Name: collection of skeletal muscle biopsies from the superior compartment of human musculus tibialis anterior for mechanical evaluation
Uploaded: 2020-09-27T14:30:00
Description: Watch this Scientific Journal Video about Collection of Skeletal Muscle Biopsies from the Superior Compartment of Human Musculus Tibialis Anterior for Mechanical Evaluation at JoVE.com

Nous remercions Michaela Rau, Lea-Fedia Rissmann, Michael Marsh, Janina-Sophie Tennler, Kilian Kimmeskamp et Wolfgang Linke d’avoir participé au projet. Le financement de ce projet a été fourni par la Fondation MERCUR (ID: An-2016-0050) à la DH.

REMARQUE : Ci-dessous, nous décrivons un protocole pour récolter les fibres mécaniquement intactes du TA des volontaires qui ont été inscrits à une étude en cours distincte. Ce protocole est similaire à celui décrit par Shanely et coll.3, qui ont décrit la technique bergström modifiée dans le vaste lateralis. L’information présentée ici a été affinée par notre groupe de recherche, mais peut ne pas être idéale pour tous les groupes de laboratoire ou les configurations organisat...

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Dans ce rapport, nous avons décrit une technique pour la biopsie du tissu musculaire structurellement intact de TA. Nous avons constaté que cette procédure donne une teneur acceptable en fibres musculaires utilisables (5-10 préparations de faisceau de fibres par 50 mg de tissu collecté) pour les tests mécaniques. De plus, nous avons eu assez de tissu pour des expériences mécaniques, génétiques et protéomiques de suivi.
Il existe plusieurs méthodes généralement utilisées pour la ...

L’étude de la physiologie musculaire humaine à des fins cliniques ou de recherche nécessite souvent des biopsies musculaires. Par exemple, un défi majeur dans la physiologie musculaire humaine et la biomécanique est de distinguer et de comprendre les différentes adaptations de la performance musculaire à l’exercice. Les adaptations de performance ne comprennent pas seulement les adaptations structurelles (p. ex., changements dans les protéines contractiles, architecture musculaire), mais comprennent également les adaptations neuronales1, qui sont très difficiles, voire impossibles, à évaluer séparément lors de l’essai intact des muscles humains in situ. Les expériences de niveau fibre enlèvent ces composants d’ordre supérieur et permettent une évaluation plus directe de la contraction musculaire et peuvent être recueillies par des techniques de biopsie. Des biopsies musculaires ont été recueillies depuis au moins 18682. Aujourd’hui, la technique prédominante pour recueillir les biopsies musculaires est la technique modifiée Bergström3,4,5, bien que d’autres techniques sont disponibles, y compris l’utilisation d’un conchotome Weil-Blakesley6 ou le soi-disant fine-aiguille7,8. Toutes ces techniques utilisent des instruments spéciaux ressemblant à des aiguilles qui sont conçus pour passer dans les muscles et couper un morceau de tissu. Plus précisément, la technique bergström modifiée utilise une grande aiguille modifiée (taille d’aiguille de 5 mm ici; Figure 1) qui a une fenêtre près de la pointe de l’aiguille et un plus petit trocar interne qui se déplace de haut en bas de l’aiguille, en coupant le muscle lors du passage sur la fenêtre de l’aiguille. Dans ce trocar sacré est un ramrod qui se déplace de haut en bas de l’arbre de la trocar et pousse la biopsie vers la fenêtre de l’aiguille. Pour tirer le muscle dans la fenêtre de l’aiguille, un tuyau d’aspiration est attaché, ce qui aspire l’air de l’aiguille et tire le muscle dans la fenêtre de l’aiguille par pression négative.
Les biopsies musculaires sont souvent acquises pour étudier les changements dans la teneur en protéines, l’expression des gènes ou la morphologie causées par la maladie ou dans une réponse à un programme d’exercice1,9,10,11. Une autre utilisation critique pour les biopsies musculaires est des expériences mécaniques telles que la mesure de la force contractile de fibre, la rigidité de fibre musculaire, et les propriétés musculaires dépendantes de l’histoire12,13,14,15,16. La mécanique unique de faisceau de fibre ou de fibre sont mesurées en attachant des fibres entre un moteur de longueur et transducteur de force sur des plates-formes spécialisées qui contrôlent la longueur de fibre tout en mesurant simultanément la force. En perméabilisant (p. ex., dépeçage) des fibres, la membrane de sarcolemme devient perméable aux produits chimiques de la solution de bain, permettant un contrôle d’activation en variant la concentration de calcium. En outre, l’effet des propriétés contractiles sur les produits chimiques/ pharmaceutiques/autres protéines peut facilement être évalué en ajoutant le réactif en question à la solution de bain. Cependant, alors que cette technique est très utilisée dans d’autres modèles animaux, sensiblement moins d’études ont effectué des tests mécaniques sur les fibres écorchées de biopsies musculaires humaines17,18,19. Une raison est que les outils de biopsie et les protocoles sont conçus pour enlever autant de tissu musculaire que possible avec moins de considération pour le niveau de dommages structurels subis lors de l’extraction des tissus. En effet, un protocole de biopsie récente suggère de conduire l’aiguille de biopsie dans le muscle et de recueillir 2-4 morceaux de muscle3. Le processus lui-même ne fait que peu de dommages à l’ADN ou à la matière protéique, mais détruit souvent les structures de fibres et de sarcomériques de telle sorte que l’activation des fibres musculaires devient instable ou impossible. En outre, la longueur relative des fibres dans la biopsie sont généralement courtes (<2 mm) et pas facilement manipulées pour des essais mécaniques. Pour les essais mécaniques, les fibres idéales sont longues (3-5 mm) et non structurellement endommagées.
Des techniques d’extraction de tissus plus avancées peuvent être utilisées pour limiter les dommages causés par les fibres. Par exemple, un groupe20 a profité des « chirurgies ouvertes » préalablement planifiées des avant-bras (p. ex., réparation de fracture osseuse), où les muscles étaient complètement exposés et où un chirurgien était capable de visualiser la structure musculaire et de disséquer soigneusement des échantillons relativement gros et structurellement intacts de tissu musculaire (15 mm x 5 mm x 5 mm). Cette technique de « biopsie ouverte » est favorisée lorsque les participants subissent une procédure précédemment planifiée, et limite ainsi le bassin de participants potentiels, en particulier pour les adultes en bonne santé, où aucune chirurgie n’aurait autrement lieu. Ainsi, beaucoup de biopsies conduites à des fins de recherche sont faites comme une procédure ambulatoire et le site d’incision est maintenu aussi petit que possible pour limiter le risque d’infection, la cicatrisation, et le temps de guérison. Par conséquent, la plupart des biopsies sont recueillies aveuglément (c.-à-d. que l’opérateur est incapable de voir l’aiguille de collecte comme il passe à travers le fascia dans le muscle). Cela implique que la qualité de la biopsie est presque entièrement basée sur la compétence et l’expérience de l’opérateur. Chaque muscle a ses propres difficultés lors de la collecte des tissus, tels que les risques de violer les nerfs et les vaisseaux sanguins, la sélection d’une profondeur de collecte idéale et l’emplacement, et de décider d’une position du corps approprié pour garder le muscle aussi mou que possible. Malheureusement, la plupart des compétences spécifiques aux muscles ne sont pas écrits et donc chaque médecin doit « éinventer la rou » lors de l’exécution de biopsies sur les muscles nouveaux pour eux. Ce manque d’expérience conduit habituellement à plusieurs collections de faible qualité jusqu’à ce que le médecin identifie les meilleures pratiques pour les biopsies sur ce muscle. Les médecins débutants apprennent souvent la compétence par des conversations avec leurs collègues plus expérimentés, mais relativement peu de textes informatifs et évalués par les pairs existent sur la question, en particulier pour les muscles qui ne sont pas traditionnellement utilisés pour la collecte de biopsie. Si nous considérons l’information ci-dessus, ainsi que la difficulté de recruter des volontaires humains pour les biopsies, il est clair que plus d’information pédagogique est nécessaire qui maximise les chances de succès pour chaque participant.
Ainsi, le but de cet article était de présenter une technique de biopsie musculaire qui fournit des protocoles pour la collecte réussie de biopsies musculaires avec de longs fragments de fibres intactes pour des essais mécaniques. Les biopsies de muscle humain sont habituellement effectuées sur, et la majeure partie du matériel de formation de biopsie est sur, le musculus vaste lateralis. Sa taille musculaire relativement grande et son emplacement superficiel par rapport à la peau permettent la collecte de tissus musculaires adéquats, tout en minimisant l’inconfort du patient et les traumatismes physiques1,21. Cependant, il y a certaines limites à l’utilisation du vastus lateralis pour les études de formation longitudinales. Par exemple, au cours de protocoles expérimentaux qui comprennent un programme de formation, les participants doivent s’abstenir de toute formation supplémentaire en dehors de l’étude pendant une période qui s’étend souvent sur 2 à 6 mois. Pour les athlètes, ce n’est souvent pas possible, car le vastes lateralis est habituellement formé lors d’exercices typiques (p. ex., squats, sauts), ou est généralement utilisé pour le sport (p. ex., course à pied, cyclisme). Ces expériences d’entraînement distinctes loin de l’objectif de l’étude peuvent provoquer des adaptations musculaires qui modifient la mécanique musculaire, l’architecture et la physiologie de telle sorte qu’il est difficile ou impossible de connaître l’effet réel du protocole expérimental de l’étude sur les propriétés musculaires. Pour ce genre d’études, il serait idéal de choisir un muscle cible qui n’est souvent pas au centre des régiments d’entraînement. Le tibialis musculus antérieur (TA) est un muscle cible idéal qui satisfait les exigences ci-dessus. En outre, les interventions de formation peuvent être ciblées vers le TA en utilisant des approches contrôlables, comme avec l’utilisation d’un dynamomètre. Il n’y a presque aucun matériel d’entraînement se rapportant à une biopsie musculaire de TA. Par conséquent, nous avons développé un protocole modifié pour recueillir des biopsies musculaires relativement intactes de l’AT.

<table>
	<tbody>
		<tr>
			<td>26 guage subcutaneous needle with 2 ml glass syringe</td>
			<td>B. Braun Melsungen AG 
			Carl-Braun-Stra&#223;e 1 
			34212 Melsungen, Hessen 
			Germany 
			&#160;</td>
			<td>4606027V</td>
			<td>Drug administration</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>5mm Berst&#246;m needle</td>
			<td>homemade</td>
			<td>N/A</td>
			<td>Tissue collection. Similar to other Berst&#246;m needles</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Acrylastic</td>
			<td>BSN medical GmbH 
			22771 Hamburg</td>
			<td>269700</td>
			<td>elastic compression bandage</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Complete protease inhibitor cocktail</td>
			<td>Roche Diagnostics, Mannheim, Germany</td>
			<td>11836145001</td>
			<td>Protease inhibitor tabeletes added to all solutions that hold muscle tissue.</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Cutasept</td>
			<td>PAUL HARTMANN AG 
			Paul-Hartmann-Stra&#223;e 12 
			89522 Heidenheim 
			Germany</td>
			<td>9805630</td>
			<td>Disenfectant spray for the skin</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Leucomed T plus</td>
			<td>BSN medical GmbH 
			22771 Hamburg</td>
			<td>7238201</td>
			<td>Transparent wound dressing with wound pad to seal the wound and protect against infection</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Leukostrip</td>
			<td>Smith and Nephew medical Limitied 101 Hessle road, 
			Hull 
			Great Britain</td>
			<td>66002876</td>
			<td>wound closure</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Surgical disposable scalpels</td>
			<td>Aesculap AG 
			Am Aesculap-Platz 
			78532 Tuttlingen 
			Germany</td>
			<td>BA200 series</td>
			<td>Incision</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Unihaft cohesive elastic bandage</td>
			<td>BSN medical GmbH 
			22771 Hamburg</td>
			<td>4589600</td>
			<td>cohesive elastic bandage that protects against mechanical impact</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Xylocitin 2% with Epinephrin</td>
			<td>Milbe GmbH 
			M&#252;nchner Stra&#223;e 15 
			06796 Brehna 
			Germany</td>
			<td>N/A</td>
			<td>Controlled substance anesthesia, vasoconstriction</td>
		</tr>
	</tbody>
</table>

collection of skeletal muscle biopsies from the superior compartment of human musculus tibialis anterior for mechanical evaluation

Les propriétés mécaniques des fibres squelettiques contractantes sont des indicateurs cruciaux de la santé globale des muscles, de la fonction et de la performance. Les biopsies de muscle squelettique humain sont souvent recueillies pour ces efforts. Cependant, relativement peu de descriptions techniques des procédures de biopsie, en dehors du musculus vastus lateralis couramment utilisé, sont disponibles. Bien que les techniques de biopsie soient souvent ajustées pour tenir compte des caractéristiques de chaque muscle à l’étude, peu de rapports techniques partagent ces changements dans la grande communauté. Ainsi, le tissu musculaire des participants humains est souvent gaspillé que l’opérateur réinvente la roue. L’expansion du matériel disponible sur les biopsies à partir d’une variété de muscles peut réduire l’incident des biopsies échouées. Ce rapport technique décrit une variation de la technique bergström modifiée sur le tibialis musculus antérieur qui limite les dommages de fibre et fournit des longueurs de fibre adéquates pour l’évaluation mécanique. La chirurgie est une procédure ambulatoire qui peut être complétée en une heure. La période de récupération de cette procédure est immédiate pour l’activité légère (c.-à-d. la marche), jusqu’à trois jours pour la reprise de l’activité physique normale, et environ une semaine pour les soins des plaies. Le tissu extrait peut être utilisé pour des expériences de force mécanique et nous présentons ici des données d’activation représentatives. Ce protocole est approprié pour la plupart des fins de collecte, potentiellement adaptable à d’autres muscles squelettiques, et peut être amélioré par des modifications à l’aiguille de collecte.

L’engagement de temps entier pour un participant était environ une heure (consultation de 10 min, échographie de 10 min, préparation de chirurgie de 20 min et administration anesthésique, chirurgie de 10 min, et 10 min de récupération). Souvent, les participants ont inconsciemment activé leur TA et ont eu besoin de rappels cohérents pour garder le muscle aussi détendu que possible. Lorsque l’aiguille de biopsie était à l’intérieur du muscle, les participants ont habituellement rapporté une sensation un...

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Collection of Skeletal Muscle Biopsies from the Superior Compartment of Human Musculus Tibialis Anterior for Mechanical Evaluation

Ce rapport technique décrit une variation de la technique modifiée de Bergström pour la biopsie du tibialis de musculus antérieur qui limite les dommages de fibre.

Collection de biopsies musculaires squelettiques du compartiment supérieur du musculus humain tibialis antérieur pour l’évaluation mécanique

The mechanical properties of contracting skeletal fibers are crucial indicators of overall muscle health, function, and performance. Human skeletal muscle ...

Bienvenue à la Ruhr-Université Bochum, Faculté des Sciences du Sport. Aujourd’hui, nous démontrerons la collection des biopsies squelettiques de muscle du compartiment supérieur du musculus tibialis humain antérieur. Tandis que les techniques de biopsie sont efficaces pour recueillir le tissu de muscle, les fibres sont souvent structurellement endommagées de telle sorte que l’évaluation de la mécanique de fibre soit difficile.Nous présentons une variante d’une technique modifiée de Bergstrom qui limite les dommages de fibre et maximise la longueur de fibre de sorte que l’évaluation mécanique des fibres humaines puisse être conduite. La démonstration sera menée par le médecin de l’équipe, le Dr Markus de Marees et les chercheurs, le Dr Daniel Hahn et Anthony Hessel. Le participant et le médecin se réunissent d’abord pour examiner et discuter de la procédure.S’il est satisfait, le participant signe le contrat de consentement volontaire éclairé. Demandez au sujet de poser des supinations et de garder son membre aussi détendu que possible. Dorsiflex le pied du participant de sorte que l’antérieur tibialis est mou.Utilisez une sonde à ultrasons pour visualiser le plan transversal du compartiment superficiel dans le ventre du muscle antérieur tibialis, identifier une zone de biopsie sans artères ou nerfs majeurs. Enfin, enregistrez la profondeur de l’aponeurose centrale de sorte que l’aiguille de collecte ne soit jamais conduite au-delà de ce point. Faites pivoter la sonde à ultrasons pour accéder au plan sagittal de la zone cible identifiée.Enregistrer une image du volume musculaire avec des fascicles visibles. Les outils de chirurgie sont stérilisés et préparés avant l’intervention et sont entièrement décrits dans le protocole écrit. L’aiguille Bergstrom a une fenêtre près de la pointe.Dans cette aiguille est un trocar creux plus petit, qui se déplace de haut en bas de l’arbre et coupe le muscle lors du passage par-dessus la fenêtre de l’aiguille. Dans le trocar est une plus petite tige qui est utilisé pour pousser la biopsie hors de la trocar. Pour tirer le muscle dans la fenêtre de l’aiguille, un tuyau d’aspiration est fixé au sommet de l’aiguille qui aspire l’air hors de l’aiguille et tire le muscle à travers la fenêtre de l’aiguille par pression négative.Demandez au participant de poser la supination sur la table d’intervention et de détendre les muscles de ses jambes. Reproduire la légère dorsiflexion de la cheville utilisée lors de l’imagerie par ultrasons, puis fixer l’articulation de la cheville pour minimiser la rotation pendant l’intervention. Raser et désinfecter la zone d’incision cible.Ensuite administrer une injection superficielle de 1,5 CCs de 2%xylocitine avec de l’épinéphrine. Cela fonctionne comme un anesthésique local et constricteur de navire. Le temps d’affect est de 20 à 30 minutes.Retirez la ligne de mire du patient à l’endroit de biopsie avec un écran. Au site précédemment marqué de biopsie font une incision proximale d’un centimètre à distal avec un scalpel stérile qui coupe par la peau et le fascia, exposant le tissu musculaire fondamental. Placez l’aiguille de biopsie au-dessus de l’incision et orientez-la perpendiculairement à la peau.Poussez l’aiguille de biopsie d’un demi à un centimètre dans le muscle. Il peut y avoir une certaine résistance légère au mouvement de l’aiguille, mais toute résistance supplémentaire est anormale et indique souvent une incision inapt. Ensuite orientez l’aiguille vers une position distale à proximale, poussez l’aiguille encore un à deux centimètres dans le muscle.L’orientation exacte et la profondeur de déplacement de l’aiguille seront spécifiques au participant. Et donc basé sur l’échographie. Fixez le tuyau de seringue à l’aiguille de biopsie et créez une pression négative dans l’aiguille.Cela attirera le tissu musculaire à travers la fenêtre de l’aiguille. Poussez avec force le trocar par-dessus la fenêtre de l’aiguille pour exciser le muscle. Retirez l’aiguille de la jambe et passez à un technicien pour le traitement des tissus.Utilisez du ruban adhésif ou de la fermeture des plaies pour fermer principalement la plaie et appliquez des pansements pour protéger la plaie contre l’infection ou l’abrasion mécanique. Demandez au participant de se lever et de se promener. Ils seront douloureux, mais capables de se promener immédiatement.Pour enlever le tissu de la fenêtre de biopsie, exposez d’abord le tissu, puis submergez la pointe de l’aiguille dans une vile remplie de tampon physiologique et déplacez vigoureusement l’aiguille jusqu’à ce que le muscle flotte hors de l’aiguille dans la solution. Traiter les tissus musculaires pour l’évaluation mécanique en utilisant des méthodes standard. Nous avons récemment recueilli 22 biopsies de participants utilisant ce protocole.Le rendement moyen de la collecte était de 100 à 200 milligrammes de tissu musculaire utilisable. Chaque biopsie a donné 150 à 300 fibres intactes de trois à cinq millimètres de longueur. Les faisceaux de fibres ont été chimiquement écorchés avec du glycérol, puis activés dans une solution à haute teneur en calcium à une longueur moyenne de sarcomere de 2,7 microns.Les biopsies qui sont correctement stockées sont viables pour des essais mécaniques pendant plusieurs mois. Cette biopsie dure une heure. Les complications des biopsies sont très rares, mais très probablement est une infection du site d’incision.Un défi majeur dans la physiologie musculaire humaine et la biomécanique est de distinguer entre les différentes adaptations de la performance musculaire à l’exercice et la maladie. Pour identifier de manière appropriée les adaptations au niveau des fibres à l’exercice ou à la maladie, les biopsies sont une technique appropriée. Cependant, il faut prendre soin de se protéger contre les dommages musculaires lors de l’extraction des tissus.Le protocole démontré ici fournit un rendement élevé de tissu musculaire à ces fins.

Research

JoVE Journal

Biology

Mitochondrial Isolation from Skeletal Muscle

Isolement mitochondriale du muscle squelettique

Mitochondria are organelles controlling the life and death of the cell. They participate in key metabolic reactions, synthesize most of the ATP, and ...

Recherche

Biologie

Purification of Progenitors from Skeletal Muscle

Purification des progéniteurs du muscle squelettique

Skeletal muscle contains multiple progenitor populations of distinct embryonic origins and developmental potential. Myogenic progenitors, usually residing ...

Laser-inflicted Injury of Zebrafish Embryonic Skeletal Muscle

Laser-infligé des blessures de poisson zèbre muscle squelettique embryonnaire

Various experimental approaches have been used in mouse to induce muscle injury with the aim to study muscle regeneration, including myotoxin injections ...

Isolation and Culture of Individual Myofibers and their Satellite Cells from Adult Skeletal Muscle

Isolement et culture des fibres musculaires individuelles et de leurs cellules satellites du muscle squelettique adulte

Muscle  regeneration in the adult is performed by resident stem cells called satellite  cells. Satellite cells are defined by  their position between the ...

Evaluation of Muscle Function of the Extensor Digitorum Longus Muscle Ex vivo and Tibialis Anterior Muscle In situ in Mice

Evaluation of Muscle Function of the Extensor Digitorum Longus Muscle Ex vivo and Tibialis Anterior Muscle In situ in Mice

Evaluation de la fonction musculaire du muscle long extenseur des orteils<em&gt; Ex vivo</em&gt; Et du jambier antérieur<em&gt; In situ</em&gt; Chez la souris

Body  movements are mainly provided by mechanical function of skeletal muscle. Skeletal  muscle is composed of numerous bundles of myofibers that are ...

Assessment of Calcium Sparks in Intact Skeletal Muscle Fibers

Évaluation de calcium Sparks dans intactes les fibres musculaires squelettiques

Maintaining homeostatic Ca2+ signaling is a fundamental physiological process in living cells. Ca2+ sparks are the elementary units of Ca2+ signaling in ...

Isolation of Blood-vessel-derived Multipotent Precursors from Human Skeletal Muscle

Isolement des vaisseaux sanguins dérivés multipotentes précurseurs du muscle squelettique humain

Since the discovery of mesenchymal stem/stromal cells (MSCs), the native identity and localization&#160;of MSCs have been obscured by their retrospective ...

Tissue Triage and Freezing for Models of Skeletal Muscle Disease

Triage de tissus et de congélation pour les modèles de la maladie de muscle squelettique

Skeletal muscle is a unique tissue because of its structure and function, which requires specific protocols for tissue collection to obtain optimal ...