Построение профилей постоянной нагрузки (изотонический) и постоянной скорости (изокинетический) крутящего момента-скорости-мощности in vivo для подошвенных сгибателей крыс
3 октября 2025 г.
В данной работе мы представляем новый протокол для неинвазивного измерения зависимости крутящего момента-угловой скорости-мощности in vivo в подошвенных сгибателях крыс с использованием чрескожной стимуляции мышц. Эта установка позволяет легко тестировать изотонические сокращения мышц на системе датчика силы/регулятора длины, чтобы лучше представить характер повседневных движений с постоянной нагрузкой.
Наша цель — разработать простую, неинвазивную систему in vivo у крыс для проверки механической функции, а именно мощности, которая является результатом силы и скорости. Это даст представление о том, как болезни влияют на мышечную систему. Наша лаборатория сыграла ключевую роль в понимании саркомерогенеза и старения.
В частности, как максимальные эксцентрические сокращения нарушают саркомерогенез, но некоторые максимальные сокращения у грызунов улучшают число серийных сарком. Сейчас я использую эту систему для тренировки эксцентрической перегрузки у крыс OVX и целых яичников, чтобы изучить влияние эстрогена на мышечную структуру и реакцию на тренировки. После анестезии крысу разместите её так, чтобы нос и рот надёжно поместили в носовой конус на подогреваемой платформе.
Постоянно контролируйте дыхание и частоту пульса крысы, чтобы поддерживать безопасную и стабильную глубину анестезии. С помощью стерильного аппликатора нанесите офтальмологическую мазь на оба глаза крысы, чтобы предотвратить сухость во время процедуры. С помощью электрической бритвы сбрийте всю шерсть с левой лапы крысы.
Затем равномерно нанесите коммерческий крем для удаления волос на всю ногу ватной палочкой. После трёх минут ожидания соскобьте крем несколькими ватными палочками по мере необходимости, чтобы нога была максимально свободна от волос. Затем смочите ватные шарики дистиллированной водой и используйте их, чтобы протереть всю поверхность ноги, удаляя остатки крема и мусора.
Промокните ногу бумажным полотенцем, чтобы подготовить её к установке электрода. Теперь плотно обмотайте хирургическую ленту вокруг лапы крысы и педали, чтобы закрепить стопу на месте. Убедитесь, что пятка надёжно закреплена в слоте у основания педали.
Регулируйте положение педали ноги с помощью ручки регулировки три, чтобы приблизить или отодвинуть её по необходимости, чтобы колено было максимально вытянуто. Затем установите зажим большеберцовой кости, плотно вдавливая его в среднюю проксимальную область большеберцовой кости, чтобы стабилизировать нижнюю часть ноги. Используя ручки регулировки один и два, выровняйте педаль ножки с зажимом для правильного положения.
С помощью пинцета наносят проводящий гель на поверхности обоих электродов и на заднюю сторону лапы крысы. Чтобы определить места размещения электродов, пропальпуйте выпуклость мышцы на задней части нижней части ноги. Разместите дистальный электрод чуть ниже гастрокнемиусных мышц, а проксимальный — на верхнем конце гастрокнемиус, где они соединяются с коленным суставом.
Затем повернуть шестерню, чтобы аккуратно поднять электроды к ноге, обеспечивая стабильный контакт стимуляции. Не прикладывайте чрезмерное давление вверх и проверяйте, есть ли небольшой изгиб оси, удерживающей электроды, чтобы сохранить их стабильность во время стимуляции. После загрузки протокола 100 герц при 90 градусах на стимулятор установите ток на 20 миллиампер для низкоуровневой стимуляции и проверки расположения электрода или геля.
Нажмите «Start test», чтобы начать протокол, наблюдая видимые сокращения мышц. После завершения стимуляции нажмите на анализ и убедитесь, что выбран базовый корректировочный блок для оценки образуемого крутящего момента. После двухминутного периода отдыха увеличьте ток стимуляции до 30 миллиампер.
Запустите протокол снова и оцените выходной момент в разделе анализа, убедившись, что коррекция базовой линии остаётся выбранной. Увеличьте ток стимуляции до 40 миллиампер и запустите протокол снова. После двухминутного отдыха, если крутящий момент увеличится на 30 миллиамперах, поднимите до 40 миллиамперов и повторите.
Если крутящий момент уменьшается при 40 миллиамперах, установите оптимальный стимул в 30 миллиампер. Создайте протокол стимуляции, который индуцирует изометрическое сокращение продолжительностью 500 миллисекунд при 100 герцах с положением голеностопа под углом 70 градусов. Запустите протокол и запишите максимальный активный крутящий момент, возникающий во время сжатия.
На экране протокола создайте новый протокол, который переводит лодыжку в согнутое положение, применяет стимуляцию за 500 миллисекунд и возвращает лодыжку в нейтральное положение. Рассчитайте значения изотоничного зажима, соответствующие 10, 20, 30, 40, 50, 60, 70 и 80% от ранее зарегистрированного максимального активного крутящего момента. Для каждого значения зажима нагрузки добавьте базовый пассивный крутящий момент, чтобы определить общую силу зажима.
Запускайте протоколы стимуляции с помощью этих зажимов нагрузки в рандомизированном порядке. В программном обеспечении DMC версии 5.5 перейдите к примусовому блоку смещения. Введите рассчитанное значение крутящего момента для первого зажима нагрузки из ранее сгенерированного списка.
Загрузите изотонику, созданную раньше, и новая смещённая сила будет применяться автоматически во время работы. Нажмите на Start test, чтобы запустить изотонический протокол, что позволяет произойти изотоничное сокращение. Все три метода демонстрировали характерную гиперболическую зависимость скорости крутящего момента, при этом угловая скорость уменьшалась по мере увеличения крутящего момента, а пиковая мощность наблюдалась на промежуточных значениях крутящего момента и скорости.
Изотоническая кривая предсказала значительно более высокую максимальную скорость, чем обе кинетические кривые ISOK. Пиковая мощность была выше в изотонической кривой, по сравнению с изокинетической кривой при среднем крутящем моменте, но не существенно отличалась при использовании пикового крутящего момента. Крутящий момент при пиковой мощности был переоценен изокинетической кривой с использованием пикового крутящего момента, тогда как изокинетическая кривая при среднем крутящем моменте близко совпадала с изотонической кривой.
Скорость при пиковой мощности недооценивалась изокинетической кривой при среднем крутящем моменте и немного недооценивалась даже при использовании пикового крутящего момента. Кривизна кривой скорости крутящего момента значительно уменьшалась при использовании пикового крутящего момента в изокинетической кривой по сравнению со средним крутящим моментом. Все модели имели сильные совпадения с уравнением холма, хотя изотоническая кривая имела немного меньшее значение R в квадрате, чем обе изокинетические кривые.
Обзор
В данном исследовании представлен неинвазивный протокол измерения зависимости между крутящим моментом, угловой скоростью и мощностью in vivo в подошвенных сгибателях крысы с использованием чрескожной стимуляции мышц. Этот метод позволяет проводить простое тестирование изотонических мышечных сокращений, что дает представление о функции мышц и влиянии заболеваний.
Основные компоненты исследования
Область науки
- Нейробиология
- Физиология мышц
- Биомеханика
Теоретическая база
- Понимание механики мышц имеет решающее значение для изучения мышечных заболеваний.
- Предыдущие исследования были сосредоточены на саркомерогенезе и влиянии старения на функцию мышц.
- Максимальные эксцентрические сокращения могут нарушать саркомерогенез, в то время как некоторые виды сокращений могут улучшать структуру мышц.
- В данном контексте исследуется роль эстрогена в сократительной функции мышц.
Цель исследования
- Разработать неинвазивную систему для оценки механической функции на моделях крыс.
- Оценить влияние различных протоколов стимуляции на мощность и крутящий момент мышц.
- Изучить влияние эстрогена на ответ мышц на тренировки.
Используемые методы
- Крыс подвергали анестезии и надежно фиксировали для проведения процедуры.
- Для стимуляции мышечных сокращений на голень устанавливали электроды.
- Для измерения выходного крутящего момента выполняли несколько протоколов стимуляции.
- Анализ данных включал сравнение изотонических и изокинетических кривых крутящего момента и скорости.
Основные результаты
- Исследование подтвердило гиперболическую зависимость между крутящим моментом и скоростью.
- Изотонические кривые предсказывали более высокие максимальные скорости по сравнению с изокинетическими кривыми.
- Пиковая мощность была выше в изотонических условиях, хотя при использовании пикового крутящего момента значимых различий не наблюдалось.
- Крутящий момент и скорость при пиковой мощности зависели от типа кривой, использованной для анализа.
Выводы
- Разработанный протокол эффективен для изучения механики мышц in vivo.
- Полученные данные расширяют понимание функций мышц и эффектов тренировок.
- Результаты имеют значение для будущих исследований мышечных заболеваний и методов их терапии.
Часто задаваемые вопросы
Практическая значимость для отрасли
Количественное профилирование взаимосвязей между крутящим моментом, скоростью и мощностью в мышечных моделях грызунов обеспечивает трансляционный анализ динамических характеристик мышц, что способствует валидации мишеней на ранних этапах исследований скелетно-мышечных и метаболических заболеваний. Возможность сравнения профилей изотонического и изокинетического сокращения in vivo повышает прогностическую достоверность предварительной эффективности и снижает механистические риски. Данный протокол укрепляет связь между результатами исследований на животных моделях и условиями движения, релевантными для человека, что позволяет принимать обоснованные решения по формированию портфеля терапевтических средств, направленных на воздействие на мышечную ткань.
Стратегическое применение в биофармацевтических исследованиях и разработках
Ранний поиск и валидация мишени
- Позволяет исследовать функцию мышц в условиях физиологической нагрузки и в условиях, имитирующих заболевание.
- Обеспечивает механистическую оценку рисков путем разграничения сократительной способности при различных режимах сокращения.
- Предоставляет количественные конечные точки для функциональной валидации мишеней в биологии мышц.
Скрининг и разработка анализа
- Облегчает подготовку валидированных анализов мышечной функции in vivo для оценки соединений.
- Обеспечивает воспроизводимое измерение крутящего момента, скорости и выходной мощности в различных протоколах.
- Поддерживает стандартизацию анализа для проведения сравнений между различными исследованиями и моделями.
Трансляционные и доклинические исследования
- Приводит доклиническую оценку функции мышц в соответствие с парадигмами движений человека посредством анализа изотонического сокращения.
- Повышает трансляционную преемственность за счет моделирования условий постоянной нагрузки, имеющих значение для повседневной активности.
- Обеспечивает обоснование для продвижения таргетной терапии мышц с учетом рисков на основе прогнозных показателей выходной мощности.
Интеграция в пайплайн и рабочий процесс
Данный протокол интегрируется в континуум от этапа поиска мишени до доклинических исследований, обеспечивая надежную оценку мышечной функции in vivo, что способствует как ранней валидации мишеней, так и последующим трансляционным исследованиям.
- Открывающая биология: Количественная оценка функций мышц для проверки гипотез и выяснения путей развития заболеваний в моделях болезней.
- Скрининг: Обеспечение стандартизированных количественных показателей для оценки влияния вмешательств на механику мышц.
- Аналитика: Предоставление измерений крутящего момента, скорости и мощности для статистического сравнения экспериментальных условий.
- Трансляционные исследования: Улучшение соответствия доклинических результатов условиям движения и нагрузки, актуальным для человека.
- Корпоративное повторное использование: Создание многократно используемой платформы для анализа in vivo при различных исследованиях функций мышц.
Операционное и корпоративное воздействие
- Научная ценность: повышает достоверность прогнозов и снижает механистическую неопределенность в исследованиях, направленных на мышечную ткань.
- Операционная ценность: способствует стандартизации, воспроизводимости и масштабируемости анализов в различных исследованиях.
- Стратегическая ценность: позволяет принимать обоснованные решения о продолжении или прекращении разработки (go/no-go) и эффективно управлять портфелем с точки зрения затрат капитала.
- Влияние на портфель: обеспечивает приоритизацию программ по изучению мышечных и метаболических заболеваний с учетом рисков.
Особенности реализации
- Требуется опыт работы с грызунами in vivo и знание протоколов стимуляции мышц.
- Необходим доступ к динамометрическому оборудованию и аналитическому программному обеспечению для измерения крутящего момента и скорости.
- Требуется межгрупповая стандартизация параметров стимуляции и рабочих процессов анализа данных.
- Может потребоваться адаптация для различных групп мышц или моделей заболеваний.
- Изотонические протоколы могут привести к большей вариабельности, что требует тщательного статистического анализа.
