Aplicación de la estimulación crónica para estudiar adaptaciones fenotípicas de músculo esquelético de rata inducida por actividad contráctil
25 de enero de 2018
Este protocolo describe el uso del modelo de actividad contráctil crónica de ejercicio observar adaptaciones del músculo esquelético inducida por el estímulo en la trasera de la rata.
El modelo de actividad contráctil crónica del ejercicio es útil para estudiar in vivo las adaptaciones del músculo esquelético a los estímulos del entrenamiento del ejercicio. En particular, este modelo provoca las adaptaciones fenotípicas de un protocolo de entrenamiento de seis semanas en siete días. Este método puede ayudar a responder preguntas clave en el campo de la fisiología muscular, como la biogénesis mitocondrial, la autofagia y muchas otras adaptaciones celulares asociadas al ejercicio.
La principal ventaja de esta técnica es que permite observar las adaptaciones específicas de los músculos en un corto período de tiempo de siete días en comparación con otros protocolos de entrenamiento con ejercicios que requieren varios meses. Las implicaciones de esta técnica se extienden hacia la terapia de la atrofia muscular porque se ha demostrado que la estimulación muscular crónica tiene un efecto en la mejora de la debilidad muscular relacionada con el envejecimiento. Por lo general, las personas nuevas en este método tendrán dificultades debido a la dificultad para marcar el nervio peroneo común y colocar bobinas eléctricas en ambos extremos, ya que requieren práctica y precisión.
Comience por anestesiar a la rata bajo una inhalación de 1 a 3% de isoflurano con oxígeno y confirme la sedación completa verificando la respuesta a un pellizco de la extremidad trasera y observando la profundidad y la frecuencia respiratoria. Aplique lubricante ocular en los ojos para evitar la sequedad y coloque a la rata en una almohadilla térmica a una temperatura baja a media. Afeita suavemente la extremidad trasera izquierda, así como una tira alrededor del torso desde la parte posterior del cuello, alrededor de detrás de las extremidades anteriores y a través del tórax anterior.
Limpie suavemente las áreas afeitadas con yodo y alcohol etílico para desinfectar. Con el animal acostado boca abajo, use un bisturí estéril con una hoja número 10 para hacer una pequeña incisión de alrededor de 0,5 centímetros en la parte posterior del cuello en el centro de la región afeitada. Luego enrolle el animal sobre su lado derecho y haga un corte de dos a tres centímetros en la piel de la extremidad trasera izquierda entre el hoyuelo de la articulación de la rodilla y cerca del origen de la cola.
Con unas tijeras quirúrgicas curvas de punta roma, diseccione el área subcutánea hasta unos 3,5 a cuatro centímetros, separando la piel del músculo subyacente para hacer un bolsillo entre la piel abierta y el músculo subyacente. A continuación, utilice unas tijeras quirúrgicas para hacer una pequeña incisión de menos de 0,5 centímetros en el músculo bíceps femoral, asegurándose de que las puntas de las tijeras corten directamente a través del músculo. A continuación, abra suavemente la zona de corte hasta que los grupos musculares internos y el nervio peroneo común sean visibles.
Tenga mucho cuidado para evitar cortar o dañar el nervio. A continuación, prepare de 50 a 60 centímetros de alambre fino de acero inoxidable recubierto de PTFE y dóblelo por la mitad. Enganche la parte doblada del cable en la ranura de una varilla de acero inoxidable de 30 centímetros.
Use la varilla para pasar el alambre a través del bolsillo abierto de la extremidad trasera, subiendo por la pierna y a lo largo del centro de la espalda en un patrón en forma de L para llegar a la pequeña área de incisión en la parte posterior del cuello. Arregle la ventana tirando de ella para abrirla con retractores de metal hasta que el tamaño de la ventana sea de aproximadamente 1,5 centímetros cuadrados con el nervio peroneo en el centro de la ventana. Con un bisturí, pele con cuidado los extremos del alambre 1,5 centímetros.
Envuelve los extremos del alambre pelado alrededor de una aguja desafilada de calibre 21 cinco veces para hacer una bobina. Una vez que las bobinas estén hechas correctamente, suelte la aguja de ellas. Haga un nudo en el extremo de la bobina y suérela en el lado izquierdo del nervio, asegurándose de que la bobina esté a 1,5 a 2,5 milímetros del nervio.
Para asegurar la bobina, aplique dos o tres suturas adicionales a lo largo de la bobina. Este paso requiere mucha práctica y paciencia para evitar dañar el nervio y el músculo subyacente y lograr todas las condiciones de estimulación consistentes en todos los animales. Lo mejor es contar con un investigador capacitado para completar todos los procedimientos quirúrgicos durante un estudio.
Aplique dos o tres gotas de solución antibiótica y luego suture cuidadosamente la ventana con seda tamaño 5-0. Enrolle sin apretar la cuerda floja restante del alambre y empújela en el bolsillo subcutáneo por encima de la incisión suturada del músculo bíceps femoral por encima de la cadera. Aplique dos o tres gotas de solución antibiótica y cierre la piel abierta con grapas.
A continuación, mueva al animal a la posición esternal y corte el lazo de alambre que sale de la incisión en la parte superior del cuello para crear dos extremos de alambre. Con un bisturí, pela los extremos de los alambres 0,5 centímetros. Corta los cables deshilachados.
Empuje lentamente las partes peladas de los cables en el orificio de los zócalos de las clavijas y, con un soldador, suelde los cables en los zócalos de las clavijas. Pase los extremos del cable conectado con clavijas a través de una gasa estéril de 4,4 centímetros. Luego pase los cables a través del orificio en la base de la caja del estimulador.
Inserte las clavijas en los zócalos de conexión de la unidad CCA. Coloque suavemente la unidad CCA en la cámara con una tachuela adhesiva para asegurar la unidad CCA en la parte inferior de la cámara. Use cinta adhesiva o cinta quirúrgica porosa para fijar la cámara alrededor del torso afeitado.
Cierre la parte superior de la cámara con tres capas de cinta adhesiva. Y termine envolviendo con cinta adhesiva los lados de la caja del estimulador para asegurar la caja. Compruebe si el CCA está funcionando exponiendo la unidad a un solo pulso de luz infrarroja emitida por una luz estroboscópica infrarroja portátil.
Si el CCA funciona correctamente, los músculos de las extremidades traseras se contraerán en respuesta a la luz infrarroja. Pese a los animales poco antes de comenzar el procedimiento de CCA para registrar una medición de referencia que ayude a identificar cualquier estrés severo o efectos adversos por el cambio de peso corporal después del procedimiento de CCA. El día de la estimulación CCA, encienda el CCA exponiendo la unidad estimuladora a un solo pulso de luz infrarroja mediante una luz estroboscópica infrarroja portátil y aplique tres o seis horas de estimulación CCA de 10 hercios.
Revise la estimulación y el animal cada 30 a 60 minutos. Después del período CCA deseado, apague la unidad CCA mediante la exposición a la luz infrarroja. Las ratas sometidas a siete días de CCA durante seis horas al día muestran una biogénesis mitocondrial mejorada en el músculo estimulado en comparación con la extremidad posterior contralateral no estimulada.
Este aumento en la biogénesis mitocondrial está indicado por el aumento de la expresión proteica de PGC-1 alfa. El examen de las fibras musculares permeabilizadas para medir la capacidad respiratoria mitocondrial revela que la ACC resultó en un aumento en la capacidad respiratoria máxima del músculo en relación con el músculo control. Tanto las poblaciones mitocondriales subsarcolemales como las intermiofibrilares aumentaron después de siete días de CCA en comparación con el músculo control no estimulado.
Las adaptaciones a los sistemas de autofagia y lisosomal también pueden ser provocadas por la CCA. Se observa un aumento en la abundancia de proteínas del factor de transcripción EB, el principal regulador de la biogénesis lisosomal, después de la CCA en todos los puntos temporales. Después de este procedimiento, se pueden realizar otros métodos, como inyecciones subcutáneas o intraperitoneales generales, para responder a preguntas adicionales, como la estimación del flujo de autofagia con el tratamiento con colchicina.
Después de ver este video, debería tener una buena comprensión de cómo aplicar el modelo actual de actividad contráctil crónica para examinar los cambios fenotípicos musculares después del entrenamiento de resistencia.
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Visión general
Este protocolo describe el uso del modelo de actividad contráctil crónica de ejercicio para observar las adaptaciones musculares esqueléticas inducidas por estimulación en la pata trasera de la rata. Este modelo permite a los investigadores estudiar las adaptaciones fenotípicas del músculo esquelético en un corto período de tiempo, proporcionando información sobre la fisiología muscular.
Componentes clave del estudio
Área de la ciencia
- Fisiología muscular
- Ciencia del ejercicio
- Adaptaciones al entrenamiento
Antecedentes
- El modelo de actividad contráctil crónica es efectivo para estudios in vivo.
- Este modelo puede revelar adaptaciones dentro de un corto plazo de siete días.
- Aborda preguntas clave en la biogénesis mitocondrial y la autofagia.
- La estimulación muscular crónica puede ayudar a mitigar la debilidad muscular relacionada con el envejecimiento.
Propósito del estudio
- Observar las adaptaciones musculares esqueléticas a los estímulos de entrenamiento de ejercicio.
- Investigar los efectos de un protocolo de entrenamiento de seis semanas en un período de tiempo condensado.
- Mejorar la comprensión de las adaptaciones celulares asociadas con el ejercicio.
Métodos utilizados
- Modelo de actividad contráctil crónica para la estimulación muscular.
- Observación de adaptaciones específicas del músculo.
- Técnicas de estimulación eléctrica que involucran el nervio peroneo común.
- Evaluación de las respuestas mitocondriales y de autofagia.
Principales resultados
- Se observaron adaptaciones musculares esqueléticas significativas en siete días.
- Se notó biogénesis mitocondrial mejorada en respuesta a la estimulación.
- Evidencia de cambios celulares relacionados con la autofagia.
- Posibles implicaciones terapéuticas para la atrofia muscular en el envejecimiento.
Conclusiones
- El modelo de actividad contráctil crónica es una herramienta valiosa para estudiar las adaptaciones musculares.
- Las observaciones a corto plazo pueden proporcionar información significativa sobre la fisiología muscular.
- La investigación adicional puede explorar aplicaciones terapéuticas para la debilidad muscular.
Preguntas frecuentes
Executive Industry Relevance
The chronic contractile activity model enables rapid assessment of skeletal muscle phenotypic adaptations, providing a compressed timeline for evaluating exercise-induced molecular changes. This approach supports target validation in muscle physiology by isolating contraction-specific effects from systemic confounders, enhancing predictive confidence in preclinical studies of metabolic and atrophy-related pathways. The model’s utility in studying mitochondrial biogenesis and autophagy positions it as a mechanistic de-risking tool for early discovery programs focused on muscle health and aging.
Strategic Applications in Biopharma R&D
Early Discovery & Target Validation
- Scientific Value: Enables interrogation of therapeutic hypotheses by inducing muscle-specific adaptations independent of humoral or neurological factors.
- Operational Value: Achieves phenotypic changes typically requiring six weeks of training within seven days, accelerating target engagement studies.
- Translational Value: Supports functional validation of targets involved in mitochondrial biogenesis and autophagy pathways relevant to metabolic disease and sarcopenia.
Screening & Assay Development
- Assay Readiness: Generates quantifiable biological systems with enhanced mitochondrial respiratory capacity and PGC-1α expression for downstream compound screening.
- Reproducibility: Standardized stimulation parameters (10 Hz, 3–6 hours/day) enable consistent induction of subsarcolemmal and intermyofibrillar mitochondrial adaptations.
- Scalability: Surgical implantation of chronic stimulation coils allows for longitudinal monitoring and repeated tissue sampling across study cohorts.
Translational & Preclinical Research
- Disease Relevance: Models endurance training adaptations applicable to preclinical evaluation of interventions for muscle atrophy and aging-related weakness.
- Mechanistic De-risking: Permits assessment of autophagy flux and lysosomal biogenesis via TFEB upregulation, supporting target modulation studies.
- Predictive Confidence: Links acute stimulation protocols to chronic adaptive phenotypes, improving translation of exercise-mimetic candidates.
Pipeline & Workflow Integration
The method fits within the discovery continuum from early target validation to preclinical efficacy testing, particularly for programs investigating exercise-mimetic compounds or muscle-specific regulators.
- Discovery Biology: Facilitates hypothesis testing on contraction-induced signaling pathways by isolating direct muscle responses to chronic stimulation.
- Screening: Produces standardized, stimulated muscle tissue suitable for ex vivo assays measuring respiratory capacity and protein markers of adaptation.
- Analytics: Enables quantitative assessment of mitochondrial biogenesis (via PGC-1α) and autophagy (via TFEB) as pharmacodynamic readouts.
- Translational Research: Bridges acute stimulation responses to chronic adaptive states, supporting dose-response modeling in preclinical models.
- Enterprise Reuse: Establishes a reusable surgical and stimulation platform for iterative testing of multiple compounds or genetic manipulations across studies.
Operational & Enterprise Impact
- Scientific Value: Reduces mechanistic ambiguity by distinguishing cell-autonomous muscle adaptations from systemic exercise effects.
- Operational Value: Delivers reproducible, time-efficient induction of mitochondrial and lysosomal adaptations, minimizing animal use and study duration.
- Strategic Value: Improves go/no-go decisions by providing early, contraction-specific phenotypic data before investing in long-term efficacy studies.
- Portfolio Impact: Enables risk-adjusted prioritization of candidates targeting muscle metabolic pathways through rapid validation of target modulation.
Implementation Considerations
- Requires expertise in rodent microsurgery, particularly for precise identification and handling of the common peroneal nerve.
- Dependent on specialized instrumentation including stimulator units, infrared activation systems, and soldered wire-electrode interfaces.
- Necessitates cross-team standardization of surgical protocols, stimulation parameters, and tissue harvest timing to ensure inter-animal consistency.
- Involves adaptation considerations when translating the model to different muscle groups or species due to nerve accessibility and coil placement variability.
- Limited by the technical learning curve associated with coil suturing and nerve-proximal electrode placement, which demands consistent operator skill to maintain stimulation fidelity.
