Mięśnie szkieletowe mają niezwykłą wewnętrzną zdolność do naprawy w odpowiedzi na uraz lub chorobę1,2. Doświadczalnie solidność tej reakcji regeneracyjnej została dobrze udokumentowana w modelach zwierzęcych, badając na przykład przebieg w czasie uszkodzenia, naprawy i regeneracji mięśni szkieletowych po zastosowaniu miotoksyn (np. kardiotoksyny)3-7. Mówiąc dokładniej, po rozległym uszkodzeniu mięśni wywołanym przez kardiotoksynę (38-67% włókien mięśniowych8), w regeneracji pośredniczą komórki satelitarne, rezydujące komórki macierzyste, które dojrzewają, aby ostatecznie stać się funkcjonalnymi włóknami mięśniowymi4,9-13. Efektem końcowym jest zwiększona regeneracja funkcjonalna zdrowej, wytwarzającej siłę tkanki mięśniowej po uszkodzeniu14-16. Chociaż szczegóły znacznie wykraczają poza zakres tego raportu, mechanistyczne podstawy regeneracji mięśni odzwierciedlają starannie zaaranżowane zdarzenia wielu typów komórek z wielu linii wykorzystujących kanoniczne szlaki sygnałowe krytyczne zarówno dla rozwoju tkanek, jak i morfogenezy5,17-21. Co ważne, regeneracja indukowana miotoksyną jest możliwa dzięki temu, że macierz zewnątrzkomórkowa, unerwienie neuronów i perfuzja naczyń krwionośnych pozostają strukturalnie nienaruszone po uszkodzeniu mięśni wywołanym kardiotoksyną3,8,22. W przeciwieństwie do tego, te kluczowe struktury i składniki tkankowe są z definicji całkowicie nieobecne w kontekście uszkodzenia VML; gdzie jawna utrata tkanki, spowodowana różnymi przyczynami, skutkuje trwałymi deficytami funkcjonalnymi i kosmetycznymi23-25.
Niezależnie od dodatkowych wyzwań związanych z naprawą i regeneracją mięśni po urazie VML w porównaniu z uszkodzeniem mięśni wywołanym przez miotoksynę, lepsze zrozumienie mechanistycznych podstaw regeneracji i naprawy mięśni szkieletowych, w różnych kontekstach, byłoby dobrze przysłużone przez wykorzystanie biologicznie istotnych modeli zwierzęcych w połączeniu z podłużnymi ocenami odpowiednich miar funkcjonalnych. Jak omówiono w niniejszym dokumencie, badania tylnych kończyn szczura stanowią doskonały system modelowy w tym celu. Mówiąc dokładniej, mięśnie przedniego przedziału podudzia (piszczelowy przedni, prostownik palca długiego (EDL) i paluszek długi (HL)), które są odpowiedzialne za zgięcie grzbietowe stopy, są łatwe do zidentyfikowania i manipulowania. Ponadto są obsługiwane przez główne naczynia krwionośne (biodrowe i gałęzie) i są unerwione przez nerwy (kulszowe i gałęzie, w tym strzałkowe) biegnące wzdłuż nogi26-28. W związku z tym można wykorzystać model kończyn tylnych szczura do bezpośredniej oceny funkcji/patologii mięśni szkieletowych in vivo lub do oceny bardziej pośredniego wpływu zmian związanych z patologią w naczyniach krwionośnych lub nerwach na odpowiednią funkcję mięśni szkieletowych. W każdym scenariuszu nasilenie choroby, a także skuteczność leczenia można określić jako funkcję wytwarzania siły mięśniowej (momentu obrotowego) i odpowiadającego jej ruchu stopy29-34.
Idealnie, pomiarom siły towarzyszą badania histologiczne i analizy ekspresji genów, aby bardziej rygorystycznie ocenić stan strukturalny i molekularny mięśni szkieletowych. Na przykład podstawowa histologia i immunohistochemia są w stanie odpowiedzieć na pytania dotyczące wielkości mięśni, ułożenia włókien mięśniowych, składu macierzy zewnątrzkomórkowej, lokalizacji jąder, liczby komórek i lokalizacji białek. Analiza ekspresji genów jest z kolei niezbędna do identyfikacji mechanizmów molekularnych, które mogą wpływać/modulować dojrzałość włókien mięśniowych, stany chorobowe i aktywność metaboliczną. Chociaż metody te dostarczają kluczowych informacji, na ogół reprezentują końcowe punkty końcowe, a co najważniejsze, nie odnoszą się bezpośrednio do zdolności funkcjonalnej mięśni szkieletowych, a zatem są raczej korelacyjne niż przyczynowe. Jednak, gdy badania histologiczne i analizy ekspresji genów są oceniane w połączeniu ze środkami funkcjonalnymi, można najdokładniej zidentyfikować mechanizmy wytwarzania siły i funkcjonalnej regeneracji.
W związku z tym, zdolność mięśnia do wytwarzania siły może być mierzona in vitro, in situ lub in vivo. Wszystkie trzy podejścia mają zarówno zalety, jak i ograniczenia. Na przykład w eksperymencie in vitro mięsień jest całkowicie izolowany i usuwany z ciała zwierzęcia. Usuwając wpływy naczyń krwionośnych i nerwów, które zaopatrują mięśnie, można określić zdolność kurczliwą tkanki w ściśle kontrolowanym środowisku zewnętrznym35. Badanie mięśni in situ pozwala na wyizolowanie mięśnia, podobnie jak w przypadku preparatów in vitro, jednak unerwienie i dopływ krwi pozostają nienaruszone. Zaletą modelu eksperymentalnego in situ jest to, że pozwala on na badanie pojedynczego mięśnia, podczas gdy unerwienie i dopływ krwi są minimalnie zaburzone36. Zarówno w doświadczeniach in vitro, jak i in situ, leczenie farmakologiczne może być stosowane bardziej bezpośrednio, bez konieczności uwzględniania wpływu jakichkolwiek otaczających tkanek lub wpływu układu krążenia na mierzone reakcje skurczowe37. Jednak testy funkcjonalne in vivo, jak opisano w niniejszym dokumencie, są najmniej inwazyjną techniką oceny funkcji mięśni w ich naturalnym środowisku38 i mogą być wykonywane wielokrotnie w czasie (tj. podłużnie). W związku z tym będzie to centralny punkt poniższej dyskusji.
W tym względzie, przezskórne elektrody umieszczone w pobliżu interesującego mięśnia, lub nerwu ruchowego, który go obsługuje, dostarczają sygnał elektryczny do mięśnia. Następnie przetwornik mierzy wynikową długość lub zmiany siły w aktywowanym mięśniu zgodnie z wcześniej ustalonym, dostosowanym protokołem oprogramowania. Na podstawie tych danych można określić właściwości fizyczne mięśnia. Należą do nich siła-częstotliwość, maksymalny tężec, siła-prędkość, sztywność, długość, napięcie i zmęczenie. Długość lub siła mięśnia może być również utrzymywana na stałym poziomie, tak aby mięsień kurczył się izometrycznie lub izotonicznie. Co ważne, te protokoły eksperymentalne mogą być szybko wykonywane, łatwo powtarzane i dostosowywane - a wszystko to podczas znieczulenia zwierzęcia i z okresem rekonwalescencji trwającym od kilku godzin do dni. Pojedyncze zwierzę może być wielokrotnie poddawane testom siłowym in vivo, co umożliwia badania podłużne modeli chorób lub ocenę platform/technologii terapeutycznych.
Jak opisano tutaj, komercyjny system dźwigni mięśniowych w połączeniu z dwufazowym stymulatorem o dużej mocy jest używany do przeprowadzania in vivo testów funkcji mięśni w celu oceny wkładu mięśnia piszczelowego przedniego kończyny grzbietowej szczura w zgięcie grzbietowe stopy poprzez stymulację nerwu strzałkowego. Opracowaliśmy protokół, który został specjalnie zaprojektowany do oceny technologii medycyny regeneracyjnej/inżynierii tkankowej w celu naprawy mięśni po urazowym urazie VML mięśnia TA szczura. Należy zauważyć; EDL i HL muszą zostać wycięte z przedniego przedziału podudzi w celu specyficznej oceny mięśnia TA (stanowią one około 15-20% całkowitego momentu obrotowego piszczelowego przedniego mierzonego po stymulacji nerwu strzałkowego (Corona i wsp., 2013)). Ponieważ podejście to zapewnia kompleksową analizę podłużną fizjologii/funkcji mięśni, może rzucić ważne informacje mechanistyczne na wiele innych rodzajów badań fizjologicznych, a także na różne obszary chorobowe lub terapeutyczne39. Na przykład badania funkcji mięśni in vivo mają zastosowanie do badań nad fizjologią wysiłku fizycznego, badaniami nad niedokrwieniem/reperfuzją, miopatią, uszkodzeniem nerwów/neuropatią i waskulopatią, sarkopenią i dystrofiami mięśniowymi40.