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Medicine

Secção do nervo tibial - um modelo padronizado para denervação induzida por atrofia muscular em ratos

Published: November 3, 2013 doi: 10.3791/50657

Summary

O modelo de corte transversal do nervo tibial é um modelo bem-tolerado, validado, e reprodutível de atrofia do músculo esquelético. O protocolo cirúrgico modelo é descrito e demonstrado em ratinhos C57Black6.

Abstract

O modelo de corte transversal do nervo tibial é um modelo bem-tolerado, validado, e reprodutível de atrofia do músculo esquelético desnervação induzida em roedores. Embora originalmente desenvolvido e amplamente utilizado no rato, devido ao seu grande tamanho, o nervo tibial em ratinhos é grande o suficiente para que ele possa ser facilmente manipulada com qualquer esmagamento ou corte transversal, deixando os ramos do nervo sural e fibular do nervo ciático intacta e preservando assim seus músculos alvo. Assim, este modelo oferece as vantagens de induzir menor morbidade e impedimento de locomoção do que o modelo de secção do nervo ciático e também permite aos investigadores estudar os mecanismos biológicos fisiológicos, celulares e moleculares que regulam o processo de atrofia muscular em camundongos geneticamente modificados. O nervo tibial fornece os gastrocnêmio, sóleo e plantar, por isso seu corte transversal permite o estudo do músculo esquelético desnervado composto de fibras de contração rápida do tipo II e / ou tipo de contração lenta Ifibras. Aqui demonstramos o modelo de secção do nervo tibial no C57Black6 mouse. Avaliamos a atrofia do músculo gastrocnêmio, como um músculo representante, em 1, 2 e 4 semanas de pós-denervação medindo pesos musculares e tipo de fibra área transversal específica em parafina cortes histológicos histoquímica para miosina de contração rápida.

Introduction

Desnervação do músculo esquelético, devido a uma lesão traumática do nervo periférico, doença ou intervenção farmacológica, resulta na perda imediata da função contrátil do músculo voluntário. Muscle concomitantemente começa a atrofiar e esta atrofia é reversível se oportuna, reinervação de boa qualidade ocorre 1,2. Na ausência de Reinervação, myofiber atrofia progride, e alterações biológicas irreversíveis no músculo ocorrer com fibrose muscular e da morte de células musculares. Aqui demonstramos o modelo transecção do nervo tibial, um modelo de atrofia induzida por desinervação do músculo esquelético e da fibrose, em ratinhos. Este modelo permite aos cientistas estudar os mecanismos biológicos fisiológicos, celulares e moleculares subjacentes atrofia muscular in vivo nos músculos gastrocnêmio e sóleo. Enquanto historicamente utilizados predominantemente em ratos, uma aplicação mais recente deste modelo KO e linhas de ratinhos transgénicos especificamente, permite aos investigadores para avaliar o papel da suaproteína específica (s) de interesse na indução, desenvolvimento e manutenção, ou em alternativa, a resolução de, atrofia muscular e fibrose in vivo.

O nervo tibial é um nervo periférico sensório-motora mista no membro posterior do roedor, e é um dos três ramos terminais do nervo ciático. Transecção do nervo tibial denervates o gastrocnêmio, sóleo e plantar (e os três músculos flexores profundos pequenos do pé incluindo tibial posterior, flexor longo dos dedos e flexor hallicus longus), e é um modelo bem padronizados e validados em ratos 3,4 . Os músculos gastrocnêmio e sóleo pode ser facilmente dissecados em momentos de série postar secção do nervo tibial, fixados e processados ​​para avaliação da histologia muscular e morfometria das fibras musculares, ou flash congelado para a extração de RNA e proteínas musculares para a finalidade de estudar, por exemplo, as redes de sinalização celular que regulam a atrofia muscular. O gastrocnemius muscular é um tipo de fibra muscular mista (tipo I e tipo II, embora seja predominantemente do tipo II) e do músculo sóleo é composta por uma grande proporção de fibras do tipo I, proporcionando deste modo tanto rápido e lento contração muscular para avaliação 5,6. O modelo de corte transversal do nervo tibial é adequado para o estudo do processo de atrofia induzida por desnervação muscular quer a curto prazo (dias) 7 e de longo prazo (semanas a meses) 4,8.

Em contraste com o modelo de corte transversal do nervo ciático (um segundo modelo de atrofia induzida por desinervação do músculo utilizada em roedores), transecção do nervo tibial induz menor morbidade no animal, tornando-a um modelo mais atraente. A transecção do nervo ciático denervates todos os músculos da perna (abaixo do joelho) e no pé, prejudicar a capacidade do animal para deambulação 2, enquanto que a transecção do nervo tibial folhas dos ramos do nervo sural e fibular do nervo ciático intacta, preservando assimseus músculos alvo e territórios sensoriais. O mouse é incapaz de flexão plantar ou inverter a pé, mas é capaz de deambular facilmente eo peso tem igualmente em ambos os membros posteriores, assim diminuindo significativamente a morbidade do modelo. Estudos de análise de marcha avaliando padrões de caminhada foram realizados em ratos após lesão do nervo ciático e tibial e demonstrar que a pegada eo peso do rolamento é melhor preservada com lesão tibial 9,10. Além disso, no modelo de corte transversal do nervo tibial, o nervo peroneal pode ser mobilizada num ponto de tempo posterior e transferido como uma fonte de Reinervação retardada, se o desenho do estudo requer 3. Em contraste, Reinervação retardada no modelo de corte transversal do nervo ciático que requer a utilização de um enxerto de nervo ao défice do nervo ciático, o aumento muito significativamente a dificuldade técnica do modelo e limitando a sua utilização para os cirurgiões especializados.

Enquanto o modelo de secção do nervo tibial requires familiaridade do operador com técnica cirúrgica estéril em cirurgia animal, tanto o nervo tibial e que inerva os músculos da panturrilha são facilmente acessíveis e identificáveis ​​para a manipulação, de modo que os indivíduos que não são cirurgiões, ou altamente experiente com a cirurgia animal, podem facilmente dominar este modelo .

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Protocol

Antes de usar este modelo, os investigadores devem ter recebido aprovação para o protocolo cirúrgico de uso de animais de sua instituição de órgão. O modelo é aprovado pelo Conselho de Ética de Pesquisa, Hamilton Health Sciences Corporation, da Universidade McMaster (AUP # 10-04-24) e é realizado em estrita conformidade com as recomendações do Canadian Council on Animal Care.

1. Rato Preparação

  1. Pesar o mouse. Induzir a anestesia com isoflurano 5% ou 2% de halotano. O circuito utilizado deve assegurar a eliminação adequada do anestésico para proteger o cirurgião. Após 2-3 min respiração do animal vai abrandar. Verifique se o piscar reflexo está ausente e prender os espaços interdigitais na pata para confirmar a anestesia cirúrgica (ou seja, sem resposta do mouse). Aplicar lubrificante oftálmica para o olho, para evitar a secagem da córnea, durante a cirurgia.
  2. Raspar a lateral da coxa e nádega do ciáticoponto para o joelho e desinfectar com proviodine. Barbear vai manter o local do cabelo incisão livre para garantir a adequada visualização do campo cirúrgico e minimizar a interferência com dissecção do nervo e transecção. O entalhe ciático, que é superior e posterior do fêmur, pode ser identificado por palpação.

2. Procedimento operatório

  1. Reduzir inalatória isoflurano a 2% (1% de halotano) e colocar o rato sobre o seu lado (destinado a cirurgia virada para cima), sob um microscópio de operação ou dissecação. Alternativamente, a cirurgia pode ser executada com lupas cirúrgicas desde ampliação 3.5X é satisfatória para um adulto (20-25 g) do rato.
  2. Vestir luvas estéreis. Identificar o entalhe ciático por palpação. Utilizando um bisturi, inciso na pele da coxa lateral da incisura ciática para o joelho (aproximadamente 1 cm).
  3. Delicadamente espalhar a pele. Identificar o músculo bíceps femoris, o qual é o músculo superficial plana da face lateral da coxaimediatamente por baixo da pele. Usando uma tesoura fina, dividir o músculo bíceps femoral ao longo das fibras musculares e mantenha aberto com um afastador de primavera para expor o nervo ciático e seus ramos.
  4. Identificar o nervo ciático imediatamente profundo ao músculo bíceps femoral. Ele pode ser identificado pela sua cor branca brilhante característica e é aproximadamente 0,8 mm de diâmetro. Ele roda a partir do entalhe ciático até o joelho, ramificando-se nos nervos tibial, fibular e sural ao nível da fossa poplítea.
  5. Delicadamente separar o tibial dos ramos do nervo fibular e sural com uma pinça ultrafinas e primavera tesouras microdissecting. O nervo tibial é o maior ramo e é geralmente central. É importante para não esmagar o nervo enquanto separando os ramos. Segurando o nervo apenas na camada adventicial exterior com a pinça ultrafinas, e mantendo a folga nervo (não ensinado), vai evitar esmagamento do nervo e lesão de tração.
  6. Para completa e duradoura denervatiem, cortar o nervo tibial com microdissecting tesoura como distal possível, evitando cuidadosamente os vasos poplíteos. Alternativamente, para a desnervação temporária com Reinervação completa esperado em 2-4 semanas, o nervo tibial podem ser simplesmente esmagados com uma pinça ultrafinas de 15 seg, em vez de seccionado. (Nervos periféricos regredir após lesão e reinervar músculo alvo.)
  7. Se desnervação completo é necessária, a sutura da extremidade do nervo tibial seccionado na superfície anterior do músculo bíceps femoris com nylon 10-0 e re-aproximar a bíceps femoris com 5-0 Vicryl aberrante para evitar a re-inervação dos gastrocnémio e sóleo.
  8. Feche a pele com uma corrida de sutura Vicryl 5-0.

3. Cuidados pós-operatória

  1. Desligue o anestésico inalatório, mas manter o fluxo de oxigênio. Administrar buprinorphine (ou substituto) analgésico por via subcutânea.
  2. Transferir o mouse para a gaiola limpa, semcama ao acordar da anestesia. Mantenha em um cobertor aquecimento dentro da gaiola e sob observação direta até deambulação.
  3. Transferência e casa na gaiola inferior macia (não condutores) com ampla cama macia.
  4. Inspecione a parte operativa diária para a condição da ferida cirúrgica e do pé para o desenvolvimento de úlceras de decúbito ou provas de salto de mastigar. Pequenos problemas podem ser tratados com antibióticos ou anti-sépticos como proviodine. Indicadores de terminais que requerem a eutanásia de animais são perda de peso, a evidência de auto-cuidado pobres (pele enrugada) e postura arqueada. Além disso, animais com grande ruptura feridas ou úlceras que não cicatrizam em 1-2 semanas com antibióticos tópicos ou parecem ter dor deve ser sacrificado.

4. Gastrocnêmio desnervado Colheita músculo sóleo

  1. No ponto em tempo de pós-operatório desejado, pesar o mouse e sacrifício com dois overdose CO.
  2. Raspar o aspecto medial de ambos osoperatório e pernas controle contralateral e limpo com álcool. Posicione o mouse sob um microscópio cirúrgico ou de dissecação, ou, alternativamente, utilizar lupas visualização cirúrgicos para ampliação.
  3. No membro operativo, incisar a pele de vitelo medial com um bisturi a partir do tornozelo ao joelho e perifericamente em torno do tornozelo. Puxe delicadamente a pele com uma pinça fora do músculo e proximal em direção à coxa. Isto expõe todos os músculos da perna. Identificar o músculo gastrocnémio, a qual é o músculo bezerro que se estende desde o joelho para o tornozelo na parte posterior da perna e encontra-se imediatamente abaixo da pele. Identificar a inserção distal do bíceps femoral proximal do músculo gastrocnêmio sobre o aspecto medial do joelho. Na sua inserção distal do bíceps femoral parece fina e transparente e recobre a porção mais proximal do gastrocnêmio. Usando uma tesoura e dissecção fim brusco, separe delicadamente a inserção distal do bíceps femoral a partir do gásmúsculo gastrocnêmio.
  4. Na sua inserção distal no calcâneo, o músculo gastrocnêmio afunila no tendão de Aquiles. Identificar o tendão de Aquiles, que aparece em branco e musculoso. Segure o tendão de Aquiles com uma pinça, tomando cuidado para não prender ou esmagar o músculo gastrocnêmio, e dividir o tendão de Aquiles da inserção do calcâneo com uma tesoura.
  5. Ainda segurando o tendão, levante suavemente o músculo gastrocnêmio (vermelho pálido) fora o sóleo profundas (mais fundo vermelho), a partir da inserção distal em direção a sua origem na altura do joelho (o sóleo pode ser colhida separadamente).
  6. Dissecar as gastrocnémio fora da perna dividindo a origem do gastrocnémio dos chondyles medial e lateral do fémur, utilizando uma tesoura. Tração muito suave no músculo facilita esse processo. Tenha cuidado para não esmagar o músculo.
  7. Os sóleo será agora claramente visível, imediatamente abaixo do local do gastrocnêmio. Levante o sóleo de sua inserção no tendão de Aquiles para a sua ouigin na panturrilha posterior. Se o sóleo é, inadvertidamente, levantado com o gastrocnêmio, separe-o suavemente a amostra colhida. O gastrocnêmio (luz vermelha) e sóleo (vermelho escuro) permanecem facilmente identificáveis ​​na amostra colhida, devido às suas diferenças de cor.
  8. Pesar os músculos separadamente em uma balança de precisão.
  9. Dividir os músculos na vertical, para o congelamento de metade pressão em azoto líquido (por proteína posterior e / ou de extracção de ARN), e metade para a histologia (isto é, a avaliação morfométrica, imunohistologia) fixar ou em formalina a 10%, ou fixação congelados em isopentano arrefecido com azoto líquido , conforme o desejado.
  10. Repita a partir do passo 4.3 acima no controle, não-operado, lado a colheita de controle gastrocnêmio e sóleo.

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Representative Results

Secção do nervo tibial denervates o gastrocnêmio, sóleo e plantar do bezerro. Aqui nós avaliar o desenvolvimento de atrofia do músculo gastrocnémio, como um representante do músculo. Músculo do gastrocnémio foi colhido 2-3 meses de idade C57Black seis ratinhos (Jackson Laboratories) desnervados por 1, 2 ou 4 semanas. Pesos do músculo diminuir progressivamente (Figura 1), assim como a área de secção transversal de fibras do tipo II rápidas contração muscular (Figura 2), ao longo do tempo. O gastrocnêmio é um tipo de fibra muscular mista (tipo I e tipo II), mas a desnervação induz uma mudança do tipo de fibra do tipo I para tipo II 11 fibras, e como resultado, um número adequado de fibras tipo I podem não estar disponíveis para a medição e análise estatística robusta.

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Figura 1. Músculo gastrocnêmio desnervado demonstra atrofia progressiva. C57Black seis ratos foram submetidos a transecção do nervo tibial direito. Músculo gastrocnêmio foi colhida a partir do controle desnervado (direita) e contralateral (esquerdo) membros pélvicos em 1, 2 ou 4 semanas após a secção do nervo. Gastrocnemius músculos foram pesados, e o peso do músculo desnervado é expressa como uma proporção de músculo inervado de controlo contralateral. A desnervação induz uma perda progressiva de massa muscular.

Figura 2
Figura 2. Músculo gastrocnêmio desnervado demonstra diminuição progressiva myofiber área de seção transversal músculo gastrocnêmio (A) desnervado e controle foram fixados em formalina, corte em corte transversal no musclmid e e histoquímica para miosina muscular anti-esquelético, rápida contração isoforma (My-32, Sigma, diluição 1:500), seguido de anticorpo secundário biotinilado e streptavidin-HRP/DAB como descrito 7. Hematoxilina foi utilizado como um contracorante. Fibras de contração rápida do tipo II mancha marrom tipo de contração lenta e fibras I mancha roxa luz. A área de corte transversal (AST) das fibras foi medida usando o software ImageJ (Bethesda, NIH) como descrito 7,12. As fibras de contração rápida do tipo II demonstram atrofia progressiva. Muito poucas fibras do tipo I estão presentes em gastrocnêmio desnervado de permitir uma avaliação estatisticamente válida do tamanho da fibra. (N = 6 a 9 ratos / grupo Um mínimo de 200 fibras musculares foram medidos por músculo por um revisor cego para o fenótipo operatório Os dados são apresentados como média + / -... Barra de escala SD é igual a 100 mm). Clique aqui para ampliar descobrir .

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Discussion

O modelo de corte transversal do nervo tibial induzida por desnervação atrofia do músculo esquelético é um modelo vulgarmente utilizados e bem validado em ratos. Temos este modelo adaptado para utilização em ratinhos, o que permite ao investigador para tirar vantagem da existência de ratos geneticamente modificados e estudar o processo de atrofia muscular in vivo na ausência de proteínas essenciais para a regulação da massa muscular 7,8. Os músculos gastrocnemius e sóleo, ambos desnervado neste modelo, pode ser facilmente e rapidamente dissecados com uma manipulação mínima, proporcionando assim uma excelente qualidade de ARNm e proteína para análises moleculares subsequentes. Da mesma forma, por causa do tamanho dos músculos, que pode ser dividida, proporcionando o mesmo a partir de tecido animal para análise histológica e morfométrica concomitantes. Se for necessária uma avaliação funcional dos membros posteriores, andar análise de trilha pode ser feita em série. Os pés são mergulhados em tinta eo mouse é orientado através de uma caixa com papel noinferior. Características das impressões pode ser medido e chutou forte para indicar o grau de deficiência neuromuscular e comprometimento da marcha, uma vez que as características pegada refletir os grupos musculares funcionais 13,14 confiável. Embora originalmente desenvolvido e validado no rato 13, uma curta análise faixa pode também ser realizado em ratos 15.

Transecção do nervo tibial é geralmente muito bem tolerado pelos ratos. Apenas uma única dose de analgésico é necessário durante o período pós-operatório imediato. Com a utilização de uma técnica estéril adequada, a infecção do tecido mole é rara. Enquanto a secção do nervo tibial faz induzir parestesia sensorial no aspecto plantar do pé, em nossa experiência C57black6 e nocaute ou camundongos transgênicos obtidos nesta linha não tendem a auto-mutilar. No entanto, os ratos devem ser inspecionados diariamente para sinais de auto-mutilação, úlceras de pressão do salto, bem como ponto de endpoints cuidados. Embora tenhamos sagacidade mortalidade insignificanteh, o modelo, descobrimos que aproximadamente 2-5% dos ratinhos devem ser sacrificados devido a lesão mediada por auto-a, ou o desenvolvimento de úlceras de pressão sobre o membro posterior operado. O uso de cama macia é pós-operatório crucial para garantir o conforto do animal e ajuda a prevenir o desenvolvimento de úlceras de pressão no lado operado. Ligadura do nervo ciático, bem como o modelo de ligadura SNI (onde os ramos tibial e peroneal comum do ciático são ligados, mas a sural é deixada intacta) servem como modelos de dor neuropática 16,17. Assim, alodinia e hiperalgesia térmica pode ocorrer no pé do nosso modelo também, mas ainda não vimos o comportamento da dor evidente nos ratos com actividade diária normal em cama macia.

O nervo tibial de apenas um dos membros posteriores é seccionado e uma vez que o peso de ratinhos suportar quase igual em ambos os membros posteriores, a musculatura do membro contralateral não operado pode ser usado como um controlo interno de cada animal dentro de 7-10.Esta não é necessariamente o caso no modelo de corte transversal ciático, onde mais anomalias significativas de marcha pode induzir uma resposta hipertrófica no músculo do membro contralateral. No modelo de secção do nervo tibial, que normalmente usam o músculo gastrocnêmio e sóleo do membro não-operado como nosso controle muscular 7,8. Se o investigador decide usar os animais separados a partir do qual a colher controlo muscular, então a cirurgia simulada deve ser realizada. Cirurgia Sham consistiria na administração da anestesia, a separação da pele para expor o nervo tibial, mas não transecção. Pele seria simplesmente fechada exposição do nervo seguinte.

Em alguns modelos de corte transversal do nervo periférico, Reinervação errante a partir do coto proximal do músculo alvo contamina a desnervação planeada. Neste modelo, a fixar a extremidade proximal da tíbia do nervo seccionado para a superfície superficial do bíceps femoris, fechando, assim, a interface de músculo, inibidorests a reinervação errante. Como tal, é um passo crítico e essencial no modelo. Reinervação errante é raro neste modelo.

Da mesma forma, a manipulação cuidadosa do nervo durante a cirurgia é essencial. Os ramos do nervo sural e fibular devem ser separados suavemente a partir do nervo tibial anterior à transecção da tíbia, e não esmagado ou esticado no processo. O manuseio indevido destes nervos irá comprometer a sua função, denervação parcialmente outra musculatura dos membros posteriores. Se isto ocorrer a marcha do animal será influenciada diferencialmente em comparação com os ratos submetidos a transecção do nervo tibial sola, e a variável de carga muscular pode contaminar os resultados experimentais. Da mesma forma, os cuidados devem ser tomados quando se dissecar a musculatura desnervado. Músculo deve ser manuseado pelo tendão, e não directamente agarrada para evitar artefato esmagamento que vai afectar a histologia, análises morfométricas de fibras musculares e, possivelmente, a expressão do gene.

Nós typically empregar este modelo em ratinhos 20-24 g (2-3 meses de idade), enquanto o animal está madura e o nervo ciático e tibial são ambos de tamanho adequado para ser facilmente manipulado. A cirurgia pode ser executada em animais mais jovens, mais pequenas se se desejar, mas o factor limitante aqui será a destreza do cirurgião. Isso pode ser um problema se o investigador está interessado em estudar a resposta de células satélites em músculo desnervado. O potencial regenerativo das células satélites diminui em idosos, em comparação com os animais mais jovens, de 18 e, portanto, os animais mais jovens possam ser necessárias no projeto experimental, apresentando um desafio técnico para um operador menos experiente.

O modelo de corte transversal do nervo tibial pode ser adaptado a partir de um simples modelo de atrofia muscular induzida por desnervação, a um dos Reinervação muscular tardia (> 4 semanas), se desejado e, se os operadores experientes cirúrgicos estão disponíveis 1,3. Após um período de desnervação especificada pelo investigator, o mouse pode ser reoperado e do nervo peroneal mobilizados para reinervar a musculatura desnervado. O coto distal do nervo tibial seccionado é identificado, aparado e o nervo peroneal é mobilizado na sua extremidade distal e microcirurgicamente reparado para o coto do nervo tibial. O nervo peroneal vai crescer a uma taxa de aproximadamente 1 mm / dia no coto do nervo tibial para reinervar os músculos gastrocnêmio e sóleo. O modelo de corte transversal do nervo tibial proporciona uma vantagem em relação ao modelo de corte transversal do nervo ciático em que o enxerto de nervo não é necessário no processo de Reinervação 2 devido à disponibilidade do nervo peroneal. No entanto, deve notar-se que reanastomoses nervosas requer a precisão de um operador especializado e com experiência.

Em resumo, aqui demonstrar o modelo de corte transversal do nervo tibial em ratinhos, como um modelo simples, robusto, bem validado e reprodutível de atrofia induzida por desinervação do músculo esquelético.

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Disclosures

Não há conflitos de interesse declarados.

Acknowledgments

Este trabalho foi financiado por doações da Parceria de Pesquisa Neuromuscular CIHR (JNM - 90959, para Jaeb).

Materials

Name Company Catalog Number Comments
Reagents and Materials
10-0 Nylon suture Ethicon 2850G
5-0 Vicryl suture Ethicon J553G
Equipment
Spring microdissecting scissors Fine Surgical Tools 15021-15
Ultra fine forceps Fine Surgical Tools 11370-40
Non locking micro needle holder (driver) Fine Surgical Tools 12076-12
Spring retractor Fine Surgical Tools 17000-02

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Batt, J. A. E., Bain, J. R. TibialMore

Batt, J. A. E., Bain, J. R. Tibial Nerve Transection - A Standardized Model for Denervation-induced Skeletal Muscle Atrophy in Mice. J. Vis. Exp. (81), e50657, doi:10.3791/50657 (2013).

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