RESEARCH
Peer reviewed scientific video journal
Video encyclopedia of advanced research methods
Visualizing science through experiment videos
EDUCATION
Video textbooks for undergraduate courses
Visual demonstrations of key scientific experiments
BUSINESS
Video textbooks for business education
OTHERS
Interactive video based quizzes for formative assessments
Products
RESEARCH
JoVE Journal
Peer reviewed scientific video journal
JoVE Encyclopedia of Experiments
Video encyclopedia of advanced research methods
EDUCATION
JoVE Core
Video textbooks for undergraduates
JoVE Science Education
Visual demonstrations of key scientific experiments
JoVE Lab Manual
Videos of experiments for undergraduate lab courses
BUSINESS
JoVE Business
Video textbooks for business education
Solutions
Language
pl_PL
Menu
Menu
Menu
Menu
A subscription to JoVE is required to view this content. Sign in or start your free trial.
Research Article
Emanuele Rizzuto1, Simona Pisu2, Carmine Nicoletti2, Zaccaria Del Prete1,3, Antonio Musarò2,3
1Department of Mechanical and Aerospace Engineering,Sapienza University of Rome, 2Institute Pasteur Cenci-Bolognetti, DAHFMO-Unit of Histology and Medical Embryology,Sapienza University of Rome, 3Center for Life Nano Science@Sapienza,Istituto Italiano di Tecnologia
Please note that some of the translations on this page are AI generated. Click here for the English version.
Erratum Notice
Important: There has been an erratum issued for this article. View Erratum Notice
Retraction Notice
The article Assisted Selection of Biomarkers by Linear Discriminant Analysis Effect Size (LEfSe) in Microbiome Data (10.3791/61715) has been retracted by the journal upon the authors' request due to a conflict regarding the data and methodology. View Retraction Notice
Ocena funkcjonalna połączenia nerwowo-mięśniowego (NMJ) może dostarczyć istotnych informacji na temat komunikacji między mięśniem a nerwem. W tym miejscu opisujemy protokół kompleksowej oceny zarówno NMJ, jak i funkcjonalności mięśni przy użyciu dwóch różnych preparatów mięśniowo-nerwowych, tj. płaszczkowato-kulszowego i przeponowo-przeponowego.
Funkcjonalność połączenia nerwowo-mięśniowego (NMJ) odgrywa kluczową rolę podczas badania chorób, w których komunikacja między neuronem ruchowym a mięśniami jest zaburzona, takich jak starzenie się i stwardnienie zanikowe boczne (ALS). Tutaj opisujemy protokół eksperymentalny, który można wykorzystać do pomiaru funkcjonalności NMJ poprzez połączenie dwóch rodzajów stymulacji elektrycznej: bezpośredniej stymulacji błony mięśniowej i stymulacji przez nerw. Porównanie reakcji mięśni na te dwie różne stymulacje może pomóc w zdefiniowaniu, na poziomie funkcjonalnym, potencjalnych zmian w NMJ, które prowadzą do funkcjonalnego pogorszenia stanu mięśni.
Ex vivo preparaty są odpowiednie do dobrze kontrolowanych badań. Tutaj opisujemy intensywny protokół pomiaru kilku parametrów funkcjonalności mięśni i NMJ dla przygotowania nerwu płaszczkowato-kulszowego oraz dla przygotowania nerwu przeponowo-przeponowego. Protokół trwa około 60 minut i jest prowadzony w sposób nieprzerwany za pomocą specjalnie przygotowanego oprogramowania, które mierzy właściwości kinetyki drgań, stosunek siły do częstotliwości zarówno dla stymulacji mięśni, jak i nerwów oraz dwa parametry specyficzne dla funkcjonalności NMJ, tj. awarię neurotransmisji i zmęczenie śródtężcowe. Metodologia ta została wykorzystana do wykrycia uszkodzeń w preparatach mięśniowo-nerwowych płaszczkowatych i przeponowych przy użyciu transgenicznej myszy SOD1G93A, eksperymentalnego modelu ALS, który wszechobecnie wykazuje nadekspresję zmutowanego enzymu przeciwutleniającego dysmutazy ponadtlenkowej 1 (SOD1).
Połączenie nerwowo-mięśniowe (NMJ) to synapsa chemiczna utworzona przez połączenie między motoryczną płytką końcową włókna mięśniowego a zakończeniem aksonu neuronu ruchowego. Wykazano, że NMJ odgrywa kluczową rolę, gdy komunikacja między mięśniami a nerwami jest upośledzona, jak ma to miejsce w starzeniu się lub stwardnieniu zanikowym bocznym (ALS). Ponieważ mięśnie i nerwy komunikują się w sposób dwukierunkowy1,2, możliwość pomiaru wad NMJ oddzielnie od wad mięśniowych może dostarczyć nowych informacji na temat ich fizjologicznych wzajemnych oddziaływań. Rzeczywiście, ta ocena funkcjonalna może pomóc w ocenie, czy zmiany morfologiczne lub biochemiczne zmniejszają funkcjonalność sygnalizacji neurotransmisyjnej.
Porównanie reakcji skurczowej mięśni wywołanej przez stymulację nerwów i reakcji tego samego mięśnia wywołanej bezpośrednią stymulacją jego błony zostało zaproponowane jako pośredni pomiar funkcjonalności NMJ. Rzeczywiście, ponieważ stymulacja błony omija sygnalizację neurotransmisyjną, wszelkie różnice w dwóch reakcjach skurczowych można przypisać zmianom w NMJ. To podejście zostało szeroko zaproponowane dla rats3,4,5,6,7, a także używane do zbierania informacji o modelach myszy8,9,10,11,12.
Tutaj szczegółowo opisujemy procedurę wycinania i testowania dwóch preparatów mięśniowo-nerwowych, tj. preparatów płaszczkowato-kulszowych i przeponowo-przeponowych. Korzystając z niestandardowego oprogramowania, zaprojektowaliśmy protokół ciągłego testowania, który łączy pomiar kilku parametrów charakteryzujących zarówno NMJ, jak i funkcjonalność mięśni, uzyskując w ten sposób kompleksową ocenę uszkodzenia NMJ oddzielnie od uszkodzenia mięśni. W szczególności protokół mierzy siłę skurczu, kinetykę mięśni, krzywą siła-częstotliwość dla stymulacji bezpośredniej i nerwowej, awarię neurotransmisji13 zarówno dla częstotliwości odpalania, jak i tężcowej, oraz zmęczenie śródtężcowe7.
Wszystkie eksperymenty na zwierzętach zostały zatwierdzone przez komisję etyczną Uniwersytetu Sapienza w Rzymie-Jednostki Histologii i Embriologii Medycznej i zostały przeprowadzone zgodnie z aktualną wersją włoskiej ustawy o ochronie zwierząt.
1. Konfiguracja eksperymentalna
2. Oceny właściwości kurczliwych mięśni płaszczkowatych i przepony NMJ


| Rodzaj eksperymentu | częstotliwość | czas trwania | Powtórzeń | Stymulacja mięśni lub nerwów | cel |
| (Hz) | (s) | ||||
| Twitch | Pojedynczy impuls | 1 | mięsień | Siła drgań i kinetyka | |
| odpoczynek | Rozdział 30 | ||||
| Twitch | Pojedynczy impuls | 1 | nerw | ||
| odpoczynek | Rozdział 30 | ||||
| Twitch | Pojedynczy impuls | 1 | mięsień | ||
| odpoczynek | Rozdział 30 | ||||
| Twitch | Pojedynczy impuls | 1 | nerw | ||
| odpoczynek | 120 | szt.||||
| Tężec niezrośnięty | Rozdział 40 | 0,8 | 1 | nerw | Krzywe siły/częstotliwości dla stymulacji nerwów i mięśni |
| odpoczynek | 180 | szt.||||
| Tężec niezrośnięty | 60 | Rozdział0,8 | 1 | mięsień | |
| odpoczynek | 180 | szt.||||
| Tężec zrośnięty | Rozdział 80 | 0,8 | 1 | nerw | |
| odpoczynek | 180 | szt.||||
| Tężec niezrośnięty | 20 | 0,8 | 1 | mięsień | |
| odpoczynek | 180 | szt.||||
| Tężec niezrośnięty | 60 | Rozdział0,8 | 1 | nerw | |
| odpoczynek | 180 | szt.||||
| Tężec zrośnięty | Rozdział 80 | 0,8 | 1 | mięsień | |
| odpoczynek | 180 | szt.||||
| Tężec niezrośnięty | 20 | 0,8 | 1 | nerw | |
| odpoczynek | 180 | szt.||||
| Tężec niezrośnięty | Rozdział 40 | 0,8 | 1 | mięsień | |
| odpoczynek | 300 | szt.||||
| Paradygmat zmęczenia | 35 | Rozdział0,8 | 1 stymulacja mięśni, a następnie 14 stymulacji nerwów z czasem odpoczynku 1,2 s każda, powtórzone 20 razy | Niewydolność neuroprzekaźnictwa (NF) | |
| odpoczynek | 900 | szt.||||
| Paradygmat zmęczenia | Rozdział 80 | 0,8 | 1 stymulacja mięśni, a następnie 14 stymulacji nerwów z czasem odpoczynku 1,2 s każda, powtórzone 20 razy | Niewydolność neuroprzekaźnictwa (NF) i zmęczenie śródtężcowe (IF) | |
Tabela 1 - Protokół stymulacji nerwu płaszczkowatego i kulszowego. W tabeli wymieniono sekwencję testów, które tworzą kompletny protokół badania preparatów nerwu płaszczkowato-kulszowego.
| Rodzaj eksperymentu | częstotliwość | czas trwania | Powtórzeń | Stymulacja mięśni lub nerwów | cel |
| (Hz) | (s) | ||||
| Twitch | Pojedynczy impuls | 1 | mięsień | Siła drgań i kinetyka | |
| odpoczynek | Rozdział 30 | ||||
| Twitch | Pojedynczy impuls | 1 | nerw | ||
| odpoczynek | Rozdział 30 | ||||
| Twitch | Pojedynczy impuls | 1 | mięsień | ||
| odpoczynek | Rozdział 30 | ||||
| Twitch | Pojedynczy impuls | 1 | nerw | ||
| odpoczynek | 120 | szt.||||
| Tężec niezrośnięty | 60 | Rozdział0,5 | 1 | nerw | Krzywe siły/częstotliwości dla stymulacji nerwów i mięśni |
| odpoczynek | 120 | szt.||||
| Tężec zrośnięty | 100 | szt.0,5 | 1 | mięsień | |
| odpoczynek | 180 | szt.||||
| Tężec niezrośnięty | Rozdział 40 | 0,5 | 1 | nerw | |
| odpoczynek | 120 | szt.||||
| Tężec niezrośnięty | 20 | 0,5 | 1 | mięsień | |
| odpoczynek | 120 | szt.||||
| Tężec niezrośnięty | Rozdział 80 | 0,5 | 1 | nerw | |
| odpoczynek | 150 | szt.||||
| Tężec niezrośnięty | Rozdział 80 | 0,5 | 1 | mięsień | |
| odpoczynek | 150 | szt.||||
| Tężec niezrośnięty | 20 | 0,5 | 1 | nerw | |
| odpoczynek | 120 | szt.||||
| Tężec zrośnięty | 100 | szt.0,5 | 1 | mięsień | |
| odpoczynek | 150 | szt.||||
| Tężec zrośnięty | 100 | szt.0,5 | 1 | nerw | |
| odpoczynek | 180 | szt.||||
| Tężec niezrośnięty | 60 | Rozdział0,5 | 1 | mięsień | |
| odpoczynek | 300 | szt.||||
| Paradygmat zmęczenia | 35 | Rozdział0,33 | pkt.1 stymulacja mięśni, a następnie 14 stymulacji nerwów z czasem odpoczynku 0,67 s każda, powtórzone 20 razy | Niewydolność neuroprzekaźnictwa (NF) | |
| odpoczynek | 900 | szt.||||
| Paradygmat zmęczenia | Rozdział 80 | 0,33 | pkt.1 stymulacja mięśni, a następnie 14 stymulacji nerwów z czasem odpoczynku 0,67 s każda, powtórzone 20 razy | Niewydolność neuroprzekaźnictwa (NF) i zmęczenie śródtężcowe (IF) | |
Tabela 2 - Protokół stymulacji nerwu przeponowo-przeponowego. W tabeli przedstawiono sekwencję testów, które składają się na kompletny protokół badania preparatów nerwu przeponowo-przeponowego.
3. Analiza danych
UWAGA: Na końcu protokołu oblicz wszystkie żądane parametry w następujący sposób.


4. Analiza statystyczna
UWAGA: Modele analizy statystycznej muszą być wybrane w zależności od tego, czy reakcja mięśni na stymulację nerwów i błon jest porównywana w obrębie tego samego modelu zwierzęcego, czy między 2 różnymi modelami zwierzęcymi18,19.
Opisany przez nas protokół dostarcza informacji na temat funkcjonalnego odnerwienia w kilku chorobach nerwowo-mięśniowych lub sarkopenii starzenia. Protokół ten można wykorzystać do określenia, czy (a jeśli tak, to na jakim poziomie) zmiany w mięśniach są spowodowane selektywnymi zmianami zachodzącymi w samym mięśniu lub w przekaźnictwie nerwowo-mięśniowym. Poniższe dane są wynikami wcześniejszych prac naszej grupy18, przeprowadzonych na transgenicznym mysim modelu stwardnienia zanikowego bocznego SOD1G93A w końcowym stadium choroby20. Transgeniczna mysz SOD1G93A wszechobecnie wykazuje nadekspresję zmutowanego enzymu przeciwutleniającego dysmutazy ponadtlenkowej 1 (SOD1). Ryciny 3 i 4 pokazują wartości dF/dt i siły tężcowej dla preparatów nerwu płaszczkowato-kulszowego (po lewej) i dla preparatów nerwu przeponowo-przeponowego (po prawej). Wyniki te pokazują zdolność proponowanej tutaj techniki do wykrywania funkcjonalnych defektów w mięśniach transgenicznych, które są związane z NMJ, w przeciwieństwie do tych ściśle związanych z samym mięśniem. Rzeczywiście, zarówno w przypadku siły dF/dt, jak i tężcowej, mięśnie płaszczkowate SOD1G93A wykazywały zmniejszoną reakcję skurczową w porównaniu z mięśniem kontrolnym, gdy były stymulowane bezpośrednio, i wykazywały dalszą redukcję, gdy były stymulowane przez nerw. W przeciwieństwie do tego, łagodne zmiany zaobserwowano w tych dwóch parametrach, gdy paski mięśni przepony były stymulowane przez błonę, podczas gdy znaczące zmiany wykryto, gdy mięsień przepony był stymulowany przez nerw.

Rysunek 3 - Kinetyka kurczliwości. Średnia ± SEM dF/dt dla preparatów mięśniowatego płaszczkowatego (A) i diafragmy (B). Próbki płaszczkowate wykazywały znaczne spowolnienie przy bezpośredniej stymulacji (-27%) i dalszy spadek po stymulacji przez nerw (-58%). Próbki przepony wykazywały spowolnienie tylko wtedy, gdy były stymulowane przez nerw (-30%). Na podstawie Rizzuto et al. 18. Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.

Rysunek 4 - Siła tężcowa. Średnia ± SEM tężcowej siły właściwej dla preparatów płaszczkowatego (A) i membrany (B). Próbki płaszczkowate wykazywały znaczne spowolnienie przy bezpośredniej stymulacji (-26%) i dalszy spadek po stymulacji przez nerw (-50%). Próbki przepony wykazywały zmniejszenie siły tylko wtedy, gdy były stymulowane przez nerw (-44%). Na podstawie Rizzuto et al. 18. Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.
Ocena zmęczenia śródtężcowego i niewydolności neurotransmisji pozwoliła na zmierzenie parametrów specyficznych dla NMJ. Rysunek 5 pokazuje średnie wartości zmęczenia śródtężcowego (IF) mierzone podczas paradygmatu zmęczenia tężcowego dla mięśni płaszczkowatych (Rysunek 5A) i pasków przepony (Rysunek 5B). Jak podano w sekcji Protokół, zastosowany przez nas paradygmat zmęczenia został opracowany w taki sposób, aby obciążać NMJ, ale nie mięsień. W rezultacie, IF mierzony dla bezpośredniej stymulacji mięśni nigdy nie został zmieniony. Rzeczywiście, IF obliczony dla stymulacji nerwów jest parametrem, który należy wziąć pod uwagę przy porównaniach między różnymi szczepami myszy. Nasze wyniki pokazują, że IF był znacznie niższy zarówno w transgenicznych mięśniach płaszczkowatych, jak i przeponowych niż w odpowiednikach kontrolnych. Różnica ta była większa w przeponie, w której wykryto niewielki ubytek mięśniowy, a mniejsza w płaszczkowatej, w której zmierzono już znaczne uszkodzenie mięśni. Należy pamiętać, że ponieważ transgeniczny mięsień płaszczkowaty został znacznie uszkodzony, ocena NMJ była prawidłowa tylko dla maksymalnie 8 minut stymulacji, czyli czasu potrzebnego mięśniom transgenicznym na zwrócenie zerowej wartości siły podczas stymulacji. Wartości IF mięśnia płaszczkowatego transgenicznego po 8 minutach stymulacji w zasadzie wyrażają hałas.

Rysunek 5 - Zmęczenie śródtężcowe. Śródtężcowe zmęczenie mięśni płaszczkowatych (A) i przepony (B) wykazało znaczny spadek transgenicznej funkcjonalności NMJ. Wartości są średnie ± SEM. Na podstawie Rizzuto et al. 18. Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.
Rysunek 6 pokazuje awarię neurotransmisji przy częstotliwości tężcowej mierzonej w próbkach płaszczkowatego (Rysunek 6A) i przepony (Rysunek 6B). Zgodnie z wynikami IF, nie stwierdzono defektu przekaźnictwa nerwowego w mięśniu płaszczkowatym, podczas gdy próbki mięśni przepony wykazywały znaczny wzrost męczliwości połączeń nerwowo-mięśniowych.

Rysunek 6 - Awaria neurotransmisji. Niewydolność neuroprzekaźnictwa nie wykazywała żadnych zmian w mięśniach płaszczkowatych (A), natomiast podkreślała znaczny spadek funkcjonalności NMJ w transgenicznych paskach przepony (B). Wartości są średnie ± SEM. Na podstawie Rizzuto et al. 18. Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.
Autorzy nie mają nic do ujawnienia.
Ocena funkcjonalna połączenia nerwowo-mięśniowego (NMJ) może dostarczyć istotnych informacji na temat komunikacji między mięśniem a nerwem. W tym miejscu opisujemy protokół kompleksowej oceny zarówno NMJ, jak i funkcjonalności mięśni przy użyciu dwóch różnych preparatów mięśniowo-nerwowych, tj. płaszczkowato-kulszowego i przeponowo-przeponowego.
Praca w laboratorium autorów była wspierana przez Fondazione Roma i Telethon (grant nr. GGP14066).
| System dźwigni dwutrybowych | Aurora Scientific Inc. | Siłownik/przetwornik | 300B |
| Stymulator dwufazowy dużej mocy | Aurora Scientific Inc. | 701B | Stymulator impulsów (nerw) |
| Stymulator dwufazowy o dużej mocy | Aurora Scientific Inc. | Stymulator impulsów701C | (mięsień) |
| Aparat mięśniowy in vitro | Aurora Scientific Inc. | 800A Przygotowawcza | |
| kąpiel tkankowa | Radnoti | 158400 | |
| Monopolarna elektroda ssąca | A-M Systems | 573000 | z domowym odniesieniem |
| Oscyloskop | Tektronix | TDS2014 | |
| Stereomikroskop | Nikon | SMZ 800 | |
| Oświetlacz zimnego światła | Photonic Optics | PL 3000 | |
| Płytka akwizycyjna | National Instruments | NI PCIe-6353 | |
| Blok złączy | National Instruments | NI 2110 | |
| Komputer osobisty | AMD Phenom II x4 970 | Procesor 3,50 Ghz z oprogramowaniem Windows 7 | |
| LabView 2012 | National Instruments | ||
| Krebs-Ringer Wodorowęglan Bufor | Sigma-Aldrich | K4002 | bufor fizjologiczny |
| Wodorowęglan sodu | Sigma-Aldrich | S5761 | |
| Chlorek wapnia CaCl2 | Sigma-Aldrich | C4901 | bezwodny, proszek, ≥ 97% |
| Bufor HEPES | Sigma-Aldrich | H3375 | ≥ 99,5% (miareczkowanie) |
| Naczynia 60mm x 15mm | Falcon | 353004 | Polistyren |
| Silikon | Sylgard | 184 Silikon | Zestaw elastomerów 0,5 kg. |
| Termostat | Dennerle | DigitalDuomat 1200 | |
| Pompa | Newa Mini | MN 606 | do akwarium |
| Odporność na ciepło Thermocable | Lucky Reptile | 61403-1 | 50/60Hz 50W |
| Wiadro | dowolne 10 litrów | Polipropylen | |
| O2 + 5%CO2 | siad | Mix gas | |
| #5 Kleszcze | Fine Science Tools | 11252-20 | 2 items |
| Nożyczki sprężynowe - ostrza 8 mm | Fine Science Tools | 15024-10 | wycinanie nerwów |
| Ostre nożyczki | Narzędzia naukowe | 14059-11 | usuwanie mięśni |
| Delikatne nożyczki | Wagner | 02.06.32 | zewnętrzna |
| rękojeść skalpela studenckiego #3 | Narzędzia do nauki pięknej | 91003-12 | |
| Ostrza skalpela #10 | Narzędzia do nauki pięknej | 10010-00 | |
| Ostrza skalpela #11 | Narzędzia do nauki pięknej | 10011-00 | |
| drut nylonowy i Oslash; 0,16 mm | dowolna |