Die Autoren bedanken sich bei Dr. Robert Bloch für seine großzügige Spende an Laborfläche und Einrichtungen und Dr. Rao Gullapalli und Da Shi danken in die Core for Translational Imaging bei Maryland (C-TRIM) und der Magnet-Resonanz-Forschungszentrum (MRRC) für den technischen Support. Diese Arbeit wurde durch Zuschüsse unterstützt, um von den National Institutes of Health (K01AR053235 und 1R01AR059179) und von der Gesellschaft für Muskeldystrophie (# 4278), und durch einen Zuschuss RML aus der Jain Foundation JAR.

1. In-vivo-Modell Verletzungen und die Messung der isometrischen Drehmoment. <ol><li> Diese Verfahren können für Ratten oder Mäuse 7,17,18 verwendet werden. Um zu beginnen, statt das Tier in Rückenlage unter Inhalationsnarkose (~ 4-5% Isofluran für die Induktion in einer Induktion Kammer, dann ~ 2% Isofluran über eine Nasenkonus für Wartung) mit einer Präzisions-Verdampfer (cat # 91103, Vet Anlegen, Inc, Pleasanton , CA). Bewerben sterile ophthalmologische Creme (Paralube Vet-Salbe, PharmaDerm, Floham Park, NJ) für jedes Auge die Hornhaut vor dem Austrocknen zu schützen. Während des Verfahrens ist das Tier warm gehalten und durch die Verwendung einer Wärmelampe außerhalb des Käfigs platziert gehalten mindestens 6 cm von dem Tier zu allen Zeiten. </li><li> Prep die Haut durch Entfernen von Haaren und durch die Reinigung mit wechselnden scrubs von betadine und 70% Alkohol Aussaat Haut Bakterien in die Weichgewebe oder Knochen zu verhindern. Überprüfen Sie die Narkose durch den Mangel an einer tiefen Sehnenreflexe (kein Fuß Rückzug als Reaktion auf das Einklemmen des Fußes). Eine Nadel wird manuell durch den proximalen Tibia platziert, um das Bein auf den Prüfstand (25G oder 27G für Maus) zu stabilisieren. Die Nadel sollte nicht in das vordere Kompartiment des Beines. </li><li> Verriegeln Sie die Nadel in einer festen Position, so dass das Tier in Rückenlage und die Zehen sind gerade nach oben konfrontiert ist. Ein maßgeschneidertes Gerät verwendet wird, um die Nadel zu sichern und stabilisieren dadurch das Bein. </li><li> Setzen Sie den Fuß des Beins auf einem speziell bearbeiteten Fußplatte (Abbildung 1). Die Achse der Fußplatte ist mit einem Schrittmotor (Modell T8904, NMB Technologies, Chatsworth, CA) und ein Drehmoment-Sensor angeschlossen (Modell QWFK-8M, Sensotec, Columbus, OH). Der Fuß sollte zunächst so, dass sie senkrecht auf die Tibia ausgerichtet werden, wie in Abbildung 1. </li><li> Verwenden Sie transkutane Elektroden (723.742, Harvard Apparatus, Cambridge, MA) oder subkutane Elektroden (J05 Nadelelektrode Needles, 36BTP, Jari Electrode Supply, Gilroy, CA), um den N. peronaeus in der Nähe des Halses der Fibula, wo der Nerv liegt in einem regen oberflächliche Lage. Optisch bestätigen isolierten Dorsalflexion, indem Sie eine Reihe von Zuckungen (0,1 ms Impuls für die Maus und 1 ms Impuls für die Ratte), bevor der Fuß befestigt ist. Sobald der Fuß auf der Fußplatte mit Klebeband gesichert, bestätigt eine Zunahme der twitch Amplitude in Reaktion auf eine Erhöhung der Spannung, die entgegengesetzten Muskeln (Plantarflexoren) sind nicht gleichzeitig stimuliert. </li><li> Vor Verletzungen und an ausgewählten Zeitpunkten nach einer Verletzung, ist die maximale Kraft, die Kapazität der Dorsalflexoren als &quot;maximale isometrische Drehmoment&quot; (Drehmoment ohne eine Änderung der Muskellänge) zu verzeichnen. Drehmoment-Messungen basieren auf der gleichen rig, die verwendet werden, um Verletzungen zu induzieren durchgeführt wird. Vor der Aufnahme maximale isometrische Drehmoment, die Pulsamplitude eingestellt zu zucken Spannung und die optimale Position des Sprunggelenks optimieren, indem sie zuckt bei verschiedenen Längen der Dorsalflexoren bestimmt. Nach Erhalt eines Drehmoment-Winkel-Kurve auf die optimale Länge der Dorsalflexoren (Ruhelänge, aka Lo) zu bestimmen, wird ein Drehmoment Frequenz Grundstück durch die schrittweise Erhöhung der Frequenz der Impulse während eines 200 ms Impulsfolge erhalten. Eine maximale verschmolzen tetanische Kontraktion ist in der Regel bei 90-100 Hz erhalten. Drei separate Zuckungen und tetanische Kontraktionen werden aufgezeichnet und gespeichert für weitere Analysen. </li><li> Verwenden Sie kommerzielle Software, um (Labview Version 8.5, National Instruments, Austin, TX) zu kontraktilen Aktivierung Beginn der Knöchel Rotation und Drehmoment Datensammlung zu synchronisieren. Die Stimulation der Dorsalextensoren auftritt, während der Computer-gesteuerten Motor bewegt sich gleichzeitig der Fußplatte in Plantarflexion, was zu einer Verlängerung Kontraktion (auch als &quot;exzentrisch&quot; Kontraktion, die Verletzung des Muskels verursacht). Die spezifische Protokoll hängt von der gewünschten Größenordnung von Verletzungen durch den Prüfarzt gewünscht. Das Ausmaß der Verletzungen oder Gewebeschäden können durch Manipulation von Variablen wie Winkelgeschwindigkeit, Zeitpunkt der Muskelaktivität, Beweglichkeit, und die Zahl der Verlängerung Kontraktionen geregelt werden. </li><li> Zur Induktion Verletzungen, überlagern eine Verlängerung Kontraktion auf eine maximale isometrische Kontraktion, die Variation der Bewegungsumfang, Geschwindigkeit der Verlängerung, und den Zeitpunkt der Stimulation, wie gebraucht. Zum Beispiel wird eine maximale isometrische Kontraktion in der Dorsalflexoren erhalten und nach 200 ms sind sie an einem ausgewählten Geschwindigkeit zur Angleichung der normalen Bewegung (900 ° / sec) verlängert. Wir haben bereits gezeigt, dass die Aktivierung vor der Bewegung und der Grad der Verlängerung wichtige Faktoren bei der Beschaffung einer Verletzung 14 sind. Die Mehrheit der Drehmoment durch die Dorsalflexoren produziert wird von der TA 11 und wir haben bereits gezeigt, dass dieses Modell zu einer Schädigung dieser Muskel 5,13-15. Der TA bleibt während Verlängerung angeregt. </li><li> Nach einer Verletzung wird das Tier aus dem Gerät entfernt werden. Die Tibia-Pin istentfernt wird, wird das Bein wieder gereinigt und das Tier in den Käfig zurück (platziert auf einem temperierten Heizblock bei 37 ° C) und überwacht bis zur Genesung. Dazu gehören zu warten, bis das Tier ist wach und mobil. Die Tiere leiden keine beobachtbaren Schmerzen während der Behandlung, und es gibt keine sichtbaren Veränderungen in Gang (zB Lahmheit) nach einer Verletzung durch eine Verlängerung Kontraktionen induziert. Allerdings ist eine entsprechende Anti-Schmerz-Behandlung später (- 0,1 mg / kg alle 12 Stunden für 48 Stunden nach der Operation Buprenorphin 0,05) verabreicht werden. </li></ol> 2. In situ-Messung der gesamten Muskelspannung. <ol><li> Das Tier ist vorbereitet und das Schienbein stabilisiert, wie oben in Abschnitt 1.1 bis 1.3 beschrieben. Alle Instrumentierung ist auf mindestens 30 min vor dem Test für die richtige Kalibrierung eingeschaltet und der thermischen Drift des Kraftaufnehmers minimieren. </li><li> Inzision der Haut vorderen bis zum Knöchel und sever der Sehne des M. tibialis anterior (TA). Sorgfältig binden 4,0 Ethicon Seide nicht-resorbierbares Nahtmaterial, um die Sehne und befestigen Sie die Vicryl Naht an der Wägezelle über das mitgelieferte S-Haken (Gewicht = 0,1 g), Modell FT03, Grass Instruments, Warwick, RI). Alternativ können Sie eine benutzerdefinierte Klemme (Gewicht = 0,5 g) verwendet, um die Sehne am Vicryl Naht (Abb. 2) befestigen. </li><li> Die Wägezelle ist mit einem Mikromanipulator (Kite Manipulator, World Precision Instruments Inc., Sarasota, FL), so dass die TA zu Ruhelänge angepasst werden kann und korrekt ausgerichtet (eine gerade Linie von Pull zwischen Ursprung und Ansatz) montiert. Die TA ist von der Kühlung durch eine Wärmelampe und vor Austrocknung durch Mineralöl geschützt. Die Signale der Wägezelle (kalibriert vor jedem Test) werden über einen DC-Verstärker (Modell P122, Grass Instruments, Warwick, RI) an einen A / D-Karte gesammelt und durch den Erwerb Software (PolyView Version 2.1, Grass Instruments gespeichert werden gefüttert , Warwick, RI). </li><li> Befestigen Sie den TA auf die Wägezelle und gelten einzelne Zuckungen (Rechteckimpuls von 1 ms) bei verschiedenen Muskel-Längen, um L 0 zu bestimmen. Muscle Ruhelänge, gemessen mit Messschieber, ist wie der Abstand zwischen der Tuberositas und der Muskel-Sehnen-Übergang definiert. Bei dieser Länge, schrittweise Erhöhung der Pulsamplitude und dann die Pulsfrequenz, um eine Kraft-Frequenz-Beziehung aufzubauen. Eine maximal abgesichert tetanische Kontraktion wird auf etwa 90-100Hz (300 ms Zug Dauer von 0,1 ms bzw. 1 ms Pulse besteht) erhalten. Verwenden Sie 150% der maximalen Intensität der Stimulation der TA aktivieren, um eine maximale kontraktile Aktivierung (P 0) induzieren. Maximale tetanische Kontraktionen können wiederholt durchgeführt werden und als Prozentsatz der P 0 ausgedrückt, einen Index von Müdigkeit zu jedem gewünschten Zeitpunkt. </li></ol> 3. In vivo MR-Bildgebung und / oder-Spektroskopie von Nagetier Skelettmuskeln. Alle MRI und MRS befindet sich auf einem Bruker Biospin (Billerica, MA) 7,0 Tesla MR-System mit einem 12 cm Steigung einfügen (660 mT / m maximale Steigung, 4570 T / m / s maximale Anstiegsgeschwindigkeit) läuft Paravision 5.0 Software ausgestattet ist. <ol><li> Das Tier ist betäubt mit verdampft Isofluran wie oben in 1.1 beschrieben. Eine MR-kompatible Kleintier-Überwachung und-Gating-System (SA Instruments, Inc.) wird verwendet, um Atemfrequenz und Körpertemperatur überwacht. Maus Körpertemperatur ist bei 36-37 ° C mit Hilfe eines warmen Wasser Thermostaten gehalten. Eine maßgeschneiderte Halterung verwendet wird, um die Maus in Rückenlage mit beiden Beinen parallel zur Bohrung des Magneten vom Knie bis zum Fuß positionieren. Ein Vier-Kanal empfangen nur Oberflächenspule ist in einem 72 mm linear 1H Resonators platziert. Der Resonator Spule abgestimmt ist und abgestimmt auf die Probe. </li><li> MR Imaging: Nach Lokalisierer, die folgenden MR-Scans werden durchgeführt: T1-gewichteten schnellen Erfassung mit Relaxationserhöhung (RARE) mit folgenden Parametern: TE = 9,52 ms, TR = 1800, Echo Zuglänge = 4, in-plane-Auflösung 100x100 um und Schichtdicke = 750 um. Dual-Echo PD/T2 RARE: TE = 19.0/57.1 ms, TR = 5000 ms, Echo Zuglänge = 4, in-plane-Auflösung 100x100 um, und Schichtdicke = 750 um. Spin-Echo (SE) Diffusions-Tensor-Bilddaten mit 12 nicht-kollineare Richtungen: b-Wert = 350 s / mm -2, TE = 26 ms, TR = 4500 ms, in-plane-Auflösung 150x150 um, und Schichtdicke = 750 um . Multi-Slice-Multi-Echo (KKMU) T2 parametrische Mapping-Daten unter Verwendung von 16 TEs = 11,4 ms auf 182,5 ms mit ΔTE = 11,4 ms, TR = 10000 ms, in-plane-Auflösung 150x150 um, und Schichtdicke = 750 um. </li><li> Bildverarbeitung: Diffusion Tensor Wiederaufbau und Traktographie erfolgt über TrackVis (Martinos Center for Biomedical Imaging, Massachusetts General Hospital, Boston, MA) zu bedeuten Diffusivität (MD), fraktionierte Anisotropie (FA) Bilder sowie Traktographie Karten zu erstellen. T2-Mapping erfolgt mit Hilfe eigener Software in MAT geschrieben<html> LAB (The Mathworks, Natick, MA) unter Verwendung von nicht-linearen kleinsten Quadrate, um die gemessenen Daten an jedem Pixel passen auf die kanonische T2-Signal Gleichung. Regionen von Interesse Messungen durchgeführt werden, um Parameterwerte innerhalb der TA beurteilen. </li><li> 1H-Spektroskopie: Automatisierte shimming befindet sich auf einem 1 x 1 x 4 mm 3 Voxel in der TA durchgeführt. Eine Punkt-zeitaufgelösten Spektroskopie (PRESS) Pulssequenz (TR / TE = 2000/18 ms) wird verwendet, um Spektren aus dem gleichen Voxel mit 1024 im Durchschnitt zu erwerben. Die Datenerfassung erfolgt 34 ​​Minuten auf jedem Bein. Spektrale Daten verarbeitet werden, mit dem LCModel Paket 16. 31P-Spektroskopie: Ein Dual-gestimmt (1H, 31P) Oberflächenspule wird verwendet, um nicht-lokalisierten durchführen (unter Verwendung eines Single-Puls-Experiment) oder lokalisierte Spektroskopie mit dem Bild in vivo-Spektroskopie (ISIS) Pulssequenz ausgewählt. </li></ol> 4. Ernte und Lagerung Muskeln. Reisebüros sind nach Ende der Experimente geerntet, gewogen, in flüssigem Stickstoff eingefroren und anschließend bei -80 ° C gelagert Dies kann zu jedem Zeitpunkt nach der in-vivo-Experimente durchgeführt werden. Muskeln sind unmittelbar nach der in-situ-Experimente geerntet, da dies ein Terminal Verfahren ist. Für detaillierte morphologische Studien, wird das Tier mit 4% Paraformaldehyd über Perfusion durch die linke Herzkammer behoben. 5. Repräsentative Ergebnisse. Abbildung 3 zeigt repräsentative Daten von einer Ratte in der in vivo Apparat Die in vivo Apparat benutzt wird, um maximale Drehmoment von der Dorsalextensoren generiert erhalten;. Es wird auch benutzt, um eine Verletzung dieser selben Muskeln hervorzurufen. Aufgrund der Länge und Spannung Verhältnis von Muskel-, maximalen isometrischen Drehmoments der Regel tritt ein, wenn das Sprunggelenk bei ca. 20 ° Plantarflexion (mit dem Fuß senkrecht positioniert, um die Tibia als 0 °) positioniert ist. Nach maximale isometrische Drehmoment erhalten wird, kann der Fuß dann in jeder beliebigen Position auf der Verletzung Protokoll beginnen platziert werden. Abbildung 3 stellt eine Verletzung des Protokolls 30 Wiederholungen mit einem Bogen der Bewegung von 0 ° - 70 °. Notieren Sie sich die stetige Abnahme des Drehmoments aus der isometrischen Phase (gefüllte Pfeil) und die Verlängerung Phase (offener Pfeil) während der Kontraktion-induzierten Verletzungen Protokoll generiert. Das Drehmoment wird in Einheiten von Nmm aufgenommen, aber der absolute Wert hängt von der Größe des Tieres und dessen Zustand (zB verletzten Muskels, müde Muskeln oder Muskel fehlt ein bestimmtes Protein durch homologe Rekombination). Abbildung 4 zeigt repräsentative Daten von einer Ratte in der in situ Apparat. Unsere in situ Apparat nicht um Verlängerung Kontraktionen, sondern erlaubt es uns, zu isolieren, richtig auszurichten und zu messen maximale Spannung von einem einzelnen Muskel an einer bekannten Länge produziert. Abbildung 4 zeigt die allmähliche Verlust der Kraft, die beim Dauertest in einem tibialis anterior der Ratte auftritt. In diesem Beispiel wurden titanic Kontraktionen einmal pro Sekunde für 5 Minuten durchgeführt. Tension (Kraft) ist in der Regel in Newton (oder Gramm) aufgezeichnet, aber wie Drehmoment, hängt der Betrag von der Größe und dem Zustand des Tieres. Da Muskelmasse sofort nach diesem Verfahren erhalten wird, kann die Kraft normiert (so genannte &quot;spezifische Kraft&quot;), um Muskeln Querschnittsbereich werden. Abbildung 5 zeigt repräsentative Daten aus in vivo-Bildgebung von einer Maus, wie T1-gewichteten und T2 Parametric Mapping (A), 3D-Traktographien von Diffusions-Tensor-Bildgebung (B), 1 H-Spektroskopie (C) und 31 P-Spektroskopie. Einzelheiten sind in der Legende zur Verfügung gestellt. <img src="/files/ftp_upload/2782/2782fig1.jpg" alt="Abbildung 1" /> Abbildung 1: In-vivo-Apparat .* Um die Verletzungsgefahr zu produzieren, die Tibia stabilisiert und den Fuß auf einem motorbetriebenen Platte befestigt. Der Knöchel Dorsalflexoren werden über den N. peronaeus stimuliert, während die Fußplatte zwingt den Fuß in Plantarflexion (gepunkteter Pfeil). * Lovering &amp; De Deyne, J Biomechanik 2005, mit freundlicher Genehmigung verwendet. <img src="/files/ftp_upload/2782/2782fig2.jpg" alt="Abbildung 2" /> Abbildung 2: In situ Apparat Die Wägezelle ist mit einem Mikromanipulator montiert, so dass die TA zu Ruhelänge angepasst werden kann und richtig in die X, Y, und Z-Richtung ausgerichtet. Die distale Sehne des TA ist es, die Wägezelle befestigt und einzelne Zuckungen an verschiedenen Muskeln Längen induziert, um L 0 zu bestimmen. Eine maximale tetanische Kontraktion erhalten wird, um maximalen kontraktilen Aktivierung (P 0) zu bestimmen. Maximale tetanische Spannung kann mehrfach durchgeführt werden und als Prozentsatz der P 0 ausgedrückt, einen Index von Müdigkeit zu einem gewünschten Zeitpunkt. 782/2782fig3.jpg &quot;alt =&quot; Bild 3 &quot;/&gt; Abbildung 3: Drehmoment-Daten aus in vivo Apparat Vertreter Spur-Aufnahmen von Drehmoment von Verlängerung Kontraktionen in der Ratte. In diesem Beispiel wurden die Muskeln für 200 Millisekunden angeregt, einen Höhepunkt isometrische Kontraktion (gefüllte Pfeil) vor Verlängerung (offener Pfeil) von der Fußplatte durch eine 70 °-Bogen der Bewegung mit einer Winkelgeschwindigkeit von 900 induzieren ° / s. <img src="/files/ftp_upload/2782/2782fig4.jpg" alt="Abbildung 4" /> Abbildung 4: Tension Daten aus in situ Apparat Repräsentative Daten zeigen den Rückgang der maximalen isometrischen tetanischen Spannung bei wiederholter Stimulation des M. tibialis anterior (TA) in eine Ratte. In diesem Beispiel wurde die TA isoliert, angepasst, um optimale Länge (L 0), und dann mit einem 200 ms tetanische Kontraktion einmal pro Sekunde für 5 Minuten stimuliert. <img src="/files/ftp_upload/2782/2782fig5.jpg" alt="Abbildung 5" /> Abbildung 5: In-vivo-Bildgebung A: Die Bilder zeigen quer (axial) Teile der T1-gewichteten und T2 parametrische Mapping aus dem M. tibialis anterior (TA). Die gestrichelte rote Feld umgibt die TA zu zeigen erhöhte erhöhte T2 in den verletzten (links) versus unverletzt (rechte Seite) B:.. Vertreter 3D-Traktographien von Diffusion Tensor Imaging (DTI) C: Die 1 H-Spektrum einer Maus TA zeigt mehrere nachweisbar Lipid Resonanzen; Differenzierung zwischen intramyozellulären (IMCL) und extramyocellular Lipid (EMCL) Peaks erhält man mit dieser Methode D: Die 31 P NMR-Spektrum der Ratte TA zeigt Phosphokreatin (PCr), anorganischem Phosphat (Pi), und die drei. Resonanzen (α, β, γ) von Adenosin-5&#39;-Triphosphat (ATP).

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&quot;Muscle Schaden&quot; wurde definiert und gemessen in vielerlei Hinsicht. Bauschäden ist in histologischen Befunden 6,9 evident, aber ein Problem mit vielen der biologischen Marker verwendet werden, um Muskelverletzungen, einschließlich derjenigen in tierexperimentellen Studien verwendet zu bewerten, ist, dass sie in der Regel nicht mit dem Verlust der Kraft korrelieren. Muscle Schaden ist oft im Rahmen des Tests verwendet werden, um es zu untersuchen definiert und niemand finden kann, damit die Änder...

(Alle Geräte sind die gleichen für Mäuse und Ratten mit Ausnahme der Fußplatte) <ul><li> BUD Value Line Cabinet (Newark, 06M4718) </li><li> Multifunktions-l / O USB-6221M (National Instruments, 779808-01) </li><li> Schrittmotor-Controller (Newark, 16M4189) </li><li> Stepper Motor (Newark, 16M4198) </li><li> DMS-Verstärker (Honeywell, Sensotec, DV-05) </li><li> Torque Sensor (Honeywell, QWLC-8M) </li><li> Fußplatte und Stabilisierung Gerät (custom made, Patent angemeldet) </li></ul>

an in vivo rodent model of contraction-induced injury and non-invasive monitoring of recovery

Muskelzerrungen sind eine der häufigsten Beschwerden von Ärzten behandelt. Eine Muskelverletzung in der Regel aus der Anamnese und körperliche Untersuchung allein diagnostiziert, aber die klinische Präsentation kann variieren stark je nach dem Ausmaß der Verletzung, die Schmerzen des Patienten Toleranz, etc. Bei Patienten mit Muskel-Verletzungen oder Muskelerkrankungen, die Beurteilung der Schädigung der Muskulatur ist in der Regel um die klinischen Symptome, wie Zärtlichkeit, Kraft, Beweglichkeit, und in jüngerer Zeit, bildgebende Verfahren beschränkt. Biologische Marker, wie zB Serum-Kreatin-Kinase-Ebenen werden in der Regel mit Muskelverletzungen erhöht, aber ihre Werte nicht immer mit dem Verlust von Kraft Produktion korrelieren. Dies gilt auch für histologische Befunde von Tieren, die eine &quot;direkte Maßnahme&quot; des Schadens, aber nicht für alle der Verlust der Funktion Konto. Manche haben argumentiert, dass das umfassendste Maß für die allgemeine Gesundheit des Muskels in kontraktilen Kraft. Da Muskelverletzung ist ein zufälliges Ereignis, dass unter einer Vielzahl von biomechanischen Bedingungen auftritt, ist es schwer zu untersuchen. Hier beschreiben wir eine In-vivo-Tiermodell, um das Drehmoment zu messen und eine zuverlässige Muskelverletzung zu produzieren. Wir beschreiben auch unser Modell zur Messung der Kraft von einem isolierten Muskel in situ. Außerdem beschreiben wir unseren Kleintiere MRT-Verfahren.

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An in vivo Rodent Model of Contraction-induced Injury and Non-invasive Monitoring of Recovery

Ein<em&gt; In vivo</em&gt; Tiermodell der Verletzung ist beschrieben. Die Methode nutzt die subkutane Lage des N. peronaeus. Velocity, Zeitpunkt der Muskelaktivität und Bogen der Bewegung sind alle vorher festgelegten und synchronisiert mit kommerzieller Software. Beitrag Verletzungen Änderungen werden überwacht<em&gt; In vivo</em&gt; Mit der MR-Bildgebung / Spektroskopie.

Ein In vivo Nager-Modell der Kontraktion-induzierte Verletzung und nicht-invasive Überwachung von Recovery

Muscle strains are one of the most  common complaints treated by physicians. A muscle injury is typically diagnosed from the patient history and  physical ...

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Research

JoVE Journal

Medicine

An in vivo Rodent Model of Contraction-induced Injury and Non-invasive Monitoring of Recovery

13.7K Aufrufe.  University of Maryland School of Medicine. Ein In vivo Tiermodell der Verletzung ist beschrieben. Die Methode nutzt die subkutane Lage des N. peronaeus. Velocity, Zeitpunkt der Muskelaktivität und Bogen der Bewegung sind alle vorher festgelegten und synchronisiert mit kommerzieller Software. Beitrag Verletzungen Änderungen werden überwacht In vivo Mit der MR-Bildgebung / Spektroskopie.

Serie: An in vivo Rodent Model of Contraction-induced Injury and Non-invasive Monitoring of Recovery

Non-invasive Optical Measurement of Cerebral Metabolism and Hemodynamics in Infants

Perinatal brain injury remains a significant cause of infant mortality and morbidity, but there is not yet an effective bedside tool that can accurately screen for brain injury, monitor injury evolution, or assess response to therapy. The energy used by neurons is derived largely from tissue oxidative metabolism, and neural hyperactivity and cell death are reflected by corresponding changes in cerebral oxygen metabolism (CMRO2). Thus, measures of CMRO2 are reflective of neuronal viability and provide critical diagnostic information, making CMRO2 an ideal target for bedside measurement of brain health.
Brain-imaging techniques such as positron emission tomography (PET) and single-photon emission computed tomography (SPECT) yield measures of cerebral glucose and oxygen metabolism, but these techniques require the administration of radionucleotides, so they are used in only the most acute cases.
Continuous-wave near-infrared spectroscopy (CWNIRS) provides non-invasive and non-ionizing radiation measures of hemoglobin oxygen saturation (SO2) as a surrogate for cerebral oxygen consumption. However, SO2 is less than ideal as a surrogate for cerebral oxygen metabolism as it is influenced by both oxygen delivery and consumption. Furthermore, measurements of SO2 are not sensitive enough to detect brain injury hours after the insult 1,2, because oxygen consumption and delivery reach equilibrium after acute transients 3. We investigated the possibility of using more sophisticated NIRS optical methods to quantify cerebral oxygen metabolism at the bedside in healthy and brain-injured newborns. More specifically, we combined the frequency-domain NIRS (FDNIRS) measure of SO2 with the diffuse correlation spectroscopy (DCS) measure of blood flow index (CBFi) to yield an index of CMRO2 (CMRO2i) 4,5.
With the combined FDNIRS/DCS system we are able to quantify cerebral metabolism and hemodynamics. This represents an improvement over CWNIRS for detecting brain health, brain development, and response to therapy in neonates. Moreover, this method adheres to all neonatal intensive care unit (NICU) policies on infection control and institutional policies on laser safety. Future work will seek to integrate the two instruments to reduce acquisition time at the bedside and to implement real-time feedback on data quality to reduce the rate of data rejection.

We combined frequency-domain near-infrared spectroscopy measures of cerebral hemoglobin oxygenation with diffuse correlation spectroscopy measures of cerebral blood flow index to estimate an index of oxygen metabolism. We tested the utility of this measure as a bedside screening tool to evaluate the health and development of the newborn brain.

Non-invasive optische Messung des zerebralen Metabolismus und Hämodynamik bei Säuglingen

Perinatal brain injury remains a significant cause of infant mortality  and morbidity, but there is not yet an effective bedside tool that can  accurately ...

Forschung

Medizin

Non-invasive Assessment of Microvascular and Endothelial Function

The authors have utilized capillaroscopy and forearm blood flow techniques to investigate the role of microvascular dysfunction in pathogenesis of cardiovascular disease. Capillaroscopy is a non-invasive, relatively inexpensive methodology for directly visualizing the microcirculation. Percent capillary recruitment is assessed by dividing the increase in capillary density induced by postocclusive reactive hyperemia (postocclusive reactive hyperemia capillary density minus baseline capillary density), by the maximal capillary density (observed during passive venous occlusion). Percent perfused capillaries represents the proportion of all capillaries present that are perfused (functionally active), and is calculated by dividing postocclusive reactive hyperemia capillary density by the maximal capillary density. Both percent capillary recruitment and percent perfused capillaries reflect the number of functional capillaries. The forearm blood flow (FBF) technique provides accepted non-invasive measures of endothelial function: The ratio FBFmax/FBFbase is computed as an estimate of vasodilation, by dividing the mean of the four FBFmax values by the mean of the four FBFbase values. Forearm vascular resistance at maximal vasodilation (FVRmax) is calculated as the mean arterial pressure (MAP) divided by FBFmax. Both the capillaroscopy and forearm techniques are readily acceptable to patients and can be learned quickly.
The microvascular and endothelial function measures obtained using the methodologies described in this paper may have future utility in clinical patient cardiovascular risk-reduction strategies. As we have published reports demonstrating that microvascular and endothelial dysfunction are found in initial stages of hypertension including prehypertension, microvascular and endothelial function measures may eventually aid in early identification, risk-stratification and prevention of end-stage vascular pathology, with its potentially fatal consequences.

Capillaroscopy is a non-invasive, relatively inexpensive methodology for directly visualizing the microcirculation. The forearm blood flow technique provides accepted non-invasive measures of endothelial function.

Non-invasive Beurteilung der mikrovaskulären und Endothelfunktion

The authors have utilized capillaroscopy and forearm blood flow techniques to investigate the role of microvascular dysfunction in pathogenesis of ...

Transplantation into the Anterior Chamber of the Eye for Longitudinal, Non-invasive In vivo Imaging with Single-cell Resolution in Real-time

Intravital imaging has emerged as an indispensable tool in biological research. In the process, many imaging techniques have been developed to study different biological processes in animals non-invasively. However, a major technical limitation in existing intravital imaging modalities is the inability to combine non-invasive, longitudinal imaging with single-cell resolution capabilities. We show here how transplantation into the anterior chamber of the eye circumvents such significant limitation offering a versatile experimental platform that enables non-invasive, longitudinal imaging with cellular resolution in vivo. We demonstrate the transplantation procedure in the mouse and provide representative results using a model with clinical relevance, namely pancreatic islet transplantation. In addition to enabling direct visualization in a variety of tissues transplanted into the anterior chamber of the eye, this approach provides a platform to screen drugs by performing long-term follow up and monitoring in target tissues. Because of its versatility, tissue/cell transplantation into the anterior chamber of the eye not only benefits transplantation therapies, it extends to other in vivo applications to study physiological and pathophysiological processes such as signal transduction and cancer or autoimmune disease development.

Transplantation into the Anterior Chamber of the Eye for Longitudinal, Non-invasive In vivo Imaging with Single-cell Resolution in Real-time

A new approach combining intraocular transplantation and confocal microscopy enables longitudinal, non-invasive real-time imaging with single-cell resolution within grafted tissues in vivo. We demonstrate how to transplant pancreatic islets into the anterior chamber of the mouse eye.

Transplantation in die Vorderkammer des Auges für Längs-, Non-invasive<em&gt; In vivo</em&gt; Imaging mit Single-cell Auflösung in Echtzeit

Intravital imaging has emerged as an indispensable tool in biological research.  In the process, many imaging techniques have been developed to study ...

An Alkali-burn Injury Model of Corneal Neovascularization in the Mouse

Under normal conditions, the cornea is avascular, and this transparency is essential for maintaining good visual acuity. Neovascularization (NV) of the cornea, which can be caused by trauma, keratoplasty or infectious disease, breaks down the so called &lsquo;angiogenic privilege' of the cornea and forms the basis of multiple visual pathologies that may even lead to blindness. Although there are several treatment options available, the fundamental medical need presented by corneal neovascular pathologies remains unmet. In order to develop safe, effective, and targeted therapies, a reliable model of corneal NV and pharmacological intervention is required. Here, we describe an alkali-burn injury corneal neovascularization model in the mouse. This protocol provides a method for the application of a controlled alkali-burn injury to the cornea, administration of a pharmacological compound of interest, and visualization of the result. This method could prove instrumental for studying the mechanisms and opportunities for intervention in corneal NV and other neovascular disorders.

Neovascularization (NV) of the cornea can complicate multiple visual pathologies. Utilizing a controlled, alkali-burn injury model, a quantifiable level of corneal NV can be produced for mechanistic study of corneal NV and evaluation of potential therapies for neovascular disorders.

Eine Alkali-brennen Verletzungsmodell der Hornhaut Neovaskularisation bei der Maus

Under normal conditions, the cornea is avascular, and this transparency is essential for maintaining good visual acuity. Neovascularization (NV) of the ...

Murine Model for Non-invasive Imaging to Detect and Monitor Ovarian Cancer Recurrence

Epithelial ovarian cancer is the most lethal gynecologic malignancy in the United States. Although patients initially respond to the current standard of care consisting of surgical debulking and combination chemotherapy consisting of platinum and taxane compounds, almost 90% of patients recur within a few years. In these patients the development of chemoresistant disease limits the efficacy of currently available chemotherapy agents and therefore contributes to the high mortality. To discover novel therapy options that can target recurrent disease, appropriate animal models that closely mimic the clinical profile of patients with recurrent ovarian cancer are required. The challenge in monitoring intra-peritoneal (i.p.) disease limits the use of i.p. models and thus most xenografts are established subcutaneously. We have developed a sensitive optical imaging platform that allows the detection and anatomical location of i.p. tumor mass. The platform includes the use of optical reporters that extend from the visible light range to near infrared, which in combination with 2-dimensional X-ray co-registration can provide anatomical location of molecular signals. Detection is significantly improved by the use of a rotation system that drives the animal to multiple angular positions for 360 degree imaging, allowing the identification of tumors that are not visible in single orientation. This platform provides a unique model to non-invasively monitor tumor growth and evaluate the efficacy of new therapies for the prevention or treatment of recurrent ovarian cancer.

We describe a non-invasive animal imaging platform that allows the detection, quantification, and monitoring of ovarian cancer growth and recurrence. This intra-peritoneal xenograft model mimics the clinical profile of patients with ovarian cancer.

Mausmodell für nicht-invasive Bildgebungs zu erfassen und zu überwachen Eierstockkrebs Rezidiv

Epithelial ovarian cancer is the most lethal gynecologic malignancy in the United States. Although patients initially respond to the current standard of ...

Use of Ultra-high Field MRI in Small Rodent Models of Polycystic Kidney Disease for In Vivo Phenotyping and Drug Monitoring

Several in vivo pre-clinical studies in Polycystic Kidney Disease (PKD) utilize orthologous rodent models to identify and study the genetic and molecular mechanisms responsible for the disease, and are very convenient for rapid drug screening and testing of promising therapies. A limiting factor in these studies is often the lack of efficient non-invasive methods for sequentially analyzing the anatomical and functional changes in the kidney. Magnetic resonance imaging (MRI) is the current gold standard imaging technique to follow autosomal dominant polycystic kidney disease (ADPKD) patients, providing excellent soft tissue contrast and anatomic detail and allowing Total Kidney Volume (TKV) measurements.A major advantage of MRI in rodent models of PKD is the possibility for in vivo imaging allowing for longitudinal studies that use the same animal and therefore reducing the total number of animals required. In this manuscript, we will focus on using Ultra-high field (UHF) MRI to non-invasively acquire in vivo images of rodent models for PKD. The main goal of this work is to introduce the use of MRI as a tool for in vivo phenotypical characterization and drug monitoring in rodent models for PKD.

Use of Ultra-high Field MRI in Small Rodent Models of Polycystic Kidney Disease for In Vivo Phenotyping and Drug Monitoring

The use of ultra-high field MRI as a non-invasive way to obtain phenotypic information of rodent models for polycystic kidney disease and to monitor interventions is described. Compared with the traditional histological approach, MRI images can be acquired in vivo, allowing for longitudinal follow-up.

Verwendung von Ultrahochfeld-MRT in Kleintier Modelle aus Polyzystische Nierenerkrankung für<em&gt; In Vivo</em&gt; Phänotypisierung und Drug Monitoring

Several in vivo pre-clinical studies in Polycystic Kidney Disease (PKD) utilize orthologous rodent models to identify and study the genetic and molecular ...

Non-invasive Assessments of Subjective and Objective Recovery Characteristics Following an Exhaustive Jump Protocol

Fast recovery after strenuous exercise is important in sports and is often studied via cryotherapy applications. Cryotherapy has a significant vasoconstrictive effect, which seems to be the leading factor in its effectiveness. The resulting enhanced recovery can be measured by using both objective and subjective parameters. Two commonly measured subjective characteristics of recovery are delayed-onset muscle soreness (DOMS) and ratings of perceived exertion (RPE). Two important objective recovery characteristics are countermovement jump (CMJ) performance and peak power output (PPO). Here, we provide a detailed protocol to induce muscular exhaustion of the frontal thighs with a self-paced, 3 x 30 countermovement jump protocol (30-s rest between each set). This randomized controlled trial protocol explains how to perform local cryotherapy cuff application (+ 8 &#176;C for 20 min) and thermoneutral cuff application (+ 32 &#176;C for 20 min) on both thighs as two possible post-exercise recovery modalities. Finally, we provide a non-invasive protocol to measure the effects of these two recovery modalities on subjective (i.e., DOMS of both frontal thighs and RPE) and objective recovery (i.e., CMJ and PPO) characteristics 24, 48, and 72 h post-application. The advantage of this method is that it provides a tool for researchers or coaches to induce muscular exhaustion, without using any expensive devices; to implement local cooling strategies; and to measure both subjective and objective recovery, without using invasive methods. Limitations of this protocol are that the 30 s rest period between sets is very short, and the cardiovascular demand is very high. Future studies may find the assessment of maximum voluntary contractions to be a more sensitive assessment of muscular exhaustion compared to CMJs.

This protocol describes the procedure for non-invasive recovery assessments during a 72 h recovery period. This protocol induces muscular exhaustion of the frontal thighs using countermovement jumps and uses either local cold-cuff or thermoneutral-cuff application as a recovery modality.

Nicht-invasive Assessments von subjektiven und objektiven Erholungsmerkmalen nach einem erschöpfenden Sprungprotokoll

Fast recovery after strenuous exercise is important in sports and is often studied via cryotherapy applications. Cryotherapy has a significant ...

Non-invasive Assessment of Dorsiflexor Muscle Function in Mice

Assessment of skeletal muscle contractile function is an important measurement for both clinical and research purposes. Numerous conditions can negatively affect skeletal muscle. This can result in a loss of muscle mass (atrophy) and/or loss of muscle quality (reduced force per unit of muscle mass), both of which are prevalent in chronic disease, muscle-specific disease, immobilization, and aging (sarcopenia). Skeletal muscle function in animals can be evaluated by a range of different tests. All tests have limitations related to the physiological testing environment, and the selection of a specific test often depends on the nature of the experiments. Here, we describe an in vivo, non-invasive technique involving a helpful and easy assessment of force frequency-curve (FFC) in mice that can be performed on the same animal over time. This permits monitoring of disease progression and/or efficacy&#160;of a potential therapeutic treatment.

Measurement of rodent skeletal muscle contractile function is a useful tool that can be used to track disease progression as well as efficacy of therapeutic intervention. We describe here the non-invasive, in vivo assessment of the dorsiflexor muscles that can be repeated over time in the same mouse.

Nicht-invasive Beurteilung des releveurs Muskelfunktion bei Mäusen

Assessment of skeletal muscle contractile function is an important measurement for both clinical and research purposes. Numerous conditions can negatively ...

An Intact Pericardium Ischemic Rodent Model

This protocol has shown that the pericardium and its contents play an essential anti-fibrotic role in the ischemic rodent model (coronary ligation to induce myocardial injury). The majority of pre-clinical myocardial infarction models require the disruption of pericardial integrity with loss of the homeostatic cellular milieu. However, recently a methodology has been developed by us to induce myocardial infarction, which minimizes pericardial damage and retains the heart&#39;s resident immune cell population. An improved cardiac functional recovery in mice with an intact pericardial space following coronary ligation has been observed. This method provides an opportunity to study inflammatory responses in the pericardial space following myocardial infarction. Further development of the labeling techniques can be combined with this model to understand the fate and function of pericardial immune cells in regulating the inflammatory mechanisms that drive remodeling in the heart, including fibrosis.

This protocol outlines the steps for inducing myocardial infarction in mice while preserving the pericardium and its contents.

Ein intaktes ischämisches Nagetiermodell des Perikards

This protocol has shown that the pericardium and its contents play an essential anti-fibrotic role in the ischemic rodent model (coronary ligation to ...

Improved Rodent Model of Myocardial Ischemia and Reperfusion Injury

Myocardial ischemia and reperfusion injury (MIRI), induced by coronary heart disease (CHD), causes damage to the cardiomyocytes. Furthermore, evidence suggests that thrombolytic therapy or primary percutaneous coronary intervention (PPCI) does not prevent reperfusion injury. There is still no ideal animal model for MIRI. This study aims to improve the MIRI model in rats to make surgery easier and more feasible. A unique method for establishing MIRI is developed by using a soft tube during a key step of the ischemic period. To explore this method, thirty rats were randomly divided into three groups: sham group (n = 10); experimental model group (n = 10); and existing model group (n = 10). Findings of triphenyltetrazolium chloride staining, electrocardiography, and percent survival are compared to determine the accuracies and survival rates of the operations. Based on the study results, it has been concluded that the improved surgery method is associated with a higher survival rate, elevated ST-T segment, and larger infarct size, which is expected to mimic the pathology of MIRI better.

Myocardial ischemia-reperfusion model of rat heart is improved by using a self-made retractor, polyvinyl chloride tube, and a unique knotting method. Electrocardiogram, triphenyltetrazolium chloride and histological staining, and percent survival analysis results showed that the improved model group has higher success and survival rates than the already existing model group.

Verbessertes Nagetiermodell der Myokardischämie und Reperfusionsverletzung

Myocardial ischemia and reperfusion injury (MIRI), induced by coronary heart disease (CHD), causes damage to the cardiomyocytes. Furthermore, evidence ...