في قياس الجسم الحي لوظيفة العضلات إكستنور الركبة في الفئران

Camille R. Brightwell; Ted G. Graber; Benjamin D. Brightwell; Matthew Borkowski; Brian Noehren; Christopher S. Fry

doi:10.3791/62211

Summary

تحديد كمي للقوة القصوى لتكثيف الركبة أمر حتمي لفهم التكيفات الوظيفية للشيخوخة والمرض والإصابة وإعادة التأهيل. نقدم طريقة جديدة لقياس مرارا وتكرارا في الجسم الحي تمديد الركبة متساوي القياس ذروة عزم الدوران التاثني.

Abstract

اللدونة العضلات الهيكل العظمي استجابة لظروف لا تعد ولا تحصى والمحفزات يتوسط التكيف الوظيفي المتزامنة، سواء السلبية والإيجابية. في العيادة ومختبر الأبحاث ، يتم قياس القوة العضلية القصوى على نطاق واسع طوليا في البشر ، مع عضلات موسع الركبة النتيجة الوظيفية الأكثر الإبلاغ عنها. علم الأمراض في الركبة مجمع العضلات المكبر موثقة توثيقا جيدا في الشيخوخة, إصابة العظام, مرض, وعدم الاستخدام; ترتبط قوة مقوي الركبة ارتباطا وثيقا بالقدرة الوظيفية وخطر الإصابة ، مما يؤكد على أهمية القياس الموثوق لقوة مقوي الركبة. قابل للتكرار، في تقييم الجسم الحي لقوة توسيع الركبة في دراسات القوارض قبل السريرية يقدم نقاط نهاية وظيفية قيمة للدراسات استكشاف هشاشة العظام أو إصابة الركبة. نحن تقرير في الجسم الحي وبروتوكول غير الغازية لقياس مرارا وتكرارا عزم الدوران ذروة متساوي القياس من امتدادات الركبة في الفئران عبر الزمن. نحن نظهر الاتساق باستخدام هذه الطريقة الجديدة لقياس قوة توسيع الركبة مع التقييم المتكرر في الفئران متعددة مما أدى إلى نتائج مماثلة.

Introduction

العضلات الهيكل العظمي هو نسيج قابل للتكيف للغاية مع تعديلات تعويضية على الكتلة والهيكل استجابة لعدد لا يحصى من المحفزات، مثل ممارسة الرياضة والتغذية والإصابة والمرض والشيخوخة، وعدم الاستخدام. تستخدم العديد من الدراسات التي تحقق في تكيف العضلات الهيكلية لدى البشر طرقا لقياس حجم العضلات الهيكلية والتأثير على الوظيفة ، حيث يمكن تكرار تقييمات القوة القياسية الذهبية بسهولة في الأشخاص البشريين.

على وجه التحديد، يتم تقييم قوة مقوي الركبة والمرن الأكثر في البحوث السريرية. وقد تم الإبلاغ عن تعديلات على قوة مطاهر الركبة على نطاق واسع في الدراسات البشرية للشيخوخة، وممارسة، وإصابات العظام، وهشاشة العظام في الركبة، والأمراض المزمنة، وعدم الاستخدام^1،^2،^3،^4،^5،^6،⁷. ومع ذلك ، كانت طرق تحليل قوة عضلة مسعور الركبة (quadriceps) بشكل متكرر وغير جراحي في دراسات القوارض الميكانيكية محدودة نسبيا. وقد وضعت طريقة لتحديد في الجسم الحي رباعية انقباض العضلات في الفئران سابقا⁸; ومع ذلك، يلزم تشييد معدات غير متاحة تجاريا على نطاق واسع. ونظرا لاتساع نماذج القوارض وضعت^لدراسةالنتائج العضلية الهيكلية بعد إصابة في الركبة / هشاشة العظام 9^،¹⁰^،¹¹^،¹²^،¹³ هناك حاجة لتقييم غير الغازية من قوة quadriceps.

وعلاوة على ذلك، فإن دراسات القوارض التي تحقق في الآليات الجزيئية التي يقوم عليها تكيف العضلات الهيكلية غالبا ما تستخدم نماذج الماوس بسبب بساطة التعديل الوراثي، كما تفعل العديد من دراسات التدخل الدوائي بسبب انخفاض النفقات المالية المرتبطة بانخفاض الكمية القائمة على الوزن لدواء في الفئران مقارنة بالجرذان. نحن نبلغ عن طريقة غير الغازية لقياس مرارا وتكرارا في وظيفة توسيع الركبة في الجسم الحي في نفس الماوس مع مرور الوقت باستخدام المعدات المتاحة تجاريا مع تعديل طفيف، وتسهيل استنساخ بين مختبرات مختلفة، وتوفير مقارنة أكثر مباشرة لنتائج القوة البشرية.

Protocol

تمت الموافقة على جميع الإجراءات التجريبية من قبل جامعة كنتاكي المؤسسية لرعاية الحيوانات واستخدامها.

1. إعداد المعدات

تأكد من توصيل الأجهزة حسب مواصفات الشركة المصنعة.
إذا لم يكن بالفعل في مكان، نعلق محرك 300D-305C-FP مع جهاز تمديد الركبة إلى منصة الحيوان 809C.
قم بتشغيل مضخة المياه إلى 37 درجة مئوية لبدء تسخين المنصة.
إذا لم يكن الكمبيوتر قيد التشغيل بالفعل، قم بتشغيل الكمبيوتر، متبوعا بنظام تحفيز المرحلتين ثنائية الطاقة عالي الطاقة ونظام ذراع الوضع المزدوج بقناتين.
صب isoflurane في المبخر إلى أقصى حد خط التعبئة.

2. إعداد البرامج

افتح البرنامج (التفاصيل المقدمة في جدول المواد).
لاستخدام ميزة التحفيز الفوري بالاقتران مع Live Data Monitor لتحسين موضع التحقيق (الخطوة 4)، حدد إعداد التجربة متبوعا بتكوين Stim الفوري (الشكل 1). تعيين تردد النبض (هرتز) ك 125، وعرض النبض (مللي ثانية) كما 0.2، وعدد النبضات ك 1، وتردد القطار (هرتز) كما 0.5 ووقت التشغيل (ق) كما 120.
حدد ملف وفتح مراقبة البيانات المباشرة.
لإجراء تجارب الارتعاش (الخطوة 5) وتردد عزم الدوران (الخطوة 6)، حدد دراسة مبرمجة سابقا تتضمن تجارب مناسبة على ارتعاش وتردد عزم الدوران لتمديد الركبة (مفصلة أدناه في الخطوة 5 والخطوة 6).
1. حدد الماوس التجريبية المناسبة أو إضافة جديد وإدخال معلومات الماوس المقابلة ليتم تخزينها مع بيانات عزم الدوران.
2. حدد التجربة التالية أو التجربة السابقة للانتقال من بروتوكول الارتعاش إلى تسلسل تردد عزم الدوران.

3. إعداد الماوس

ضع الماوس الفردي في غرفة التخدير.
إطلاق صمام خزان الأكسجين وتعيين معدل تدفق الأكسجين في 1 لتر / دقيقة مع 2.5٪ isoflurane.
تأكد من بقاء الماوس في الغرفة مع الغطاء مغلقا بشكل آمن حتى يفقد الوعي تماما. تأكيد فقدان كامل للوعي عن طريق رد فعل القدم غائبة مع قرصة إصبع القدم.
ضع الماوس المخدر في وضعية السبق مع الرأس في nosecone على المنصة الساخنة مع معدل تدفق الأكسجين في 1 لتر / دقيقة مع isoflurane 2.5٪.
حلق الشعر من الطرف الخلفي الأيمن باستخدام مقصات كهربائية. إزالة الشعر من منطقة حلق مع مسح الكحول وفراغ صغير. تنظيف إزالة الشعر بعيدا عن الطرف الخلفي ومنصة.
المشبك بشكل آمن في الطرف الخلفي العلوي، الخلفي إلى الركبة (الشكل 2).
ملاحظة: تأكد من عدم إعاقة نطاق حركة الركبة.
ضع الطرف الخلفي السفلي في جهاز تمديد الركبة مع الساق الأمامي لمس طفيفة قطعة بلاستيكية قابل للتعديل (يجب قراءة القوة في قناة بين 0 و -1.0 mN * م). اعتمادا على حجم الطرف الخلفي السفلي من الماوس، قد تكون ملفوفة الشريط الجراحي حول الجزء السفلي من قطعة بلاستيكية قابل للتعديل للسماح للساق للراحة بشكل آمن.
ملاحظة: تظهر الصور والأبعاد التفصيلية للقطعة البلاستيكية المصنعة خصيصا في الشكل التكميلي 1.
ضبط المقابض على منصة لضمان انحناء الركبة في 60 درجة.
ضع قطعة من الشريط على جذع الماوس على المنصة لمنع الحركة التعويضية مع تمديد الركبة القصوى.

4. وضع القطب الكهربائي

وضع الأقطاب الكهربائية تحت الجلد 2-4 مم قريبة إلى الركبة مباشرة فوق العضلات رباعية / الركبة المكمن (الشكل 2). يجب أن تكون الأقطاب الكهربائية متباعدة حوالي 1-2 ملم.
لتحديد الموضع الأمثل للأقطاب الكهربائية، استخدم وظيفة التحفيز الفوري مع Live Data Monitor. تعيين amperage / التيار في 50 mA للارتعاشات المتكررة لتأكيد تمديد الركبة (سوف الموسعات الركبة تنتج منحنى نشل السلبية). ضبط المسابير أثناء التحفيز الفوري لتحقيق أقصى قدر من عزم الدوران نشل تمديد الركبة كما تقاس في إطار مراقبة البيانات الحية.
ملاحظة: يظهر الشكل 3 إخراج التحفيز الفوري التمثيلي، مما يؤكد تمديد الركبة. فيديو تكميلي 1 والفيديو التكميلي 2 تظهر في الوقت الحقيقي وبطيئة الحركة الركبة تمديد الارتعاشات دون الذراع الحركية في مكان, السماح لتأكيد البصرية لتمديد الركبة.
خلال الارتعاشات المتكررة مع التحفيز الفوري، بالبات عضلات الركبة المرن مع السبابة لتأكيد عدم تنشيط العضلات الخصم. لتحفيز توسيع الركبة إلى أقصى حد، قد يكون من الضروري إعادة وضع المسبار اعتمادا على تكوين الجسم للفأر والاختلافات التشريحية الطفيفة في الموقع الدقيق للنقطة الحركية للعصب الفخذي وعضلات توسيع الركبة.
ملاحظة: نقطة محرك العضلات هو المكان الذي يدخل فيه فرع المحرك للعصب بطن العضلات وهو النقطة الأقل مقاومة للتوصيلية الكهربائية وبالتالي أعلى استجابة للتحفيز الكهربائي¹⁴^،¹⁵. في التطبيقات السريرية باستخدام التحفيز الكهربائي، يتم تحديد هذه النقطة عن طريق المسح باستخدام قطب القلم للعثور على الموقع فوق العضلات التي يحدث فيها ارتعاش العضلات مع أقل حقن التيار¹⁴^،¹⁵. تحديد نقطة المحرك العضلي ضروري لتسهيل التحفيز الكهربائي العصبي العضلي الأمثل¹⁵. في التجارب السريرية البشرية, وقد تم تحديد نقاط المحرك العضلي لعضلات quadriceps في النصف القاصي من العضلات¹⁴. لتحقيق التحفيز الأمثل لطارد الركبة في الفئران ، تم تلخيص هذه التقنية باستخدام وضع القطب الكهربائي مع التحفيز الفوري إلى مواقع نقاط العضلات الحركية الأكثر تقاربا الموجودة عادة في النصف البعيدة من مبذرات الركبة. هناك بعض التباين في وضع القطب الكهربائي (من سطحي نسبيا إلى عميق) يؤدي إلى عزم دوران أقصى، ووظيفة التحفيز الفوري يسهل وضع القطب الأمثل.

5. تحديد التيار الأمثل

بمجرد تحديد موضع التحقيق الأمثل، قم بإجراء سلسلة من الارتعاشات التدريجية لتحديد أمبيراج/تيار أمثل لاستخدامه في تجربة تردد عزم الدوران، بهدف تحديد أقل تيار لتحقيق أقصى قدر من إخراج عزم الدوران الارتعاشي. تبدأ مع مجموعة الحالية في 50 MA وحدد تشغيل التجربة لإنتاج نشل واحد. حدد تحليل النتائج لعرض إخراج عزم الدوران. سجل عزم الدوران الارتعاشي المعروض تحت Max Force مع طرح خط الأساس.
ملاحظة: حدد الخيار لعكس القناة قوة لتحويل القياسات من عزم الدوران السالب إلى موجب.
زيادة التيار إلى 60-70 mA وتكرار تجربة نشل. سجل عزم الدوران الارتعاشي المعروض تحت Max Force مع طرح خط الأساس.
الاستمرار في سلسلة من التجارب نشل بهذه الطريقة (زيادة ما يقرب من 10-20 mA مع كل تطور) حتى عزم الدوران نشل لم يعد يزيد (إما الهضاب أو يبدأ في الانخفاض). يظهر مثال لسلسلة نشل في الجدول 1.
سجل أدنى تيار تم فيه تحقيق أعلى عزم دوران نشل. وسيستخدم هذا التيار وسيظل ثابتا خلال التجربة المقبلة لترددات القوة. يظهر الشكل 4 ارتعاش الذروة التمثيلي.

6. عزم الدوران التردد التجربة لتحديد ذروة عزم الدوران التايتاني متساوي القياس

في البرنامج (انظر جدول المواد)،حدد تجربة تردد عزم الدوران المبرمجة مسبقا لتمديد الركبة لضمان الإعداد التالي. مدة التحفيز: 0.35 ثانية، تسلسل التردد: 10 هرتز، 40 هرتز، 120 هرتز، 150 هرتز، 180 هرتز، 200 هرتز، فترة الراحة بين البقول/الانقباضات: 120 ثانية
ملاحظة: معدل أخذ العينات هو 10,000 هرتز (الإعداد الافتراضي).
تشغيل التجربة، تحليل النتائج، وتسجيل عزم الدوران المعروض يدويا تحت Max Force مع طرح خط الأساس (تأكد من عكس قناة القوة ، حيث سينتج انكماش مزد الركبة عزم دوران سلبي) عند كل تردد. لاحظ أعلى قيمة Max Force كعزم دوران tetanic متساوي القياس. ويظهر مثال لبيانات تردد عزم الدوران في الجدول 2 والشكل 5 منحنى الكزاز التمثيلي لذروة ناتج عزم الدوران التيتازاري القياسي الذي تحقق عند 120 هرتز.

7. إنهاء التجربة

عند الانتهاء من تجربة عزم الدوران التردد، وإجراء ارتعاش المتابعة ومقارنتها مع ارتعاش الذروة الأولية في نفس التيار لتقييم الضرر / التعب.
ملاحظة: في بعض نماذج الإصابة والمرض، من المتوقع زيادة قابلية الدهون في العضلات الهيكلية ولا تشكل مشكلة مع الإعداد التجريبي أو الماوس.
عند الانتهاء من جميع قياسات عزم الدوران، قم بإزالة مسابير القطب بلطف، وافصل الركبة.
إيقاف isoflurane وإزالة الماوس من مخروط الأنف.
ضع الماوس مرة أخرى في قفص مناسب يوضع فوق لوحة الاحترار. رصد كما يتعافى الماوس ويستعيد وعيه.
ملاحظة: يجب أن يكون الماوس واعية وتتحرك في غضون 2-3 دقيقة.

8. تحليل البيانات

استخراج البيانات بعد التجربة من برامج التحليل (انظر جدول المواد).
1. فتح برامج التحليل.
2. حدد الحصول على البيانات من البرنامج.
3. حدد التاريخ الذي تم فيه إجراء التجربة ورمز الماوس المناسب.
4. حدد تواتر الاهتمام (سيتم سرد جميع تجارب الارتعاش وكل تكرار لتجربة تردد عزم الدوران).
5. حدد تحليل العضلات.
6. تأكد من أن استخدام تصحيح الأساس تم التحقق منه.
  ملاحظة: يتم حساب عزم الدوران الأساسي بواسطة البرنامج كمتوسط أول 100 نقطة تم أخذ عينات منها وطرحها من القيمة القصوى المطلقة لعزم الدوران.
7. سجل قيمة عزم الدوران المدرجة ضمن الحد الأقصى.
  ملاحظة: البيانات المعروضة هنا غير المصفاة; ومع ذلك، قد يتم تحديد عامل تصفية في البرنامج، إذا رغبت في ذلك.
بدلا من ذلك، كما هو موضح أعلاه في الخطوة 6.2، تسجيل يدويا إخراج عزم الدوران المعروضة تحت قوة ماكس في الوقت الحقيقي في كل نقطة عزم الدوران التردد / انكماش من خلال نافذة تحليل النتائج.
1. تأكد من طرح الأساس، و عكس قناة القوة.
2. إدخال البيانات في جدول بيانات لحسابات تطبيع وزن الجسم (عزم الدوران / وزن الجسم بالجرام) والرسوم البيانية والتحليلات الإحصائية ذات الاهتمام. واستخدمت البرمجيات الإحصائية لغرض رسم منحنيات تردد عزم الدوران وحساب المنطقة تحت المنحنى.
  ملاحظة: يتم قياس بيانات عزم الدوران في mN.m (milliNewton.meters).
لتوليد منحنيات الكزاز، تصدير بيانات كاملة من كل تردد من برنامج التحليل.
1. كرر الخطوات 8.1.1-8.1.4 أعلاه.
2. حدد تصدير البيانات.
3. حدد البيانات المصفاة الخام واحفظ في الموقع الذي تختاره. يمكن استخدام MATLAB لتوليد منحنيات الكزاز من الملف النصي المصدر و / أو لمزيد من التحليل.
  ملاحظة: يتوفر رمز MATLAB لإنشاء منحنى الكزاز من ملف نصي عند الطلب.

9. معايرة نظام ذراع مزدوج الوضع

معايرة النظام قبل الاستخدام الأولي لضمان بيانات دقيقة وموثوق بها، وتكرار المعايرة بشكل دوري باستخدام برنامج جمع البيانات والأوزان المعروفة.
1. فتح برامج جمع البيانات.
2. انقر فوق علامة التبويب إعداد وحدد إعداد القناة.
3. حدد 305C-FP المدرجة تحت الصكوك بلدي.
4. انقر فوق معايرة المحدد لفتح إطار محرر المعايرة.
5. لمعايرة الطول، أدخل سلسلة من الجهد الاختباري بما في ذلك الفولتية السلبية والإيجابية (على سبيل المثال، -3، -2، -1، 0، 1، 2، 3 فولت).
  1. انقر فوق تعيين للسطر الأول.
  2. انقر فوق قراءة.
  3. قياس طول الدقيق للذراع رافعة في ملليمتر والمدخلات في المربع المقابل.
  4. كرر الجهد القادم.
  5. عند تسجيل جميع الفولتية، انقر فوق حساب عوامل السعرات الحرارية (مسجلة في مم / فولت).
6. لمعايرة القوة في، والاستفادة من مجموعة من الأوزان المعروفة زيادة في التقدم الخطي.
  1. ضبط المحرك بحيث يستريح على حافة مقاعد البدلاء أو الجدول مع ذراع رافعة موازية لbackbacktop وشنقا على الحافة للسماح للوزن لشنق.
  2. شنق الوزن الأول من ذراع رافعة باستخدام شريط مطاطي. تحت القوة التطبيقية، أدخل الوزن المعروف بالجرامات التي تمثل كتلة الشريط المطاطي.
  3. حدد قراءة.
  4. كرر لمدة 3 أوزان معروفة على الأقل.
  5. حدد حساب عامل السعرات الحرارية.
  6. للتحقق من الحساب، تناسب بيانات معايرة المخطط والمنحنى عن طريق تحديد Plot Cal.
7. لمعايرة القوة، أدخل الفولتية المعايرة (تصل إلى 10 فولت)
  1. انقر فوق تعيين مباشرة بجوار الجهد المعايرة.
  2. كرر لكل خط الجهد.
  3. ضعي الضغط برفق على ذراع الرافعة باستخدام إصبع حتى يتوقف Force Out عن التغيير ويبدأ الذراع الحركي في التحرك.
  4. الحفاظ على هذا الموقف. حدد قراءة.
  5. كرر لكل خط الجهد.
  6. حدد حساب عامل السعرات الحرارية.

النتائج

يستخدم منحنى عزم الدوران التردد ترددات أقل لإنتاج عدة ارتعاشات متساوي القياس معزولة من عزم الدوران منخفضة نسبيا ويتقدم من خلال ترددات أعلى على نحو متزايد، مما أدى إلى الانصهار من الارتعاشات لتقلص الكزاز متساوي القياس الذي يتم الحصول على عزم الدوران التيتانيك الذروة. البروتوكول المقدم لتمديد الركبة ذروة عزم الدوران التيني منحنى قوة التردد يبدأ في 10 هرتز الذي يثير 3 ارتعاشات معزولة. يحدث الانصهار الجزئي للارتعاشات عند 40 هرتز، ويتم الوصول إلى عزم الدوران التاثني الذروة بين 120-180 هرتز (الشكل 5).

يوضح الشكل 6 منحنيات عزم دوران التردد لتمديد الركبة التمثيلية من فئران C57BL/6 الأنثوية. تم اختبار ثلاثة فئران منفصلة عند خط الأساس ، وتكررت التجربة في كل فأر بعد أسبوعين للمقارنة لتقييم القابلية للتكاثر. وتظهر منحنيات عزم الدوران التردد مع قيم عزم الدوران الخام (الشكل 6A), وكذلك قيم عزم الدوران الخام تطبيع لوزن جسم الماوس (الشكل 6B). تظهر الملاحظات المتكررة نتائج مماثلة في جميع الفئران ال 3 مع فترة راحة مدتها أسبوعان بين التجارب. وزن الجسم تطبيع عزم الدوران البيانات ينبغي النظر بالإضافة إلى عزم الدوران الخام, كما تقلبات طفيفة في الوزن قد تؤثر على الناتج الوظيفي ولا يعتبر مع عزم الدوران الخام وحدها. وعلاوة على ذلك، وزن الجسم تطبيع بيانات عزم الدوران يسهل مقارنة الفئران من أحجام مختلفة. ويمكن أيضا أن تكون طبيعية عزم الدوران إلى الوزن الرطب العضلات أو منطقة المقطع العرضي myofiber, كما أظهرنا سابقا¹⁶.

الشكل 7A يظهر المنطقة تحت المنحنى باستخدام وزن الجسم تطبيع بيانات عزم الدوران متساوي القياس من التجارب الكاملة عزم الدوران التردد (10 هرتز، 40 هرتز، 120 هرتز، 150 هرتز، 180 هرتز، 200 هرتز) ل4 فئران منفصلة C57BL/6، وتسليط الضوء على إجمالي ناتج عزم الدوران ومعاملات الاختلاف بين 5.6٪ إلى 8.8٪ مع التجارب المتكررة داخل الفئران نفسها. يتم الإبلاغ عن البيانات ببساطة كعزم دوران tetanic الذروة (الشكل 7B) الذي هو قيمة عزم الدوران القصوى من تقلصات متساوي القياس الكزاز المتكررة من 120-200 هرتز. ذروة عزم الدوران tetanic الانتاج قابلة للمقارنة في 6-8 أشهر من العمر الإناث C57BL/6 الفئران (الشكل 7B) مع معاملات الاختلاف بين 4.8٪ و 8.7٪ مع تقييم طولي داخل الفئران نفسها. ذروة عزم الدوران التايتاني هو الأكثر مقارنة لتقييم قوة الذهب القياسية في الدراسات البشرية: أقصى اكتس القياسي.

وعلاوة على ذلك، فإن بروتوكول عزم الدوران ذروة الثنية الملحق الركبة هو أداة مفيدة للكشف عن اختلافات القوة في نماذج الماوس متعددة. يوضح الشكل 8 التناقض الصارخ بين قوة متمدد الركبة في فأر أنثى غير مصاب وصحي يبلغ من العمر 6 أشهر C57BL/6 (الخط الأسود) ونموذج فأر معدل وراثيا من تضخم فوقفيزيولوجي يتم فيه إسقاط الميوستاتين /GDF8 (الخط الأزرق). كما نعرض منحنى الكزاز الذروة من الماوس C57BL/6 بعد 7 أيام من التحول الجراحي للرباط الصليبي الأمامي (ACL-T) (الخط الأحمر)، مما يدل على انخفاض ما يقرب من 50٪ في عزم الدوران الذروة بعد الإصابة التي هي خارج معاملات الاختلاف لوحظ مع تكرار اختبار الفئران غير المصابة. بالتزامن مع البيانات^{البشرية 17}^،¹⁸، وتضاءلت قوة بشكل ملحوظ مع دوري أبطال آسيا - T. جميع الفئران أنثى ومن عمر مماثل (6-8 أشهر).

تجربة نشل	أمبيراج/التيار (mA)	عزم الدوران (mN•m)
1	50	1.279
2	70	1.341
3	90	1.36
4	110	1.362
5	*130	1.449
6	150	1.436
7	140	1.333

الجدول 1: مثال على سلسلة الارتعاش. * يدل على amperage الأمثل / الحالية.

التردد (هرتز)	عزم الدوران (mN•m)
10	1.385
40	1.869
120	*18.765
150	18.375
180	17.97
200	17.548

الجدول 2: مثال على بيانات منحنى عزم الدوران والتردد. * يدل على عزم الدوران التيتين الذروة.

figure-results-4768
الشكل 1: إعداد برامج جمع البيانات. توضيح الإعداد لبرنامج جمع البيانات باستخدام "مراقبة البيانات المباشرة". يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

figure-results-5206
الشكل 2: إعداد الماوس ووضع القطب. (A-B) موقف سوبين من الماوس تلقي التخدير عن طريق مخروط الأنف على منصة ساخنة. يتم تثبيت الطرف الخلفي العلوي بشكل آمن ، والخلفي في الركبة للسماح بالحركة غير المقيدة في مفصل الركبة. يتم تعديل ذراع المحرك بحيث يتم عازمة الركبة في حوالي 60 درجة. يتم تحفيز نقطة المحرك العصبي الفخذي بواسطة أقطاب إبرة لتنشيط تقلص مهاد الركبة. يظهر إعداد الماوس من طريقة عرض جانبية (A) وعرض الحمل (B). يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

figure-results-6001
الشكل 3:تحديد وضع القطب الأمثل لتحقيق تمديد الركبة متساوي القياس. تمثيل الارتعاشات السلبية المتكررة التي تم تحفيزها باستخدام 50 mA باستخدام وظيفة التحفيز الفوري وعرضها في مراقبة البيانات الحية. تشير الأسهم الحمراء إلى الارتعاشات الثلاثة الأولى لتمديد الركبة. يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

figure-results-6591
الشكل 4: نشل ممثل لتحديد amperage الأمثل. يجب تحديد أدنى أمبيراج للحصول على أعلى عزم دوران متساوي القياس للارتعاش لتجربة قوة التردد من خلال تجارب الارتعاش المتكررة مع زيادة التضخيم تدريجيا. يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

figure-results-7112
الشكل 5:منحنيات عزم الدوران التيتيني التمثيلي في جميع أنحاء تجربة عزم الدوران التردد لنفس الماوس. (A) عزم الدوران التامتري شبه القياسي المنتجة في 10 هرتز. (ب) عزم دوران متساوي القياس تحت ماكسي عند 40 هرتز (C) ذروة إخراج عزم الدوران التاؤم متساوي القياس عند 120 هرتز(D) عزم الدوران التاتيني متساوي القياس عند 150 هرتز. (E) عزم الدوران التاؤم القياسي عند 180 هرتز (F) عزم الدوران التاتيني متساوي القياس عند 200 هرتز. يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

figure-results-7961
الشكل 6: بيانات منحنى عزم الدوران التمثيلي. (A-B). عزم الدوران التردد منحنى في 2 نقاط زمنية مختلفة (الأسبوع 1 و 3) في 3 الفئران منفصلة, قدم على النحو الخام عزم الدوران الذروة (A) وعزم الدوران الذروة الخام تطبيع لوزن الجسم (ب). يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

figure-results-8570
الشكل 7:منطقة تمثيلية تحت منحنى (AUC) وذروة بيانات عزم الدوران التينتيني. (A) AUC ل 4 فئران منفصلة, قدم على أنه عزم الدوران الخام تطبيع لوزن الجسم. (ب) ذروة عزم الدوران tetanic لنفس الفئران 4, قدم كما عزم الدوران التيتازي الذروة الخام تطبيع لوزن الجسم. يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

figure-results-9188
الشكل 8: ذروة عزم الدوران التينات من قوة خارجية الركبة في نماذج الماوس متعددة. ممثل ذروة عزم الدوران الكزاز منحنيات لنموذج الماوس المعدلة وراثيا تضخم علني (GDF8 KO), غير مصاب صحي C57BL/6 الماوس (الماوس 2), والفأر C57BL/6 7 أيام بعد تجريد الرباط الصليبي الأمامي (ACL-T). يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

الشكل التكميلي 1: أبعاد البلاستيك المصنعة المخصصة. يظهر Inset باللون الأحمر بعد العمق. الرجاء الضغط هنا لتحميل هذا الملف.

فيديو تكميلي 1: في الوقت الحقيقي الركبة نشل أوتشل دون ذراع المحرك. الرجاء الضغط هنا لتحميل هذا الفيديو.

فيديو تكميلي 2: ارتعاش مزتور الركبة البطيء الحركة بدون ذراع محرك. الرجاء الضغط هنا لتحميل هذا الفيديو.

Discussion

قياس وتحليل وظيفة العضلات في نماذج القوارض أمر حتمي لجعل الاستدلالات المترجمة وذات مغزى فيما يتعلق التكيفات العضلات الهيكلية النسيجية والجزيئية لوحظ مع ممارسة الرياضة, إصابة, مرض, والعلاج العلاجي. نحن نظهر طريقة لتقييم القوة القصوى لأقصى حد لأقصى حد من الكعبة بشكل موثوق ومتكرر في الفئران باستخدام المعدات المتاحة تجاريا ، مع قطعة بلاستيكية قابلة للتعديل لعقد الطرف الخلفي السفلي في الساق الأمامية كونها الجزء الوحيد المخصص المصنعة التي يمكن تكرارها.

وقد استخدمت أدوات التقييم الوظيفي المشتركة على نطاق واسع لتقييم الأداء البدني مرارا وتكرارا داخل نفس الماوس، مثل تشغيل حلقة مفرغة إلى التعب الإرادي، واختبار الأداء الدوار، واختبار التشبث المقلوب، واختبار قوة قبضة. ومع ذلك ، في حين أن المعلومات ، وهذه التقييمات تنطوي على القلب والكون السلوكي (ق) ، والتي يمكن أن تشوش استجواب وظيفة العصبية والعضلية المرتبطة هذه التدابير الأداء البدني. وعلاوة على ذلك، عناصر القدرة على التحمل والتنسيق والتوازن موجودة في العديد من هذه التقييمات الوظيفية إلى مستويات متفاوتة، والحد من تفسير واضح بالنسبة لقوة العضلات. يمكن قياس القوة المنتجة لقدرة عضلات القوارض في المختبر أو في الموقع أو في الجسم الحي. ولكل نهج مزايا وقيود نسبية. على وجه التحديد ، مع التقييم في المختبر ، يتم عزل العضلات تماما وإزالتها من جسم الحيوان بحيث لا يكون هناك تأثير من التشوه أو التواء¹⁹. وهذا ينتج بيئة تسيطر عليها جيدا للتأكد من القدرة على الانكماش ولكن يحد من حجم العضلات التي تدرس من خلال الاعتماد على الانتشار السلبي للأوكسجين والمواد المغذية أثناء الاختبار. في الاختبار الموقعي يحافظ على التدني وإمدادات الدم من العضلات، ولكن يقتصر على تقييم محطة فريدة، كما هو الحال مع اختبار المختبر²⁰. وأخيرا، في اختبار الجسم الحي هو الأقل الغازية مع العضلات المتبقية في بيئتها الأصلية مع أقطاب كهربائية عن طريق الجلد إدراجها بالقرب من العصب الحركي لتحفيز كهربائيا العضلات. قوة في نهج في الجسم الحي هو إمكانية لاختبار طولي عبر الزمن²¹^,²²^,²³.

في تقييم الجسم الحي من انكماش العضلات الذروة يقيس على النحو الأمثل أقصى قدر من القوة والتشريح الطبيعي وعلم وظائف الأعضاء من الماوس لا تزال سليمة ويمكن تكرار هذه الطريقة على نفس الماوس قبل وبعد التدخل أو طوال العمر. على وجه التحديد، في قياس الجسم الحي لقوة تمديد الركبة في الفئران هو تقييم قوة مورين مع أكبر صلة ترجمة للدراسات البشرية، كما يقاس عادة الحد الأقصى لعزم دوران تمديد الركبة ويعتبر اختبار القوة معيار الذهب في البشر مع ارتباط لمختلف النتائج الوظيفية والصحية²⁴^،²⁵^،²⁶^،²⁷ . وعلاوة على ذلك، لوحظ أمراض توسيع الركبة مع الشيخوخة، فضلا عن عدد لا يحصى من الإصابات والأمراض^1،^2،^4،^5،^6،ولكن تقييم تأثير هذه الشروط على قوة امتداد الركبة طوليا في الفئران لم يكن من السهل تحقيقها.

على الرغم من أن هذه الطريقة توفر فائدة لتحديد عزم دوران ذروة الباسط الركبة بطريقة طولية, وينبغي النظر في بعض القيود المفروضة على البروتوكول. تم حذف الترددات المنخفضة بين 40 هرتز إلى 120 هرتز من بروتوكول تردد عزم الدوران، مما قد يحد من القدرة على اكتشاف التحولات اليسرى أو اليمنى في منحنى عزم الدوران التردد مع الإصابة أو المرض. ومع ذلك، باستخدام هذا البروتوكول عزم الدوران التردد، تمكنا من الكشف عن التعديلات إلى عزم الدوران التيتين الذروة في نموذج إصابة دوري أبطال آسيا وبين الفئران نوع البرية C56BL/6 ونموذج الماوس المعدلة وراثيا من كتلة العضلات فوق الفسيولوجية(الشكل 8). نلاحظ أنه قد يكون من المفيد تأمين الأقطاب الكهربائية مع أيدي المساعدة أو جهاز مماثل لأن تقلصات العضلات قد تحرك الأقطاب الكهربائية قليلا. لم نلاحظ أي نزوح واضح للأقطاب الكهربائية مع تقلصات تدريجية؛ ومع ذلك ، لا يمكن استبعاد إمكانية حدوث حركة طفيفة للأقطاب الكهربائية ، مما قد يؤثر على تحفيز العضلات. بالإضافة إلى ذلك، لم يتم إجراء التصوير الكهربائي العضلي (EMG) بالتزامن مع بروتوكول التحفيز؛ ومع ذلك، قد يكون إدراج تدابير الفريق البيئي البيئي ممكنا، إذا كان مرغوبا ومناسبا للنموذج التجريبي للاهتمام.

تقييم قوة مطاهم الركبة في نماذج مورين من إصابات العظام والمرض سوف تسهل البحوث قبل السريرية مع أهمية ترجمة ذات مغزى لتدابير القوة السريرية. بروتوكولنا يتيح تقييم دقيق ومتكرر لقوة مضاعف الركبة القصوى في الفئران مع المعدات المتاحة تجاريا في متناول أي مختبر.

Disclosures

يعمل ماثيو بوركوفسكي في شركة أورورا العلمية، وهي شركة قد تستفيد من نتائج البحث وهي أيضا مدير تنفيذي للشركة.

Acknowledgements

ونود أن نشكر روزاريو ماروتو على المساعدة التقنية. تم دعم الأبحاث التي تم الإبلاغ عنها في هذا المنشور من قبل المعهد الوطني لالتهاب المفاصل والأمراض العضلية الهيكلية والجلدية للمعاهد الوطنية للصحة تحت الجائزة رقم R01 AR072061 (CSF). المحتوى هو فقط مسؤولية المؤلفين ولا يمثل بالضرورة وجهات النظر الرسمية للمعاهد الوطنية للصحة.

Materials

Name	Company	Catalog Number	Comments
1300A: 3-in-1 Whole Animal System- Mouse	Aurora Scientific Incorporated	300D-305C-FP: dual-mode motor with custom knee extension apparatus, 605A: Dynamic Muscle Data Acquisition and Analysis System, 701C: Electrical Stimulator, 809C: in-situ Mouse Apparatus
6100 Dynamic Muscle Control LabBook software	Aurora Scientific Incorporated	DMC v6.000
611A Dynamic Muscle Analysis	Aurora Scientific Incorporated	DMA v5.501
BravMini hair clippers	Wahl Clipper Corporation	ASIN: B00IN24ILE
Eye Lube	Optixcare	Item Number: 142422
Isoflurane	Covetrus	NDC: 11695-6777-2
V-1 Tabletop Laboratory Animal Anesthesia System	VetEquip Inhalation Anesthesia Systems	Item Number: 901806
Prism 8	GraphPad Software, LLC	Version 8.3.0 (328)

References

Brightwell, C. R., et al. Moderate-intensity aerobic exercise improves skeletal muscle quality in older adults. Translational Sports Medicine. 2 (3), 109-119 (2019).
Moro, T., et al. Muscle protein anabolic resistance to essential amino acids does not occur in healthy older adults before or after resistance exercise training. Journal of Nutrition. 148 (6), 900-909 (2018).
Angelozzi, M., et al. Rate of force development as an adjunctive outcome measure for return-to-sport decisions after anterior cruciate ligament reconstruction. Journal of Orthopedic Sports Physical Therapy. 42 (9), 772-780 (2012).
Kalyani, R. R., et al. Quadriceps strength, quadriceps power, and gait speed in older U.S. adults with diabetes mellitus: results from the National Health and Nutrition Examination Survey, 1999-2002. Journal of American Geriatric Society. 61 (5), 769-775 (2013).
Culvenor, A. G., Ruhdorfer, A., Juhl, C., Eckstein, F., Øiestad, B. E. Knee extensor strength and risk of structural, symptomatic, and functional decline in knee osteoarthritis: A systematic review and meta-analysis. Arthritis Care Res (Hoboken). 69 (5), 649-658 (2017).
Abramowitz, M. K., et al. Skeletal muscle fibrosis is associated with decreased muscle inflammation and weakness in patients with chronic kidney disease. American Journal of Physiology and Renal Physiology. 315 (6), 1658-1669 (2018).
Arentson-Lantz, E. J., English, K. L., Paddon-Jones, D., Fry, C. S. Fourteen days of bed rest induces a decline in satellite cell content and robust atrophy of skeletal muscle fibers in middle-aged adults. Journal of Applied Physiology. 120 (1985), 965-975 (2016).
Pratt, S. J. P., Lovering, R. M. A stepwise procedure to test contractility and susceptibility to injury for the rodent quadriceps muscle. Journal of Biological Methods. 1 (2), (2014).
Kamekura, S., et al. Osteoarthritis development in novel experimental mouse models induced by knee joint instability. Osteoarthritis Cartilage. 13 (7), 632-641 (2005).
Kwok, J., et al. Histopathological analyses of murine menisci: implications for joint aging and osteoarthritis. Osteoarthritis Cartilage. 24 (4), 709-718 (2016).
Glasson, S. S., Blanchet, T. J., Morris, E. A. The surgical destabilization of the medial meniscus (DMM) model of osteoarthritis in the 129/SvEv mouse. Osteoarthritis Cartilage. 15 (9), 1061-1069 (2007).
Christiansen, B. A., et al. Musculoskeletal changes following non-invasive knee injury using a novel mouse model of post-traumatic osteoarthritis. Osteoarthritis Cartilage. 20 (7), 773-782 (2012).
Wurtzel, C. N., et al. Pharmacological inhibition of myostatin protects against skeletal muscle atrophy and weakness after anterior cruciate ligament tear. Journal of Orthopedic Research. 35 (11), 2499-2505 (2017).
Botter, A., et al. Atlas of the muscle motor points for the lower limb: implications for electrical stimulation procedures and electrode positioning. European Journal of Applied Physiology. 111 (10), 2461-2471 (2011).
Gobbo, M., Maffiuletti, N. A., Orizio, C., Minetto, M. A. Muscle moter point identification is essential for optimizing neuromuscular electrical stimulation use. Journal of Neuroengineering and Rehabililitation. 11, 17 (2014).
Neelakantan, H., et al. Small molecule nicotinamide N-methyltransferase inhibitor activates senescent muscle stem cells and improves regenerative capacity of aged skeletal muscle. Biochemical Pharmacology. 163, 481-492 (2019).
Kline, P. W., Morgan, K. D., Johnson, D. L., Ireland, M. L., Noehren, B. Impaired quadriceps rate of torque development and knee mechanics after anterior cruciate ligament reconstruction with patellar tendon autograft. American Journal of Sports Medicine. 43 (10), 2553-2558 (2015).
Hiemstra, L. A., Webber, S., MacDonald, P. B., Kriellaars, D. J. Knee strength deficits after hamstring tendon and patellar tendon anterior cruciate ligament reconstruction. Medicine and Science in Sports and Exercise. 32 (8), 1472-1479 (2000).
Park, K. H., et al. Ex vivo assessment of contractility, fatigability and alternans in isolated skeletal muscles. Journal of Visualized Experiments. (69), e4198 (2012).
MacIntosh, B. R., Esau, S. P., Holash, R. J., Fletcher, J. R. Procedures for rat in situ skeletal muscle contractile properties. Journal of Visualized Experiments. (56), e3167 (2011).
Chiu, C. S., et al. Non-invasive muscle contraction assay to study rodent models of sarcopenia. BMC Musculoskeletal Disorder. 12, 246 (2011).
Mintz, E. L., Passipieri, J. A., Lovell, D. Y., Christ, G. J. Applications of in vivo functional testing of the rat tibialis anterior for evaluating tissue engineered skeletal muscle repair. Journal of Visualized Experiments. (116), e54487 (2016).
Gerlinger-Romero, F., et al. Non-invasive assessment of dorsiflexor muscle function in mice. Journal of Visualized Experiments. (143), e58696 (2019).
Davis, C. C., Ellis, T. J., Amesur, A. K., Hewett, T. E., Di Stasi, S. Improvements in knee extension strength are associated with improvements in self-reported hip function following arthroscopy for femoroacetabular impingement syndrome. International Journal of Sports Physical Therapy. 11 (7), 1065-1075 (2016).
Omori, G., et al. Quadriceps muscle strength and its relationship to radiographic knee osteoarthritis in Japanese elderly. Journal of Orthopedic Science. 18 (4), 536-542 (2013).
Wilk, K. E., Romaniello, W. T., Soscia, S. M., Arrigo, C. A., Andrews, J. R. The relationship between subjective knee scores, isokinetic testing, and functional testing in the ACL-reconstructed knee. Journal of Orthopedic Sports and Physical Therapy. 20 (2), 60-73 (1994).
Bobowik, P., Wiszomirska, I. Diagnostic dependence of muscle strength measurements and the risk of falls in the elderly. Internation Journal of Rehabilitation Research. 43 (4), 330-336 (2020).

Reprints and Permissions

Request permission to reuse the text or figures of this JoVE article

Request Permission

Explore More Articles

169

This article has been published

Video Coming Soon

Keep me updated: