Doseringsgecorrigeerde weerstandstraining bij muizen met een verminderd risico op spierschade
Summary
Het huidige protocol beschrijft een unieke techniek genaamd dosering-aangepaste weerstandstraining (DART), die kan worden opgenomen in precisierevalidatiestudies die worden uitgevoerd bij kleine dieren, zoals muizen.
Abstract
Progressieve weerstandstraining (PRT), waarbij spiercontracties worden uitgevoerd tegen progressief grotere externe belastingen, kan de spiermassa en kracht bij gezonde personen en in patiëntenpopulaties vergroten. Er is behoefte aan precisierevalidatietools om de veiligheid en effectiviteit van PRT te testen om spiermassa en kracht te behouden en / of te herstellen in preklinische studies op kleine en grote diermodellen. De PRT-methodologie en het apparaat dat in dit artikel wordt beschreven, kunnen worden gebruikt om doseringsgecorrigeerde weerstandstraining (DART) uit te voeren. Het DART-apparaat kan worden gebruikt als een stand-alone rollenbank om objectief het concentrische contractiele koppel te beoordelen dat wordt gegenereerd door de enkel dorsiflexoren bij muizen of kan worden toegevoegd aan een reeds bestaand isokinetisch dynamometriesysteem. Het DART-apparaat kan worden vervaardigd met een standaard 3D-printer op basis van de instructies en open-source 3D-afdrukbestanden die in dit werk worden geleverd. Het artikel beschrijft ook de workflow voor een studie om contractie-geïnduceerde spierschade veroorzaakt door een enkele aanval van DART te vergelijken met spierschade veroorzaakt door een vergelijkbare aanval van isometrische contracties (ISOM) in een muismodel van limb-girdle spierdystrofie type 2B / R2 (BLAJ-muizen). De gegevens van acht BLAJ-muizen (vier dieren voor elke aandoening) suggereren dat minder dan 10% van de tibialis anterieure (TA) spier werd beschadigd door een enkele aanval van DART of ISOM, waarbij DART minder schadelijk was dan ISOM.
Introduction
Oefening verleent tal van gezondheidsvoordelen aan de skeletspieren (besproken in Vina et al.1). In het bijzonder is bekend dat progressieve weerstandstraining (PRT), waarbij spiercontracties worden uitgevoerd tegen progressief grotere externe belastingen (bijv. Halters, dumbbells, kabel-katrol-gewichtscircuits), helpen de spiermassa en kracht te vergroten bij zowel gezonde individuen als patiëntenpopulaties (besproken in eerdere publicaties 2,3 ). PRT is gebaseerd op het overbelastingsprincipe, dat stelt dat, wanneer de spier samentrekt tegen geleidelijk grotere externe belastingen, deze zich aanpast door zijn fysiologische dwarsdoorsnedegebied en krachtproducerende capaciteit te vergroten4. Bestaande modellen van PRT bij knaagdieren omvatten ladderklimmen met weerstand toegepast op de staart, co-contractie van agonistische spieren tegen weerstand van antagonisten, hardlopen met een verzwaard harnas, een hurkoefening veroorzaakt door een elektrische schok en weerstand tegen wiellopen 5,6,7,8,9,10 (besproken in eerdere publicaties 11,12 ). Er zijn momenteel echter geen onderzoeksinstrumenten om precies spiergerichte, doseringsgecorrigeerde PRT uit te voeren bij muizen die sterk lijken op de PRT-methoden en -apparaten die worden gebruikt in menselijk klinisch onderzoek en praktijk12,13. Dit beperkt het vermogen van onderzoekers om de veiligheid en effectiviteit van nauwkeurig gedoseerde PRT te bestuderen in basis- en preklinische studies bij muizen.
Om deze barrière te overwinnen, worden in deze studie een PRT-methodologie en -apparaat ontwikkeld op basis van de kabel-katrolgewichtcircuitontwerpen die worden gebruikt in weerstandstrainingsapparatuur in moderne sporthallen 14,15,16. Deze methode van PRT wordt doseringsgecorrigeerde weerstandstraining (DART) genoemd en het apparaat wordt het DART-apparaat genoemd. Naast de functionaliteit als een precisierevalidatietrainingsinstrument, kan het DART-apparaat ook worden gebruikt als een op zichzelf staand instrument om objectief het maximale concentrische contractiele koppel te beoordelen dat kan worden gegenereerd door de tibialis anterieure (TA) spier in een muis, vergelijkbaar met hoe het maximum van één herhaling (1RM, de maximale belasting die met succes kan worden opgetild / verplaatst / ingedrukt / gehurkt met behoud van een goede vorm) wordt beoordeeld bij mensen17, 18. Het DART-apparaat kan ook worden gekoppeld aan een op maat gemaakte of commerciële isokinetische rollenbank om de piek isometrische tetanische kracht te meten die wordt geproduceerd door de TA-spier in een muis (vergelijkbaar met maximale vrijwillige contractie [MVC] bij mensen) en vervolgens doseringsgecorrigeerde PRT uit te voeren met een weerstand die is gebaseerd op de piektetanische kracht (bijv. 50% van de piekkracht).
Dit artikel beschrijft de constructie van het DART-apparaat en legt uit hoe het kan worden gekoppeld aan een op maat gemaakte rollenbank, die is beschreven in eerdere publicaties 19,20,21,22, om het contractiele koppel te beoordelen en DART uit te voeren. De studie beschrijft ook hoe het DART-apparaat werd gebruikt om door inspanning geïnduceerde spierschade veroorzaakt door een enkele aanval van DART (4 sets van 10 concentrisch bevooroordeelde contracties met 50% 1RM) te vergelijken met schade veroorzaakt door een vergelijkbare aanval van isometrische contracties (4 sets van 10 isometrische contracties) in een muismodel van limb-girdle spierdystrofie type 2B (LGMD2B, of LGMDR2)23,24. Het muismodel dat werd bestudeerd, mist een eiwit genaamd dysferline, dat een belangrijke rol speelt bij het beschermen van de skeletspieren tegen spierschade met vertraagde aanvang na schadelijke excentrische contracties 22,25,26,27,28,29,30 . Het is ook aangetoond bij dysferline-deficiënte mannelijke muizen dat concentrisch bevooroordeelde gedwongen lichaamsbeweging niet zo schadelijk is als excentrisch bevooroordeelde gedwongen lichaamsbeweging en dat eerdere blootstelling aan concentrisch bevooroordeelde training bescherming biedt tegen letsel van een volgende aanval van excentrisch bevooroordeelde weeën22. Aangezien de huidige studie werd uitgevoerd om de haalbaarheid van de huidige DART-methodologie en het apparaat te testen bij het uitvoeren van doseringsgecorrigeerde, concentrisch bevooroordeelde weerstandstraining, werden mannelijke dysferline-deficiënte muizen gekozen voor het onderzoek om nieuwe gegevens van het DART-apparaat te vergelijken met eerdere gegevens. In toekomstige studies zullen vrouwelijke BLAJ-muizen worden opgenomen om het effect van seks als biologische variabele in relatie tot de respons op DART te bestuderen. Muizen die ~ 1,5 jaar oud waren, werden bestudeerd omdat ze al dystrofische veranderingen hebben in veel spiergroepen en daarom de pathofysiologische toestand modelleren waarin spieren zich kunnen bevinden bij patiënten die al spierzwakte en -verspilling hebben en rehabilitatiezorg zoeken om spiermassa en kracht te behouden26.
Protocol
Representative Results
Discussion
Dit artikel bevat stapsgewijze instructies voor het bouwen van een apparaat om een soort precisierevalidatietraining uit te voeren die doseringsgecorrigeerde weerstandstraining (DART) wordt genoemd. Het werk beschrijft ook de toepassing van het DART-apparaat en de methodologie in een trainingsstudie om spierschade 3 dagen na een enkele aanval van DART (DART-groep) te vergelijken met schade 3 dagen na een vergelijkbare periode van isometrische training (ISOM-groep).
De kritieke stappen in het p…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Deze studie werd gefinancierd door subsidies van de Jain Foundation Inc., R03HD091648 van NICHD, een Pilot Grant van AR3T onder NIH P2CHD086843, een FRAP Award van EACPHS aan de Wayne State University, een Faculty Startup Package van Wayne State University en een subcontract van 1R01AR079884-01 (Peter L. Jones PI) aan JAR. Deze studie werd ook gefinancierd door een onderzoekssubsidie van de American Physical Therapy Association – Michigan (APTA-MI) aan JMB, MEP en JAR. De auteurs erkennen Dr. Renuka Roche (universitair hoofddocent, Eastern Michigan University, MI) voor het kritisch lezen van het manuscript en het geven van feedback. De auteurs erkennen de heer Anselm D. Motha voor advies over 3D-printen. De auteurs bedanken de patiënten met dysferlinopathieën die hun verhalen hebben gedeeld op de website van de Jain Foundation op https://www.jain-foundation.org/patient-physician-resources/patient-stories, met name hun ervaringen met lichaamsbeweging.
Materials
| AnMiao Star 608 Ceramic Ball Bearing | Anmiao Star (N/A) | AMS127 | High precision, low friction wheel bearing. If make and model is not commercially available, an alternative version of a 608 low-friction wheel bearing, 8 mm bore diameter, 22 mm outside diameter, with silicon nitride ceramic balls in 420 stainless steel housing should suffice. Excess friction in the wheel bearing will adversely impact performance of the DART device and will increase overall resistance to muscle contractions. |
| Axio Scope.A1 microscope | Carl Zeiss (Peabody, MA) | Product #Axio Scope.A1 | Light and fluorescence microscope |
| B6.A-Dysfprmd/GeneJ (a.k.a. BLAJ mice) | The Jackson Laboratory (Bar Harbor, ME). Special colony maintained by The Jain Foundation Inc. for collaborators who study dysferlin. | Stock #012767 | Dysferlin deficient mice that model human limb girdle muscular dystrophy type 2B/R2. |
| Bipolar, transcutaneous, neuromuscular electrical stimulation (NMES) electrode | Harvard Apparatus, Holliston, MA | BS4 50–6824 | Electrode for NMES. If this electrode is not commercially available, please contact corresponding author for alternatives. |
| Coplin Staining Dish | ThermoFisher (Waltham, MA) | Catalog No. S17495 | Staining dish/jar for hematoxylin and eosin (H&E) staining of sections |
| Cura 4.4.1. Software | Ultimaker, Utrecht, Netherlands | Ultimaker Cura 4.4.1. | Slicing software to convert stereolithography files into G-CODE files |
| Deltaphase isothermal gel heating pad | Braintree Scientific (Braintree, MA) | Item #39DP | Heating pad to provide thermal support to animals while under anesthesia |
| Eosin Y | Millipore Sigma (Burlington, MA) | HT110132-1L | Pink cytoplasmic stain |
| Gorilla Super Glue | The Gorilla Glue Company (Cincinnati, OH) | Gorilla Super Glue Micro Precise | Cyanoacrylate adhesive to bond PLA components |
| Hematoxylin solution, Gill No.3 | Millipore Sigma (Burlington, MA) | GHS332-1L | Dark blue stain for nuclei |
| HM525NX cryostat | ThermoFisher (Waltham, MA) | Catalog #HM525NX | Cryostat to make frozen sections of muscle |
| Lab Wipes. Kimberly-Clark Professional Kimtech Science Kimwipes Delicate Task Wipers, 1-Ply | ThermoFisher (Waltham, MA) | Catalog No. 06-666. Manufacturer #34120 | Laboratory wipes to blot mineral oil from muscle tissue before snap freezing and for other purposes. |
| Labview 2014 | National Instruments, Austin, Texas, USA | Labview 2014 | Software for custom-written programs/routines that operate the dynamometer and trigger the NMES stimulator. |
| Liquid nitrogen HDPE Dewar Flasks | ThermoFisher (Waltham, MA) | S34074B. Thermo Scientific 41502000/EMD | Flask to hold liquid nitrogen for snap freezing muscle or other tissue |
| Magic depilatory cream | Softsheen Carson (New York, NY) | N/A | Razorless hair removal cream |
| Metal alligator clip | JINSHANGTOPK (web-based business) | 24Pcs 51mm Metal Alligator Clip Spring Clamps | Spring clamp to hold tibial pin |
| Micrscope slides | Globe Scientific (Mahwah, NJ) | 1354W. Diamond White Glass Slides | Charged microscope slides |
| Mineral Oil | ThermoFisher (Waltham, MA) | BP26291 | Mineral oil to cryoprotect muscle tissue before snap freezing |
| Monoprice Premium 3D Printer Filament PLA | Monoprice (Rancho Cucamonga, CA) | #11778 | Premium 3D Printer Filament PLA 1.75mm 1 kg/spool, Gray. This is the material used to 3D print device components. |
| Monoprice Select Mini V2 3D printer | Monoprice (Rancho Cucamonga, CA) | Mini V2 3D | 3D printer for computer-aided fabrication of device components. |
| NIH Image software | National Instritues of Health (NIH, Bethesda, MD) | NIH Image for Windows | Image processing and analysis software used to quantify area of muscle damage. NIH Image is also known as Image J. |
| Photoshop CS4 | Adobe (San Jose, CA) | Creative Suite (CS4). 64 bit version for Windows | Image processing and analysis software used to generate tiled/stiched images of entire muscle cross-section from images of indvidual overlapping fields |
| PSIU6 stimulation isolation unit | Grass Instruments (West Warwick, RI) | PSIU6 isolation unit | Isolation unit for NMES. Stimulators, such as Model 4100 from A-M come with a built in stimulation isoloation unit |
| Roboz 4-0 silk black braided suture material | Roboz Surgical (Gaithersburg, MD) | Roboz Surgical SUT152 | Suture material to connect DART device footplate to dynamometer footplate or resistance for resistance training |
| S48 square pulse stimulator | Grass Instruments (West Warwick, RI) | S48 Stimulator | Laboratory electrical stimulator for NMES . If this stimulator is not commercially available, Model 4100 Isolated High Power Stimulator from A-M systems could be an alternative. Please contact co-author Jones for more information. |
| Scott’s bluing reagent | Ricca Chemical Company (Arlington, TX) | 6697-32 | Bluing solution that intensifies hematoxylin nuclear staining |
| SigmaStat version 3.5 | Systat Software (San Jose, CA) | SigmaStat version 3.5 | Statistical software package for statistical analyses |
| Tabletop isoflurane vaporizer | VetEquip (Livermore, CA) | Item #901801 | Inhaled tabletop anesthesia system |
| Triple antibiotic first aid ointment | Global Health Products (wed-based business) | Globe Triple Antibiotic First Aid Ointment, 1 oz (2-Pack) First Aid Antibiotic Ointment | Antibiotic ointment applied on tibial pin as part of post-procedural care |
References
- Vina, J., Sanchis-Gomar, F., Martinez-Bello, V., Gomez-Cabrera, M. C. Exercise acts as a drug; The pharmacological benefits of exercise. British Journal of Pharmacology. 167 (1), 1-12 (2012).
- Murton, A. J., Greenhaff, P. L. Resistance exercise and the mechanisms of muscle mass regulation in humans: Acute effects on muscle protein turnover and the gaps in our understanding of chronic resistance exercise training adaptation. The International Journal of Biochemistry & Cell Biology. 45 (10), 2209-2214 (2013).
- Pepin, M. E., Roche, J. A., Malek, M. H., Chandler, T. J., Brown, L. E. Strength Training for Special Populations. Conditioning for Strength and Human Performance. , 547-570 (2019).
- Helland, C., et al. Training strategies to improve muscle power: Is Olympic-style weightlifting relevant. Medicine and Science in Sports and Exercise. 49 (4), 736-745 (2017).
- Souza, M. K., et al. l-Arginine supplementation blunts resistance exercise improvement in rats with chronic kidney disease. Life Sciences. 232, 116604 (2019).
- Schmoll, M., et al. SpillOver stimulation: A novel hypertrophy model using co-contraction of the plantar-flexors to load the tibial anterior muscle in rats. PloS One. 13 (11), 0207886 (2018).
- Adams, G. R., Haddad, F., Bodell, P. W., Tran, P. D., Baldwin, K. M. Combined isometric, concentric, and eccentric resistance exercise prevents unloading-induced muscle atrophy in rats. Journal of Applied Physiology. 103 (5), 1644-1654 (2007).
- Guedes, J. M., et al. Muscular resistance, hypertrophy and strength training equally reduce adiposity, inflammation and insulin resistance in mice with diet-induced obesity. Einstein. 18, (2019).
- Zhu, W. G., et al. Weight pulling: A novel mouse model of human progressive resistance exercise. Cells. 10 (9), 2459 (2021).
- Call, J. A., McKeehen, J. N., Novotny, S. A., Lowe, D. A. Progressive resistance voluntary wheel running in the mdx mouse. Muscle & Nerve. 42 (6), 871-880 (2010).
- Strickland, J. C., Smith, M. A. Animal models of resistance exercise and their application to neuroscience research. Journal of Neuroscience Methods. 273, 191-200 (2016).
- Greising, S. M., Basten, A. M., Schifino, A. G., Call, J. A., Greising, S. M., Call, J. A. Considerations for Small Animal Physical Rehabilitation. Regenerative Rehabilitation: From Basic Science to the Clinic. , 39-59 (2022).
- Roche, J. A., Greising, S. M., Call, J. A. Regenerative Rehabilitation for Nonlethal Muscular Dystrophies. Regenerative Rehabilitation: From Basic Science to the Clinic. , 61-84 (2022).
- Schott, N., Johnen, B., Holfelder, B. Effects of free weights and machine training on muscular strength in high-functioning older adults. Experimental Gerontology. 122, 15-24 (2019).
- . Dr. Gustav Zander’s Victorian-Era Exercise Machines Made the Bowflex Look Like Child’s Play Available from: https://www.smithsonianmag.com/smithsonian-institution/gustav-zander-victorian-era-exercise-machines-bowflex-180957758/ (2016)
- Hansson, N., Ottosson, A. Nobel prize for physical therapy? Rise, fall, and revival of medico-mechanical institutes. Physical Therapy. 95 (8), 1184-1194 (2015).
- ACSM. American College of Sports Medicine position stand. Progression models in resistance training for healthy adults. Medicine and Science in Sports and Exercise. 41 (3), 687-708 (2009).
- Suchomel, T. J., Nimphius, S., Bellon, C. R., Hornsby, W. G., Stone, M. H. Training for muscular strength: Methods for monitoring and adjusting training intensity. Sports Medicine. 51 (10), 2051-2066 (2021).
- Bloch, R. J., et al. Small-Animal Unit for Muscle Injury, Muscle Testing and Muscle Training in Vivo. US Patent. , (2012).
- Lovering, R. M., Roche, J. A., Goodall, M. H., Clark, B. B., McMillan, A. An in vivo rodent model of contraction-induced injury and non-invasive monitoring of recovery. Journal of Visualized Experiments. (51), e2782 (2011).
- Begam, M., et al. Diltiazem improves contractile properties of skeletal muscle in dysferlin-deficient BLAJ mice, but does not reduce contraction-induced muscle damage. Physiological Reports. 6 (11), 13727 (2018).
- Begam, M., et al. The effects of concentric and eccentric training in murine models of dysferlin-associated muscular dystrophy. Muscle and Nerve. 62 (3), 393-403 (2020).
- Straub, V., Murphy, A., Udd, B. 229th ENMC international workshop: Limb girdle muscular dystrophies – Nomenclature and reformed classification Naarden, the Netherlands. Neuromuscular Disorders. 28 (8), 702-710 (2018).
- . DYSFERLIN Available from: https://www.omim.org/entry/603009 (2021)
- Millay, D. P., et al. Genetic manipulation of dysferlin expression in skeletal muscle: Novel insights into muscular dystrophy. American Journal of Pathology. 175 (5), 1817-1823 (2009).
- Nagy, N., et al. Hip region muscular dystrophy and emergence of motor deficits in dysferlin-deficient Bla/J mice. Physiological Reports. 5 (6), 13173 (2017).
- Roche, J. A., Lovering, R. M., Bloch, R. J. Impaired recovery of dysferlin-null skeletal muscle after contraction-induced injury in vivo. Neuroreport. 19 (16), 1579-1584 (2008).
- Roche, J. A., et al. Extensive mononuclear infiltration and myogenesis characterize recovery of dysferlin-null skeletal muscle from contraction-induced injuries. American Journal of Physiology: Cell Physiology. 298 (2), 298-312 (2010).
- Roche, J. A., Ru, L. W., Bloch, R. J. Distinct effects of contraction-induced injury in vivo on four different murine models of dysferlinopathy. Journal of Biomedicine and Biotechnology. 2012, 134031 (2012).
- Roche, J. A., et al. Myofiber damage precedes macrophage infiltration after in vivo injury in dysferlin-deficient A/J mouse skeletal muscle. American Journal of Pathology. 185 (6), 1686-1698 (2015).
- Ingalls, C. P., Warren, G. L., Zhang, J. Z., Hamilton, S. L., Armstrong, R. B. Dihydropyridine and ryanodine receptor binding after eccentric contractions in mouse skeletal muscle. Journal of Applied Physiology. 96 (5), 1619-1625 (2004).
- Dutton, M. . Orthopaedics for the Physical Therapist Assistant. , 238 (2011).
- Begam, M., Abro, V. M., Mueller, A. L., Roche, J. A. Sodium 4-phenylbutyrate reduces myofiber damage in a mouse model of Duchenne muscular dystrophy. Applied Physiology, Nutrition, and Metabolism. Physiologie Appliquée, Nutrition et Métabolisme. 41 (10), 1108-1111 (2016).
- Tully, J. J., Meloni, G. N. A scientist’s guide to buying a 3D printer: How to choose the right printer for your laboratory. Analytical Chemistry. 92 (22), 14853-14860 (2020).
- Schwiening, C. 3D printing primer for physiologists. Physiology News. (101), (2015).
- Begam, M., Roche, J. A. Damaged muscle fibers might masquerade as hybrid fibers – A cautionary note on immunophenotyping mouse muscle with mouse monoclonal antibodies. European Journal of Histochemistry. 62 (3), 2896 (2018).
- Lott, D. J., et al. Safety, feasibility, and efficacy of strengthening exercise in Duchenne muscular dystrophy. Muscle & Nerve. 63 (3), 320-326 (2021).
- Lindsay, A., Larson, A. A., Verma, M., Ervasti, J. M., Lowe, D. A. Isometric resistance training increases strength and alters histopathology of dystrophin-deficient mouse skeletal muscle. Journal of Applied Physiology. 126 (2), 363-375 (2019).
- Dalkin, W., Taetzsch, T., Valdez, G. The fibular nerve Injury method: A reliable assay to identify and test factors that repair neuromuscular junctions. Journal of Visualized Experiments. (114), e54186 (2016).
- Amend, S. R., Valkenburg, K. C., Pienta, K. J. Murine hind limb long bone dissection and bone marrow isolation. Journal of Visualized Experiments. (110), e53936 (2016).
- Gerlinger-Romero, F., et al. Non-invasive assessment of dorsiflexor muscle function in mice. Journal of Visualized Experiments. (143), e58696 (2019).
- Brightwell, C. R., et al. In vivo measurement of knee extensor muscle function in mice. Journal of Visualized Experiments. (169), e62211 (2021).
- Pratt, S. J. P., Lawlor, M. W., Shah, S. B., Lovering, R. M. An in vivo rodent model of contraction-induced injury in the quadriceps muscle. Injury. 43 (6), 788-793 (2012).
- Shields, R. K. Precision rehabilitation: How lifelong healthy behaviors modulate biology, determine health, and affect populations. Physical Therapy. 102 (1), 248 (2022).
- . Medical Rehabilitation Research Resource Network (MR3N). Precision Rehabilitation – Inaugural Scientific Retreat Available from: https://ncmrr.org/education-training/archived-presentations/precision-rehab-archive (2021)
- Roche, J. A., et al. Minimally invasive muscle embedding generates donor-cell-derived muscle fibers that express desmin and dystrophin. Military Medicine. 185, 423-429 (2020).
- Roche, J. A., et al. Minimally invasive muscle embedding (MIME), facilitates the development of functional muscle fibers of human cadaveric origin, in host mice. The FASEB Journal. 33, 602 (2019).
