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Misurazioni funzione muscolare contribuiscono alla valutazione dei potenziali terapie per patologie muscolari, nonché alla determinazione dei meccanismi sottostanti fisiologia di questo tessuto. Si dimostrerà la preparazione del muscolo estensore lungo delle dita e muscoli del diaframma per i test funzionali. Protocolli per contrazioni isometriche ed eccentriche verrà mostrato, così come le differenze nei risultati tra muscoli distrofici, che rappresentano uno stato patologico, e muscoli di tipo selvatico.
Critico per la valutazione delle terapie potenziali per malattia muscolare sono valutazioni fisiologiche sensibili e riproducibili di funzione muscolare. Poiché molte prove precliniche si basano su modelli murini per queste malattie, la funzione muscolare isolato è diventato uno degli standard per Go / NoGo decisioni in movimento farmaci candidati in avanti nei pazienti. Dimostreremo la preparazione del estensore lungo delle dita (EDL) e muscoli del diaframma per i test funzionali, che sono i muscoli predominanti utilizzati per questi studi. La geometria muscolo EDL è ideale per preparazioni muscolari isolate, con due tendini facilmente accessibile, e una piccola dimensione che può essere supportato da superfusione in un bagno. Il diaframma presenta profonda progressiva patologia negli animali distrofici, e può servire da piattaforma per valutare molti potenziali terapie contrastare la fibrosi, e promuovere la stabilità miofibre. I protocolli per i test di routine, tra cui isometrica ed eccencontrazioni triche, verrà mostrato. Forza isometrica fornisce una valutazione della forza, e le contrazioni eccentriche aiutare a valutare la stabilità sarcolemma, che si interrompe in molti tipi di distrofie muscolari. Il confronto tra i risultati attesi fra i muscoli da muscoli di tipo selvatico e distrofiche, saranno fornite anche. Tali misure possono integrare le misurazioni morfologiche e biochimiche di omeostasi tissutale, nonché valutazioni intere di animali della funzione muscolare.
Misurazioni funzione muscolare contribuiscono alla valutazione dei potenziali trattamenti per patologie muscolari, nonché alla determinazione dei meccanismi sottostanti fisiologia di questo tessuto. Per la malattia muscolare, l'uso di modelli murini sono diventati un elemento centrale per la comprensione dei rapporti tra genotipo e fenotipo, e per estendere la conoscenza nella progettazione e la sperimentazione di terapie potenziali. Le distrofie muscolari, in particolare, hanno fatto affidamento sui topi per valutare questi agenti e stabilire dati preclinici necessari per andare avanti per studi clinici su pazienti. Una misura di esito frequente utilizza isolato funzione muscolare per determinare la forza, che è applicabile ad una vasta gamma di studi. Un'altra misura è l'uso di eccentrico, o allungamento, contrazioni determinare i cambiamenti di integrità della membrana muscolare, che è carente nella distrofia muscolare di Duchenne, e il modello di mouse per questa malattia (mdx). Pertanto, è essenziale che questi tipi di misuratore digenitori di essere sensibile e riproducibile.
Il mouse estensore lungo delle dita (EDL) muscolare è stato ampiamente utilizzato per la funzione muscolare isolato a causa della sua geometria ideale e dimensione, compreso l'orientamento delle fibre uniformi e tendini definitive 2, 5, 6, 10, 12. Metodi per muscoli EDL isometriche misurazioni funzionali sono stati descritti in una precedente pubblicazione JoVE 8, così come nel Treat-NMD SOP 1. Abbiamo esteso la descrizione di questi metodi per includere entrambe le contrazioni isometriche ed eccentriche. Caratteristiche della malattia sono evidenti nel EDL, inclusi i cicli heighted di degenerazione / rigenerazione e uscita forza diminuita.
Il diaframma del mouse mostra la progressione più rapida patologica di distrofia muscolare rispetto ad altri muscoli del topo 11. 6 mesi di età, fibrosi cumulativo comprende circa il 50% del muscolo. Ciò provoca significativamente impaired forza di uscita 11. Pertanto, agenti terapeutici che possono prevenire l'infiltrazione fibrotica può essere valutato in modo efficiente nel diaframma.
La perdita di distrofina nel muscolo porta ad un aumento fragilità e le accresciute danni contrattile in tutti i muscoli 9. Pertanto molte terapie per la distrofia muscolare di Duchenne sono orientati per la sostituzione distrofina. Come tale, un saggio che è diventata essenziale per valutare queste strategie è contrazione eccentrica, che può distinguere tra muscolare normale e distrofiche, oltre a determinare quale utilità particolare strategia ha per proteggere un muscolo distrofico da danni contrattile 2, 3, 4, 12. Questa procedura richiede o un dual-mode servomotore che può modulare / lunghezza di registrazione e forza, o un metodo di regolazione della lunghezza rapidamente separata da un trasduttore di forza.
Tutte le procedure sono stati esaminati e approvati dalla University of Pennsylvania IACUC.
1. Dissezione EDL e preparazione (circa 30 min)
2. Membrana dissezione e preparazione (circa 30 min)
3. Muscoli di montaggio a Bath Meccanica
4. Contrazioni isometriche
5. Contrazioni eccentriche
6. Cancellazione dal Apparato muscolare
Valori attesi per le forze isometriche dei muscoli EDL da 12 animali settimane vecchi sono mostrati nella Figura 1. Poiché i muscoli mdx esporre ipertrofia compensatoria, totale forza tetanica può essere maggiore nei muscoli mdx rispetto all'età di tipo selvatico controlli abbinati. Tuttavia, una misura più appropriata di uscita funzionale è forza specifica (figura 2), dove viene normalizzato vigore per sezione trasversale per calcolare questo valore. Forza specifica dipende dalla capacità intrinseca funzionale del muscolo, dove la debolezza nei muscoli distrofici è più evidente quando sia la forza assoluta e l'area trasversale sono contabilizzate. Nelle nostre mani, i muscoli di topi mdx EDL generare circa il 20 - 25% inferiori rispetto a quelli delle forze specifiche di età corrispondente di tipo selvatico topo 10-26 settimane di età.
Per il diaframma, solo forza specifica è rilevante per il confronto perché la preparazione è un pezzo di muscolo dipende dalla diffuction. Confronto della forza specifica tra tipo selvatico e muscoli del diaframma mdx riflette la patologia progressiva in questo tessuto. Uscita forza isometrica diminuisce con l'età (Figura 3), in modo che da 6 mesi di età, muscoli del diaframma di topi mdx non producono più della metà della produzione funzionale di strisce diaframma da pari età di tipo selvatico controlli.
Un esempio di contrazioni eccentriche di testing diaframma è mostrato in Figura 4. Ad ogni successiva contrazione eccentrica, uscita forza diminuisce in strisce a membrana da entrambi di tipo selvatico (C57) e topi mdx. Tuttavia, la perdita di forza è più drammatico in campioni di muscolo dal topo mdx, presumibilmente dalla mancanza di distrofina e le sue proteine associate.
Figura 1. Isometrica forza tetanica in di tipo selvatico e mdx EDL f muscoli rom 12 topi settimana fa. Forza assoluta può essere più elevata nei pari età mdx muscoli EDL a causa di ipertrofia compensatoria.
Figura 2. Forza isometrica tetanica normalizzati per area muscolare in sezione trasversale è forza specifica, e rivela depresso capacità funzionale dei muscoli EDL da topi mdx rispetto a quelli di tipo selvatico topo. Tracce sono da topi stessi in Figura 1.
Figura 3. La perdita progressiva della capacità di forza generatrice valutata con la forza specifica è più evidente nel diaframma di topi mdx (barre rosse) rispetto al tipo selvatico (C57 in linea blu).
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Figura 4. La perdita di forza in funzione del numero di contrazione eccentrica per muscoli del diaframma da 12 settimane vecchio C57 e topo mdx. I dati sono media ± SEM per N = 4 muscoli per genotipo.
L'obiettivo di questo articolo è quello di fornire indicazioni su come eseguire la funzione muscolare isolato su due muscoli di topo - l'EDL e il diaframma. La valutazione di questi muscoli può fornire una conoscenza o meno di nuovi candidati terapeutici per le malattie muscolari sono utili. Per entrambi i muscoli, il fattore principale per ottenere dati affidabili è una dissezione pulito. Pertanto, la pratica e perfezionare il passo iniziale isolamento è essenziale prima di passare i test funzionali. Inoltre, l'istituzione di parametri funzionali per il muscolo normale è fondamentale prima di fare paragoni al muscolo distrofico, o tra i trattamenti. Ciò assicurerà che i risultati dello studio non sono soggetti a variabilità impartita dalla capacità di chi esegue gli esperimenti. L'uso di un colorante impermeant membrana può aiutare con ottimizzare la preparazione dissezione, per incubazione di qualsiasi muscolo in una soluzione contenente un colorante segnerà fibre più danneggiate, e può servire come un indice di dissection successo. Minimizzando il numero di fibre danneggiate nel muscolo aiuterà ad ottimizzare la misurazione. Le fibre danneggiate da dissezione fluorescenza molto più brillantemente di quelli danneggiati da contrazione eccentrica, e quindi, se il colorante è utilizzato anche durante il processo meccanica, si può usare l'intensità del colorante per distinguere tra i due tipi di danni.
Dissezione di strisce diaframma sarà quasi sempre danno fibra, semplicemente perché tagliando lungo la lunghezza delle fibre, alcune inevitabilmente vengono distrutte. Assorbimento colorante è forte in quei fibre danneggiate, e questi sono normalmente limitati ai bordi esterni della preparazione. In media, si osserva una banda di fibre danneggiate che è ~ 3 fibre in larghezza (~ 120 micron) su entrambi i lati della striscia muscolare. Se la banda danneggiato comprende più del 15% del muscolo, i dati vengono scartati. La preparazione diaframma ha anche vincoli sulla dimensione ottimale per le misure funzionali. Abbiamo trovato che i pezzi di diaphragm che sono più larghi di 5 mm iniziano a piegare su se stesse, perché il legame tendine centrale è solo in un punto. Ciò si traduce in una riduzione della forza specifica nella preparazione. Abbiamo anche trovato che strette strisce hanno anche bassa forza specifica, che riteniamo sia perché il numero di fibre danneggiate durante la dissezione comprendono una quota maggiore del numero totale di fibre. Per esempio, se 0,1 millimetri per lato è danneggiato, allora è 5% (2x0.1 mm / 4 strip mm) della preparazione muscolare che non contribuisce alla forza, mentre se la striscia è solo 1 mm, quindi 20 % della preparazione muscolare è danneggiato. Così, sia la larghezza della zona danneggiata e la larghezza della intera preparazione sono fattori importanti da controllare.
Misure di massima tensione isometrica richiedono che tutte le fibre muscolari di un muscolo vengono stimolati. Poiché non vi è variabilità enorme componenti di un apparato funzione, questo deve essere determinato per ogni singola serieup. Per esempio, dimensione bagno o il tipo di stimolatore può influenzare l'intensità di stimolazione. Stimolazione Twitch è un modo ragionevole per determinare le condizioni di stimolazione sovramassimale. Una volta che questo è stabilito per una configurazione specifica e muscolo, può essere utilizzato per studi successivi.
Al contrario, la lunghezza ottimale di qualsiasi muscolo dato deve essere misurato per ciascun preparato mediante il processo iterativo sopra descritto. Questo assicura che si sovrappongono a filamento spessi e sottili è ottimale e il massimo potenziale di capacità di generazione di forza è misurata. Procedure alternative possono fare affidamento sui modelli di diffrazione associati con le striature muscolari, ma questo richiede attrezzatura supplementare non descritto qui.
Noi abitualmente uso 500 msec durata di stimolazione, che rientra nella fascia media di questo parametro utilizzato da altri ricercatori in questo campo. Anche se questo potrebbe causare affaticamento del muscolo durante la contrazione, che è evidenteda un "abbassamento" della produzione di forza massima, questo di per sé può essere informativo. Per esempio, una differenza di affaticamento potrebbe essere raggiunto da diversi tipi di terapie comprese quelle che movimentazione bersaglio di calcio, di conseguenza l'abbassamento in vigore durante contrazione attiva può servire come un indice di miglioramento. In alternativa, la perdita di forza potrebbe indicare che le suture sui tendini non sono abbastanza stretto, e che stanno scivolando durante la contrazione. Il muscolo deve essere rimosso dal bagno e le suture devono essere ri-legato se questo si verifica. Abbiamo anche utilizzare una serie di contrazioni tetaniche 3, che aiuta a valutare la stabilità del preparato. Anche in questo caso, scivola sutura porterebbe alla perdita di forza tra le contrazioni, che richiede sutura ri-legatura. Muscoli di grandi dimensioni possono anche generare nuclei anossici, che portano a perdite di forza durante il protocollo. Massa muscolare è un fattore limitante per l'esecuzione di test di funzionalità muscolare isolato, in cui i muscoli EDL con masse superiori a 20 mg perdere forza con ogni contrazionezione, e non può essere supportata da superfusione in un bagno. Strisce membrana non soffrono le stesse complicazioni perché sono abbastanza sottili da avere vitalità prolungata nel bagno.
Altri muscoli possono essere utilizzati per la funzione muscolare isolato, compreso il muscolo soleo, che è comunemente usata, ma non descritti qui. Molte delle stesse procedure possono essere adottate per i soleo in termini di preparazione e il collaudo funzionale. Tuttavia, le differenze principali sono la frequenza di stimolazione, ed i parametri per contrazioni eccentriche. Utilizzare del soleo per funzione complementare a quello degli altri due muscoli, e quindi dovrebbe essere considerata come parte di un "pacchetto standard" per la valutazione topi distrofici 4, 7.
Contrazione eccentrica fornisce un indice di fragilità contrattile, ed è importante utilizzare un protocollo che comporta modesta perdita di forza nei muscoli da animali di tipo selvatico e di una notevole perdita di forza inmuscoli distrofici non trattati in modo che ci sia una vasta gamma dinamica per i confronti. La mancanza di qualsiasi perdita di forza nei muscoli normali suggerisce che la contrazione eccentrica è troppo dolce, e non sarà sufficiente per distinguere tra terapie che non sono efficaci e quelle che sono veramente vantaggioso. Tuttavia, una perdita di forza nei muscoli normali sottoposti a contrazione eccentrica potrebbe essere troppo grande per prendere in giro le differenze associate alla malattia. Il nostro protocollo per l'EDL e il diaframma di 0,5 utilizza Lo / sec velocità di allungamento per produrre un cambiamento di lunghezza del 10%. Noi di solito eseguire 5 contrazioni eccentriche, che si traducono in una piccola perdita di forza nei muscoli normali e una significativa perdita di forza nei muscoli distrofici. Certamente, tutti questi parametri possono essere variati per aumentare la variazione di lunghezza totale, il tasso di allungamento, o il numero di contrazioni eccentriche per distinguere differenze tra muscolo malato e sano, nonché sugli effetti di uno specifico tipo di mutazione o tRATTAMENTO che si studia. Fino a quando non vi è una netta differenza tra i muscoli normali e malati, poi c'è un gold standard da raggiungere in termini di trattamenti.
In sintesi, questo protocollo definisce le linee guida per l'esecuzione di contrazioni isometriche ed eccentrico, e identifica spera potenziali insidie da evitare quando si imposta questa tecnica nel vostro laboratorio.
Produzione e l'accesso gratuito a questo articolo è sponsorizzato da Aurora scientifico.
Questo lavoro è stato sostenuto dal D. Paul Wellstone Cooperative Research Center (AR052646).
Name | Company | Catalog Number | Comments |
Nome del reagente / materiale | Azienda | Numero di catalogo | Commenti |
nel sistema di test muscolare in vitro | Aurora scientifico | 1200A | |
Dissezione microscopio | Leica | MZ6 | |
ACE sorgente di luce | Schott-Fostec | A20500 | |
Forbici per dissezione | Strumenti Scienza Belle | 14060-11 | |
Angolari forbici dissezione | Strumenti Scienza Belle | 15006-09 | |
Manico bisturi | Strumenti Scienza Belle | 10003-12 | alternativo strumento di dissezione |
Curve lame di bisturi # 12 | Scienza fineStrumenti | 10012-00 | alternativo strumento di dissezione |
Bone forbici | Strumenti Scienza Belle | 16044-10 | |
S & T sutura legatura forcipe | Strumenti Scienza Belle | 00272-13 | |
Dumont Pinza SS - angolo | Strumenti Scienza Belle | 11203-25 | |
Intrecciato sutura seta TAGLIA 6-0 | Teleflex Medical | 07-30-10 | |
Nastro medico | TRANSPORE | 3M | |
La ketamina cloridrato 100 mg / ml | Hospira | NDC 0409-2051-05 | Ultima dose è di 80 mg / kg |
Iniezione TranquiVed (xilazina 100 mg / ml) | Vedco | NDC 50989-234-11 | Ultima dose è di 10 mg / kg |
Reattiva arancione 14 | Sigma-Aldrich | R-8254 | |
Componenti della soluzione Ringers | La soluzione è a gas equilibrata con 95% O 2 e il 5% di CO 2, pH finale 7,4 | ||
Cloruro di sodio | Sigma-Aldrich | S7653 | Concentrazione finale: 118 mm |
Cloruro di potassio | Fisher Scientific | P217-3 | Concentrazione finale: 4,7 mm |
Cloruro di calcio diidrato | Fisher Scientific | C79-500 | Concentrazione finale: 2.5 mM |
Potassio fosfato monobasico | Fisher Scientific | P-285 | Concentrazione finale: 1,2 mm |
Solfato di magnesio | JT Baker | 2500-01 | Concentrazione finale: 0,57 mm |
4 - (2-idrossietil) TuboRazine-1-etansolfonico (HEPES) | Fisher Scientific | BP310-500 | Concentrazione finale: 5,95 g / L |
Glucosio | Sigma-Aldrich | G8270 | Concentrazione finale: 5.5 mM |
Richiedi autorizzazione per utilizzare il testo o le figure di questo articolo JoVE
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