この研究では、げっ歯類モデルにおける神経筋接合部(NMJ)伝達の in vivo 測定を可能にする洗練された単繊維筋電図(SFEMG)プロトコルを示します。ラット腓腹筋のNMJ伝達変動と機能不全を定量化できるように、SFEMG技術への段階的なアプローチが説明されています。
この研究では、げっ歯類モデルにおける神経筋接合部(NMJ)伝達の in vivo 測定を可能にする洗練された単繊維筋電図(SFEMG)プロトコルを示します。ラット腓腹筋のNMJ伝達変動と機能不全を定量化できるように、SFEMG技術への段階的なアプローチが説明されています。
神経系と筋肉の間の最終的な接続として、神経筋接合部(NMJ)での伝達は正常な運動機能にとって重要です。単線維筋電図検査 (SFEMG) は、臨床的に関連性があり感度の高い技術であり、 随意収縮または神経刺激中の単一筋線維活動電位反応を測定して NMJ 伝達を評価します。NMJ伝送の評価と定量化には、ジッターとブロッキングの2つのパラメーターが含まれます。ジッターとは、連続するシングルファイバー活動電位(SFAP)間のタイミング(遅延)の変動を指します。ブロッキングは、NMJ 送信が SFAP 応答を開始できなかったことを示します。SFEMGは臨床現場では定評があり感度の高い検査ですが、前臨床研究への応用は比較的まれです。このレポートでは、げっ歯類モデルのジッターとブロッキングを定量化するために、刺激SFEMGを実行する際に採用された手順と基準を概説しています。この手法は、健康、老化、および疾患の文脈におけるNMJ機能についての洞察を得るために、前臨床および臨床研究で使用することができます。
シングルファイバー筋電図法(SFEMG)は、1960年代にStålbergとEkstedtによって最初に開発され、主に筋肉疲労を研究するために、個々の筋繊維からの活動電位を特定および分析しました1。SFEMG は、神経筋接合部 (NMJ) 伝達の評価に最も感度の高い臨床手法です 2.SFEMGは、シングルファイバー活動電位(SFAP)3を選択的に記録することによって行われます。NMJの伝達は、老化4,5や重症筋無力症や筋萎縮性側索硬化症6などのさまざまな神経筋障害などの要因によって損なわれる可能性があります。さらに、虚血、温度の変動、神経筋遮断薬の使用などの状態は、NMJ伝達の変動の増加とNMJ障害の発生によって現れる、NMJ伝達の欠損を引き起こす可能性があります2。
SFEMGの記録には、刺激SFEMGと自発SFEMGの2つのアプローチがあります。随意 SFEMG には、自発的活性化中にテストされる筋肉に挿入された同心円針電極を使用して、同じ運動軸索によって供給される 2 つの NMJ からの SFAP を記録することが含まれます7。したがって、自発的なSFEMGは被験者からの協力を必要とし、低閾値運動単位(弱い収縮中に活性化される運動単位)のみを評価できます3。刺激SFEMGは、一対の刺激電極を使用して運動軸索を刺激しながら、SFEMG針電極をテスト対象の筋肉に挿入してSFAPを記録します7。
自発的SFEMGと誘導SFEMGの両方で、ジッターとブロッキングは、NMJ伝送8を評価および定量化するために使用される2つのパラメータである。ジッターは、連続する SFAP 間のタイミング(遅延)の変動を表します。自発的なSFEMGでは、50〜100回の連続放電中のSFAPのペア(同じモーター軸索から供給される)間の遅延差を評価することにより、ジッターが定量化されます。刺激SFEMG中、ジッターは、50〜100回の連続放電中の刺激タイミングとSFAPの開始との間の遅延差を評価することにより定量化されます。ブロッキングは、NMJ送信がSFAP応答をトリガーできなかったことを示し、自発的なSFEMG中のSFAPの各ペアの有無、または刺激されたSFEMG中の各NMJの有無として定量化できます2,7。
SFEMGは臨床現場で確立された感度の高い検査ですが、前臨床研究で適用されることはめったにありません4,5,9,10,11,12,13,14,15,16,17,18 .このレポートでは、前臨床げっ歯類モデルでSFEMG記録を実行および分析するためのアプローチについて概説します。さらに、非脱分極性神経筋遮断薬であるロクロニウムの投与後のNMJ伝達の障害を示すSFEMGに関する代表的な所見を強調する代表的なデータを提示します。
すべてのプロトコルは、ミズーリ大学の動物管理および使用委員会によって定められた規則に従って承認され、実施されました。
1.動物の準備と麻酔投与
2. 電極の配置とセットアップ
注:坐骨神経と腓腹筋のNMJ伝達は、筋電図(EMG)システムを使用して評価されます。 資料の表を参照してください。
3. 刺激型シングルファイバー筋電図法(SFEMG)の手技

NMJ伝送障害の状況でジッターとブロッキングの増加を実証するために、ロクロニウムの静脈内投与の有無にかかわらず、刺激SFEMGを実施しました。ロクロニウムは、手術や医療処置中に筋肉麻痺を誘発するために臨床現場で広く使用されている、中作用型の非脱分極性神経筋遮断薬です。これは、NMJ19でニコチン性アセチルコリン受容体に競合的に結合することによって動作します。ロクロニウムの投与に先立ち、成体野生型ラット(Sprague Dawley)を調製し、セクション1に記載したように麻酔をかけた。ロクロニウムによって誘発される麻痺のため、代表的なデータを取得するために侵襲的な換気サポートが使用されました (セクション 1 で説明した SFEMG 記録中の麻酔の典型的なアプローチとは対照的です)。気管内チューブを留置し、17mmHgの圧力と3cmH2Oの呼気終末陽圧の圧力制御モードを使用して、換気を60回/分に維持し、2%〜3%のイソフルランを送達しました。換気サポートと麻酔が達成されると、ロクロニウム(0.05 mg / kg臭化ロクロニウムのボーラス静脈内投与)による治療の有無にかかわらず、単一線維活動電位が記録されました。. 図1 は、成体ラットの同じNMJからの3つの代表的な単繊維活動電位記録を示しています。 図1A は、ベースラインから負のピークまでの立ち上がり時間が500 μs未満で、最小振幅(ピークtoピーク)が少なくとも200 μVの単一ファイバー活動電位(1回の刺激後)の典型的な形態を示しています。 図1B は、ロクロニウムの注入後にジッターが増加し、断続的なブロッキングの特徴を示しています。 図 1C は、NMJ ブロックの解決後の同じシナプスからのジッターとブロッキングの正規化を示しています。見やすくするために、 図1B、C は9回の連続した刺激後の応答のみを示しています。さらに、理解を深めるために、 図2 は、10回の連続した刺激後に観察された3つの単繊維活動電位の重ね合わせの追加の例を示しており、ジッターとブロッキングの増加が明らかになりました。
刺激SFEMGを用いてNMJ伝送に対するロクロニウムの影響を定量化するために、無処理の5つのNMJとロクロニウム送達後の5NMJから記録を行い、ジッターとブロッキングについて分析しました(図3)。ロクロニウムに続いて、ジッター(図3A)とブロッキング(図3B)が大幅に増加しました。

図1:同じ神経筋接合部(NMJ)からの3つの代表的な単繊維筋電図記録。 (A)単一神経刺激後の単一線維活動電位の例は、振幅(ベースラインから少なくとも200μVの負のピーク振幅)と立ち上がり時間(ベースラインから負のピークが500μs未満)の基準を示し、単一繊維電位として受け入れられます。(B)ロクロニウム投与後のNMJ伝送障害を示すジッターとブロッキングの増加を示す9連続刺激後の重ね合わせた単一繊維活動電位の例(ジッター:68.35μs)。(C)9回の連続刺激後に単繊維活動電位を重ね合わせた例で、ジッターが減少し、ブロッキングがないことを示しており、ロクロニウム処理の解消後のNMJ伝送の正常化を示しています(ジッター:21.7μs)。代表的なSFEMGトレースは、重ね合わせたビューでブロッキングや正常なジッターのない健康なシナプスから記録された単一の筋線維活動電位を明らかにします。 この図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。

図2:ロクロニウム投与中の連続刺激後に記録された3つの重ね合わせた単繊維活動電位(SFAP)。 ロクロニウム投与中に10回連続して刺激を行った後、3つの重畳した単一繊維活動電位(SFAP)が記録され、ジッターとブロッキングの増加が示されました。A、B、Cのジッタ値は、それぞれ24.3μs、46.9μs、88.7μsでした。 この図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。

図3:非脱分極性NMJブロッキング剤による治療後の神経筋接合部伝達(NMJ)の単繊維筋電図検査評価 (A)ロクロニウム投与中(0.05 mg / kg)、SFEMGは、健康な状態(未治療:12.9 μs、95% CI [7.2-16.9 μs]対ロクロニウム:40.70 μs、95% CI [34.7-70.7 μs])に対する伝達(ジッター)の変動性の増加を示しました(マンホイットニー検定:p = 0.0079)。(B)SFEMG上の各シナプスからのNMJブロッキングによる刺激の割合は、健康な状態と比較して増加しました(未治療:0%、95%CI [0-0%]対ロクロニウム:31%、95%CI [14.0-59.0%)(マンホイットニー検定:p = 0.0079)。すべての測定値(ジッターとNMJブロッキングによる刺激の割合)は、1匹のラット、未処理のn = 5シナプス、およびロクロニウム処理後のn = 5シナプスから得られた。データは中央値±95%信頼区間で示されています。 この図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。
SFEMGは、自己免疫疾患、後天性NMJ疾患、および遺伝的形態が疑われる患者の診断検査に一般的に使用されます。SFEMGは、NMJ障害である重症筋無力症20,21の診断に最も感度の高い検査と考えられています。反復神経刺激(RNS)は、臨床診断検査でより一般的に使用される別の方法であり、一連の刺激で末梢神経を刺激し、神経支配された筋肉の複合筋活動電位応答の合計を定量化することを含む5,22。RNSは、SFEMG23,24と比較して感度が有意に低いことを一貫して示しています。SFEMGの利点は、個々の筋線維を選択的に評価し、NMJ伝達の失敗(ブロッキング)だけでなく、変動性(ジッター)も定量化できることにある2,25,26。SFEMGは臨床現場では確立された感度の高い検査ですが、前臨床研究で適用されることはめったにありません4,5,9,10,11,12,13,14,15,16 .神経筋疾患の動物モデルは、ヒト疾患の根底にあるメカニズムを決定し、治療的介入を開発する上で極めて重要な役割を果たします。アウトカム指標やSFEMGなどのバイオマーカーを異なる種に適用できる能力は、有望な前臨床発見のヒト臨床試験への移行を効率化し、迅速化することができる27。例えば、日本での多施設共同研究では、健康なヒト被験者に同心円状の針を用いたSFEMGの基準値を確立することに焦点を当てました。この研究では、個々のMCDの推奨カットオフ値は、伸筋二指筋(EDC)の刺激SFEMGで58.8μsであることが示されました28。腓腹筋は一般的にSFEMGを受けず、EDCがこの文脈で研究されている最も近い筋肉であることは注目に値します。その結果、ラットから得られたジッター値は、臨床研究で報告された値よりも低いことが観察されました。これらの不一致は、安全率の分布が検討中の筋肉や種によって異なることを示唆しています。
このレポートでは、動物の準備、電極の配置、単線維活動電位の記録、および分析のステップを含む、げっ歯類に刺激SFEMGを適用するための段階的なアプローチを示します。さらに、NMJ障害の誘導モデル(ロクロニウム投与)の代表的なデータを提示し、SFEMG記録におけるジッターとブロッキングの増加の概念、および単一ファイバー活動電位のオールオアナッシングの概念を明確に示すのに役立ちます。以前、実験的研究では、ブロッキング剤を投与しなかったラットは、最初の3000秒間にブロッキングなしで軽微なMCD変化(約10μs)を示しました。対照的に、0.08 mg/Kgのベクロニウムを注射されたラットは、200秒後にジッターの増加を示し、約500秒のブロッキングにつながり、初期MCDは約50μsであり、我々の結果と一致している17。ラットにおけるロクロニウムの正しい投与量を確立することは、潜在的な合併症を軽減しながら神経筋遮断の目標レベルを達成するために不可欠でした。さまざまな研究で、筋麻痺17,29,30を誘発するために0.1mg/kgから5mg/kgの範囲の投与量が用いられているが、我々は0.05mg/kgの投与量を選択した。この選択は、NMJ障害が筋肉麻痺の発症前に始まるという認識と一致しています。
SFEMGを使用した単一ファイバー活動電位応答の取得には、いくつかの重要なステップが含まれます。特に、選択的な録音を得るためには、適切な反応を獲得しながら神経刺激を適切に供給するなど、いくつかのタスクを同時に実行する練習が必要です。記録中、SFEMG記録電極は慎重に挿入され、筋肉の外傷を最小限に抑え、歩留まりを向上させるために、小さく安定した動きで調整されます。活動電位が特定されたら、刺激と記録電極の位置を微調整して、単一ファイバーの活動電位の振幅と「シャープネス」(立ち上がり時間が短い)を最適化する必要があります。電位を特定し、振幅と立ち上がり時間を最適化したら、オール・オア・ナッシング応答の安定性を確保するために、電極の動きを最小限に抑える必要があります。記録針の位置がわずかにずれるだけでも、形状、振幅、遅延などの活動電位特性が変動する可能性があるため、電極の安定した位置決めは非常に重要です。活動電位が安定しており、オールオアナッシングの外観に準拠していることを確認することが重要です。応答の変動性は、電極の動きや、異なるNMJからの複数の単一ファイバー活動電位の重ね合わせに関連している可能性があります。これらの要因は、活動電位の再現性と安定した測定を達成する上で重要な役割を果たします2,26。さらに、ジッターが 4 μs 未満の SFAP を解析から除外することは、結果の信頼性を確保するための賢明なアプローチです。この厳格な基準は、直接的な筋肉刺激によって誘発される可能性のあるアーチファクトである可能性のある電位を含めることを避けるのに役立ち、それによって評価11の精度を向上させる。刺激ジッター研究におけるもう一つの重要な要素は、特に病的状態におけるサブリミナル刺激であり、多くのスパイクが明らかにジッターを増加させている。刺激強度がそのようなすべてのスパイクの閾値を超えることを確認するために、オペレータに頼ることが不可欠である、なぜなら、この決定は遡及的に行うことはできない31。
この原稿で概説されている刺激SFEMG技術は、標準的な同心円状筋電図針電極ではなく、特殊なSFEMG電極を利用しています。当社のSFEMG電極は、標準的な小児サイズの同心円状筋電図針電極の約0.019mm2の記録面とは対照的に、0.0005mm2の記録面を特長としています。同心円状の大きな針電極は、記録面が大きいため選択性が低く、見かけの単一ファイバー活動電位ペアを捕捉するための自発的なSFEMGに適している可能性があるため、この区別は非常に重要です。しかし、刺激SFEMGでは、複数の軸索または運動単位が同時に刺激されることが多いため、より大きな同心円状の針電極を使用することはより困難になります7。
いくつかの制限を考慮する必要があります。また、SFEMGは、 ex vivo27で行われた細胞内記録で達成される可能性のある神経筋伝達の欠陥の根底にあるメカニズムを確認できないことを指摘することも重要です。SFEMGに関するもう1つの重要な考慮事項は、特定の筋線維タイプから選択的に記録することの限界です。その結果、SFEMG記録は、異なる筋線維タイプの可変混合物を表す可能性が高い5。
W. David Arnoldは、NMD PharmaとAvidity Biosciencesから研究資金を受け取り、NMD Pharma、Avidity Biosciences、Dyne Therapeutics、Novartis、Design Therapeutics、Catalyst Pharmaceuticalsのコンサルティングを行っています。
著者らは、ロクロニウムの投与に関する貴重なアドバイスを提供してくださったNMD PharmaのMartin Brandhøj Skov博士と、計算の支援をいただいたストーニーブルック大学生物医学工学科のArash Karimiに感謝します。この研究は、NIHからWDA(R01AG067758およびR01AG078129)への資金提供によって部分的に支援されました。
| 名前 | 会社 | カタログ番号 | コメント |
|---|---|---|---|
| 27 G再利用可能な単一繊維針電極 | Technomed | 202860-000 | 単一繊維記録電極 |
| 2 mLガラス注射器ケン | トサイエンティフィックコーポレーション | SOMNO-2ML | |
| 取り外し可能なケーブル | Technomed | 202845-0000 | 電極を電気診断機に接続する |
| インチ×2インチのリード線付きディスク電極 | Cadwell | 302290-000 | 接地電極 |
| 使い捨てモノポーラ針 28 G | Technomed | 202270-000 | 陰極および陽極刺激電極 |
| EMG 針ケーブル (アンプ/刺激スイッチ ボックス) | Cadwell | 190266-200 | モノポーラ電極を電気診断刺激装置に接続する |
| 鉄ベースのワニ口クリップ | ラジオ シャック | 64-079 | 記録電極の配置の維持 |
| イソフルラン(250mLボトル) | Piramal Healthcare | NA | |
| 単射湾曲先端灌漑シリンジ | Covidien | 81412012 | ゲルのアプリケーションに利用 |
| RightTemp Homeothermic Warmingを備えた生理学的モニタリングシステム | Kent Scientific Corporation | PS-RT | 赤外線加温パッド、直腸プローブ、パッド温度プローブ |
| が含まれています プロトリマーペットグルーミングキット | オスター | 078577-010-003 | 脱毛用バリカン |
| ラット気管内チューブ (16 G) | Kent Scientific Corporation | ||
| ロコロニウムブロマイド | シグマ | PHR2397-500MG | 神経筋ブロッカー剤 |
| Sierra Summit 筋電図システム | Cadwell Industries, Inc., Kennewick, WA | NA | ポータブル電気診断システム |
| SomnoSuite Low-Flowデジタル麻酔システム | ケント・サイエンティフィック・コーポレーション | SOMNO | には、こぼれ防止、蒸気防止ボトルトップアダプターが含まれています。Yアダプターチューブ;炭掃気フィルター |
| 医師用石油ベースの眼科用軟膏 | Puralube | 26870 | 、角膜の損傷を避けるために麻酔中に適用されます |