Obecny protokół opisuje unikalną technikę zwaną treningiem oporowym dostosowanym do dawki (DART), która może być włączona do precyzyjnych badań rehabilitacyjnych przeprowadzanych na małych zwierzętach, takich jak myszy.
Subskrypcja JoVE jest wymagana do oglądania tego materiału. Zaloguj się lub rozpocznij bezpłatny okres próbny.
Artykuł metodologiczny
Obecny protokół opisuje unikalną technikę zwaną treningiem oporowym dostosowanym do dawki (DART), która może być włączona do precyzyjnych badań rehabilitacyjnych przeprowadzanych na małych zwierzętach, takich jak myszy.
Progresywny trening oporowy (PRT), który polega na wykonywaniu skurczów mięśni przy coraz większych obciążeniach zewnętrznych, może zwiększyć masę mięśniową i siłę u zdrowych osób i w populacjach pacjentów. W badaniach przedklinicznych na małych i dużych modelach zwierzęcych istnieje zapotrzebowanie na precyzyjne narzędzia rehabilitacyjne w celu przetestowania bezpieczeństwa i skuteczności PRT w utrzymaniu i/lub odbudowie masy i siły mięśniowej. Metodologia i urządzenie PRT opisane w tym artykule mogą być używane do wykonywania treningu oporowego dostosowanego do dawki (DART). Urządzenie DART może być używane jako samodzielny dynamometr do obiektywnej oceny koncentrycznego momentu kurczliwego generowanego przez zginacze grzbietowe kostki u myszy lub może być dodane do istniejącego wcześniej systemu dynamometrii izokinetycznej. Urządzenie DART można wyprodukować za pomocą standardowej drukarki 3D w oparciu o instrukcje i pliki do druku 3D o otwartym kodzie źródłowym dostarczone w tej pracy. W artykule opisano również przebieg pracy w badaniu mającym na celu porównanie uszkodzeń mięśni wywołanych skurczem spowodowanych pojedynczym atakiem DART z uszkodzeniem mięśni spowodowanym porównywalnym atakiem skurczów izometrycznych (ISOM) w mysim modelu dystrofii mięśniowej obręczowo-kończynowej typu 2B / R2 (myszy BLAJ). Dane z ośmiu myszy BLAJ (po cztery zwierzęta na każdy stan) sugerują, że mniej niż 10% mięśnia piszczelowego przedniego (TA) zostało uszkodzone w wyniku pojedynczego ataku DART lub ISOM, przy czym DART jest mniej szkodliwy niż ISOM.
Ćwiczenia przynoszą liczne korzyści zdrowotne mięśniom szkieletowym (recenzowane w Vina et al.1). W szczególności progresywny trening oporowy (PRT), który polega na wykonywaniu skurczów mięśni przy coraz większych obciążeniach zewnętrznych (np. sztangach, hantlach, obwodach liny-bloczka-ciężar), jest znany z tego, że pomaga zwiększyć masę i siłę mięśniową zarówno u osób zdrowych, jak i w populacjach pacjentów (recenzowane w poprzednich publikacjach2,3). PRT opiera się na zasadzie przeciążenia, która mówi, że gdy mięsień kurczy się pod wpływem coraz większych obciążeń zewnętrznych, dostosowuje się, zwiększając swoje fizjologiczne pole przekroju poprzecznego, a także zdolność wytwarzania siły4. Istniejące modele PRT u gryzoni obejmują wspinanie się po drabinie z oporem stawianym ogonowi, współskurcz mięśni agonistycznych przeciwko oporowi ze strony antagonistów, bieganie z uprzężą z obciążeniem, ćwiczenie przysiadu wywołane porażeniem prądem elektrycznym oraz oporne bieganie po kołach5,6,7,8,9,10 (recenzowane w poprzednich publikacjach11,12). Jednak obecnie nie ma narzędzi badawczych do wykonywania precyzyjnie ukierunkowanego, dostosowanego dawki PRT u myszy, które bardzo przypominałyby metody i urządzenia PRT stosowane w badaniach klinicznych i praktyce klinicznej na ludziach12,13. Ogranicza to zdolność badaczy do badania bezpieczeństwa i skuteczności precyzyjnie dozowanego PRT w podstawowych i przedklinicznych badaniach na myszach.
Aby pokonać tę barierę, w tym badaniu opracowano metodologię i urządzenie PRT oparte na projektach obwodów, bloczka i ciężarka stosowanych w sprzęcie do treningu oporowego w nowoczesnych salach gimnastycznych14,15,16. Ta metoda PRT jest określana jako trening oporowy z dostosowaną dawką (DART), a urządzenie nazywa się urządzeniem DART. Oprócz swojej funkcjonalności jako precyzyjne narzędzie do treningu rehabilitacji, urządzenie DART może być również używane jako samodzielny instrument do obiektywnej oceny maksymalnego koncentrycznego momentu skurczowego, który może być generowany przez mięsień piszczelowy przedni (TA) u myszy, podobnie jak maksymalne jedno powtórzenie (1RM, maksymalne obciążenie, które można z powodzeniem podnieść/przenieść/przycisnąć/przykucnąć tylko jeden raz przy zachowaniu dobrej formy) jest oceniane u ludzi17,18. Urządzenie DART może być również połączone z specjalnie skonstruowanym lub komercyjnym dynamometrem izokinetycznym, aby zmierzyć szczytową izometryczną siłę tężcową wytwarzaną przez mięsień TA u myszy (porównywalną do maksymalnego dobrowolnego skurczu [MVC] u ludzi), a następnie wykonać PRT z dostosowaną dawką z oporem opartym na szczytowej sile tężcowej (np. 50% siły szczytowej).
Ten artykuł opisuje budowę urządzenia DART i wyjaśnia, jak można je połączyć z specjalnie zbudowanym dynamometrem, który został opisany w poprzednich publikacjach19,20,21,22, aby ocenić moment skurczu i wykonać DART. W badaniu opisano również, w jaki sposób urządzenie DART zostało wykorzystane do porównania uszkodzeń mięśni wywołanych wysiłkiem fizycznym spowodowanych pojedynczym atakiem DART (4 serie po 10 koncentrycznie odchylonych skurczów z 50% 1RM) z uszkodzeniami spowodowanymi przez porównywalny atak skurczów izometrycznych (4 zestawy po 10 skurczów izometrycznych) w mysim modelu dystrofii mięśniowej kończynowo-obręczowej typu 2B (LGMD2B, lub LGMDR2)23,24. Badawany model myszy nie zawiera białka zwanego dysferliną, które odgrywa ważną rolę w ochronie mięśni szkieletowych przed uszkodzeniem mięśni o opóźnionym początku w wyniku szkodliwych skurczów ekscentrycznych22,25,26,27,28,29,30. Wykazano również na samcach myszy z niedoborem dysferliny, że wymuszone ćwiczenia z koncentrycznie stronniczymi nie są tak szkodliwe, jak ćwiczenia wymuszone z ekscentrycznie stronniczymi i że wcześniejsza ekspozycja na trening z koncentrycznie stronniczym treningiem zapewnia ochronę przed urazami spowodowanymi kolejnym atakiem ekscentrycznie stronniczych skurczów22. Ponieważ obecne badanie zostało przeprowadzone w celu sprawdzenia wykonalności obecnej metodologii i urządzenia DART w wykonywaniu dostosowanego do dawki, koncentrycznie stronniczego treningu oporowego, do badania wybrano samce myszy z niedoborem dysferliny, aby porównać nowe dane z urządzenia DART z poprzednimi danymi. W przyszłych badaniach samice myszy BLAJ zostaną włączone do badania wpływu płci jako zmiennej biologicznej w odniesieniu do odpowiedzi na DART. Myszy, które miały ~1,5 roku, były badane, ponieważ mają już zmiany dystroficzne w wielu grupach mięśniowych, a zatem modelują stan patofizjologiczny, w którym mogą znajdować się mięśnie u pacjentów, którzy już mają osłabienie i zanik mięśni i szukają opieki rehabilitacyjnej w celu utrzymania masy mięśniowej i siły26.
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
Eksperymenty opisane w tym artykule zostały zatwierdzone przez Instytucjonalny Komitet ds. Opieki i Użytkowania Zwierząt (IACUC) na Wayne State University, Detroit, Michigan, USA, zgodnie z Przewodnikiem dla Opieki i Użytkowania Zwierząt Laboratoryjnych (1996, opublikowany przez National Academy Press, 2101 Constitution Ave. NW, Washington, DC 20055, USA). Klasa B6. Myszy A-Dysf prmd/GeneJ (znane również jako myszy BLAJ, samce, ~1,5 roku) o modelu LGMD2B/R2 zostały użyte w niniejszym badaniu. Myszy uzyskano ze źródła komercyjnego (patrz tabela materiałów).
1. Projekt badania
2. Produkcja urządzenia DART
3. Przygotowanie myszy do DART lub ISOM
4. Szkolenie DART lub ISOM
5. Opieka pozabiegowa nad myszami
6. Pobieranie tkanek
7. Badania histologiczne tkanki mięśniowej
8. Analizy statystyczne
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
Badaniu poddano samce myszy szczepu BLAJ w wieku około 1,5 roku. Myszy BLAJ stanowią model ludzkiej choroby mięśni LGMD2B/R2. Myszy te są szczególnie podatne na opóźnione wystąpienie uszkodzeń mięśni po pojedynczej serii ekscentrycznych skurczów mięśni22,29. Dlatego też do tych badań wybrano myszy BLAJ, aby sprawdzić, czy DART można przeprowadzić w sposób niepowodujący urazów poprzez precyzyjną regulację oporu, przeciwko któremu mięsień TA musi pracować w sposób ...
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
W tym artykule przedstawiono instrukcje krok po kroku, jak skonstruować urządzenie do wykonywania rodzaju precyzyjnego treningu rehabilitacyjnego zwanego treningiem oporowym z dostosowaną dawką (DART). W pracy opisano również zastosowanie urządzenia i metodologii DART w badaniu treningowym w celu porównania uszkodzenia mięśni 3 dni po pojedynczym ataku DART (grupa DART) z uszkodzeniem 3 dni po porównywalnym treningu izometrycznym (grupa ISOM).
Krytycznymi etapami protokołu są prawidłowa konstr...
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
Autorzy nie mają konkurencyjnych interesów finansowych.
To badanie zostało sfinansowane z grantów od Jain Foundation Inc., R03HD091648 z NICHD, Pilotażowego Grantu od AR3T w ramach NIH P2CHD086843, Nagrody FRAP od EACPHS na Wayne State University, Faculty Startup Package z Wayne State University, oraz podwykonawstwa od 1R01AR079884-01 (Peter L. Jones PI) dla JAR. Badanie to zostało również sfinansowane z grantu badawczego American Physical Therapy Association - Michigan (APTA-MI) dla JMB, MEP i JAR. Autorzy dziękują dr Renuce Roche (profesor nadzwyczajny, Eastern Michigan University, MI) za krytyczną lekturę manuskryptu i przekazanie informacji zwrotnych. Autorzy dziękują panu Anselmowi D. Motha za porady dotyczące druku 3D. Autorzy dziękują pacjentom z dysferlinopatią, którzy podzielili się swoimi historiami na stronie internetowej Fundacji Jain na https://www.jain-foundation.org/patient-physician-resources/patient-stories, w szczególności ich doświadczeniami z ćwiczeniami.
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
| Nazwa | Firma | Numer katalogowy | Komentarze |
|---|---|---|---|
| Ceramiczne łożysko kulkowe AnMiao Star 608 | Anmiao Star (Nie dotyczy / A) | AMS127 | Łożysko koła o wysokiej precyzji i niskim współczynniku tarcia. Jeśli marka i model nie są dostępne na rynku, alternatywna wersja łożyska koła 608 o niskim współczynniku tarcia, średnica otworu 8 mm, Średnica zewnętrzna 22 mm, z kulkami ceramicznymi z azotku krzemu w obudowie ze stali nierdzewnej 420 powinna wystarczyć. Nadmierne tarcie w łożysku koła wpłynie niekorzystnie na działanie urządzenia DART i zwiększy ogólną odporność na skurcze mięśni. |
| Mikroskop Axio Scope.A1 | Carl Zeiss (Peabody, MA) | Zakres #Axio produktu.A1 | Mikroskop świetlny i fluorescencyjny |
| B6. A-Dysfprmd/GeneJ (a.k.a. myszy BLAJ) | Laboratorium Jacksona (Bar Harbor, ME). Specjalna kolonia utrzymywana przez The Jain Foundation Inc. dla współpracowników, którzy badają dysferlinę. | Stock #012767 | Myszy z niedoborem dysferliny, które modelują dystrofię mięśniową obręczy kończyn człowieka typu 2B / R2. |
| Dwubiegunowa, przezskórna, elektroda do stymulacji elektrycznej nerwowo-mięśniowej (NMES) | Aparat Harvarda, Holliston, MA | BS4 50– 6824 | Elektroda do NMES. Jeśli ta elektroda nie jest dostępna na rynku, skontaktuj się z autorem korespondencyjnym w celu uzyskania alternatyw. |
| Naczynie barwiące Coplin | ThermoFisher (Waltham, MA) | Numer katalogowy S17495 | Naczynie barwiące do hematoksyliny i eozyny (H& E) barwienie przekrojów |
| Cura 4.4.1. Software | Ultimaker, Utrecht, Holandia | Ultimaker Cura 4.4.1. | Oprogramowanie do krojenia do konwersji plików stereolitografii na pliki G-CODE |
| Poduszka grzewcza w żelu izotermicznym Deltaphase | Braintree Scientific (Braintree, MA) | Pozycja #39DP | Poduszka grzewcza zapewniająca wsparcie termiczne zwierzętom pod narkozą |
| Eosin Y | Millipore Sigma (Burlington, MA) | HT110132-1L | Różowa plama cytoplazmatyczna |
| Gorilla Super Glue | The Gorilla Glue Company (Cincinnati, OH) | Gorilla Super Glue Micro Precyzyjny | klej cyjanoakrylowy do łączenia elementów PLA |
| Roztwór hematoksyliny, Gill No.3 | Millipore Sigma (Burlington, MA) | GHS332-1L | Ciemnoniebieski barwnik do jąder |
| HM525NX kriostatu | ThermoFisher (Waltham, MA) | Katalog #HM525NX | Kriostat do wytwarzania zamrożonych odcinków chusteczek laboratoryjnych do mięśni. |
| Kimberly-Clark Professional Kimtech Science Kimwipes Delikatne wycieraczki do kół, 1-warstwowe | ThermoFisher (Waltham, MA) | Numer katalogowy 06-666. Producent #34120 | Chusteczki laboratoryjne do osuszania oleju mineralnego z tkanki mięśniowej przed zamrożeniem i do innych celów. |
| Labview 2014 | National Instruments, Austin, Teksas, USA | Labview 2014 | Oprogramowanie do niestandardowych programów/procedur, które obsługują dynamometr i uruchamiają stymulator NMES. |
| Termosy Dewara HDPE z ciekłym azotem | ThermoFisher (Waltham, MA) | S34074B. Thermo Scientific 41502000/EMD | Kolba do przechowywania ciekłego azotu do szybkiego zamrażania mięśni lub innych tkanek |
| Magiczny krem do depilacji | Softsheen Carson (Nowy Jork, NY) | Nie dotyczy | kremu do depilacji bez brzytwy |
| Metalowy klips krokodylkowy | JINSHANGTOPK (biznes internetowy) | 24 sztuk 51mm Metalowy zacisk sprężynowy z zaciskiem krokodylkowym | Zacisk sprężynowy do przytrzymywania sworznia piszczelowego |
| Prowadnice Micrscope | Globe Scientific (Mahwah, NJ) | 1354W. Diamentowe szkiełka z białego szkła | Naładowane szkiełka mikroskopowe |
| Olej mineralny | ThermoFisher (Waltham, MA) | BP26291 | Olej mineralny do krioochrony tkanki mięśniowej przed zatrzaskowym zamrożeniem |
| Monoprice Premium Filament do drukarki 3D PLA | Monoprice (Rancho Cucamonga, CA) | #11778 | Premium Filament do drukarki 3D PLA 1,75mm 1 kg/szpula, szary. Jest to materiał używany do drukowania elementów urządzeń w 3D. |
| Drukarka 3D Monoprice Select Mini V2 | Monoprice (Rancho Cucamonga, CA) | Drukarka 3D 3D Mini V2 | do komputerowego wspomagania wytwarzania elementów urządzeń. |
| Oprogramowanie do obrazowania NIH | National Instritues of Health (NIH, Bethesda, MD) | Obraz NIH dla systemu Windows | Oprogramowanie do przetwarzania i analizy obrazów używane do ilościowego określania obszaru uszkodzenia mięśni. Obraz NIH jest również znany jako obraz J. |
| Photoshop CS4 | Adobe (San Jose, Kalifornia) | Pakiet Creative Suite (CS4). Wersja 64-bitowa dla systemu Windows | Oprogramowanie do przetwarzania i analizy obrazów służące do generowania kafelkowych/szytych obrazów całego przekroju mięśniowego na podstawie obrazów poszczególnych nakładających się pól |
| Jednostka izolacyjna stymulacji PSIU6 | Grass Instruments (West Warwick, RI) | Jednostka | izolacyjna PSIU6Jednostka izolacyjna dla NMES. Stymulatory, takie jak model 4100 firmy AM, są dostarczane z wbudowaną jednostką izolacyjną |
| Roboz 4-0 jedwabny pleciony materiał do szwów | Roboz Surgical (Gaithersburg, MD) | Roboz Surgical SUT152 | Materiał do łączenia podstawy urządzenia DART z podstawą dynamometru lub oporem do treningu oporowego |
| S48 kwadratowy stymulator impulsów | Grass Instruments (West Warwick, RI) | Stymulator | S48Laboratoryjny stymulator elektryczny do NMES . Jeśli ten stymulator nie jest dostępny na rynku, alternatywą może być izolowany stymulator dużej mocy model 4100 firmy AM. Aby uzyskać więcej informacji, skontaktuj się ze współautorem Jonesem. |
| Scotta' s odczynnik do niebieszczenia | Ricca Chemical Company (Arlington, TX) | 6697-32 | Roztwór do niebieszczenia, który intensyfikuje barwienie jądrowe hematoksyliny |
| SigmaStat wersja 3.5 | Systat Software (San Jose, CA) | SigmaStat wersja 3.5 | Pakiet oprogramowania statystycznego do analiz statystycznych |
| Waporyzator izoflawanu | VetEquip (Livermore, CA) | Pozycja #901801 | Wziewny system |
| znieczulenia stołowegoMaść pierwszej pomocy z potrójnym antybiotykiem Global | Health Products (biznes z siedzibą w małżeństwie) | Maść pierwszej pomocy Globe Triple Antibiotic, 1 uncja (2 sztuki) Maść antybiotykowa pierwszej pomocy | Maść antybiotykowa nakładana na sworzeń piszczelowy w ramach opieki pozabiegowej |
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.