神経筋電気刺激による筋力トレーニングのマウスモデル

この手順の全体的な目的は、神経筋肉電気刺激を用いた筋トレーニングのマウスモデルを提示することです。まず、ヒト用として市販されている表面電極をマウスに使用可能な形式に適合させ、次に動物を麻酔し、刺激に適した位置に固定します。その後、腓骨頭のすぐ遠位にある深腓骨神経の直上に表面電極を配置します。

最終ステップは、前腕屈筋の刺激プロトコルを実施することです。最終的に、組織学的解析により骨格筋の血管密度の増加が示され、in situ収縮能試験により最大強直力の向上が示されます。こんにちは、ファブリツィオです。

私はピッツバーグ大学リハビリテーション医学・理学療法科の助教授であり、細胞リハビリテーション研究室の責任者を務めております。本日は、神経筋電気刺激を用いた筋肉トレーニングのミラーリングモデルについて実演します。このデモンストレーションの第一部では、市販の臨床用表面電極を、マウスの骨格筋刺激に使用可能な電極に改造する方法について説明します。

第2部では、この神経筋電気刺激プロトコルを実験に実装する方法と、疾患様態を密接に模倣した動物モデルの開発について解説します。臨床的なアプローチを用いることは、筋肉の活性化がいかにして機械的刺激受容反応を誘発するかなど、骨格筋生理学に関する疑問を解決する上で重要であり、これを分子、細胞、および組織レベルで検証することが可能です。こんにちは、リカルド・フェラーリです。

私はピッツバーグ大学理学療法学部の博士課程の学生です。筋電気刺激は、筋力の向上や筋治癒の促進を目的としてクリニックで一般的に行われている処置です。しかし、使用すべき最適なパラメータについては、依然として多くの疑問が残っています。

この動物モデルは、臨床現場で使用するための特定の電気刺激プロトコルの開発に役立つ可能性があります。電極を準備するために、まず長さ6 mmの金ピン2本を90度に曲げます。次に、2本の銅線の外装絶縁材を取り除き、約7 cmの部分を露出させます。

次に、コネクタからの配線を、約3.5 mm間隔で配置された2本の金ピンにはんだ付けします。その後、絶縁と固定のために銅線と金ピンの接合部に熱収縮チューブを被せ、加熱します。金ピンが互いに平行であることを確認し、先端が揃うように回路基板に差し込みます。次に、透明エポキシ樹脂を数回に分けて塗布してピンを埋め込み、塗布ごとに完全に乾燥させます。最後に、エポキシ樹脂を研磨して金ピンの先端を露出させます。

次に、電圧計を使用して、リード線が電気的に短絡していないことを確認します。次に、プラスチックチューブを使用して、メスの2路ワイヤコネクタの金属ピンを絶縁します。続いて、NMESデバイスの電極リードをメスの2路ワイヤコネクタに取り付けます。

すべての手順はピッツバーグ大学の動物実験委員会（IACUC）によって審査および承認され、PHS承認およびALAC国際認定を受けたプログラムおよび施設で実施されました。動物にはイソフルーランの吸入による麻酔を施します。NMESセッションの間、動物は麻酔状態を維持させる必要があります。

足指つまみ伸展反射試験を用いて、麻酔状態を確認します。次に、動物を側臥位に置きます。続いて後肢を剃毛し、アルコールで拭き、電極を3% bleachで拭きます。

次に水を用いて、パルス幅 150 microseconds、周波数 50 PP sを含む刺激パラメータを設定します。続いて、刺激時間を5秒に設定し、ランプアップ時間を0.5秒、ランプダウン時間を0.5秒に設定します。これにより、筋肉が刺激に徐々に適応できるようになり、動物への負担が軽減されます。

その後、収縮間のオフ時間を10秒に設定します。これは目的の効果に応じて調整可能ですが、オフ時間を短くすると筋疲労がより急速に誘導されます。次に、電極を3%漂白剤で滅菌し、続いて水で洗浄します。前脛骨筋や長趾伸筋を含む前区画筋の刺激を行うために、電極に導電性ゲルを塗布します。表面電極を、外側大腿顆の直遠位にある動物の総会陰神経の直上に配置します。

刺激によって足関節の完全な背屈と指の完全な伸展が誘発されたとき、電極の配置が適切であると確認されます。一方で、指の伸展を伴わない足背の背屈は、前脛骨筋のみが刺激されていることを示唆します。次に、NMESの強度を9 mAで開始し、1セットあたり10回、計2セット（合計20回）の収縮を行います。セット間の5分間の休息時間には、対側肢への刺激を行います。

次に、動物を回復チャンバーに入れます。3〜5ヶ月齢のMDX skidマウスに4週間のNMESを適用した後、ヘマトキリン・エオジンによる骨格筋染色を行うと、非刺激対照群と比較して中心核繊維の数に増加は見られませんでした。このことは、NMESの適用が変性・再生カスケードを誘発しないことを示唆しています。

内皮細胞マーカーとしてのCD 31免疫組織化学染色により、刺激を行わなかった対照マウスと比較して、4週間のNMESにより処理した筋肉で有意な血管新生が認められたことが明らかになりました。この図は、未処理の対照筋肉と比較して、NMES処理した筋肉のピーク強直力が上昇したことを示しています。この手法に習熟すれば、プロトコルの完了まで1匹あたり約15分かかります。

このプロトコルで最も困難な部分は、目的の筋反応を誘発させるために電極の適切な配置を見つけることです。ご視聴ありがとうございました。ご質問がある場合は、お気軽に当研究室までお問い合わせください。