Elektrische impedantiemyografie (EIM) biedt een krachtige methode om de spierconditie te beoordelen, waardoor mogelijk de diagnose van neuromusculaire aandoeningen, het volgen van ziekteprogressie en de beoordeling van de respons op therapiemogelijk wordt 1,2,3. Het kan analoog worden toegepast op dierziektemodellen en mensen, waardoor een relatief naadloze vertaling van preklinische naar klinische studies mogelijk is. EIM-metingen kunnen eenvoudig worden verkregen met behulp van vier lineair geplaatste elektroden, waarbij de twee buitenste een pijnloze, zwakke elektrische stroom toepassen over een reeks frequenties (meestal tussen 1 kHz en ongeveer 2 MHz), en de twee binnenste de resulterende spanningen registreren1. Uit deze spanningen kunnen de impedantiekenmerken van het weefsel worden verkregen, waaronder de weerstand (R), een maat voor hoe moeilijk het is voor stroom om door het weefsel te gaan, en de reactantie (X) of "oplaadbaarheid" van het weefsel, een maat die verband houdt met het vermogen van het weefsel om lading op te slaan (capaciteit). Uit de reactantie en weerstand wordt de fasehoek (θ) berekend via de volgende vergelijking:
, die een enkele summatieve impedantiemaat oplevert. Dergelijke metingen kunnen worden verkregen met behulp van elk multifrequent bio-impedantie-apparaat. Omdat myofiberen in wezen lange cilinders zijn, is spierweefsel ook zeer anisotroop, waarbij stroom gemakkelijker langs vezels stroomt daneroverheen 4,5. EIM wordt dus vaak in twee richtingen uitgevoerd: met de array langs de vezels geplaatst, zodat de stroom parallel aan hen loopt, en over de spier zodat de stroom loodrecht op hen stroomt. Bovendien kunnen in ex vivo metingen, waarbij een bekend volume weefsel wordt gemeten in een impedantiemeetcel, de inherente elektrische eigenschappen van de spier (d.w.z. de geleidbaarheid en relatieve permittiviteit) worden afgeleid6.
De term "neuromusculaire aandoeningen" definieert een breed scala aan primaire en secundaire ziekten die leiden tot structurele spierverandering en disfunctie. Dit omvat amyotrofische laterale sclerose en verschillende vormen van spierdystrofie, evenals eenvoudigere veranderingen in verband met veroudering (bijv. Sarcopenie), atrofie van het gebruik (bijvoorbeeld als gevolg van langdurig bedrust of microzwaartekracht) of zelfs letsel7. Hoewel de oorzaken overvloedig zijn en afkomstig kunnen zijn van het motorneuron, zenuwen, neuromusculaire juncties of de spier zelf, kan EIM worden gebruikt om vroege veranderingen in de spieren als gevolg van veel van deze processen te detecteren en om progressie of reactie op therapie te volgen. Bij patiënten met Duchenne spierdystrofie (DMD) is bijvoorbeeld aangetoond dat EIM ziekteprogressie en respons op corticosteroïden detecteert8. Recent werk heeft ook aangetoond dat EIM gevoelig is voor verschillende onbruiktoestanden, waaronder fractionele zwaartekracht9, zoals zou worden ervaren op de maan of Mars, en de effecten van veroudering10,11. Ten slotte, door voorspellende en machine learning-algoritmen toe te passen op de dataset die bij elke meting wordt verkregen (multifrequentie en richtingsafhankelijke gegevens), wordt het mogelijk om histologische aspecten van het weefsel af te leiden, waaronder myofibergrootte 12,13, ontstekingsveranderingen en oedeem14, en bindweefsel en vetgehalte15,16.
Verschillende andere niet-invasieve of minimaal invasieve methoden worden ook gebruikt om de spiergezondheid bij mens en dier te evalueren, waaronder naaldelektromyografie17 en beeldvormingstechnologieën zoals magnetische resonantiebeeldvorming, computertomografie en echografie 18,19. EIM laat echter duidelijke voordelen zien in vergelijking met deze technologieën. Elektromyografie registreert bijvoorbeeld alleen de actieve elektrische eigenschappen van de myofibermembranen en niet de passieve eigenschappen, en kan dus geen echte beoordeling van de spiersamenstelling of -structuur geven. In een bepaald opzicht zijn beeldvormingsmethoden nauwer verwant aan EIM, omdat ook zij informatie geven over de structuur en samenstelling van weefsel. Maar in zekere zin bieden ze te veel gegevens, waardoor gedetailleerde beeldsegmentatie en deskundige analyse nodig zijn in plaats van alleen een kwantitatieve output te leveren. Bovendien worden beeldvormingstechnieken, gezien hun complexiteit, ook sterk beïnvloed door de specifieke kenmerken van zowel de hardware als de software die wordt gebruikt, idealiter het gebruik van identieke systemen vereisen, zodat datasets kunnen worden vergeleken. Het feit dat EIM veel eenvoudiger is, betekent daarentegen dat het minder wordt beïnvloed door deze technische problemen en geen enkele vorm van beeldverwerking of deskundige analyse vereist.
Het volgende protocol demonstreert hoe in vivo EIM bij ratten en muizen kan worden uitgevoerd, met behulp van zowel niet-invasieve (surface array) als minimaal invasieve (subdermale naaldarray) technieken, evenals ex vivo EIM op vers weggesneden spieren.