Einem Mausmodell der Muscle Training durch neuromuskuläre Elektrostimulation
9. Mai 2012
Ein Mausmodell einer neuromuskulären Elektrostimulation (NME) eine sichere und kostengünstige klinische Modalität, um den vorderen Abteil Muskeln beschrieben. Dieses Modell hat den Vorteil, Modifizieren eines leicht verfügbaren klinischen Einrichtung zum Zweck hervorzurufen gezielten und spezifischen Muskelkontraktionen in Mäusen.
Das übergeordnete Ziel dieses Verfahrens besteht darin, ein Mausmodell des Muskeltrainings mittels neuromuskulärer elektrischer Stimulation zu demonstrieren. Dies wird erreicht, indem zunächst eine klinisch verfügbare Oberflächenelektrode, die für die Anwendung beim Menschen konzipiert ist, so angepasst wird, dass sie bei Mäusen eingesetzt werden kann. Anschließend wird das Tier anästhesiert und für die Stimulation positioniert. Danach wird die Oberflächenelektrode direkt über dem tiefen Fibularisnerv knapp distal zum Fibulaköpfchen platziert.
Der letzte Schritt besteht darin, das Stimulationsprotokoll der vorderen Curlmuskeln durchzuführen. Letztendlich zeigt die histologische Analyse eine Zunahme der Gefäßversorgung der Skelettmuskulatur, und die kontraktilen Tests in situ zeigen eine erhöhte maximale Kraftentfaltung. Hallo, mein Name ist Fabrizio.
Ich bin Assistenzprofessorin an der Abteilung für Physikalische Medizin und Rehabilitation der Universität von Pittsburgh und Leiterin des Laboratoriums für Zelluläre Rehabilitation. Heute werden wir Ihnen ein Spiegelmodell des Muskeltrainings mittels neuromuskulärer elektrischer Stimulation vorstellen. In diesem ersten Teil der Demonstration zeigen wir Ihnen, wie man eine klinisch verfügbare Oberflächenelektrode so modifiziert, dass sie zur Stimulation der Skelettmuskulatur bei Mäusen verwendet werden kann.
Im zweiten Teil werden wir demonstrieren, wie man dieses Protokoll zur neuromuskulären elektrischen Stimulation in Experimenten anwendet und tierexperimentelle Modelle entwickelt, die klinischen Modalitäten eng nachempfunden sind. Die Anwendung im klinischen Kontext ist wichtig, da sie uns helfen kann, Fragen zur Physiologie der Skelettmuskulatur zu beantworten, beispielsweise wie Muskelaktivierung mechano-transduktive Reaktionen auslöst, und dies können wir auf molekularer, zellulärer und Gewebeebene untersuchen. Hallo, mein Name ist Ricardo Ferrari.
Ich bin Doktorand im Bereich Physiotherapie an der University of Pittsburgh. Nahezu elektrische Muskelstimulation ist ein gängiges Verfahren in der klinischen Praxis, um die Muskelkraft zu erhöhen und die Muskelregeneration zu verbessern. Dennoch bleiben viele Fragen bezüglich der optimalen Parameter, die verwendet werden sollten.
Dieses Tiermodell könnte bei der Entwicklung spezifischer elektrischer Stimulationsprotokolle für den Einsatz im klinischen Umfeld helfen. Um die Elektrode vorzubereiten, biegen Sie zunächst zwei sechs Millimeter lange Golddrähte im 90-Grad-Winkel. Danach entfernen Sie die äußere Isolierung, um etwa sieben Zentimeter zweier Kupferdrähte freizulegen.
Danach die Drähte der Steckverbinder mit den beiden Goldstiften verlöten, die etwa 3,5 Millimeter voneinander entfernt angeordnet sind. Anschließend Schrumpfschlauch über die Verbindung zwischen den Kupferdrähten und den Goldstiften schieben, um Isolierung und Stabilisierung zu gewährleisten; den Schrumpfschlauch erwärmen, sicherstellen, dass die Goldstifte parallel zueinander liegen, und sie so durch die Leiterplatte stecken, dass die Spitzen ausgerichtet sind. Danach die Stifte durch mehrfaches Auftragen von transparentem Epoxidharz verankern, wobei das Harz zwischen den einzelnen Schichten vollständig aushärten muss; am Ende das Epoxidharz abschleifen, um die Spitzen der Goldstifte freizulegen.
Als Nächstes überprüfen Sie mit einem Voltmeter, ob die Leitungen elektrisch kurzgeschlossen sind. Isolieren Sie anschließend die Metallstifte des weiblichen zweipoligen Drahtverbinders mit Kunststoffschläuchen. Verbinden Sie danach die Elektrodenleitungen des NMES-Geräts mit dem weiblichen zweipoligen Drahtverbinder.
Alle Verfahren wurden von der University of Pittsburgh IACUC überprüft und genehmigt und in PHS-zertifizierten und ALAC-akkreditierten Programmen und Einrichtungen durchgeführt. Die Tiere werden mittels Inhalation von Isofluran narkotisiert. Das Tier sollte während der gesamten NMES-Sitzung narkotisiert bleiben.
Die Anästhesie sollte mittels eines Zehenquetsch-Extensorreflex-Tests bestätigt werden. Anschließend das Tier in Seitenlage bringen. Danach das Hintergliedmaß rasieren, mit Alkohol abwischen und die Elektrode mit 3 % Bleiche abwischen.
Danach mit Wasser die Stimulationsparameter einstellen, einschließlich einer Impulsdauer von 150 Mikrosekunden und einer Frequenz von 50 PP s. Anschließend die Stimulationsdauer auf fünf Sekunden festlegen, mit einer Anstiegszeit von 0,5 Sekunden und einer Abfallzeit von 0,5 Sekunden. Dadurch kann sich der Muskel schrittweise an die Stimulation gewöhnen, was für das Tier angenehmer ist.
Danach stellen Sie die Ausschaltzeit zwischen den Kontraktionen auf 10 Sekunden ein. Diese kann je nach gewünschtem Effekt angepasst werden, wobei kürzere Ausschaltzeiten eine schnellere Einleitung der Muskelermüdung bewirken. Als Nächstes desinfizieren Sie die Elektrode mit 3 % Bleiche und anschließendem Wasser und tragen Leitgel auf die Elektrode auf, um die Muskeln des vorderen Compartments zu stimulieren, einschließlich des Musculus tibialis anterior und des Musculus extensor digitorum longus. Platzieren Sie die Oberflächenelektrode direkt über dem gemeinsamen perinealen Nerv des Tieres, der sich knapp distal zum lateralen Femurkondylus befindet.
Die Platzierung der Elektrode wird bestätigt, wenn die Stimulation eine vollständige Dorsalextension des Sprunggelenks und eine vollständige Streckung der Zehen hervorruft. Andererseits deutet eine Dorsalextension der Pfote ohne Zehenstreckung darauf hin, dass nur der Musculus tibialis anterior stimuliert wird. Anschließend wird die NMES-Intensität mit neun Milliampere begonnen; es werden zwei Sätze von Kontraktionen durchgeführt, insgesamt 20 Kontraktionen, mit einer fünfminütigen Ruhepause zwischen den Sätzen. Während der Ruhephase erfolgt die Stimulation des kontralateralen Gliedes.
Bringen Sie das Tier nun in die Erholungskammer. Nach vierwöchiger NMES-Behandlung bei drei bis fünf Monate alten MDX-Skid-Mäusen zeigt die Hämatoxylin- und Eosin-Färbung der Skelettmuskulatur keine Zunahme der Anzahl zentralnukleärer Fasern im Vergleich zu den nicht stimulierten Kontrolltieren. Dies legt nahe, dass die Anwendung von NMES keine Degenerations-Regenerations-Kaskade auslöst.
Die CD31-Immunhistochemie als Marker für Endothelzellen zeigt, dass im Vergleich zu Kontrollmäusen ohne Stimulation eine vierwöchige NMES-Behandlung zu einer signifikanten Angiogenese des behandelten Muskels führte. Diese Abbildung zeigt die erhöhte maximale tetanische Kraft der mit NMES behandelten Muskeln im Vergleich zu unbehandelten Kontrollmuskeln. Sobald Sie diese Technik beherrschen, sollte die Durchführung des Protokolls pro Tier etwa 15 Minuten dauern.
Der schwierigste Teil dieses Protokolls besteht darin, die richtige Positionierung Ihrer Elektrode zu finden, um die gewünschte Muskelreaktion hervorzurufen. Vielen Dank fürs Zuschauen. Bitte zögern Sie nicht, unser Labor zu kontaktieren, falls Sie Fragen haben.
Übersicht
Dieser Artikel beschreibt ein murines Modell für Muskeltraining mittels neuromuskulärer elektrischer Stimulation (NMES), einer sicheren und kosteneffektiven klinischen Methode. Das Modell passt ein klinisches Gerät an, um gezielte Muskelkontraktionen bei Mäusen hervorzurufen und damit die Forschung zur Muskelphysiologie zu unterstützen.
Wesentliche Studienkomponenten
Bereich der Wissenschaft
- Neurowissenschaften
- Physiologie
- Rehabilitation
Hintergrund
- NMES wird häufig in klinischen Anwendungen eingesetzt, um die Muskelkraft und Heilung zu verbessern.
- Das Verständnis der Muskelaktivierung kann Einblicke in mechanotransduktive Reaktionen liefern.
- Es besteht Bedarf an optimierten Protokollen zur elektrischen Stimulation für klinische Anwendungen.
- Dieses Modell zielt darauf ab, die Lücke zwischen klinischer Praxis und experimenteller Forschung zu schließen.
Zweck der Studie
- Vorstellung eines murinen Modells für Muskeltraining mittels NMES.
- Modifikation einer Oberflächenelektrode zur Anwendung bei Mäusen.
- Untersuchung der Auswirkungen von NMES auf die Muskelphysiologie.
Verwendete Methoden
- Modifikation einer klinischen Oberflächenelektrode für die Verwendung an Mäusen.
- Anästhesie und Positionierung des Tieres zur Stimulation.
- Anwendung der NMES auf die Muskeln des vorderen Compartments.
- Histologische Analyse und kontraktiler Test nach der Stimulation.
Hauptergebnisse
- Erhöhte vaskuläre Dichte im Skelettmuskel, beobachtet durch histologische Analyse.
- Verbesserte maximale tetanische Kraft in mit NMES behandelten Muskeln im Vergleich zu Kontrollen.
- Kein Beginn einer Degenerations-Regenerations-Kaskade nach Anwendung von NMES.
- Signifikante Angiogenese in behandelten Muskeln im Vergleich zu Kontrollen.
Schlussfolgerungen
- Das NMES-Modell eignet sich zur Untersuchung der Muskelphysiologie bei Mäusen.
- Die Ergebnisse deuten auf ein Potenzial zur Entwicklung spezifischer NMES-Protokolle für den klinischen Einsatz hin.
- Dieser Ansatz könnte dabei helfen, zentrale Fragen zur Muskelaktivierung und Rehabilitation zu beantworten.
Häufig gestellte Fragen
Ausführliche Bedeutung für die Industrie
Dieses murine NMES-Modell bietet ein reproduzierbares System zur Bewertung adaptiver Reaktionen der Skelettmuskulatur und unterstützt die Validierung von Zielstrukturen in der Muskelphysiologie und Rehabilitationsforschung. Durch die gezielte Stimulation der Muskeln des vorderen Compartments ermöglicht es die mechanistische Absicherung neuromuskulärer Interventionen sowie eine höhere Vorhersagegenauigkeit translationaler Ergebnisse. Das Modell verbindet klinische NMES-Anwendungen mit präklinischen Erkenntnissen und bietet eine skalierbare Plattform für die Entwicklung von Assays und die Untersuchung von Signalwegen.
Strategische Anwendungen in der Biopharma-Forschung und -Entwicklung
Frühe Entdeckung und Zielvalidierung
- Wissenschaftlicher Wert: Ermöglicht die Überprüfung therapeutischer Hypothesen, die mit Muskelaktivierung und mechano-transduktiven Signalwegen zusammenhängen.
- Operationaler Wert: Bietet ein standardisiertes, reproduzierbares Modell zur funktionellen Zielstrukturvalidierung in der neuromuskulären Biologie.
- Strategischer Wert: Stärkt die Vorhersagegenauigkeit bei der Zielstrukturwahl, indem physiologische Anpassungen wie Angiogenese und gesteigerte kontraktile Kraft ohne Degeneration nachgewiesen werden.
Screening und Assay-Entwicklung
- Wissenschaftlicher Wert: Liefert quantitative Messungen der abhängigen Variablen, einschließlich der maximalen zügigen Kraft und der Gefäßdichte, zur Beurteilung von Verbindungen oder Reizen.
- Operativer Wert: Stellt die Bereitschaft des Assays sicher durch standardisierte Elektrodenpositionierung und Stimulationsparameter und verbessert so die Übertragbarkeit zwischen verschiedenen Laboren.
- Strategischer Wert: Ermöglicht eine zuverlässige Untersuchung von Substanzen, indem ein krankheitsrelevantes System mit messbaren funktionellen Ausgangsgrößen bereitgestellt wird.
Translationale und präklinische Forschung
- Wissenschaftlicher Wert: Demonstriert die translationale Biomarkerabstimmung anhand von Angiogenese und histologischen Veränderungen, die für die Muskelheilung und -funktion relevant sind.
- Operationaler Wert: Unterstützt die Kontinuität von der Entdeckung bis zur präklinischen Validierung, indem klinische NMES-Protokolle in einem murinen Kontext nachgebildet werden.
- Strategischer Wert: Leitet risikoadjustierte Entscheidungen zur Weiterentwicklung ab, indem funktionelle Verbesserungen durch NMES aufgezeigt werden, ohne Degenerations-Regenerations-Kaskaden auszulösen.
Pipeline- und Workflow-Integration
Die Methode integriert sich in den Entdeckungsprozess von der Target-Validierung über die Lead-Identifizierung bis zur präklinischen Evaluation und unterstützt die iterative Verbesserung neuromuskulärer Interventionen anhand messbarer physiologischer Ergebnisse.
- Entdeckungsbiologie: Unterstützt die Hypothesenprüfung von Mechanismen der Muskelaktivierung und die Aufklärung von Signalwegen durch gezielte Stimulation spezifischer motorischer Einheiten.
- Screening: Beschreibt die Bereitschaft von Assays anhand standardisierter Stimulationsprotokolle und Elektrodenpositionierung, wodurch eine konsistente Bewertung von Wirkstoffen oder Reizen ermöglicht wird.
- Analytik: Betont Messgrößen wie maximale tetanische Kraft und CD31-positive vaskuläre Dichte, die es Teams erlauben, Stimulationsbedingungen und biologische Reaktionen zu vergleichen.
- Translationale Forschung: Schafft Anschluss an die präklinische Kontinuität, indem sie Angiogenese und funktionelle Verbesserungen aufzeigt, die klinischen Rehabilitationsresultaten entsprechen.
- Unternehmensweite Wiederverwendung: Positioniert die angepasste Elektrode und das Stimulationsprotokoll als wiederverwendbare Plattform für mehrere Studien in der Muskelphysiologie und Rehabilitation.
Operative und unternehmerische Auswirkungen
- Wissenschaftlicher Wert: Vorhersagegenauigkeit bei der Zielvalidierung anhand dokumentierter physiologischer Anpassungen wie Hypertrophie, Angiogenese und Wachstumsfaktorsekretion.
- Operationaler Wert: Standardisierung und Reproduzierbarkeit durch feste Elektrodenpositionierung, definierte Stimulationsparameter sowie histologische und kontraktile Messgrößen.
- Strategischer Wert: Verbesserte Go/No-Go-Entscheidungen durch Verringerung mechanistischer Unklarheiten in der Muskelreaktion auf elektrische Stimulation.
- Portfolio-Wirkung: Risikoadjustierte Priorisierung basierend auf nachgewiesener Sicherheit (keine Degeneration) und Wirksamkeit (gesteigerte Kraft und Durchblutung) im behandelten Muskel.
Durchführungsüberlegungen
- Notwendige Fachkenntnisse umfassen die Elektrodenmodifikation, den Umgang mit Tieren und die Optimierung der Stimulationsparameter.
- Zu den erforderlichen Geräten gehören ein klinisch geeignetes NMES-Gerät, ein Voltmeter zur Überprüfung der Elektrodenleitungen sowie Kapazitäten für histologische und kontraktilitätsmessende Untersuchungen.
- Für eine Standardisierung zwischen verschiedenen Arbeitsgruppen ist ein Konsens über die Elektrodenplatzierung, den Zeitpunkt der Stimulation und die Protokolle zur Messung der Ergebnisse erforderlich.
- Anpassungsüberlegungen beinhalten die Anpassung von Impulsdauer, Frequenz und Ruhephase für unterschiedliche Muskelgruppen oder Krankheitsmodelle.
- Zu den praktischen Einschränkungen gehört die Schwierigkeit einer präzisen Elektrodenplatzierung, um die gewünschten Muskelkontraktionen auszulösen, wie im Protokoll beschrieben.
