Een muizenmodel van Muscle Training door Neuromusculaire elektrische stimulatie
9 mei 2012
Een muizenmodel van neuromusculaire elektrostimulatie (NMES), een veilige en goedkope klinische modaliteit, aan de voorste compartiment spieren wordt beschreven. Dit model heeft het voordeel van het wijzigen van een beschikbaar klinische inrichting voor het opwekken van gerichte en specifieke spiercontracties in muizen.
Het algemene doel van deze procedure is het demonstreren van een muizenmodel voor spiertraining met behulp van neuromusculaire elektrische stimulatie. Dit wordt bereikt door eerst een klinisch beschikbare oppervlakte-elektrode, ontworpen voor gebruik bij mensen, aan te passen tot een oppervlakte-elektrode die bij muizen gebruikt kan worden, waarna het dier wordt geanestheseerd en gepositioneerd voor stimulatie. Plaats vervolgens de oppervlakte-elektrode direct over de nervus fibularis profundus, net distaal van het fibulakopje.
De laatste stap is het uitvoeren van het stimuleringsprotocol van de anterieure curlspieren. Uiteindelijk laat histologische analyse een toename van de vasculariteit van de skeletspieren zien, en in situ contractiele tests tonen een verhoogde piek-tetanische kracht aan. Hallo, mijn naam is Fabrizio.
Ik ben assistent-professor bij de afdeling Fysische Geneeskunde en Revalidatie aan de Universiteit van Pittsburgh en directeur van het Cellular Rehabilitation Laboratory. Vandaag demonstreren we een spiegelmodel van spiertraining met behulp van neuromusculaire elektrische stimulatie. In dit eerste deel van de demonstratie laten we zien hoe u een klinisch beschikbare oppervlakte-elektrode kunt ombouwen tot een elektrode die u kunt gebruiken om skeletspieren bij muizen te stimuleren.
In het tweede deel zullen we demonstreren hoe u dit protocol voor neuromusculaire elektrische stimulatie in uw experimenten kunt implementeren en hoe u diermodellen kunt ontwikkelen die modaliteiten nauwkeurig nabootsen. Het gebruik van de kliniek is belangrijk omdat het ons kan helpen vragen te beantwoorden met betrekking tot de fysiologie van de skeletspieren, zoals de vraag hoe spieractivatie mechanotransductieve responsen triggert; dit kunnen we bestuderen op moleculair, cellulair en weefselniveau. Hallo, mijn naam is Ricardo Ferrari.
Ik ben een PhD-student bij de afdeling Fysiotherapie van de University of Pittsburgh. Neuromusculaire elektrostimulatie is een veelgebruikte klinische procedure om de spierkracht te vergroten en het spierherstel te verbeteren. Er blijven echter veel vragen openstaan over de optimale parameters die moeten worden gehanteerd.
Dit diermodel kan helpen bij de ontwikkeling van specifieke elektrische stimulatieprotocollen voor gebruik in een klinische setting. Om de elektrode voor te bereiden, begint u met het buigen van twee goudpennen van 6 mm lang in een hoek van 90 graden. Pel vervolgens ongeveer 7 cm van twee koperdraden bloot door de buitenste isolatie te verwijderen.
Soldeer vervolgens de draden van de connectoren aan de twee gouden pinnen, die ongeveer 3,5 millimeter uit elkaar zijn geplaatst. Plaats daarna krimpkous over de verbinding tussen de koperdraden en de gouden pinnen voor isolatie en stabilisatie; verhit de krimpkous, zorg ervoor dat de gouden pinnen parallel aan elkaar staan en steek ze door de printplaat zodanig dat de uiteinden zijn uitgelijnd. Bedek de pinnen vervolgens met meerdere lagen transparante epoxy, waarbij de epoxy tussen de applicaties volledig moet drogen; schuur aan het einde de epoxy weg om de uiteinden van de gouden pinnen bloot te leggen.
Gebruik vervolgens een voltmeter om te controleren of de draden niet elektrisch kortsluiten. Gebruik daarna plastic slang om de metalen pinnen van de vrouwelijke tweewegdraadconnector te isoleren. Bevestig vervolgens de elektrodedraden van het NMES-apparaat aan de vrouwelijke tweewegdraadconnector.
Alle procedures zijn beoordeeld en goedgekeurd door de Iacuc van de University of Pittsburgh en zijn uitgevoerd in PHS Assured en alac. International geaccrediteerde programma's en faciliteiten. Het dier wordt geanestheseerd via inhalatie van isofluorine. Het dier moet gedurende de gehele NMES-sessie geanestheseerd blijven.
De anesthesie moet worden bevestigd met een extensiereflex-test door een knijpje in de teen. Plaats het dier vervolgens in zijligging. Scheer daarna het achterbeen, veeg het af met alcohol en reinig de elektrode met 3% bleekmiddel.
Stel vervolgens met water de stimuleringsparameters in, waaronder een pulsduur van 150 microseconds en een frequentie van 50 PP s. Stel daarna de stimulatietijd in op vijf seconden met een ramp-up van 0,5 seconden en een ramp-down van 0,5 seconden. Hierdoor kan de spier geleidelijk wennen aan de stimulatie, wat comfortabeler is voor het dier.
Stel daarna de rusttijd tussen de contracties in op 10 seconden. Dit kan worden aangepast afhankelijk van het gewenste effect, maar kortere rusttijden zullen leiden tot een snellere initiatie van spiervermoeidheid. Steriliseer vervolgens de elektrode met 3% bleekmiddel en daarna met water, en breng geleidingsgel aan op de elektrode voor de stimulatie van de spieren van het voorste compartiment, waaronder de musculus tibialis anterior en de musculus extensor digitorum longus; plaats de oppervlakte-elektrode direct over de nervus perinealis communis van het dier, gelegen net distaal van de laterale femurepicondylus.
De plaatsing van de elektrode is bevestigd wanneer stimulatie resulteert in volledige dorsiflexie van de enkel en volledige extensie van de tenen. Aan de andere kant wijst dorsiflexie van de poot zonder extensie van de tenen erop dat alleen de musculus tibialis anterior wordt gestimuleerd. Start vervolgens de NMES-intensiteit bij 9 mA, voltooi twee sets contracties voor een totaal van 20 contracties met een rustperiode van vijf minuten tussen de sets; tijdens de rustperiode wordt stimulatie van het contralaterale ledemaat uitgevoerd.
Plaats het dier nu in de herstelkamer. Na vier weken NMES bij MDX skid-muizen van drie tot vijf maanden oud, laat kleuring van de skeletspieren met hematoxyline en eosine geen toename zien in het aantal centraal genucleerde vezels in vergelijking met de niet-gestimuleerde controlegroep. Dit suggereert dat de toepassing van NMES de degeneratie-regeneratiecascade niet in gang zet.
CD 31 immunohistochemie als endotheelcelmarker laat zien dat vier weken NMES resulteerden in significante angiogenese van de behandelde spier in vergelijking met controlemuizen die geen stimulatie ontvingen. Deze figuur toont de toegenomen piektonische kracht van met NMES behandelde spieren ten opzichte van onbehandelde controlespieren. Zodra u deze techniek onder de knie heeft, zou de uitvoering van het protocol ongeveer 15 minuten per dier in beslag nemen.
Het moeilijkste deel van dit protocol is het vinden van de juiste plaatsing van de elektrode om de gewenste spierrespons op te wekken. Bedankt voor het kijken. Neem gerust contact op met ons laboratorium indien u vragen heeft.
Overzicht
Dit artikel beschrijft een muismodel voor spiertraining met behulp van neuromusculaire elektrische stimulatie (NMES), wat een veilige en kosteneffectieve klinische methode is. Het model past een klinisch apparaat aan om gerichte spiercontracties bij muizen op te wekken, wat onderzoek naar spierfysiologie faciliteert.
Belangrijkste onderdelen van de studie
Wetenschapsgebied
- Neurowetenschappen
- Fysiologie
- Revalidatie
Achtergrond
- NMES wordt in klinische omgevingen veelvuldig gebruikt om de spierkracht en het herstel te verbeteren.
- Inzicht in spieractivatie kan leiden tot nieuwe inzichten in mechanotransductieve responsen.
- Er is behoefte aan geoptimaliseerde elektrische stimulatieprotocollen voor klinische toepassingen.
- Dit model beoogt de kloof tussen klinische praktijken en experimenteel onderzoek te overbruggen.
Doel van de studie
- Om een muismodel voor spiertraining met behulp van NMES te demonstreren.
- Om een oppervlakte-elektrode aan te passen voor gebruik bij muizen.
- Om de effecten van NMES op de spierfysiologie te onderzoeken.
Gebruikte methoden
- Modificatie van een klinische oppervlakte-elektrode voor gebruik bij muizen.
- Anesthesie en positionering van het dier voor stimulatie.
- Toepassing van NMES op de spieren van het anterieure compartiment.
- Histologische analyse en contractietesten na stimulatie.
Belangrijkste resultaten
- Toegenomen vasculariteit van de skeletspieren waargenomen via histologische analyse.
- Verbeterde maximale tetanussterkte in NMES-behandelde spieren vergeleken met controles.
- Geen initiatie van de degeneratie-regeneratiecascade na toepassing van NMES.
- Significante angiogenese in behandelde spieren ten opzichte van controles.
Conclusies
- Het NMES-model is effectief voor het bestuderen van de spierfysiologie bij muizen.
- De resultaten duiden op het potentieel voor de ontwikkeling van specifieke NMES-protocollen voor klinisch gebruik.
- Deze aanpak kan helpen bij het beantwoorden van kritische vragen over spieractivatie en revalidatie.
Veelgestelde vragen
Industriële Relevantie voor Management
Dit muizenmodel voor NMES biedt een reproduceerbaar systeem voor het evalueren van adaptieve reacties van skeletspieren, wat targetvalidatie in spierfysiologie en revalidatieonderzoek ondersteunt. Door gecontroleerde stimulatie van spieren in het voorste compartiment mogelijk te maken, faciliteert het de mechanistische risicoreductie van neuromusculaire interventies en het voorspellend vertrouwen in translationele uitkomsten. Het model slaat een brug tussen klinische NMES-toepassingen en preklinische ontdekking, en biedt een schaalbaar platform voor assayontwikkeling en het onderzoeken van signaalpaden.
Strategische Toepassingen in Biofarmaceutische R&D
Vroege Ontdekking & Targetvalidatie
- Wetenschappelijke waarde: Maakt het mogelijk om therapeutische hypothesen met betrekking tot spieractivatie en mechanotransductieve signaleringspaden te onderzoeken.
- Operationele waarde: Biedt een gestandaardiseerd, reproduceerbaar model voor functionele targetvalidatie in de neuromusculaire biologie.
- Strategische waarde: Ondersteunt het voorspellende vertrouwen bij de selectie van targets door fysiologische adaptaties aan te tonen, zoals angiogenese en verhoogde contractiele kracht zonder degeneratie.
Screening & Assayontwikkeling
- Wetenschappelijke waarde: Levert kwantitatieve metingen van afhankelijke variabelen, waaronder de maximale titanische sterkte en vasculaire dichtheid, voor de evaluatie van verbindingen of stimuli.
- Operationele waarde: Garandeert de gereedheid van de assay door gestandaardiseerde elektrodeplaatsing en stimulatieparameters, waardoor de reproduceerbaarheid tussen laboratoria wordt verbeterd.
- Strategische waarde: Maakt betrouwbare screening van verbindingen mogelijk door een ziekterelateerd systeem te bieden met meetbare functionele outputs.
Translationeel & Preklinisch Onderzoek
- Wetenschappelijke waarde: Demonstreert de uitlijning van translationele biomarkers via angiogenese en histologische veranderingen die relevant zijn voor spierherstel en -functie.
- Operationele waarde: Ondersteunt de continuïteit van ontdekking tot preklinische validatie door klinische NMES-protocollen te spiegelen in een muismodel.
- Strategische waarde: Informeert risico-gecorrigeerde beslissingen over verdere ontwikkeling door NMES-geïnduceerde functionele verbeteringen aan te tonen zonder degeneratie-regeneratiecascades te triggeren.
Integratie van pijplijn en workflow
De methode is geïntegreerd in het ontdekkingscontinuüm, van targetvalidatie via leadidentificatie tot preklinische evaluatie, ter ondersteuning van de iteratieve verfijning van neuromusculaire interventies op basis van meetbare fysiologische resultaten.
- Discovery Biology: Ondersteunt het testen van hypothesen over spieractivatiemechanismen en de verduidelijking van signaalpaden via gecontroleerde stimulatie van specifieke motorische eenheden.
- Screening: Beschrijft de gereedheid van de assay door gestandaardiseerde stimulatieprotocollen en elektrodepositionering, waardoor een consistente evaluatie van verbindingen of stimuli mogelijk is.
- Analytics: Benadrukt metingen zoals de piek van de titanische kracht en de CD31-positieve vasculaire dichtheid, waarmee teams stimulatiecondities en biologische reacties kunnen vergelijken.
- Translational Research: Legt een verbinding met preklinische continuïteit door angiogenese en functionele verbeteringen aan te tonen die klinische revalidatieuitkomsten weerspiegelen.
- Enterprise Reuse: Positioneert de aangepaste elektrode en het stimulatieprotocol als een herbruikbaar platform voor meerdere studies in de spierfysiologie en revalidatie.
Operationele en bedrijfsmatige impact
- Wetenschappelijke waarde: Voorspellende zekerheid bij targetvalidatie door gedocumenteerde fysiologische adaptaties, waaronder hypertrofie, angiogenese en secretie van groeifactoren.
- Operationele waarde: Standaardisatie en reproduceerbaarheid via vaste elektrodeplaatsing, gedefinieerde stimulatieparameters en histologische/contractiele read-outs.
- Strategische waarde: Betere go/no-go-beslissingen door het verminderen van mechanistische ambiguïteit in de spierrespons op elektrische stimulatie.
- Impact op portfolio: Risico-gecorrigeerde prioritering op basis van aangetoonde veiligheid (geen degeneratie) en werkzaamheid (toegenomen kracht en vascularisatie) in de behandelde spier.
Overwegingen voor implementatie
- Vereiste expertise in elektrodemodificatie, dierbehandeling en optimalisatie van stimulatieparameters.
- Benodigde instrumentatie omvat een klinisch aangepast NMES-apparaat, een voltmeter voor de verificatie van de elektroden en mogelijkheden voor histologie en contractiliteitsonderzoek.
- Standaardisatie tussen teams vereist consensus over de plaatsing van elektroden, de timing van de stimulatie en de protocollen voor het meten van uitkomsten.
- Overwegingen voor aanpassing omvatten het aanpassen van de pulsduur, frequentie en rusttijd voor verschillende spiergroepen of ziektemodellen.
- Praktische beperkingen omvatten de uitdaging van een nauwkeurige plaatsing van de elektroden om de gewenste spiercontracties op te wekken, zoals vermeld in het protocol.
