Name: 筋肉損傷のリスクを低減したマウスにおける用量調整されたレジスタンストレーニング (動画) | JoVE Journal
Uploaded: 2022-08-31T14:20:00.000+00:00
Duration: 7 min 29 s
Description: 学ぶマウス前脛骨筋を用いた用量調整レジスタンストレーニング法。神経筋疾患や筋萎縮症の前臨床研究において、筋肉量と筋力の維持・改善に貢献する精密な運動負荷調整技術を習得できます。

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この研究は、Jain Foundation Inc.からの助成金、NICHDからのR03HD091648、NIH P2CHD086843に基づくAR3Tからのパイロット助成金、ウェイン州立大学のEACPHSからのFRAP賞、ウェイン州立大学の教員スタートアップパッケージ、および1R01AR079884-01(Peter L. Jones PI)からJARへの下請け契約によって資金提供されました。この研究は、JMB、MEP、およびJARに対する米国理学療法士協会-ミシガン(APTA-MI)の研究助成金からも資金提供されました。著者らは、レヌカ・ローチ博士(ミシガン州イースタンミシガン大学准教授)が原稿を批判的に読み、フィードバックを提供してくれたことを認めています。著者らは、3Dプリンティングに関するアドバイスを提供してくれたAnselm D. Motha氏を認めています。著者らは、https://www.jain-foundation.org/patient-physician-resources/patient-stories ジャイナ教財団のウェブサイトでストーリーを共有してくれたジスフェリノパチーの患者、特に運動の経験に感謝します。

著者は競合する金銭的利益を持っていません。

この記事では、投与量調整レジスタンストレーニング(DART)と呼ばれる一種の精密リハビリテーショントレーニングを実行するためのデバイスを構築する方法について、段階的な手順を説明します。この研究では、DARTの1回の発作の3日後の筋肉損傷(DARTグループ)と同等の等尺性トレーニングの3日後の損傷(ISOMグループ)を比較するためのトレーニング研究におけるDARTデバイスと方法論の適用についても説明しています。
プロトコルの重要なステップは、DARTデバイス34,35の適切な構築、DARTまたはISOMトレーニングの実行に伴う正確なステップ、筋肉組織の適切な採取と凍結保存、クライオスタットによる筋肉組織の適切な切片化、およびヘマトキシリンとエオシンによる筋肉断面の適切な染色22,36です。.具体的には、DARTデバイスを構築するには、部品を正確な寸法と...

運動は骨格筋に多くの健康上の利点をもたらします(Vina et al.1でレビューされています)。具体的には、漸進的に大きな外部負荷(バーベル、ダンベル、ケーブルプーリーウェイト回路など)に対して筋肉収縮を行うことを含むプログレッシブレジスタンストレーニング(PRT)は、健康な個人と患者集団の両方で筋肉量と筋力を増加させるのに役立つことが知られています(以前の出版物でレビュー2,3).PRTは過負荷原理に基づいており、筋肉が徐々に大きな外部負荷に対して収縮すると、生理学的断面積と力を生み出す能力を増やすことによって適応すると述べています4。げっ歯類におけるPRTの既存のモデルには、尾に抵抗を加えたはしご登り、アンタゴニストからの抵抗に対するアゴニスト筋の共収縮、加重ハーネスでの走行、電気ショックによって引き起こされるしゃがむ運動、および抵抗された車輪走行が含まれます5,6,7,8,9,10(以前の出版物でレビュー11,12).しかし、現在、ヒトの臨床研究および実践で使用されるPRTの方法およびデバイスによく似た、マウスで筋肉を標的とし、投与量を調整したPRTを正確に実行するための研究ツールはありません12,13。これは、マウスの基礎および前臨床試験において正確に投与されたPRTの安全性および有効性を研究する研究者の能力を制限する。
この障壁を克服するために、この研究では、現代の体育館のレジスタンストレーニング機器で採用されているケーブルプーリーウェイト回路設計に基づいて、PRT方法論とデバイスを開発します14,15,16。PRTのこの方法は、投与量調整レジスタンストレーニング(DART)と呼ばれ、デバイスはDARTデバイスと呼ばれます。精密リハビリテーショントレーニングツールとしての機能に加えて、DARTデバイスは、マウスの前脛骨筋(TA)によって生成される可能性のある最大同心円収縮トルクを客観的に評価するためのスタンドアロン機器としても使用でき、1回の繰り返しの最大(1RM、良好なフォームを維持しながら1回だけ正常に持ち上げ/移動/押圧/しゃがむことができる最大負荷)が人間で評価される方法と同様に17、18.DARTデバイスは、カスタムビルドまたは市販の等速性ダイナモメータと組み合わせて、マウスのTA筋肉によって生成されるピーク等尺性テタニック力(ヒトの最大随意収縮[MVC]に匹敵)を測定し、ピーク破傷風力(例えば、ピーク力の50%)に基づく抵抗で用量調整PRTを実行することもできる。
この記事では、DARTデバイスの構造について説明し、収縮トルクを評価してDARTを実行するために、以前の出版物19、20、21、22に記載されているカスタムビルドの動力計と組み合わせる方法について説明します。この研究では、DARTデバイスを使用して、DARTの1回の発作(50%1RMの同心円状に偏った収縮の4セット)によって引き起こされる運動誘発性筋肉損傷と、等尺性収縮の同等の発作(4セットの10等尺性収縮)によって引き起こされる損傷を比較する方法についても説明します 四肢帯筋ジストロフィー2B型(LGMD2B、 またはLGMDR2)23,24。研究されたマウスモデルには、有害な偏心収縮後の遅発性筋肉損傷から骨格筋を保護するのに重要な役割を果たすジスフェリンと呼ばれるタンパク質が欠けています22,25,26,27,28,29,30.また、ジスフェリン欠損の雄マウスでは、同心円状に偏った強制運動は偏心的に偏った強制運動ほど有害ではなく、同心円状に偏ったトレーニングへの以前の曝露が、その後の偏心偏った収縮の発作からの損傷に対する保護を提供することが実証されています22。現在の研究は、用量調整された同心円状に偏ったレジスタンストレーニングを実行する際の現在のDART方法論とデバイスの実現可能性をテストするために実施されたため、DARTデバイスからの新しいデータを以前のデータと比較するための調査のためにオスのジスフェリン欠損マウスが選択されました。将来の研究では、雌のBLAJマウスが生物学的変数としての性別の影響を研究するために含まれます DARTへの反応に関連して。すでに多くの筋肉群にジストロフィー変化があり、すでに筋力低下と消耗があり、筋肉量と筋力を維持するためのリハビリテーションケアを求めている患者の筋肉がいる可能性のある病態生理学的状態をモデル化しているため、~1.5歳のマウスが研究されました26。

<table><tbody><tr><td>AnMiao Star 608 セラミックボールベアリング</td><td>Anmiao Star (N/A)</td><td>AMS127</td><td>高精度、低摩擦ホイールベアリング。&nbsp;メーカーとモデルが市販されていない場合は、608低摩擦ホイールベアリングの代替バージョン、ボア径8 mm、&nbsp;外径22mm、420ステンレス鋼ハウジングに窒化ケイ素セラミックボールを入れるだけで十分です。ホイールベアリングの過剰な摩擦は、DARTデバイスの性能に悪影響を及ぼし、筋肉の収縮に対する全体的な抵抗を増加させます。</td></tr><tr><td>Axio Scope.A1</td>顕微鏡 <td>カールツァイス(ピーボディ、マサチューセッツ州)</td><td>製品 #Axio Scope.A1</td><td>光と蛍光の顕微鏡</td></tr><tr><td>B6。A-Dysfprmd/GeneJ (別名 BLAJ マウス)</td><td>ジャクソン研究所 (メイン州バーハーバー)ジャイナ教財団がジスフェリンを研究する協力者のために維持している特別なコロニー。</td><td>ストック#012767</td><td>ヒトの四肢ガードル筋ジストロフィー2B/R2型をモデル化するジスフェリン欠損マウス。</td></tr><tr><td>バイポーラ、経皮的、神経筋電気刺激(NMES)電極</td><td>ハーバード装置、ホリストン、マサチューセッツ</td><td>州 BS4 50&ndash;6824</td><td>NMES用電極&nbsp;この電極が市販されていない場合は、代替品について責任著者にお問い合わせください。</td></tr><tr><td>Coplin 染色皿</td><td>ThermoFisher (マサチューセッツ州ウォルサム)</td><td>カタログ番号 S17495</td><td>ヘマトキシリンおよびエオシン用皿/瓶の染色皿/瓶 (H&E)セクション</td></tr><tr><td>Cura4.4.1の染色。Software</td><td>Ultimaker、ユトレヒト、オランダ</td><td>Ultimaker Cura 4.4.1.</td><td>光造形ファイルをG-CODEファイルに変換するスライシングソフト</td></tr><tr><td>Deltaphase 等温ゲル加熱パッド</td><td>Braintree Scientific (Braintree, MA)</td><td>Item #39DP</td><td>Heating pad to provide thermal support to animals while under annesthesion</td></tr><tr><td>Eosin Y</td><td>Millipore Sigma (Burlington, MA)</td><td>HT110132-1L</td><td>Pink cytoplasmic stain</td></tr><tr><td>Gorilla Super Glue</td><td>Company (Cincinnati, OH)</td><td>Gorilla Super Glue Micro Precision</td><td>Cyanoacrylate adhesive to bond PLA components</td></tr><tr><td>ヘマトキシリン溶液、Gill No.3</td><td>Millipore Sigma (マサチューセッツ州バーリントン)</td><td>GHS332-1L</td><td>核用ダークブルーステイン</td></tr><tr><td>HM525NX クライオスタット</td><td>ThermoFisher (マサチューセッツ州ウォルサム)</td><td>Catalogue #HM525NX</td><td>Cryostat to make frozen sections of muscle</td></tr><tr><td>Lab Wipes.&nbsp;Kimberly-Clark Professional Kimtech Science Kimwipes Delicate Task Wipers, 1-Ply</td><td>ThermoFisher (Waltham, MA)</td><td>カタログNo. 06-666.&nbsp;メーカー#34120</td>実験室<td>用ワイプは、スナップ凍結やその他の目的のために筋肉組織から鉱物油を吸い取ります。</td></tr><tr><td>Labview 2014</td><td>National Instruments, Austin, Texas, USA</td><td>Labview 2014</td><td>ダイナモメータを操作し、NMESスティミュレータをトリガするカスタムメイドのプログラム/ルーチン用のソフトウェアです。</td></tr><tr><td>液体窒素HDPEデュワーフラスコThermoFisher</td><td>(マサチューセッツ州ウォルサム)</td><td>S34074B.&nbsp;Thermo Scientific 41502000/EMD</td><td>スナップ凍結筋肉または他の組織のための液体窒素を保持するフラスコ</td></tr><tr><td>マジック脱毛クリーム</td><td>Softsheen カーソン (ニューヨーク州ニューヨーク)</td> <td>N/A</td><td>カミソリレス脱毛クリーム</td></tr><tr><td>金属ワニ口クリップ</td><td>JINSHANGTOPK (ウェブベースのビジネス)</td><td>24個 51mm 金属ワニ口クリップ スプリングクランプ</td><td>脛骨ピンを保持するスプリングクランプ</td></tr><tr><td>マイクスコープスライド</td><td>グローブサイエンティフィック (ニュージャージー州マーワー)</td><td>1354W. Diamond White Glass Slides</td><td>Charged microscope slides</td></tr><tr><td>Mineral Oil</td><td>ThermoFisher (Waltham, MA)</td><td>BP26291</td><td>Mineral oil to cryoprotect muscle tissue before snap freezezing</td></tr><tr><td>Monoprice Premium 3D Printer Filament PLA</td><td>Monoprice (Rancho Cucamonga, CA)</td><td>#11778</td><td>Premium 3D Printer Filament PLA 1.75mm 1 kg/spool, Gray.&nbsp;これは、デバイスのコンポーネントを3Dプリントするために使用される材料です。</td></tr><tr><td>Monoprice Select Mini V2 3Dプリンター</td><td>Monoprice(カリフォルニア州ランチョクカモンガ)</td><td>デバイスコンポーネントのコンピューター支援製造用の</td><td>Mini V2 3D</td> 3Dプリンター。</tr><tr><td>NIH画像ソフトウェア</td><td>National Instritues of Health (NIH, Bethesda, MD)</td><td>NIH Image for Windows</td>筋肉<td>損傷の面積を定量化するための画像処理および分析ソフトウェア。&nbsp;NIH ImageはImage Jとしても知られています。</td></tr><tr><td>Photoshop CS4</td><td>Adobe (カリフォルニア州サンノゼ)</td><td>Creative Suite (CS4). Windows用64ビット版</td><td>画像処理・解析ソフトウェアで、個々の重なり合うフィールドの画像から筋肉断面全体のタイル化/スティッチ画像を生成するために使用される</td></tr><tr><td>PSIU6刺激アイソレーションユニット Grass</td><td>Instruments(ロードアイランド州ウェストワーウィック)</td><td>PSIU6アイソレーションユニット</td><td>NMES用アイソレーションユニット&nbsp;AMのモデル4100などの刺激装置には、刺激アイソロエーションユニット</td></tr><tr><td>Roboz 4-0シルクブラック編組縫合材料</td><td>Roboz Surgical(メリーランド州ゲーサーズバーグ)</td><td>Roboz Surgical SUT152</td><td>縫合材料を使用して、DARTデバイスのフットプレートをダイナモメーターフットプレートまたは抵抗トレーニング用の抵抗</td></tr>に接続します<tr><td>S48矩形パルス刺激装置</td><td>グラスインスツルメンツ(ロードアイランド州ウェストワーウィック)</td><td>S48刺激装置</td><td>NMES用の実験室用電気刺激装置.&nbsp;この刺激装置が市販されていない場合は、AMシステムのモデル4100絶縁型高出力刺激装置が代替品になる可能性があります。詳細については、共著者のJonesにお問い合わせください。</td></tr><tr><td>スコット</td><td></td><td>6697-32</td><td>ヘマトキシリン核染色を強化するブルーイング溶液</td></tr><tr><td>SigmaStatバージョン3.5</td><td>Systatソフトウェア(カリフォルニア州サンノゼ)</td><td>SigmaStatバージョン3.5</td><td>統計分析用統計ソフトウェアパッケージ</td></tr><tr><td>卓上イソフルラン気化器</td><td>VetEquip(カリフォルニア州リバモア)</td><td>アイテム#901801</td><td>吸入卓上麻酔システム</td></tr><tr><td>トリプル抗生物質応急処置軟膏</td><td>グローバルヘルスプロダクツ(水ベースのビジネス)</td><td>グローブトリプル抗生物質応急処置軟膏、1オンス(2パック)応急処置抗生物質</td>軟<td>膏 処置後のケアの一部として脛骨ピンに適用される抗生物質軟膏</td></tr></tbody></table>

筋肉損傷のリスクを低減したマウスにおける用量調整されたレジスタンストレーニング

Dosage-Adjusted Resistance Training in Mice with a Reduced Risk of Muscle Damage

漸進的レジスタンストレーニング(PRT)は、徐々に大きな外部負荷に対して筋肉収縮を行うことを含み、健康な個人および患者集団の筋肉量と筋力を増加させる可能性があります。小動物および大型動物のモデルに関する前臨床試験では、筋肉量と筋力を維持および/または回復するためのPRTの安全性と有効性をテストするための精密リハビリテーションツールが必要です。この記事で説明されているPRT方法論とデバイスを使用して、投与量調整レジスタンストレーニング(DART)を実行できます。DARTデバイスは、マウスの足首背屈筋によって生成される同心円収縮トルクを客観的に評価するためのスタンドアロンダイナモメータとして使用することも、既存の等速性ダイナモメトリーシステムに追加することもできます。DARTデバイスは、この作業で提供される指示とオープンソースの3Dプリントファイルに基づいて、標準の3Dプリンターで製造できます。この記事では、四肢帯筋ジストロフィー2B/R2型(BLAJマウス)のマウスモデルにおいて、DARTの1回の発作によって引き起こされる収縮誘発性筋肉損傷と、同等の等尺性収縮(ISOM)によって引き起こされる筋肉損傷を比較する研究のワークフローについても説明します。8匹のBLAJマウス(各条件に4匹)のデータから、前脛骨筋(TA)の10%未満がDARTまたはISOMの1回の発作で損傷を受け、DARTはISOMよりも損傷が少ないことが示唆されています。

BLAJの雄マウス(1~1.5歳)を研究した。BLAJマウスは、ヒトの筋肉疾患LGMD2B / R2をモデル化しています。これらのマウスは、偏心筋収縮の単回発作からの遅発性筋肉損傷に特に感受性である22、29。したがって、BLAJマウスは、TA筋が同心円状に偏った方法で働かなければならない抵抗を正確に調整することによって、DARTが無害な方法で実行できるかどうかを知るためにこれらの研究に選ばれました。DARTがBLAJマウスに有害ではないことが判明した場合、DARTは非傷害性レジスタンストレーニングの一形態として有用であり、単独で、または再生医療、遺伝学的、薬理学的、およびその他の介入の補助として適用できます。
BLAJマウスの年齢および体重は、DART群とISOM群の間で密接に一致した(表1)。3日目(~72時間)に、1回のトレーニングの後、運動したTA筋はDART群とISOM群の両方で低レベルの損傷(&lt;10%損傷領域)を示...

本プロトコルは、マウスなどの小動物で行われる精密リハビリテーション研究に組み込むことができる、用量調整レジスタンストレーニング(DART)と呼ばれる独自の技術について説明しています。

Progressive resistance training (PRT), which involves performing muscle contractions against progressively greater external loads, can increase muscle ...

このプロトコルは、科学者がマウスで投与量調整されたレジスタンストレーニングをヒトで行うのと同様の方法で実行できるようにする最初の研究の1つです。この技術の主な利点は、研究者がマウスの前脛骨筋がレジスタンストレーニング中に機能しなければならない抵抗を正確に調整できることです。さらに、筋収縮は偏心的に偏っているため、収縮誘発性筋肉損傷の可能性が低くなります。私たちの投与量調整レジスタンストレーニング技術は、マウスの基礎研究および前臨床試験に組み込んで、さまざまな病状にわたって筋肉量と筋力を改善または維持するための介入を開発することができます。プロトコルの最も困難な側面は、前脛骨筋を神経支配する坐骨神経の腓骨枝を正確に刺激することです。不正確な電気刺激を減らすには、最大けいれんトルクがダイナモメーターによって記録されるまで、電極の位置と刺激振幅を調整します。まず、等温ゲル加熱パッドを使用してマウスに熱サポートを提供し、マウスの1メートル上にヒートランプを配置します。DARTまたはISOMのために皮膚を準備するには、脱毛クリームを塗って左後肢から毛皮を取り除きます。2分後、蒸留水に浸したワイプで脚をきれいにし、毛皮と残っているクリームをすべて皮膚から取り除きます。ポビドンヨードスクラブ液と70%エタノールを使用して皮膚を消毒し、清潔な綿棒を使用して目と脱毛した皮膚に保護剤を塗布し、乾燥を防ぎます。次に、脛骨に5%リドカインクリームを塗り、その領域を麻痺させます。1/2インチの26ゲージの滅菌皮下注射針を脛骨の近位部分の最も広い部分に通します。安定化ピンが固定されたら、滅菌止血剤で針を持ち、プラスチック部分を折れるまで曲げてから、マウスを仰臥位に置きます。麻酔を維持するために、マウスがノーズコーンにしっかりと接続されていることを確認してください。一対の滅菌先端ピンセットを使用して、脛骨ピンの端がワニ口クランプによって保持されるように、脛骨ピンを金属製のワニ口クリップに送ります。ワニ口クランプの調整可能なアームを動かして、マウスの足がDARTデバイスのフットプレートに配置されていることを確認します。マウスの足を粘着性の実験用テープでDARTデバイスのフットプレートにストラップで固定します。足がマウスの脛骨の長軸に対して90度の角度で配置されていることを確認します。DARTデバイスの分度器に事前に開けられた穴に18ゲージの1.5 =インチの長さの皮下注射針を通して足底屈止めを作成し、フットプレートを足底屈止めに置きます。電極の配置を最適化するには、マウスの膝関節の下外側にバイポーラ電極、経皮電極、およびNMES電極を配置します。実験室の電気刺激装置を使用して、1ヘルツの単一パルスを適用し、坐骨神経の腓骨枝を刺激します。前脛骨筋、またはTA腹筋と腱を観察して、電気的に誘発されたけいれん収縮の証拠を探します。次に、縫合糸をダイナモメーターのフロアプレートにストラップで固定し、NMES刺激装置から出力される電圧の振幅を最適化して、NMESが総腓骨神経とTA筋に限定されるようにします。パルス列を繰り返すように刺激装置を設定するには、パルス周波数のダイヤルを125ヘルツに、列車の持続時間を500ミリ秒に、毎秒の列車を1に調整します。パルス列を繰り返すためのトグルスイッチをオンにします。パルス列の間に500ミリ秒の静止が散在する持続時間500ミリ秒のパルス列を生成するように刺激装置を設定します。足底屈止具を脛骨の長軸の160度に対応する分度器の穴に移動します。DARTでは、TA筋が同心円状に機能するために、DARTデバイスのフットプレートに結び付けられた非弾性絹縫合糸で5グラムなどの適切な重量を吊るして抵抗を適用します。1回の繰り返しの最大50%の重みを適用して抵抗を調整します。足が利用可能なアクティブな背屈範囲の少なくとも半分を引っ張っていることを確認してください。同心円状の収縮を10回繰り返し、セット間に2分間の休憩を含むDARTトレーニングの1回の試合を実行します。ISOMトレーニングの場合は、マウスの足を脛骨の長軸に対して160度に配置します。シルク縫合糸をロボット動力計のフットプレートにテープで固定して、静止位置を維持します。等尺性収縮を10回繰り返し、セット間に2分間の休憩を4セット行うISOMトレーニングの1回の試合を実行します。マウスの処置後のケアとして、運動した後肢の衛生状態を維持し、針部位の痛みを軽減するための予防策を講じてください。TA筋の組織学的変化は、DARTまたはISOMトレーニングの3日後に研究されました。ヘマトキシリンおよびエオジン染色は、DART群およびISOM群の両方で筋肉損傷の程度が低いことを示したが、筋肉損傷はISOM群でわずかに明白であった。前脛骨筋の収縮を特異的に刺激し、投与量調整されたレジスタンストレーニング中にこれらの筋肉が働かなければならない抵抗を正確に調整することが重要です。この手順に続いて、研究者は運動耐容能を評価することができます 倦怠感や損傷に対する感受性 抵抗に対する繰り返しの筋肉収縮による。この技術は、マウスモデル、筋ジストロフィーなどの神経筋疾患の研究、スポーツ傷害のマウスモデルなど、さまざまな基礎および前臨床研究アプリケーションに組み込むことができます。

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神経科学

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筋肉損傷のリスクを低減したマウスにおける用量調整されたレジスタンストレーニング

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