Summary
一个
Abstract
肌肉拉伤，医生治疗最常见的投诉之一。一个肌肉损伤通常是单独从患者的病史和体检诊断，但可以不同的临床表现大大取决于在评估肌肉损伤肌肉损伤或肌肉疾病，患者程度的损伤，病人的疼痛的耐受力等临床体征，如压痛，强度，范围的议案，最近，影像学检查，通常是有限的。生物标志物，如血清肌酸磷酸激酶水平，通常与肌肉损伤升高，但他们的水平并不总是力生产的损失相关联。这是来自动物，它提供了一个“直接的措施”损害的组织学研究结果即使如此，但没有考虑到所有的功能丧失。有些人认为，肌肉收缩力的整体健康状况的最全面的衡量。由于肌肉损伤是一个随机事件发生的各种生物力学条件下，它是很难研究。在这里，我们描述了在体内动物模型来测量扭矩，并产生一个可靠的肌肉损伤。我们还描述了我们的模型，从一个在原地隔离肌肉力测量。此外，我们描述了我们的小动物磁共振成像过程。
Protocol
1， 在体内损伤模型和等距扭矩测量。
- 这些程序可用于大鼠或小鼠7,17,18。首先，放置在动物仰卧吸入麻醉，使用精确的蒸发器（CAT＃91103，兽医装备公司，普莱森（〜4-5％的异氟醚诱导感应室，然后，通过头锥维护〜2％异氟醚） ，CA）。应用无菌眼科霜（Paralube兽医软膏，PharmaDerm，Floham公园，新泽西州），每只眼睛的角膜，以防止干燥。在实验过程中，动物笼外放置了一个烤灯保暖，从动物在任何时候都保持至少6英寸。
- 预习消除头发和皮肤清洁与交替优碘和70％的酒精擦洗，以防止播种到软组织或骨皮肤上的细菌。缺乏深腱反射（没有脚捏脚撤出）确认适当的麻醉。手动放置一针是通过胫骨近端，以稳定的肢体上的钻井平台（25G或27G鼠标）。针不应该进入的腿前车厢。
- 锁定到一个固定的位置，如该动物是仰卧和脚趾都面临着直线上升的针。一个特制的装置是用来固定针，从而稳定腿。
- 脚下的肢体放置到一个定制加工踏板（图1）。踏板的轴步进电机（型号为T8904，NMB技术，Chatsworth的，CA）和扭矩传感器（模型QWFK - 8M，Sensotec，哥伦布，俄亥俄州）。最初应该是对齐脚，胫骨，这是正交，如图1。
- 使用经皮电极（723742，剑桥，麻省，哈佛器械）或皮下电极（J05电极针针，36BTP，杰瑞电极供应，吉尔罗伊加利福尼亚），刺激颈部的腓骨，在神经附近的腓骨神经肤浅的位置。目视确认通过执行一系列的抽搐（小鼠和大鼠的1毫秒脉冲为0.1毫秒脉冲）前脚掌安全隔离背屈。一旦脚用胶布固定的踏板，在抽动的幅度在增加电压的增加证实，反对肌肉（plantarflexors）不被同时刺激。
- 受伤前，在选定的时间点，在受伤后，生产dorsiflexors的能力的最大力量是记录为“等距最大扭矩”（没有改变肌肉长度的扭矩）。扭矩测量是在同一钻机，用于诱导损伤。在录音等距最大扭矩之前，脉冲幅度的调整，以优化抽搐紧张和踝关节的最佳位置，是由在不同长度的dorsiflexors给予抽搐。后获得的转矩角曲线，以确定最佳长度的dorsiflexors（休息长度，又名罗），扭矩频率图是通过逐步增加脉冲的频率在200毫秒脉冲序列。通常在90-100赫兹获得一个最大的融合强直收缩。三个独立的抽搐和强直收缩，记录和保存，作进一步的分析。
- 使用商业软件（LabVIEW版本8.5，美国国家仪器公司，美国德克萨斯州奥斯汀）同步收缩的激活，踝关节旋转的发病和扭矩数据收集。而电脑控制的电机同时移动到跖屈踏板，从而导致延长收缩（也称为“偏心”的收缩，从而导致肌肉损伤）发生的dorsiflexor肌肉刺激。研究者所需的伤害所需的幅度取决于具体的协议。损伤的严重程度，或组织损伤，可调节的角速度，肌肉激活的时间，运动范围，并延长收缩，如变量的操纵。
- 为了诱导损伤，延长收缩叠加到一个最大的等长收缩，不同范围内的议案，延长的速度，和刺激的时机需要。例如，一个最大的等长收缩是在dorsiflexors获得200毫秒后，他们在选定的速度延长至近似正常运动（900 ° /秒）。我们曾表明，激活前运动和程度的延长是重要因素，在获得伤害 14 。大多数dorsiflexors产生的扭矩是由电讯管理局局长 11，以前我们已经表明，这种模式的结果，这肌肉5,13-15受伤。电讯局长仍然刺激了整个延长。
- 动物伤后，从设备中删除。胫骨针取出，清洗的腿再次返回和动物笼（温度控制的加热块放置在37 ° C）和监控，直至康复为止。这包括等待，直至动物清醒和移动。动物苦于没有观察到在手术过程中的疼痛和有步态没有明显的变化（如跛足）伤后延长收缩引起的。然而，适当的治疗抗痛随后管理（丁丙诺啡0.05 - 0.1毫克/公斤，每12小时手术后48小时）。
2， 在整个肌肉紧张的现场测量。
- 动物是准备和胫骨的稳定到1.3上述第1.1节中所述。所有仪器在测试前至少30分钟打开适当的校准，以尽量减少热漂移的力传感器。
- 切开皮肤前到脚踝，并切断肌腱，胫前肌（TA）。小心领带4.0爱惜康丝绸非吸收性缝合肌腱和重视薇乔缝线的称重传感器，通过所提供的的S形挂钩（重量0.1克），型号为FT03，草仪器，华威，RI）。另外，自定义钳（体重=0.5克）可以用来连接的肌腱薇乔缝合（图2）。
- 称重传感器是安装一个显微（风筝机械手，世界精密仪器公司，萨拉索塔，佛罗里达州），因此，电讯局长可以调整休息长度和正确对齐（A的起源和插入之间的拉直线）。电讯管理局局长是从冷却保护，热灯和矿物油脱水。从称重传感器的信号（在每个测试之前校准）美联储通过直流放大器（型号为P122，草仪器，华威，RI）的一个A / D板，被收集和储存收购的软件（PolyVIEW 2.1版，草仪器华威，RI）。
- 电讯局长的称重传感器，适用于不同的肌肉长度单抽搐（1 ms的矩形脉冲），以确定L 0。肌肉休息的长度，用标尺测量，被定义为胫骨结节和myotendinous交界处之间的距离。在这个长度，逐渐增加的脉冲幅度和脉冲频率，建立力频率的关系。强直收缩最大融合是获得约90 - 100HZ（300毫秒列车持续时间0.1 ms或1 ms脉冲组成）。使用150％的最大刺激强度激活电讯管理局局长以诱导最大收缩激活（0）。最大强直收缩，可重复执行的P 0的百分比表示，提供所需的任何时间点的疲劳指数。
3， 在体内磁共振成像和/或光谱的啮齿类动物骨骼肌。
所有的MRI和MRS是在布鲁克BioSpin（比尔里卡，马萨诸塞州）7.0特斯拉核磁共振系统配备12厘米梯度插入运行Paravision 5.0软件（660吨/米，最大坡度，4570 T / M / S最大的回转速率）。
- 动物麻醉与异氟醚蒸发描述在1.1以上。磁共振兼容的小动物的监测和浇注系统（SA仪器公司）是用来监视呼吸率和体温。鼠体温度保持在36-37 ° C温水循环使用。一个特制的支架是用于定位鼠标在磁铁从膝盖到脚孔平行的两条腿的仰卧姿势。四通道接收表面线圈被放置在一个72毫米的线性1H谐振器。谐振器的线圈是调谐和匹配样品。
- 磁共振成像：本地化后，下面的MR扫描表现：T1加权快速采集与松弛增强，具有以下参数（RARE）：TE = 9.52毫秒，TR = 1800，回声列车的长度= 4，在平面分辨率100 × 100微米和切片厚度为750微米。双回声PD/T2罕见：TE = 19.0/57.1毫秒，TR = 5000毫秒，回声列车的长度= 4，在平面分辨率100 × 100微米，和切片厚度为750微米。自旋回波（SE）扩散张量图像数据使用12个非共线方向：b值= 350秒/毫米-2，TE = 26毫秒，TR = 4500毫秒，在平面分辨率150X150微米和切片厚度为750微米。多层多回波（MSME）T2参数映射数据使用16工商业污水附加费= 11.4毫秒与ΔTE182.5毫秒= 11.4毫秒，TR = 10000毫秒，在平面分辨率为150X150微米，和切片厚度为750微米。
- 图像处理：扩散张量的重建和跟踪技术是使用TrackVis（Martinos生物医学成像中心;马萨诸塞州总医院，波士顿，马萨诸塞）来创建平均扩散率（MD），分数各向异性（FA）的图像，以及跟踪技术的地图。 T2的映射是使用定制软件在共同商定的书面劳顾会“（The MathWorks公司的Natick市，MA）使用非线性最小二乘规范T2信号方程适合于每个像素的测量数据。感兴趣的测量区域内的电讯管理局局长进行评估参数值。
- 上一个1 × 1 × 4毫米3在TA体素1H光谱：自动匀场。 A点分辨光谱（新闻）脉冲序列（TR / TE = 2000/18号决议MS）用于获取相同的体素从1024平均光谱。数据采集是每条腿34分钟。光谱数据处理使用LCModel包16。 31P光谱：一个双调谐（1H，31P）表面线圈是用来执行非本地化（使用单脉冲实验）或本地化的光谱， 利用体内光谱仪（ISIS）脉冲序列中选择图像。
4。收获和储存肌肉。
助教的收获在实验结束后，称体重，管理单元在液氮中冷冻，然后储存在-80 ° C这可以在任何时间点后，在体内实验。肌肉收获后，立即在现场试验，因为这是一个终端程序。详细的形态学研究，动物是通过通过左心室灌注4％多聚甲醛固定。
5。代表性的成果。
图3显示了从大鼠体内仪器的有代表性的数据，在体内仪器是用来获取由dorsiflexor肌肉产生的最大扭矩;，它也可以用来诱导这些相同的肌肉损伤。由于长肌肉的紧张关系，最大的等距扭矩通常发生在踝关节的定位是在大约20 °，跖（胫骨考虑0 °定位正交脚）。获得最大等距扭矩后，脚就可以被放置到任何位置开始的伤害协议。图3表示从0 °的运动弧伤30重复协议 - 70 °。请注意在稳步下降，从等距阶段（实心箭头）和延长阶段在收缩损伤协议（开放箭头）产生扭矩。扭矩是记录NMM的单位，但绝对值取决于动物的大小和它的条件（例如，受伤的肌肉，肌肉疲劳或肌肉缺乏某种蛋白质，由于同源重组）。
图4显示了从大鼠原位仪器代表性的数据。我们的仪器在原位不涉及延长收缩，相反，它允许我们隔离开来，适当调整，并测量由一个已知长度的个别肌肉产生的最大张力。图4显示了一个老鼠在胫骨前肌的疲劳试验过程中发生的武力逐渐丧失。在这个特殊的例子，泰坦尼克号的收缩一次，第二次为5分钟。张力（力）通常记录在牛顿（或克），但扭矩一样，绝对值取决于动物的大小和条件。因为肌肉的重量后，立即获得此过程，可归的力量（所谓“特定力量”）肌肉横截面积。
图5显示了鼠标在体内成像代表性的数据，如T1加权和T2的参数映射，（A）的1 H谱（三），扩散张量成像（B） 和31个 P光谱三维跟踪技术。详情载于图例。
图1： 在体内的器具.*产生伤害，胫骨的稳定和脚连接到一个马达驱动板。脚踝dorsiflexors通过腓骨神经受到刺激，而踏板的力量足跖屈（虚线箭头）。
* 洛夫林德Deyne，J生物力学2005年，经许可使用。
图2： 在原位仪器称重传感器安装到显微因此，电讯局长可以调整休息长度的X，Y，Z方向正确并对齐。电讯局长的远端肌腱是连接称重传感器和单抽搐诱发不同的肌肉长度，以确定 L 0 。获得一个最大的强直收缩，以确定最大收缩激活（0） 。最大强直张力可重复执行，并表示百分比的P 0，想要在某个时间点提供的疲劳指数。
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图3： 从扭矩延长收缩在大鼠体内的仪器代表跟踪录音扭矩数据 。在这个特殊的例子，肌肉刺激诱导延长的踏板900角速度70 °弧通过的议案（开放的箭头）前一个高峰的等长收缩（实心箭头）为200毫秒° /秒。
图4：从原位仪器具有代表性的数据，显示等距最大强直张力在反复刺激，在大鼠的胫前肌（TA）下降张力数据。在这个例子中，电讯局长是孤立的，调整到最佳长度（L 0），然后用200毫秒的强直收缩一次，第二次5分钟的刺激。
图5： 在活体成像答：图像显示横向（轴向）T1加权和T2从胫前肌（TA）的参数映射的部分。围绕TA点缀的红色方块显示T2在受伤增加增加（左侧）与健侧（右侧）B：扩散张量成像（DTI）的代表从三维跟踪技术：鼠标助教的 1 H频谱显示几个检测脂质共振; intramyocellular（IMCL）和extramyocellular脂质（EMCL）峰之间的分化是用这个方法取得D：31 个 P MR大鼠TA的频谱显示磷酸（PCR），无机磷（PI），而三。 5' -三磷酸腺苷（ATP）的共振（α，β，γ）。
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Discussion
“肌肉损伤”已定义，并在许多方面衡量。在6,9病理结果结构破坏是显而易见的，但许多用于评估肌肉损伤，包括在动物实验中使用的的生物标志物的问题，他们通常没有关联武力的损失。肌肉损伤通常被定义内用来检查它的检测的背景下，没有人发现，可以考虑在伤后的收缩变化。由于充分的收缩功能，能坚持，尽管损伤标志物的存在，可能会失去武力的最有效的措施，伤后3 ，可能最相关的。
这是困难的，以研究人类的肌肉受伤，发病率是一个随机事件，很难预测和临床表现差别很大。因此，肌肉受伤的数据已经从动物，它提供了许多变数的控制和学习能力的损伤和恢复机制的研究确定。 在体内损伤仪器，我们所描述的评估不解剖的肌肉收缩功能，因此无需下以安乐死的动物研究提供了一个方法。我们的定制设计的损伤模型（专利待批）是基于其他使用相同的原则，建立在动物 5,12,15,24的收缩损伤。尽管在市场上的可用性模型，有超越很少使用的硬件指令。我们的模型已在议案和角速度是有利的17，但我们的主要目标是要共享的方法可用范围的规格，我们试图描述程序，从开始到完成生产受伤。 体内模型的优点是肌肉，解剖学和生物力学，并没有改变，过程是不是终端。我们使用下列卫生程序和使用消毒针头每次测量位置，在所有的扭矩测量胫骨相同。没有使用一个transosseus脚，腿可以稳定，但我们已经找到了针在可靠性方面，在延长收缩和消除多余的运动优越。
在体内的扭矩测量使用的仪器有一些额外的优势。它不涉及任何夹层，因此也没有必要下以安乐死的动物研究。结果是一个可以测量在相同的动物，随着时间的推移收缩，和/或在体内，如磁共振成像。其它优点是，不改变正常的解剖结构，神经不为刺激旁路（如在体外的准备工作），以及肌肉保持在正常的环境中，所以可以研究炎症，激素或其他因素的影响。因为它需要使用较少的动物，其肌肉受到更少的操作（例如，清扫功能测定前），我们喜欢尽可能使用扭矩测量。鼠标TA的力臂是已知 4，可以衡量的动物牺牲时的肌肉。有一些限制，但是，相比孤立的肌肉。例如，它是很难知道确切的长度变化发生在延长收缩，肌肉质量不能被测量，直到它被收获（虽然它也可以通过MRI测量的量估计为基础 ） 8。
要确定“特定力量”一个人的肌肉（每单位截面积的力），肌肉需要隔离和正确定位，这也避免了从 10附近的肌肉力量投送。 在原位仪器是专为这一目的。它提供了一个用于测量与已知的长度和质量的只有一个肌肉收缩的替代。然而，这种方法也有其局限性。虽然在原位仪器测量个人的肌肉力量时，提供更多的实验控制，权衡实验变得越来越生理原位力测量的要求电讯管理局局长肌肉的手术松解，它可以改变的解剖和影响传力。实验也终端，使肌肉不能随着时间的推移监测。
扩散张量成像（DTI）是可能比标准T2加权MRI对肌肉损伤更加敏感和早期的标记。与DTI获得的变量，至少在其他组织，如大脑（1），一个强大和快速反应的损害，而T2信号，可以采取长时间改变。 DTI是根据测量组织中的表观扩散的水。贸工部技术已经比较实际的纵切面的大鼠助教，它已被证明，英国贸工部的方向实际上代表电讯管理局局长大鼠肌肉 19中的局部肌肉纤维的方向。
刘健提供肌肉化学成分的非侵入性的12的信息。根据观察到的原子核，尤使高能量的磷酸盐（31个P MRS）或脂质（1H MRS）的观察，31个 P MRS是肌肉代谢的调查的理想工具，因为它是非侵入性的，并可以很容易地适用于骨骼肌的体内研究。 原位肌肉的代谢产物，如穿刺活检，生化分析的替代方法，可以显着高估的PCR 1的PI明显减少。动物模型提供了显而易见的好处，使用受控的伤害和在体内刘健变化比较生物化学，形态学和组织的功能结果。高能磷酸代谢的变化，遇到疾病， 导致肌肉变性2,20。细胞内pH值，以及MR信号强度比PI / PCR（无机磷[PI]磷酸[PCR]），和PDE / PCR（磷酸的PDE] PCR），可提供有价值的信息有关的舞台和严重性肌肉退化。
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Disclosures
没有利益冲突的声明。
Acknowledgments
作者想感谢的核心罗伯特Bloch博士，他的实验室空间和设施，并拉奥博士Gullapalli和大施慷慨捐赠，在马里兰（C - TRIM）为转化成像和磁共振研究中心（MRRC）技术支持。这项工作得到了补助金，RML（K01AR053235和1R01AR059179）国家卫生研究院和肌肉萎缩症协会（＃4278），和赠款，耆那教基金会的JAR。
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| All equipment is the same for mice and rats except for the footplate | |||
| BUD Value Line Cabinet | Newark Inc | 06M4718 | |
| Multifunction l/O USB-6221M | National Instruments | 779808-01 | |
| Stepper motor controller | Newark Inc | 16M4189 | |
| Stepper Motor | Newark Inc | 16M4198 | |
| Strain Gauge Amplifier | Honeywell | DV-05 | |
| Torque Sensor | Honeywell | QWLC-8M | |
| Foot plate and stabilization device (custom made, patent pending) | |||
References
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