Evaluación ex vivo de la contractilidad, fatigabilidad y alternancia en aislados músculos esqueléticos

Summary

Se describe un método para medir directamente la fuerza muscular, la fuerza muscular, la cinética de contracción y fatigabilidad de los músculos esqueléticos aislados en un<em> In vitro</em> Sistema mediante la estimulación del campo. Información valiosa sobre Ca^{2 +} Propiedades de manipulación y la maquinaria contráctil del músculo se puede obtener utilizando diferentes protocolos de estimulación.

Abstract

A continuación se describe un método para medir la contractilidad de los músculos esqueléticos aisladas. Parámetros como la fuerza muscular, la fuerza muscular, la cinética de contracción, fatigabilidad y la recuperación después de la fatiga puede ser obtenida para evaluar aspectos específicos del acoplamiento excitación-contracción (ECC) de proceso, tales como excitabilidad, maquinaria contráctil y Ca ^{2 +} capacidad de manipulación. Este método elimina la inervación y de la sangre y se centra en el músculo esquelético aislado en sí. En forma rutinaria utilizar este método para identificar los componentes genéticos que alteran la propiedad contráctil del músculo esquelético, aunque la modulación de Ca ^{2 +} vías de señalización. A continuación, describimos un fenotipo recién identificado el músculo esquelético, es decir, alternans mecánico, como un ejemplo de las diversas informaciones y rica que se puede obtener utilizando el ensayo in vitro de la contractilidad del músculo. Combinación de este ensayo con ensayos de células individuales, los enfoques genéticos y bioquímicosstrY ensayos pueden proporcionar importantes conocimientos sobre los mecanismos de la ECC en el músculo esquelético.

Introduction

Los músculos del esqueleto unen a los huesos del esqueleto y generar fuerzas contráctiles bajo el control del sistema nervioso central. Acoplamiento excitación-contracción (ECC) se refiere al proceso de convertir un estímulo eléctrico a una respuesta mecánica. Ca ^{2 +} de señalización es un componente esencial de la función contráctil en el músculo esquelético. Efectiva movilización de Ca ^{2 +} del retículo sarcoplásmico (SR) es un componente importante para la ECC en células musculares ^{1, 2,} y los cambios en la concentración intracelular de Ca ^{2 +} señalización subyacen a la disfunción contráctil correspondiente en un número de ^3-5 enfermedades musculares. La adecuada valoración de la contractilidad del músculo es esencial y complementaria a Ca ^{2 +} de imágenes y otros ensayos para obtener información sobre la función del músculo esquelético, no sólo a nivel contráctil, sino también a nivel cinética. Fuerza y ​​la velocidad también se puede obtener a informar a la importante propiedad de losla fuerza muscular y el estado del proceso de ECC bajo diferentes condiciones fisiológicas y fisiopatológicas.

Este campo fecundo de investigación tiene una historia muy rica y muchas teorías de la contracción muscular apareció más de dos milenios ^6. Investigación músculo moderno probablemente se inicia en 1674-1682 con la observación microscópica de estrías cruzadas y miofibrillas en las fibras musculares por Leeuwenhoek ^6. Casi un siglo más tarde, Luigi Galvani observó que los contratos de rana musculares vigorosamente cuando el nervio se toca con bisturí durante una descarga de chispa de una máquina distante eléctrico ^7-9. Contracción también se podría producir mediante la conexión del nervio pierna en el músculo a través de un conductor de metal. Los detalles del mecanismo de señalización eléctrica complejo preconizadas por Galvani se formularon eventualmente por Hodgkin, Huxley y Katz en su famosa ecuación ^{10, 11} que se convirtió en la base de la electrofisiología. Las observaciones notables del Ringer a los efectos de la Ca ^{2 +} extracelular sobre la contractilidad del corazón y los músculos esqueléticos rana ^12-15 representan el primer paso importante en el reconocimiento de Ca ^{2 +} como un regulador clave de la contractilidad del músculo ^{16, 17.} Desde la década de 1980 hasta la actualidad una explosión de descubrimientos en el campo de la contractilidad muscular se realizó debido a la introducción de la contractilidad del músculo y protocolos de fatiga del músculo esquelético murino ^18. Jones y Edwards fueron los primeros en sugerir que la fatiga de baja frecuencia intermitente (inducida por el ejercicio en la reducción de fuerza) ¹⁹ se asoció con cambios en la maquinaria ECC y no el aparato contráctil. A finales de la década de 1980 y principios de 1990, Kolkeck et al ^20, Kolbeck y Nosek ^21, y Reid ²² estaban usando los músculos del diafragma de modelos de roedores para estudiar los efectos de las teofilinas, cortiosterone y radicales libres sobre la contractilidad del músculo esquelético, mientras que Brooks y Faulkner fueron los primeros en informar sobre las medidas de fuerza de repetirse y las mediciones de consumo en rápido y lento-los músculos de los ratones ^22. Además, Lannegren, Westerblad, Cordero y Westerblad fueron los primeros en vincular directamente la contractilidad ex vivo con la concentración de Ca ^{2 +} regulación y comenzó a cuestionar el papel de la acidosis en la fatiga muscular ^{23, 24.}

Nuestros laboratorios han contribuido de manera significativa desde la década de 2000 hacia la comprensión de nuevos genes con modulador y funciones de regulación en el músculo ECC con papeles críticos en la contractilidad muscular, la fatiga y el envejecimiento mediante el uso de una combinación de estudios intactos de ratón contractilidad del músculo, la concentración de Ca ^{2 Control +} en intactos y sin piel las fibras musculares y las manipulaciones genéticas moleculares ^{3-5, 25-29.}

Aquí se detalla el protocolo experimental para la medición de la contractilidad murino soleus aisladas y longus extensor común de los dedos (EDL) músculos, que corresponden a una mayoría de lento oxidativo (tipo I y IIa fibras musculares) y un músculo en su mayoría rápido glyocolytic (tipo IIb y fibras musculares IIx) con diferentes propiedades contráctiles. En este protocolo, intactos músculo-tendón complejos se aislaron y se bañó en una IDA sistema PowerLab Radnotti cámara suministrada con oxígeno puro o una mezcla de oxígeno (95%) y CO ₂ (5%). Fuerzas contráctiles fueron generados por estímulos eléctricos de un estimulador Grass y detectado usando un transductor de fuerza que se ha integrado con un sistema de ADI PowerLab/400, permitiendo la personalización de las rutinas de macro para controlar la adquisición, la recogida, la digitalización y el almacenamiento de datos. Esta configuración puede medir la fuerza muscular, fuerza muscular, así como la relación de la fuerza frente a la frecuencia, la fatiga muscular, la recuperación de la fatiga muscular, la velocidad y en general las propiedades cinéticas de la contracción muscular. Además, los efectos de los fármacos sobre la contracción muscular puede controlarse a través de estos experimentos. </p>

Las ventajas de este método reside en la eliminación de los componentes neuronales y vasculares lejos del músculo esquelético, lo que permite la evaluación directa de las propiedades intrínsecas de contraer el músculo. Además, los ensayos de contractilidad ex vivo permiten la manipulación del medio extracelular que rodea a los músculos aislados, que permite el uso de manipulaciones farmacológicas de diversos canales iónicos y transportadores de permeación a fin de definir sus papeles fisiológicos para la función del músculo esquelético.

Este sistema ex vivo que nos ha permitido descubrir recientemente un comportamiento distinto alternan en ciertas preparaciones de músculo mutantes, que estaban vinculados con alteración intracelular de Ca ^{2 + 4} propiedades de manejo. Alternancia se definen como episodios de ráfaga fluctuantes de la fuerza contráctil durante la fase de declive del perfil de fatiga. Durante estos eventos fuerzas contráctiles aumentar momentáneamente por encima de su nivel anterior de la fuerza durante la estimulación fatiga, tal vez porque sea más Ca ^{2 +} se publica o la maquinaria contráctil se ha vuelto más sensible a Ca ^{2 + 30.} Tratamiento de ácido ciclopiazónico (CPA), un bloqueador reversible de retículo sarcoplásmico calcio ATPasa (SERCA), la cafeína, un agonista de rianodina canal (RyR) y se repitió fatigoso estímulos pueden inducir alternans mecánicos ^4, lo que sugiere que alternans están directamente relacionados con modulación del proceso de acoplamiento CE. Demostración del método para inducir y registrar en alternancia mecánica en la configuración de la contractilidad vitro sirve como ejemplo para mostrar los parámetros experimentales diversificados que se podrían obtener con este sistema o similares, en base a los intereses individuales de investigación.

Este método puede ser de interés para los investigadores que estudian la fisiología muscular. Configuración similar también se puede utilizar para aisladas complejos muscle-tendon/ligament esqueléticos de otroubicaciones anatómicas, así como para las fibras individuales y las tiras musculares.

Protocol

Solución composición: 2,5 mM Ca 2 + Tyrode solución: 140 mM NaCl, 5 mM KCl, 10 mM HEPES, 2,5 mM CaCl 2, 2 mM de MgCl 2 y 10 mM de glucosa 0 mM Ca 2 + Tyrode solución: 140 mM NaCl, 5 mM KCl, 10 mM HEPES, 2 mM de MgCl 2, 0,1 mM de etileno glicol tetraacético (EGTA) y 10 mM de glucosa Nota: La solución de baño debe ser saturado con 100% de O 2 si se utiliza la solució…

Discussion

Medición de la fuerza contráctil y la tendencia a la fatiga es importante para la evaluación global de la función del músculo esquelético. El objetivo principal de este ensayo es determinar los cambios en la fuerza muscular y las propiedades fatigantes bajo ciertas condiciones patológicas, como la sarcopenia y la fatiga muscular, y para evaluar el efecto de las drogas / reactivos sobre la contractilidad muscular. Puesto que la fuerza muscular está muy relacionada con la concentración de Ca ^{2 +} libera…

Materials

Name of the reagent	Company	Catalogue number	Comments (optional)
2-APB	Tocris	1224	Blocker of a number of Ca2+ entry channels including SOC and TRP etc.
SKF96365	Sigma	SKF-96365	Blocker of a number of Ca2+ entry channels including SOC and receptor-mediated Ca2+ entry etc.
BTP-2	Millipore	203890-5MG	Relatively specific SOC blocker
CPA	Sigma	C1530	Reversible SERCA blocker
caffeine	Sigma	C0750	Fast action RyR agonist
Radnoti Four Unit Tissue Organ Bath System	Radnoti	159920
Combination Tissue Support/Stimulating Electrode	Radnoti	160151	Vertical Zig Zag Type with tissue support
Quad Bridge Amp	ADInstruments	FE224
PowerLab/400	ADInstruments		This product is no longer available. Choose other version of the data acquisition system.
Force Transducers (5 mg – 25 g)	ADInstruments	MLT0201/RAD
Chart v4.02	ADInstruments		LabChart 7.3 is the latest version of Chart software.
S8800 Dual Pulse Digital Stimulator	GRASS TECHNOLOGIES		This product is no longer available. S88X Dual Output Square Pulse Stimulator is a newer stimulator.
RF Transformer Isolation Unit	GRASS TECHNOLOGIES	Model SIU5