Konstruktion von Drehmoment-Geschwindigkeits-Leistungsprofilen mit konstanter Last (isotonisch) und konstanter Geschwindigkeit (isokinetisch) in vivo für die Plantarflexoren der Ratte
3. Oktober 2025
Hier stellen wir ein neuartiges Protokoll vor, um die Beziehung zwischen Drehmoment, Winkelgeschwindigkeit und Leistung in vivo in Plantarflexoren von Ratten mittels transkutaner Muskelstimulation zu messen. Dieser Aufbau ermöglicht ein einfaches Testen isotonischer Muskelkontraktionen auf einem Kraftaufnehmer/Längenregler-System, um die konstante Belastung alltäglicher Bewegungen besser darzustellen.
Wir wollen ein einfaches, nicht-invasives in-vivo-System bei Ratten entwickeln, um mechanische Funktionen, insbesondere Leistung, zu testen, die das Produkt von Kraft und Geschwindigkeit ist. Dies wird Einblicke geben, wie Krankheiten das Muskelsystem beeinflussen. Unser Labor war maßgeblich am Verständnis von Sarcomerogenese und Alterung beteiligt.
Genauer gesagt, wie maximale exzentrische Kontraktionen die Sarkomerogenese beeinträchtigen, aber einige maximale Kontraktionen bei H-Nagetieren die Anzahl der seriellen Sarkome verbessern. Im Moment nutze ich das System für exzentrisches Überlastungstraining bei OVX- und ovarialintakten Ratten, um die Auswirkungen von Östrogen auf die Muskelkontraktilfunktion und die Reaktion auf das Training zu untersuchen. Nach der Betäubung der Ratte positionieren Sie die Ratte mit Nase und Maul sicher in einem Nasenkegel auf einer beheizten Plattform.
Überwachen Sie kontinuierlich die Atmung und Pulsfrequenz der Ratte, um eine sichere und gleichmäßige Narkosentiefe zu gewährleisten. Mit einem sterilen Applikator wird eine Augensalbe auf beide Augen der Ratte aufgetragen, um Trockenheit während des Eingriffs zu verhindern. Mit einem Elektrorasierer rasieren Sie alle Haare vom linken Bein der Ratte.
Anschließend tragen Sie eine kommerzielle Haarentfernungscreme gleichmäßig mit einem Wattestäbchen über das gesamte Bein auf. Nach drei Minuten Abschneiden Sie die Creme bei Bedarf mit mehreren Wattestäbchen, um sicherzustellen, dass das Bein so haarfrei wie möglich ist. Befeuchte dann Wattebäusche mit destilliertem Wasser und wische damit die gesamte Oberfläche des Beins ab, wobei verbleibende Sahne oder Rückstände entfernt werden.
Trockne das Bein mit einem Papiertuch, um es für die Elektrodenplatzierung vorzubereiten. Wickel jetzt chirurgisches Klebeband fest um den Fuß der Ratte und das Fußpedal, um den Fuß zu sichern. Stellen Sie sicher, dass die Ferse sicher im Schlitz am Fußpedal fest sitzt.
Stellen Sie die Position des Fußpedals mit dem Einstellknopf drei so ein, dass sie je nach Bedarf näher oder weiter entfernt ist, sodass das Knie so weit wie möglich gestreckt wird. Dann richten Sie die Tibia-Klemme ein, indem Sie sie fest in den mittleren proximalen Bereich des Tibia drücken, um das Unterschenkel zu stabilisieren. Mit den Einstellknöpfen eins und zwei richten Sie das Fußpedal mit der Klemme aus, um die richtige Positionierung sicherzustellen.
Mit einer Pinzette wird leitfähiges Gel über die Oberflächen beider Elektroden und auf die hintere Seite des Rattenbeins verteilt. Um die Elektrodenplatzierungsstellen zu identifizieren, palpatieren Sie die Muskelwölbung auf der hinteren Seite des Unterschenkels. Platzieren Sie die distale Elektrode direkt unter den Gastrocnemiusmuskeln und die proximale Elektrode am oberen Ende der Gastrocnemien, wo sie auf das Kniegelenk treffen.
Dann drehen Sie das Zahnrad, um die Elektroden sanft mit dem Bein zu berühren, um einen gleichmäßigen Stimulationskontakt sicherzustellen. Üben Sie keine übermäßige Aufwärtskraft aus und überprüfen Sie, ob die Achse, die die Elektroden hält, eine leichte Biegung gibt, um sie während der Stimulation stabil zu halten. Sobald das 100-Hertz-Protokoll bei 90 Grad am Stimulator geladen ist, stellen Sie den Strom auf 20 Milliampere ein, um eine niedrige Stimulation zu ermöglichen und die Platzierung von Elektroden oder Gelen zu überprüfen.
Klicken Sie auf Start Test, um das Protokoll zu starten und sichtbare Muskelkontraktionen zu beobachten. Sobald die Stimulation abgeschlossen ist, klicken Sie auf Analyse und stellen Sie sicher, dass das Basis-Korrekturfeld ausgewählt ist, um das erzeugte Drehmoment zu bewerten. Nach einer zweiminütigen Ruhephase erhöhen Sie den Stimulationsstrom auf 30 Milliampere.
Führen Sie das Protokoll erneut aus und bewerten Sie das Drehmoment im Analyseabschnitt, wobei bestätigt wird, dass die Basiskorrektur weiterhin ausgewählt bleibt. Erhöhe den Stimulationsstrom auf 40 Milliampere und führe das Protokoll erneut aus. Nach einer zweiminütigen Pause, wenn das Drehmoment um 30 Milliampere steigt, erhöhen Sie es auf 40 Milliampere und wiederholen Sie.
Wenn das Drehmoment um 40 Milliampere abnimmt, setzen Sie 30 Milliampere als optimalen Reiz. Erstellen Sie ein Stimulationsprotokoll, das eine isometrische Kontraktion von 500 Millisekunden bei 100 Hertz mit dem Knöchel in einem 70-Grad-Winkel auslöst. Führen Sie das Protokoll aus und zeichnen Sie das maximal aktive Drehmoment auf, das während der Kontraktion erzeugt wird.
Im Protokollbildschirm erstellen Sie ein neues Protokoll, das den Knöchel in eine angespannte Position bewegt, eine 500-Millisekunden-Stimulation anwendet und den Knöchel dann wieder in eine neutrale Position bringt. Berechnen Sie isotonische Lastklemmenwerte, die 10, 20, 30, 40, 50, 60, 70 und 80 % des zuvor registrierten maximalen aktiven Drehmoments entsprechen. Für jeden Lastklemmwert addiert man das passive Basisdrehmoment, um die gesamte Klemmkraft zu bestimmen.
Führen Sie die Stimulationsprotokolle mit diesen Lastklemmen in einer zufälligen Reihenfolge durch. In der DMC Version 5.5 Software gehe zur Offset-Force-Box. Geben Sie den berechneten Drehmomentwert für die erste Lastklemme aus der zuvor generierten Liste ein.
Belastet man die zuvor erzeugte isotonische Kraft, wird während des Laufs automatisch die neue Offsetkraft angewendet. Klicken Sie auf Start Test, um das isotonische Protokoll auszuführen, wodurch eine isotone Kontraktion möglich ist. Alle drei Methoden wiesen die charakteristische hyperbolische Drehmomentgeschwindigkeitsbeziehung auf, wobei die Winkelgeschwindigkeit mit zunehmendem Drehmoment abnahm und die Spitzenleistung bei mittleren Drehmoment- und Geschwindigkeitswerten auftritt.
Die isotone Kurve sagte eine signifikant höhere maximale Geschwindigkeit voraus als beide kinetischen ISOK-Kurven. Die Spitzenleistung war in der isotonischen Kurve höher als in der isokinetischen Kurve mit durchschnittlichem Drehmoment, unterschied sich jedoch nicht signifikant bei der Verwendung des Spitzendrehmoments. Das Drehmoment bei Spitzenleistung wurde von der isokinetischen Kurve unter Verwendung des Spitzendrehmoments überschätzt, während die isokinetische Kurve mit durchschnittlichem Drehmoment der isotonischen Kurve eng entsprach.
Die Geschwindigkeit bei Spitzenleistung wurde von der isokinetischen Kurve mittels durchschnittlichem Drehmoment unterschätzt und selbst bei Verwendung des Spitzendrehmoments leicht unterschätzt. Die Krümmung der Drehmomentgeschwindigkeitskurve wurde signifikant reduziert, wenn das Spitzendrehmoment in der isokinetischen Kurve verwendet wurde, im Vergleich zum Durchschnittdrehmoment. Alle Modelle hatten starke Passungen zur Hügelgleichung, obwohl die isotonische Kurve einen etwas niedrigeren R-Quadratwert hatte als beide isokinetischen Kurven.
Übersicht
Diese Studie stellt ein nicht-invasives Protokoll zur Messung der Drehmoment-Winkelgeschwindigkeit-Leistung-Beziehung in vivo in den Plantarflexoren von Ratten mithilfe transkutaner Muskelstimulation vor. Die Methode ermöglicht eine einfache Untersuchung isotonischer Muskelkontraktionen und liefert Erkenntnisse über die Muskelphysiologie sowie die Auswirkungen von Erkrankungen.
Wesentliche Studienkomponenten
Bereich der Wissenschaft
- Neurowissenschaften
- Muskelphysiologie
- Biomechanik
Hintergrund
- Das Verständnis der Muskelmechanik ist entscheidend für Erkenntnisse über Muskelerkrankungen.
- Bisherige Forschungsarbeiten konzentrierten sich auf die Sarcomerogenese und die Auswirkungen des Alterns auf die Muskelfunktion.
- Maximale exzentrische Kontraktionen können die Sarcomerogenese beeinträchtigen, während bestimmte Kontraktionen die Muskelstruktur verbessern können.
- In diesem Zusammenhang wird die Rolle von Östrogen bei der muskulären Kontraktionsfunktion untersucht.
Zweck der Studie
- Entwicklung eines nicht-invasiven Systems zur Beurteilung der mechanischen Funktion bei Rattenmodellen.
- Untersuchung, wie unterschiedliche Stimulationsprotokolle die Muskelkraft und das Drehmoment beeinflussen.
- Untersuchung der Auswirkungen von Östrogen auf die Muskelreaktion während des Trainings.
Verwendete Methoden
- Die Ratten wurden anästhesiert und sicher für den Eingriff positioniert.
- Elektroden wurden am Unterschenkel platziert, um Muskelkontraktionen zu stimulieren.
- Es wurden mehrere Stimulationsprotokolle durchgeführt, um die Drehmomentabgabe zu messen.
- Die Datenanalyse umfasste den Vergleich isotonischer und isokinetischer Kurven für Drehmoment und Geschwindigkeit.
Hauptergebnisse
- Die Studie bestätigte eine hyperbolische Drehmoment-Geschwindigkeits-Beziehung.
- Isotonische Kurven sagten höhere maximale Geschwindigkeiten im Vergleich zu isokinetischen Kurven voraus.
- Die maximale Leistung war unter isotonischen Bedingungen höher, zeigte jedoch keinen signifikanten Unterschied bei Verwendung des maximalen Drehmoments.
- Drehmoment und Geschwindigkeit bei maximaler Leistung wurden durch die Art der zur Analyse verwendeten Kurve beeinflusst.
Schlussfolgerungen
- Das entwickelte Protokoll eignet sich zur Untersuchung der Muskelmechanik in vivo.
- Die Ergebnisse vertiefen das Verständnis der Muskelphysiologie und der Auswirkungen von Training.
- Die Ergebnisse haben Auswirkungen auf zukünftige Forschungen zu Muskelerkrankungen und Therapien.
Häufig gestellte Fragen
Ausschlaggebende Bedeutung für die Industrie
Die quantitative Erfassung von Drehmoment-Geschwindigkeits-Leistungs-Beziehungen in Nagetier-Muskelmodellen ermöglicht translationale Einblicke in die dynamische Muskelperformance und unterstützt die Validierung von Zielstrukturen in der frühen Phase der Forschung zu muskuloskelettalen und Stoffwechselerkrankungen. Die Möglichkeit, isotonische und isokinetische Kontraktionsprofile in vivo zu vergleichen, erhöht die Vorhersagesicherheit hinsichtlich der präklinischen Wirksamkeit und der mechanistischen Risikominimierung. Dieses Protokoll stärkt die Verbindung zwischen den Ergebnissen aus Tiermodellen und menschlich relevanten Bewegungsbedingungen und unterstützt Portfolioentscheidungen in therapeutischen Entwicklungsprogrammen, die auf Muskelziele abzielen.
Strategische Anwendungen in der Biopharma-Forschung und -Entwicklung
Frühe Entdeckung und Zielvalidierung
- Ermöglicht die Untersuchung der Muskelfunktion unter krankheitsrelevanten und physiologischen Belastungsbedingungen.
- Unterstützt die mechanistische Entrisikung, indem die kontraktile Leistung zwischen verschiedenen Kontraktionsmodi unterschieden wird.
- Liefert quantitative Endpunkte zur funktionellen Zielvalidierung in der Muskelbiologie.
Screening und Assay-Entwicklung
- Erleichtert die Vorbereitung validierter In-vivo-Muskelleistungstests zur Wirkstoffevaluation.
- Ermöglicht reproduzierbare Messung von Drehmoment-, Geschwindigkeits- und Leistungsabgaben über verschiedene Protokolle hinweg.
- Unterstützt die Standardisierung von Assays für vergleichende Untersuchungen zwischen Studien und Modellen.
Translationale und präklinische Forschung
- Ermöglicht die Abstimmung präklinischer Beurteilung der Muskeleffizienz mit menschlichen Bewegungsparadigmen durch Analyse isotonischer Kontraktionen.
- Verbessert die translationale Kontinuität, indem konstante Belastungsbedingungen modelliert werden, die für die alltägliche Aktivität relevant sind.
- Ermöglicht risikoadjustierte Fortschritte bei muskelgerichteten Therapeutika auf der Grundlage vorhersagender Leistungsausgaben.
Pipeline- und Workflow-Integration
Dieses Protokoll integriert sich in den Übergang von der Entdeckung zur präklinischen Forschung, indem es eine robuste in vivo-Beurteilung der Muskel funktion ermöglicht und sowohl die frühe Zielvalidierung als auch nachgeschaltete translationswissenschaftliche Studien unterstützt.
- Entdeckungsbiologie: Quantifiziert die Muskelleistung zur Hypothesenprüfung und Aufklärung von Signalwegen in Krankheitsmodellen.
- Screening: Bietet standardisierte, quantitative Messgrößen zur Beurteilung der Wirkung von Interventionen auf die Muskelmechanik.
- Analytik: Liefert Drehmoment-, Geschwindigkeits- und Leistungsmessungen für den statistischen Vergleich experimenteller Bedingungen.
- Translationale Forschung: Verbessert die Übereinstimmung präklinischer Ergebnisse mit menschlich relevanten Bewegungs- und Belastungsbedingungen.
- Unternehmensweite Wiederverwendung: Schafft eine wiederverwendbare in-vivo-Assay-Plattform für vielfältige Untersuchungen der Muskelfunktion.
Operative und unternehmerische Auswirkungen
- Wissenschaftlicher Wert: Erhöht die Vorhersagesicherheit und verringert mechanistische Mehrdeutigkeiten in muskelgerichteter Forschung.
- Operationaler Wert: Fördert die Standardisierung, Reproduzierbarkeit und Skalierbarkeit von Assays über verschiedene Studien hinweg.
- Strategischer Wert: Ermöglicht fundierte Go/No-Go-Entscheidungen und kapitaleffizientes Portfolio-Management.
- Portfolio-Wirkung: Unterstützt die risikoadjustierte Priorisierung von Programmen zu Muskelerkrankungen und Stoffwechselerkrankungen.
Durchführungsüberlegungen
- Erfordert Fachkenntnisse im Umgang mit Nagern in vivo und in Muskelstimulationsprotokollen.
- Benötigt Zugang zu Drehmomenterfassungsgeräten und analytischer Software zur Messung von Drehmoment und Geschwindigkeit.
- Setzt eine standardisierte Vorgehensweise über mehrere Arbeitsgruppen hinweg bei Stimulationsparametern und Datenanalyseabläufen voraus.
- Kann je nach Muskelgruppe oder Krankheitsmodell Anpassungen erfordern.
- Können isotonische Protokolle eine höhere Variabilität verursachen, was eine sorgfältige statistische Analyse notwendig macht.
