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一个组织,多种模型:骨骼肌研究的综合工具包

2023年7月14日

本文内容

社论

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骨骼肌覆盖人体的~40%,是一个主要器官,支持从运动到呼吸和新陈代谢的关键功能。重要的是,它具有独特的受伤后自我修复能力,并且凭借这种再生能力,可确保在不到一个月的时间内从严重损伤中完全恢复功能和结构。几种细胞类型与这种卓越的修复能力有关,其中肌肉干细胞起着核心作用。

世界各地的肌肉研究人员已经开发了几种检测方法来分析骨骼肌的功能、分子和细胞水平。每种技术都有自己的优势,动物模型的体内测试代表了与人类和生物体复杂性最相关的选择。鉴于国际公认的替代-减少-改进 (3R) 原则,世界各地的研究小组都在努力尽量减少动物研究,体离体对应物正在取得进展。该方法集合旨在为跨物种的分子、细胞和功能性肌肉研究提供体内体内外模型。

Montandon 等人 1 描述了快速表征对照和突变基因型斑马鱼肌肉再生表型的技术。首先,使用从麻醉动物身上抖落的材料对胚胎进行基因分型。这是一个令人兴奋的前景,因为大多数涉及转基因胚胎基因分型的方案都需要同时牺牲胚胎。接下来,通过刺伤斑马鱼幼虫肌肉组织的特定区域来诱导再生。由于肌节的光学特性,可以在受伤后使用成像来评估受伤肌肉的完整性。该协议对研究肌肉再生的科学家非常感兴趣,因为它是一种快速、潜在的高通量方法,用于研究不同突变体的再生缺陷。

Hüttner 等人 2 和 Pegoli 等人 3 提出了一种方法,可以对肌肉干细胞进行细胞和分子研究,肌肉干细胞是肌肉再生的核心细胞群。该方法对于专注于早期激活研究和细胞生态位相互作用的研究人员来说非常有趣。单肌纤维培养的方法允许培养和研究长达 96 小时的肌肉干细胞,同时它们仍与肌肉纤维相关,接收来自这种近在咫尺的内源性生态位的信号。由于 Hüttner 等人 2 仔细解释了许多微妙的步骤(例如,温和的肌肉解剖和解离),该技术的建立特别具有挑战性。更进一步,作者详细介绍了 siRNA 靶向,用于对可能影响干细胞行为的因素进行功能分析,并强调了将来自同一小鼠和肌肉的 siRNA 转染细胞与对照转染细胞进行比较的重要性。同时,Pegoli等人3 描述了如何调整这种方法,以研究Emery-Dreifuss肌营养不良症和产后早期生命背景下的肌肉干细胞,重点关注与此背景下肌肉脆弱性相关的挑战。为了提高方案效率,他们用存活率好坏的纤维图像来指导读者,并强调需要“经验验证”消化时间。

Zaidan 等人 4 描述了骨骼肌的 离体 培养系统,该系统有利于产生静止样储备细胞,同时还维持许多其他细胞类型,这两者都在替代培养系统下提出了挑战。因此,该方法对于以静止研究或生态位-干细胞相互作用为导向的研究人员很有用,包括在使用药物、siRNA 或载体改变分子途径的条件下。该方案需要快速解剖后肢肌肉,然后进行酶消化和过滤。之后,将细胞置于培养物中,并在一周内出现储备细胞。该协议允许对这些储备细胞进行大规模扩增,并有可能使用基因标记的小鼠(如 Pax7nGFP)进行活细胞成像。

Park等人5 展示了如何在骨骼肌(主要的硝酸盐储存器官之一)中测量硝酸盐和亚硝酸盐。所描述的方法对研究运动生理学和一氧化氮循环相关神经肌肉或代谢紊乱的研究人员特别感兴趣。尽管有重大的技术发展来促进硝酸盐和亚硝酸盐的测量,但仍有几个参数会影响最终结果,作者仔细描述和比较了这些参数(例如,均质方法、活检大小、肌肉类型)。

Hessel等人6 非常详细地描述了一种从人类患者的 胫骨前 肌进行活检的程序,以获得足够长度的纤维用于机械实验。作者强调,应排除近期肌肉损伤的患者。一旦获得符合条件的患者的知情同意,超声波将用于评估肌肉中用于活检收集的最佳部位。在讨论理想的注射途径后,团队使用专用针头进行活检。最后,详细介绍了术后患者护理和组织处理方法。这种方法对医生科学家特别感兴趣,他们希望标准化从患者身上收集组织以进行肌肉纤维的机械研究。

在本方法集中,Brightwell 等人 7 和 Corona 等人 8 介绍了力学研究。这些文章讨论了在小型和大型动物模型中测量力量的方法。神经肌肉疾病或损伤会对肌肉力量产生负面影响;因此,运动、营养和治疗干预旨在恢复它。Brightwell等人7详细介绍了一种评估小鼠股四头肌功能的方法,其方式类似于人类患者使用的方法。首先,他们提供了准备实验所需设备和软件的步骤。接下来,麻醉小鼠并放置到要评估伸肌功能的位置。将电极放置在股四头肌的远端以诱导收缩,评估最佳电流,并记录和分析峰值等长强直风扭矩的测量值。Corona等人8使用更大的动物模型评估猪后肢背屈肌的等长扭矩,显示分步设备设置和力量测量协议。值得注意的是,它们显示高质量和低质量的波前,以确保最佳结果采集。他们认识到这种非侵入性技术的优势,可以对同一动物进行纵向分析,但他们也详细讨论了关键步骤(例如,神经刺激、机械对准)和方法限制。

骨骼肌研究领域仍然存在许多悬而未决的问题:哪些基因对肌肉再生至关重要,卫星细胞如何在这么多不同生物体的生命周期中保持再生潜力,以及肌肉功能在不同的疾病条件下如何受到影响。该系列展示了许多现代技术,使用广泛的模型系统在分子和机械水平上研究肌肉功能和修复。通过提供详细的方案,这些论文的作者已经帮助提高了基础和应用骨骼肌研究的一致性和透明度。

披露

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作者没有什么可透露的。

致谢

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没有外部资金支持这项工作。

参考文献

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  1. Montandon, M., Currie, P. D., Ruparelia, A. A. Examining muscle regeneration in zebrafish models of muscle disease. Journal of Visualized Experiments. (167), e62071(2021).
  2. Hüttner, S. S., et al. Single myofiber culture assay for the assessment of adult muscle stem cell functionality ex vivo. Journal of Visualized Experiments. (168), e62257(2021).
  3. Pegoli, G., Lucini, F., Mozzetta, C., Lanzuolo, C. Single myofiber isolation and culture from a murine model of Emery-Dreifuss muscular dystrophy in early post-natal development. Journal of Visualized Experiments. (161), e61516(2020).
  4. Zaidan, L., et al. Unfractionated bulk culture of mouse skeletal muscle to recapitulate niche and stem cell quiescence. Journal of Visualized Experiments. (196), e65433(2023).
  5. Park, J. W., et al. Preparation of rat skeletal muscle homogenates for nitrate and nitrite measurements. Journal of Visualized Experiments. (173), e62427(2021).
  6. Hessel, A. L., Hahn, D., de Marées, M. Collection of skeletal muscle biopsies from the superior compartment of human musculus tibialis anterior for mechanical evaluation. Journal of Visualized Experiments. (163), e61598(2020).
  7. Brightwell, C. R., et al. In vivo measurement of knee extensor muscle function in mice. Journal of Visualized Experiments. (169), e62211(2021).
  8. Corona, B. T., Call, J. A., Borkowski, M., Greising, S. M. In vivo measurement of hindlimb dorsiflexor isometric torque from pig. Journal of Visualized Experiments. (175), e62905(2021).

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