Artigo de método

Aplicação da estimulação crônica para estudar ratos induzida pela atividade contrátil adaptações fenotípica de músculo esquelético

DOI:

10.3791/56827

⸱

25 de janeiro de 2018

 ,  , 
1Muscle Health Research Centre, York University, 2School of Kinesiology and Health Science, York University, 3National Heart, Lung, and Blood Institute, National Institutes of Health

Neste artigo

Resumo

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Este protocolo descreve o uso do modelo de atividade contrátil crônica de exercício para observar adaptações do músculo esquelético induzida por estimulação no membro posterior de ratos.

Resumo

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Músculo esquelético é um tecido altamente adaptável, conforme suas propriedades bioquímicas e fisiológicas são grandemente alteradas em resposta ao exercício crônico. Para investigar os mecanismos subjacentes que trazer várias adaptações musculares, um número de protocolos de exercícios como esteira, corrida de rodas e natação exercício têm sido utilizado nos estudos animais. No entanto, estes exercem modelos requerem um longo período de tempo para alcançar as adaptações musculares, que podem também ser reguladas por fatores humorais ou neurológicas, limitando assim suas aplicações em estudar as adaptações induzida pela contração do músculo específico. Estimulação indireta de baixa frequência (10 Hz) para induzir a atividade contrátil crônica (CCA) tem sido utilizada como um modelo alternativo para o exercício de treinamento, como com êxito pode levar a adaptações mitocondrial muscular dentro de 7 dias, independentes de fatores sistêmicos. Este documento detalha as técnicas cirúrgicas necessárias para aplicar o tratamento de CCA para o músculo esquelético de ratos, para estudos de aplicação generalizada no futuro.

Introdução

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Músculo esquelético pode adaptar-se para exercer a formação através de mudanças na sua Bioenergética e estrutura física1. Dentre as principais alterações provocadas pelo treinamento de resistência é a biogênese mitocondrial, o que pode ser avaliada por um aumento na expressão de componentes mitocondriais (por exemplo, subunidades de c oxidase [COX] citocromo), bem como a expressão de o coactivator transcriptional, PGC-1 α2. Um número crescente de estudos têm indicado que inúmeros outros fatores, incluindo volume mitocondrial e mitophagy, também são importantes para as adaptações musculares. No entanto, os mecanismos pelo qual o exercício agudo ou crônico regulam estes processos no músculo esquelético não são ainda claras.

Para delinear as vias que regulam as adaptações musculares induzidas pelo exercício, vários modelos de exercício têm sido comumente utilizados em estudos de roedores, incluindo esteira, rodando a roda e exercício de natação. No entanto, estes protocolos têm algumas limitações, em que ~ 4-12 semanas são necessárias para observar essas alterações fenotípicas3,4,5. Como uma alternativa do método experimental, baixa frequência induzida por estimulação crônica atividade contrátil (CCA) tem sido efetivamente utilizada, pode levar a adaptações do músculo em um período substancialmente mais curto (ou seja, até 7 dias) e seus efeitos parecem ser comparável, ou até mesmo maior do que outros protocolos de exercício. Além disso, a presença de hormonais6, temperatura7e efeitos neurológicos8 pode dificultar a entender as respostas específicas do músculo ao exercício crônico. Por exemplo, o hormônio tireoidiano9,10 e fator de crescimento semelhante à insulina (IGF) -111 foram identificadas para mediar adaptações musculares induzidas pelo treinamento, que também podem regular outras vias de sinalização em esquelética muscular. Notavelmente, induzida pela CCA efeitos minimamente são regulados por fatores sistêmicos, permitindo que o foco para ser colocado sobre a resposta direta a atividade contrátil do músculo esquelético.

Unidade externa para CCA foi introduzido pela primeira vez por Tyler e Wright12e foi desenvolvida com modificações12. Em suma, a unidade é composta por três partes principais: um detector de infravermelho que pode ser ligado e desligada pela exposição à luz infravermelha, um gerador de pulso e um indicador de pulso (Figura 1). O projeto de circuito detalhado da unidade estimulador tem sido descrito anteriormente13. As características detalhadas e específicas de CCA podem ser encontradas em maiores profundidade em um número de revisão artigos14,15,16,17. Em breve, o protocolo de estimulação é projetado para ativar o nervo fibular comum em baixa frequência (ou seja, 10 Hz), e os músculos inervados (tibial anterior [TA] e músculo extensor dos dedos longus [EDI]) são obrigados a contratar para um comprimento pré-determinado de tempo (por exemplo, 3-6 h). Ao longo do tempo, esta desloca os músculos acima mencionados para um fenótipo mais aeróbico, demonstrado pelo aumento na densidade capilar18 e conteúdo mitocondrial19,20,21. Assim, esse método é um modelo comprovado para imitar alguns das adaptações de treinamento de grande resistência no músculo esquelético de ratos.

Este trabalho apresenta um procedimento detalhado da cirurgia de implante de eletrodo para induzir o CCA para que os pesquisadores podem aplicar este modelo em seus estudos de exercício. CCA é um excelente modelo para estudar o curso de tempo das adaptações musculares, proporcionando assim uma ferramenta eficaz para a investigação de vários eventos moleculares e sinalização em ambos os pontos de tempo de início e, mais tarde, após o início do exercício.

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Protocolo

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Todos os procedimentos com animais foram revistos e aprovados pela York University Animal conta Comissão. À chegada à instalação de animal na Universidade de York, todos os ratos receberam um mínimo de cinco dias se adapte ao seu ambiente antes do procedimento cirúrgico, com alimentos fornecidos ad libitum. Embora este protocolo tem sido anteriormente aplicado a outras espécies15,17,22, o papel atual baseia-se o trabalho pioneiro de Pette e colegas23 e incide sobre o modelo de rato, especificamente.

1. preparação da unidade de atividade contrátil crônica

  1. Usando um voltímetro, verifica o potencial das baterias de lítio de moeda.
    Nota: O potencial de cada bateria deve ser de 3,0 ± 0,10 V.
  2. Insira duas ou três baterias no slot da unidade para que o potencial total é de 6-9 V.
    Nota: É o critério dos pesquisadores a considerar quanto potencial (6 ou 9 V) para manter durante o procedimento todo experimental. Dependendo do projeto de estudo e a intensidade desejada do estímulo, ou 2 ou 3 baterias podem ser usadas.
  3. Verificar se a unidade está funcionando corretamente através do indicador de pulso, por sujeitar o aparelho a 1 pulso emitido por uma luz de estroboscópio portátil infravermelha.

2. cirurgia da atividade contrátil crônica

Nota: É necessário esterilize todos os instrumentos cirúrgicos antes do procedimento cirúrgico. Durante e imediatamente após a cirurgia, a temperatura do corpo dos ratos é mantida por uma almofada de aquecimento. É desejável para realizar o procedimento cirúrgico em um pano cirúrgico. O cirurgião deve usar luvas cirúrgicas estéreis, bem como um jaleco limpo. Se necessário, é recomendável usar uma máscara respirador descartável.

  1. ANESTHETIZE ratos abaixo de 1-3% isoflurano inalação com oxigênio, que é operado por um sistema de evaporação de gás. Confirme o animal está totalmente sedada, verificando a pitada de dedo do pé do membro posterior e observando o ritmo e profundidade respiratória. Aplique lubrificante ocular nos olhos para evitar ressecamento. Aplica uma injeção subcutânea de Meloxicam (0,5 mg/mL) em 2 mg/kg.
    Nota: Também é recomendável ter uma aplicação multimodal de analgesia (por exemplo, Meloxicam mais lidocaína) para minimizar a dor durante e após a cirurgia.
  2. Delicadamente raspe o membro posterior esquerdo, bem como uma faixa ao redor do tronco da parte de trás do pescoço, ao redor atrás dos membros dianteiros e do outro lado do tórax anterior. Limpe suavemente áreas depiladas com iodo e álcool etílico para desinfectar.
  3. Com o animal deitado no seu estômago, faça uma pequena incisão (~0.5 cm) na parte de trás do pescoço no centro da região depilada (área palpável entre omoplatas) usando um bisturi (lâmina n º 10).
  4. Localize o nervo fibular comum.
    1. Rolar o animal para o seu lado direito e faça um ~ 2-3 cm-longo corte na pele do membro posterior esquerdo. A área de incisão em torno de grupos do músculo da coxa que é pérgula entre a covinha da articulação do joelho e a parte traseira perto da origem da cauda do alvo.
      Nota: Tenha cuidado para não contaminar a primeira área de incisão quando muda a posição do corpo.
    2. Usando a ponta romba curva tesoura cirúrgica, dissecar a área subcutânea amplamente ~3.5 - 4 cm, separando a pele do músculo subjacente a fim de fazer uma bolsa entre o músculo subjacente e pele aberta. Abra a pele do tecido subjacente em torno da circunferência inteira da incisão (~1.5 cm2).
    3. Faça uma pequena incisão (menos de 0,5 cm) no músculo bíceps femoral com tesoura cirúrgica, garantindo que as pontas da tesoura estão cortando diretamente através do músculo.
    4. Abra cuidadosamente a área de corte até os grupos musculares interna e o nervo fibular comum são visíveis (a profundidade dos tecidos musculares externos (ou seja, bíceps femoral) é em torno de ~0.5 cm). Usando fórceps, suavemente toque/pitada nervo visível e observar as respostas dos grupos músculo-alvo (por exemplo, TA muscular) e pés (dorsiflexão visível) para confirmar que o nervo fibular comum é isolado.
      Nota: Este passo deve ser feito com extrema cautela para evitar cortar ou danificar o nervo.
    5. Consertar a janela, puxando-a aberta com retractores de metal, tal que o tamanho da janela é ~1.5 cm2 com o nervo fibular deitado no centro da janela. Use pequenos ganchos de metal ligados a correias e/ou bandas de borracha que são prendidas para baixo para a superfície da mesa (ou placa de cirurgia) (Figura 2A).
  5. Conecte o cabo a ambos os lados do nervo.
    1. Preparar ~ 50-60 cm de politetrafluoretileno (PTFE)-revestido de fio de aço fino e dobre ao meio.
      Nota: Pode ser útil para expor o arame revestido PTFA sob a luz UV antes da cirurgia.
    2. Prenda a parte dobrada do fio na fenda de uma haste de aço inoxidável 30 cm de comprimento. Passe a haste, juntamente com o fio, por via subcutânea do bolso aberto do membro posterior em direção da área de pequena incisão na parte de trás do pescoço, em um padrão em forma de L até a perna e ao longo do centro do dorso.
    3. Encontre as duas extremidades do fio para o membro posterior. Tira os fios, uma vez que todos os fios são isolados de PTFE. Usando um bisturi, cuidadosamente tira as extremidades do fio de ~1.5 cm. Se os fios tornam-se desgastadas, cortá-los fora e re-tira. Enrole as extremidades do fio descascado em torno de uma agulha cega de 21-G (5 vezes), fazendo uma bobina. Uma vez que as bobinas são feitas corretamente, liberar a agulha com eles.
    4. Usando um tamanho de fio cirúrgico 6-0, prenda cada uma das bobinas em ambos os lados do nervo peroneal comum (Figura 2A).
      1. Faça um nó no final da bobina e sutura-la do lado esquerdo do nervo. Verifique se a bobina está a 1.5-2.5 mm do nervo.
      2. Para fixar a bobina, aplique duas ou três suturas adicionais ao longo da bobina.
      3. Repita essas etapas no lado direito do nervo.
    5. Aplicar 2-3 gotas de solução de antibiótica (Ampicilina em soro fisiológico; 132 mg/mL) e então cuidadosamente suturar a janela (ou seja, o tecido muscular bíceps femoris) usando tamanho 5-0 de seda.
  6. Vagamente vento a folga restante do fio (sobre o diâmetro do dedo) e empurrar para a bolsa subcutânea acima da incisão suturada do músculo bíceps femoral (aproximadamente acima do quadril).
  7. Aplica 2-3 gotas de solução antibiótica novamente (Ampicilina em soro fisiológico; 132 mg/mL). Feche a pele aberta por grampeamento.
  8. Ligue os fios (saindo da área de incisão do pescoço) para o estimulador CCA.
    1. Conecte o pino soquetes com os fios.
      1. Corte o laço de fio saindo a incisão na parte superior do pescoço para criar 2 extremidades do fio (estes chumbo para as bobinas suturado para ambos os lados do nervo peroneal).
      2. Usando um bisturi, dispam-se as extremidades dos fios de ~0.5 cm. cortar fora os fios, se for o caso.
      3. Lentamente empurre as peças despojadas dos fios dentro do buraco das tomadas de pino e usando um ferro de solda, solda os fios sobre as tomadas de pino.
    2. Opcionalmente, verifique a conexão dos fios.
      1. Conecte os pinos para uma unidade de bancada grande estimulador através de jacaré.
      2. Entrega um único pulso de 9 V (0,1 ms, 10 Hz) para confirmar que os contratos de músculo TA e esquerda pés dorsiflexes.
    3. Passe as extremidades do fio conectado pino através da gaze estéril que é ~ 4 x 4 cm.
    4. Conecte os pinos para a unidade de estimulador do CCA.
      1. Passe os fios através do furo da base da caixa do estimulador.
        Nota: Esta caixa é uma câmara de caseiros para a unidade de estimulador do CCA e 3,5 cm × 3,5 cm × 2,5 cm13.
      2. Inserir os pinos os soquetes de conexão da unidade de CCA. Gentilmente colocou a unidade CCA para a câmara. Use uma aderência pegajosa para proteger a unidade CCA, na parte inferior da câmara.
    5. Usando uma fita atlética ou o esparadrapo poroso, consertar a câmara com a fita ao redor do tronco raspada. Fechar a parte superior da câmara com três camadas de gravação e terminar por uma fita de embrulho em torno dos lados da caixa estimulador para prender a caixa (Figura 2B).
  9. Verifique se o CCA está trabalhando por sujeitar o aparelho a um único pulso de luz infravermelha (espectro de comprimento de onda > 770 nm) que é emitida por uma luz de estroboscópio portátil infravermelha.
    Nota: Se o CCA está funcionando corretamente, os investigadores será capazes de ver que os músculos do membro posterior (ou seja, TA) são contratantes em resposta à luz infravermelha.
  10. Observar o rato e monitorar sua temperatura até que recuperou totalmente a consciência. Abrigá-lo em uma gaiola de single-ocupante para evitar qualquer dano dos outros animais e não deixe qualquer túneis ou objetos de plástico na gaiola para o restante do estudo para mitigar o risco de danos à unidade de estimulador ou ferimentos ao animal. Fornecer com uma garrafa de água amoxicilina-incluído (0,5 mg/mL).
  11. Aplica a dose de 1 mg/kg de Meloxicam por via subcutânea cada 24 h após a cirurgia, que continua pelo menos por 72 h.

3. crônica atividade contrátil

  1. Após a cirurgia, permitir que pelo menos 5-7 dias para uma recuperação completa de incisão e sutura áreas em/em torno dos músculos esqueléticos.
    Nota: Durante e após o procedimento CCA, verifique cuidadosamente condição de cada animal, observando seus comportamentos (por exemplo, comer, beber e/ou em movimento). Além disso, determine qualquer estresse severo ou efeitos adversos, verificando uma mudança de peso corporal antes e após o procedimento CCA.
  2. No dia da estimulação de CCA, ativar CCA por sujeitar o aparelho estimulador para um único pulso de luz infravermelha (comprimentos de onda > 770 nm) por uma luz de estroboscópio portátil infravermelha.
  3. Aplica 3 ou 6 h de estimulação de CCA 10 Hz.
    Nota: O prazo para a estimulação cabe ao pesquisador. A frequência de estimulação nunca foi alterada nesses experimentos e melhorias muito modestas na adaptação mitocondrial têm sido observadas, estendendo a estimulação de 3 a 6 h/dia, em nossa experiência. Se possível, verificar a estimulação e o animal cada 30-60 min.
  4. Seguindo o período desejado de CCA, desligue a unidade CCA através de exposição à luz infravermelha (mesmo procedimento de ligar o aparelho).
  5. Aplicação de vários dias, repita a etapa 3.2. a 3.4.
  6. Determine o momento da coleta de tecido. Por exemplo, colete tecidos 24 h após o início da luta final do CCA (ou seja, 18 h após a última estimulação CCA de 6 h), que é realizado sob anestesia, como feito durante o procedimento cirúrgico do CCA. Imediatamente após a coleta todos os tecidos, eutanásia em animais por excisão do coração, enquanto o animal ainda está sob anestesia.

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Resultados

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Mostramos que a atividade contrátil crônica (CCA) é uma ferramenta eficaz para induzir adaptações mitocondriais favoráveis dentro do músculo esquelético. Ratos submetidos a 7 dias de CCA (6 h por dia) exibem reforçada biogênese mitocondrial no músculo estimulado em comparação com o membro posterior unstimulated contralateral (controle). Este aumento na biogênese mitocondrial é indicado pela expressão da proteína aumento de PGC-1 α (Figura 3A), considerado o p...

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Discussão

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O modelo de atividade contrátil crônica (CCA) do exercício, com baixa frequência músculo estimulação na vivo, é um excelente modelo para o estudo adaptações fenotípica do músculo para exercer13,24,25 , 26. como mostrado em anteriores estudos20,27, CCA é uma ferramenta eficaz pelo qual os pesquisadores podem controlar volumes de...

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Divulgações

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Os autores não têm nada para divulgar.

Agradecimentos

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Nós estamos gratos ao Liam Tyron para seu especialista em leitura do manuscrito. Este trabalho foi apoiado pelo financiamento das ciências naturais e engenharia pesquisa Conselho de Canadá (NSERC) para D. A. Hood. M. r. Hood também é o titular de uma cadeira de pesquisa do Canadá em fisiologia celular.

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Materiais

Lista de materiais utilizados neste artigo
NomeEmpresaNúmero de catálogoComentários
Sprague Dawley RatCharles RiverStrain 400
Unidade de atividade contrátil crônicafeita em
(3,5 x 3,5 x 2,5 cm)Acaixa deve ser feita de material opaco ou coberta com uma fita opague
Baterias de íon de lítio em moeda (3V)PanasonicCR2016
MedwireLeico Industries316SS7/44T
Pino de solda (soquete)Digi-KeyED6218-ND
Zonas fita porosaJohnson & Johnson5104
Sutura de seda (Tamanho 5)Ethicon640G
Sutura de seda (Tamanho 6)Ethicon706G
Tesoura curva sem corte (11,5 cm de comprimento)F.S.T.14075-11
Tesoura curva sem corte (15 cm de comprimento)F.S.T.14111-15
Pinça hemostática delicada (16 cm de comprimento)Lawton06-0230
Pena de bisturi3
pinças curvasFST11052-10
Haste de aço inoxidável (30 cm; 7 mm de diâmetro)Feita em casan/aA haste deve ter uma fenda de 5 mm em uma extremidade para segurar o fio para tunelamento sob a pele
Pinça de aplicação de clipeKLS Martin20-916-12
Grampos (clipes)BbraunBN507R
Ganchos/retrator de metal Iodopovidonan/a
(500 mL)Rougier#NPN00172944
Ampicilina sódicaNovopharm#DIN00872644
MetacamBoehringer#DIN02240463
Multímetro digital (voltímetro)Soar CorporationME-501
LED estroboscópio digitalLutron Electronic EnterpriseDT-2269
Caixa protetora da unidade CCA casacaseiro

Referências

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Chronic Contractile ActivitySkeletal Muscle AdaptationsMitochondrial BiogenesisPeroneal Nerve StimulationElectrical Coil ImplantationInfrared Stimulation ControlPGC 1 Alpha ExpressionAutophagy Lysosomal SystemsTranscription Factor EBMuscle Phenotypic Changes

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