringer 碳酸氢盐缓冲液 | Sigma-Aldrich | K4002 | 生理缓冲液 |
| 碳酸氢钠 | Sigma-Aldrich | S5761 | |
| 氯化钙 CaCl2 | Sigma-Aldrich | C4901 | 无水,粉末,≥97% |
| HEPES 缓冲液 | Sigma-Aldrich | H3375 | ≥99.5%(滴定法) |
| 培养皿 60 mm × 15 mm | Falcon | 353004 | 聚苯乙烯 |
| 硅胶 | Sylgard | 184 硅胶 | 弹性体套件 0.5 kg |
| 恒温器 | Dennerle | DigitalDuomat 1200 | |
| 泵 | Newa Mini | MN 606 | 用于水族箱 |
| 耐热温控电缆 | Lucky Reptile | 61403-1 | 50/60 Hz 50 W |
| 桶 | 任意 10 升 | 聚丙烯 | |
| O2 + 5%CO2 | siad | 混合气体 | |
| #5 镊子 | Fine Science Tools | 11252-20 | 2 件 |
| 弹簧剪刀 - 8 mm 刀片 | Fine Science Tools | 15024-10 | 神经切除 |
| 锐利剪刀 | Fine Science Tools | 14059-11 | 肌肉剥离 |
| 精细剪刀 | Wagner | 02.06.32 | 动物体表操作 |
| 学生型手术刀柄 #3 | Fine Science Tools | 91003-12 | |
| 手术刀片 #10 | Fine Science Tools | 10010-00 | |
| 手术刀片 #11 | Fine Science Tools | 10011-00 | |
| 尼龙丝 Ø0.16 mm | 任意 |
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