Name: in vivo measurement of knee extensor muscle function in mice
Uploaded: 2021-03-04T14:30:00
Duration: 8 min 29 s
Description: Watch this Scientific Journal Video about In vivo Measurement of Knee Extensor Muscle Function in Mice at JoVE.com

Мы хотели бы поблагодарить Росарио Марото за техническую помощь. Исследования, представленные в этой публикации, были поддержаны Национальным институтом артрита и костно-мышечных и кожных заболеваний Национальных институтов здравоохранения под номером R01 AR072061 (CSF). Содержание является исключительной ответственностью авторов и не обязательно отражает официальную точку зрения Национальных институтов здравоохранения.

<ol>
	<li>Brightwell, C. R., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Moderate-intensity+aerobic+exercise+improves+skeletal+muscle+quality+in+older+adults.">Moderate-intensity aerobic exercise improves skeletal muscle quality in older adults.</a> Translational Sports Medicine. 2 (3), 109-119 (2019).</li><li>Moro, T., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Muscle+protein+anabolic+resistance+to+essential+amino+acids+does+not+occur+in+healthy+older+adults+before+or+after+resistance+exercise+training.">Muscle protein anabolic resistance to essential amino acids does not occur in healthy older adults before or after resistance exercise training.</a> Journal of Nutrition. 148 (6), 900-909 (2018).</li><li>Angelozzi, M., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Rate+of+force+development+as+an+adjunctive+outcome+measure+for+return-to-sport+decisions+after+anterior+cruciate+ligament+reconstruction.">Rate of force development as an adjunctive outcome measure for return-to-sport decisions after anterior cruciate ligament reconstruction.</a> Journal of Orthopedic Sports Physical Therapy. 42 (9), 772-780 (2012).</li><li>Kalyani, R. R., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=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.">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.</a> Journal of American Geriatric Society. 61 (5), 769-775 (2013).</li><li>Culvenor, A. G., Ruhdorfer, A., Juhl, C., Eckstein, F., &#216;iestad, B. E. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Knee+extensor+strength+and+risk+of+structural,+symptomatic,+and+functional+decline+in+knee+osteoarthritis:+A+systematic+review+and+meta-analysis.">Knee extensor strength and risk of structural, symptomatic, and functional decline in knee osteoarthritis: A systematic review and meta-analysis.</a> Arthritis Care Res (Hoboken). 69 (5), 649-658 (2017).</li><li>Abramowitz, M. K., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Skeletal+muscle+fibrosis+is+associated+with+decreased+muscle+inflammation+and+weakness+in+patients+with+chronic+kidney+disease.">Skeletal muscle fibrosis is associated with decreased muscle inflammation and weakness in patients with chronic kidney disease.</a> American Journal of Physiology and Renal Physiology. 315 (6), 1658-1669 (2018).</li><li>Arentson-Lantz, E. J., English, K. L., Paddon-Jones, D., Fry, C. S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Fourteen+days+of+bed+rest+induces+a+decline+in+satellite+cell+content+and+robust+atrophy+of+skeletal+muscle+fibers+in+middle-aged+adults.">Fourteen days of bed rest induces a decline in satellite cell content and robust atrophy of skeletal muscle fibers in middle-aged adults.</a> Journal of Applied Physiology. 120 (1985), 965-975 (2016).</li><li>Pratt, S. J. P., Lovering, R. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=A+stepwise+procedure+to+test+contractility+and+susceptibility+to+injury+for+the+rodent+quadriceps+muscle.">A stepwise procedure to test contractility and susceptibility to injury for the rodent quadriceps muscle.</a> Journal of Biological Methods. 1 (2), (2014).</li><li>Kamekura, S., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Osteoarthritis+development+in+novel+experimental+mouse+models+induced+by+knee+joint+instability.">Osteoarthritis development in novel experimental mouse models induced by knee joint instability.</a> Osteoarthritis Cartilage. 13 (7), 632-641 (2005).</li><li>Kwok, J., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Histopathological+analyses+of+murine+menisci:+implications+for+joint+aging+and+osteoarthritis.">Histopathological analyses of murine menisci: implications for joint aging and osteoarthritis.</a> Osteoarthritis Cartilage. 24 (4), 709-718 (2016).</li><li>Glasson, S. S., Blanchet, T. J., Morris, E. A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=The+surgical+destabilization+of+the+medial+meniscus+(DMM)+model+of+osteoarthritis+in+the+129/SvEv+mouse.">The surgical destabilization of the medial meniscus (DMM) model of osteoarthritis in the 129/SvEv mouse.</a> Osteoarthritis Cartilage. 15 (9), 1061-1069 (2007).</li><li>Christiansen, B. A., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Musculoskeletal+changes+following+non-invasive+knee+injury+using+a+novel+mouse+model+of+post-traumatic+osteoarthritis.">Musculoskeletal changes following non-invasive knee injury using a novel mouse model of post-traumatic osteoarthritis.</a> Osteoarthritis Cartilage. 20 (7), 773-782 (2012).</li><li>Wurtzel, C. N., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Pharmacological+inhibition+of+myostatin+protects+against+skeletal+muscle+atrophy+and+weakness+after+anterior+cruciate+ligament+tear.">Pharmacological inhibition of myostatin protects against skeletal muscle atrophy and weakness after anterior cruciate ligament tear.</a> Journal of Orthopedic Research. 35 (11), 2499-2505 (2017).</li><li>Botter, A., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Atlas+of+the+muscle+motor+points+for+the+lower+limb:+implications+for+electrical+stimulation+procedures+and+electrode+positioning.">Atlas of the muscle motor points for the lower limb: implications for electrical stimulation procedures and electrode positioning.</a> European Journal of Applied Physiology. 111 (10), 2461-2471 (2011).</li><li>Gobbo, M., Maffiuletti, N. A., Orizio, C., Minetto, M. A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Muscle+moter+point+identification+is+essential+for+optimizing+neuromuscular+electrical+stimulation+use.">Muscle moter point identification is essential for optimizing neuromuscular electrical stimulation use.</a> Journal of Neuroengineering and Rehabililitation. 11, 17 (2014).</li><li>Neelakantan, H., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Small+molecule+nicotinamide+N-methyltransferase+inhibitor+activates+senescent+muscle+stem+cells+and+improves+regenerative+capacity+of+aged+skeletal+muscle.">Small molecule nicotinamide N-methyltransferase inhibitor activates senescent muscle stem cells and improves regenerative capacity of aged skeletal muscle.</a> Biochemical Pharmacology. 163, 481-492 (2019).</li><li>Kline, P. W., Morgan, K. D., Johnson, D. L., Ireland, M. L., Noehren, B. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Impaired+quadriceps+rate+of+torque+development+and+knee+mechanics+after+anterior+cruciate+ligament+reconstruction+with+patellar+tendon+autograft.">Impaired quadriceps rate of torque development and knee mechanics after anterior cruciate ligament reconstruction with patellar tendon autograft.</a> American Journal of Sports Medicine. 43 (10), 2553-2558 (2015).</li><li>Hiemstra, L. A., Webber, S., MacDonald, P. B., Kriellaars, D. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Knee+strength+deficits+after+hamstring+tendon+and+patellar+tendon+anterior+cruciate+ligament+reconstruction.">Knee strength deficits after hamstring tendon and patellar tendon anterior cruciate ligament reconstruction.</a> Medicine and Science in Sports and Exercise. 32 (8), 1472-1479 (2000).</li><li>Park, K. H., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Ex+vivo+assessment+of+contractility,+fatigability+and+alternans+in+isolated+skeletal+muscles.">Ex vivo assessment of contractility, fatigability and alternans in isolated skeletal muscles.</a> Journal of Visualized Experiments. (69), e4198 (2012).</li><li>MacIntosh, B. R., Esau, S. P., Holash, R. J., Fletcher, J. R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Procedures+for+rat+in+situ+skeletal+muscle+contractile+properties.">Procedures for rat in situ skeletal muscle contractile properties.</a> Journal of Visualized Experiments. (56), e3167 (2011).</li><li>Chiu, C. S., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Non-invasive+muscle+contraction+assay+to+study+rodent+models+of+sarcopenia.">Non-invasive muscle contraction assay to study rodent models of sarcopenia.</a> BMC Musculoskeletal Disorder. 12, 246 (2011).</li><li>Mintz, E. L., Passipieri, J. A., Lovell, D. Y., Christ, G. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Applications+of+in+vivo+functional+testing+of+the+rat+tibialis+anterior+for+evaluating+tissue+engineered+skeletal+muscle+repair.">Applications of in vivo functional testing of the rat tibialis anterior for evaluating tissue engineered skeletal muscle repair.</a> Journal of Visualized Experiments. (116), e54487 (2016).</li><li>Gerlinger-Romero, F., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Non-invasive+assessment+of+dorsiflexor+muscle+function+in+mice.">Non-invasive assessment of dorsiflexor muscle function in mice.</a> Journal of Visualized Experiments. (143), e58696 (2019).</li><li>Davis, C. C., Ellis, T. J., Amesur, A. K., Hewett, T. E., Di Stasi, S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Improvements+in+knee+extension+strength+are+associated+with+improvements+in+self-reported+hip+function+following+arthroscopy+for+femoroacetabular+impingement+syndrome.">Improvements in knee extension strength are associated with improvements in self-reported hip function following arthroscopy for femoroacetabular impingement syndrome.</a> International Journal of Sports Physical Therapy. 11 (7), 1065-1075 (2016).</li><li>Omori, G., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Quadriceps+muscle+strength+and+its+relationship+to+radiographic+knee+osteoarthritis+in+Japanese+elderly.">Quadriceps muscle strength and its relationship to radiographic knee osteoarthritis in Japanese elderly.</a> Journal of Orthopedic Science. 18 (4), 536-542 (2013).</li><li>Wilk, K. E., Romaniello, W. T., Soscia, S. M., Arrigo, C. A., Andrews, J. R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=The+relationship+between+subjective+knee+scores,+isokinetic+testing,+and+functional+testing+in+the+ACL-reconstructed+knee.">The relationship between subjective knee scores, isokinetic testing, and functional testing in the ACL-reconstructed knee.</a> Journal of Orthopedic Sports and Physical Therapy. 20 (2), 60-73 (1994).</li><li>Bobowik, P., Wiszomirska, I. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Diagnostic+dependence+of+muscle+strength+measurements+and+the+risk+of+falls+in+the+elderly.">Diagnostic dependence of muscle strength measurements and the risk of falls in the elderly.</a> Internation Journal of Rehabilitation Research. 43 (4), 330-336 (2020).</li></ol>

Мэтью Борковски работает в Aurora Scientific Inc., компании, которая потенциально может извлечь выгоду из результатов исследований, а также является исполнительным директором компании.

Измерение и анализ мышечной функции в моделях грызунов необходимы для выполнения трансляционных и значимых выводов относительно гистологических и молекулярных адаптаций скелетных мышц, наблюдаемых при физических упражнениях, травмах, заболеваниях и терапевтическом лечении. Мы демонстрируем метод оценки максимальной прочности разгибателя колена надежно и многократно у мышей с использованием коммерчески доступного оборудования, при этом регулируемый пластиковый кусок для удержания нижней задней конечности в передней голени является единственной изготовленной на заказ частью, которая может быть воспроизведена.
Общие инструменты функциональной оценки широко используются для многократной оценки физической работоспособности в пределах одной и той же мыши, такие как беговая дорожка до волевой усталости, тест на производительность ротарода, тест на перевернутое цепляние и тест на прочность захвата. Однако, хотя эти оценки информативны, они включают сердечно-легочный и поведенческий компонент (компоненты), который может запутать опрос нервно-мышечной функции, связанной с этими показателями физической работоспособности. Кроме того, элементы выносливости, координации и равновесия присутствуют во многих из этих функциональных оценок на различных уровнях, ограничивая четкую интерпретацию относительно мышечной силы. Силообразующая способность мышц (мышц) грызуна может быть измерена in vitro, in situ или in vivo. Каждый подход имеет относительные преимущества и ограничения. В частности, при оценке in vitro мышца полностью изолируется и удаляется из тела животного, чтобы не было влияния перфузии или иннервации19. Это дает хорошо контролируемую среду для определения сократительной способности, но ограничивает размер изучаемой мышцы из-за зависимости от пассивной диффузии кислорода и питательных веществ во время тестирования. Тестирование in situ поддерживает иннервацию и кровоснабжение мышц, но ограничивается единственной терминальной оценкой, как при тестировании in vitro20. Наконец, тестирование in vivo является наименее инвазивным, когда мышца остается в своей родной среде с чрескожными электродами, вставленными вблизи двигательного нерва для электрической стимуляции мышцы. Сильной стороной подхода in vivo является потенциал для продольных испытаний вовремени 21,22,23.
Оценка in vivo пиковой сократимости мышц оптимально измеряет максимальную силу, поскольку нормальная анатомия и физиология мыши остаются нетронутыми, и метод может быть повторен на одной и той же мыши до и после вмешательства или на протяжении всей жизни. В частности, измерение in vivo силы разгибателя колена у мышей является оценкой силы мыши с наибольшим трансляционным значением для исследований на людях, поскольку максимальный крутящий момент разгибателя колена обычно измеряется и считается золотым стандартом теста на прочность у людей с корреляцией с различными функциональными и медицинскими исходами24,25,26,27 . Кроме того, патология разгибателя коленного сустава наблюдается со старением, а также множество травм и заболеваний1,2,4,5,6,но оценка влияния этих состояний на силу разгибателя колена продольно у мышей не была легко достижима.
Хотя этот метод полезает для определения пикового крутящего момента коленного разгибателя продольным способом, следует учитывать некоторые ограничения протокола. Более низкие частоты от 40 Гц до 120 Гц были исключены из протокола крутящего момента, что может ограничить способность обнаруживать сдвиги влево или вправо на кривой крутящего момента и частоты с травмой или заболеванием. Однако, используя этот протокол крутящего момента и частоты, мы смогли обнаружить изменения пикового тетанического крутящего момента в модели травмы ACL и между мышами дикого типа C56BL/6 и трансгенной мышиной моделью супрафизиологической мышечной массы(рисунок 8). Отметим, что может быть полезно закрепить электроды руками помощи или аналогичным аппаратом, так как мышечные сокращения могут слегка сдвинуть электроды. Мы не отметили какого-либо явного смещения электродов с прогрессирующими сокращениями; однако нельзя исключать возможность незначительного движения электродов, что может повлиять на стимуляцию мышц. Кроме того, внутримышечная электромиография (ЭМГ) не проводилась совместно с протоколом стимулов; однако включение мер ЭМГ может быть осуществимым, если это желательно и целесообразно для экспериментальной модели, которая представляет интерес.
Оценка силы разгибателя коленного сустава в мышиных моделях ортопедических травм и заболеваний будет способствовать доклиническим исследованиям со значимой трансляционной значимой трансляционной значимой мерой силы. Наш протокол позволяет точно и многократно оценить максимальную прочность разгибателя колена у мышей с коммерчески доступным оборудованием, доступным для любой лаборатории.

Скелетные мышцы - это высоко адаптируемая ткань с компенсаторными изменениями массы и структуры в ответ на множество стимулов, таких как физические упражнения, питание, травмы, болезни, старение и неиспользование. Многие исследования, изучающие адаптацию скелетных мышц у людей, используют методы измерения как размера скелетных мышц, так и влияния на функцию, поскольку оценки силы золотого стандарта легко повторяются у людей.
В частности, прочность разгибателя коленного сустава и сгибателя наиболее оценивается в клинических исследованиях. Изменения в силе разгибателя колена широко сообщалось в исследованиях старения на людях, физических упражнений, ортопедических травм, остеоартрита коленного сустава, хронических заболеваний и неиспользование1,2,3,4,5,6,7. Однако методы многократного и неинвазивного анализа силы мышц-разгибательных мышц колена (квадрицепсов) в механистических исследованиях грызунов были относительно ограничены. Метод определения сократимости мышц in vivo квадрицепсов у крыс был ранее разработан8; однако требуется обширное строительство некоммерческого оборудования. Учитывая широту моделей грызунов, разработанных для изучения результатов опорно-двигательного аппарата после травмы колена / остеоартрита9,10,11,12,13, существует необходимость в неинвазивной оценке силы квадрицепсов.
Кроме того, исследования на грызунах, изучающие молекулярные механизмы, лежащие в основе адаптации скелетных мышц, часто используют мышиные модели из-за простоты генетической модификации, как и многие фармакологические интервенционные исследования из-за снижения финансовых затрат, связанных с более низким дозированием препарата на основе веса у мышей по сравнению с крысами. Мы сообщаем о неинвазивном методе многократного измерения функции разгибателя коленного сустава in vivo у одной и той же мыши с течением времени с использованием коммерчески доступного оборудования с незначительными изменениями, облегчающим воспроизводимость среди различных лабораторий и обеспечивающим более прямое сравнение с результатами силы человека.

<table border="1" fo:keep-together.within-page="1" fo:keep-with-next.within-page="always">
	<tbody>
		<tr>
			<td>1300A: 3-in-1 Whole Animal System- Mouse</td>
			<td>Aurora Scientific Incorporated</td>
			<td>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</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>6100 Dynamic Muscle Control LabBook software</td>
			<td>Aurora Scientific Incorporated</td>
			<td>DMC v6.000</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>611A Dynamic Muscle Analysis</td>
			<td>Aurora Scientific Incorporated</td>
			<td>DMA v5.501</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>BravMini hair clippers</td>
			<td>Wahl Clipper Corporation</td>
			<td>ASIN: B00IN24ILE</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Eye Lube</td>
			<td>Optixcare</td>
			<td>Item Number: 142422</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Isoflurane</td>
			<td>Covetrus</td>
			<td>NDC: 11695-6777-2</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>V-1 Tabletop Laboratory Animal Anesthesia System</td>
			<td>VetEquip Inhalation Anesthesia Systems</td>
			<td>Item Number: 901806</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Prism 8</td>
			<td>GraphPad Software, LLC</td>
			<td>Version 8.3.0 (328)</td>
			<td></td>
		</tr>
	</tbody>
</table>

in vivo measurement of knee extensor muscle function in mice

Пластичность скелетных мышц в ответ на бесчисленные состояния и стимулы опосредует одновременную функциональную адаптацию, как отрицательную, так и положительную. В клинике и исследовательской лаборатории максимальная мышечная сила широко измеряется продольно у людей, причем мышца разгибателя колена является наиболее сообщаемым функциональным результатом. Патология коленного разгибательного мышечного комплекса хорошо документирована при старении, ортопедических травмах, заболеваниях и неиспользовании; прочность разгибателя колена тесно связана с функциональной способностью и риском травм, что подчеркивает важность надежного измерения прочности разгибателя колена. Повторяемая оценка in vivo силы разгибателя коленного сустава в доклинических исследованиях на грызунах предлагает ценные функциональные конечные точки для исследований, изучающих остеоартрит или травму колена. Мы сообщаем о in vivo и неинвазивном протоколе для многократного измерения изометрического пикового тетанического момента коленных разгибателей у мышей во времени. Мы демонстрируем согласованность, используя этот новый метод для измерения силы разгибателя колена с повторной оценкой у нескольких мышей, дающих аналогичные результаты.

Кривая крутящего момента использует более низкие частоты для получения нескольких изолированных изометрических подергиваний относительно низкого крутящего момента и прогрессирует через все более высокие частоты, что приводит к слиянию подергиваний для изометрического сокращения столбняка, при котором достигается пиковый тетанический крутящий момент. Представленный протокол для коленного удлинивания пикового тетаничного момента кривая сила-частота инициируется при 10 Гц, что вызывает 3 изолированных подергивания. Частичное слияние подергиваний происходит при 40 Гц, а пиковый тетанический крутящий момент достигается между 120-180 Гц(рисунок 5).
На рисунке 6 показаны репрезентативные кривые крутящего момента и частоты коленного сустава у самок мышей C57BL/6. Три отдельные мыши были протестированы на исходном уровне, и эксперимент был повторен на каждой мыши через 2 недели для сравнения для оценки воспроизводимости. Кривые крутящего момента показаны с необработанными значениями крутящего момента(рисунок 6A),а также необработанными значениями крутящего момента, нормированными для массы тела мыши(рисунок 6B). Повторные наблюдения демонстрируют сопоставимые результаты на всех 3 мышах с 2-недельным периодом отдыха между экспериментами. Данные о нормализованном крутящем моменте веса тела следует рассматривать в дополнение к необработанному крутящему моменту, поскольку незначительные колебания веса могут повлиять на функциональную мощность и не учитываются только с необработанным крутящим моментом. Кроме того, нормированные данные о крутящем моменте массы тела облегчают сравнение мышей разных размеров. Крутящий момент также может быть нормализован до мышечной массы во влажном весе или площади поперечного сечения миофибры, как мы ранее показали16.
На рисунке 7A показана площадь под кривой с использованием нормализованных изометрических данных о крутящем моменте массы тела из полных экспериментов с частотой крутящего момента (10 Гц, 40 Гц, 120 Гц, 150 Гц, 180 Гц, 200 Гц) для 4 отдельных мышей C57BL/6, выделяя аналогичную общую мощность крутящего момента и коэффициенты изменения от 5,6% до 8,8% при повторных экспериментах на одних и тех же мышах. Данные наиболее просто сообщаются как пиковый тетанный крутящий момент(рисунок 7B),который представляет собой максимальное значение крутящего момента от повторяющихся изометрических сокращений столбняка от 120-200 Гц. Пиковый тетанный крутящий момент сопоставим у 6-8-месячных самок мышей C57BL/6(рисунок 7B)с коэффициентами вариации от 4,8% до 8,7% при продольной оценке у тех же мышей. Пиковый тетанический крутящий момент наиболее сопоставим с оценкой прочности золотого стандарта в исследованиях на людях: максимальный изометрический ток.
Кроме того, протокол пикового тетаничного крутящего момента коленного разгибателя коленного сустава является полезным инструментом для обнаружения различий в силе в нескольких моделях мышей. Рисунок 8 демонстрирует резкий контраст между силой разгибателя колена у не травмированной, здоровой 6-месячной мыши C57BL/6 (черная линия) и трансгенной мышиной моделью супрафизиологической гипертрофии, в которой миостатин / GDF8 выбит (синяя линия). Мы также показываем пиковую кривую столбняка у мыши C57BL/6 через 7 дней после хирургической трансекции передней крестообразной связки (ACL-T) (красная линия), демонстрируя почти 50% снижение пикового крутящего момента после травмы, что значительно выходит за пределы коэффициентов вариации, наблюдаемых при повторном тестировании неповредимых мышей. Одновременно с человеческимиданными17,18,сила заметно уменьшается при ACL-T. Все мыши являются самами и имеют одинаковый возраст (6-8 месяцев).
<table border="1" fo:keep-together.within-page="1" fo:keep-with-next.within-page="always"><tbody>
<tr>
<td>Эксперимент Twitch</td>
			<td>Усилие/ток (мА)</td>
			<td>Крутящий момент (мН•м)</td>
		</tr>
<tr>
<td>1</td>
			<td>50</td>
			<td>1.279</td>
		</tr>
<tr>
<td>2</td>
			<td>70</td>
			<td>1.341</td>
		</tr>
<tr>
<td>3</td>
			<td>90</td>
			<td>1.36</td>
		</tr>
<tr>
<td>4</td>
			<td>110</td>
			<td>1.362</td>
		</tr>
<tr>
<td>5</td>
			<td>*130</td>
			<td>1.449</td>
		</tr>
<tr>
<td>6</td>
			<td>150</td>
			<td>1.436</td>
		</tr>
<tr>
<td>7</td>
			<td>140</td>
			<td>1.333</td>
		</tr>
</tbody></table>Таблица 1: Пример серии twitch. * обозначает оптимальную амперу/ток.
<table border="1" fo:keep-together.within-page="1" fo:keep-with-next.within-page="always"><tbody>
<tr>
<td>Частота (Гц)</td>
			<td>Крутящий момент (мН•м)</td>
		</tr>
<tr>
<td>10</td>
			<td>1.385</td>
		</tr>
<tr>
<td>40</td>
			<td>1.869</td>
		</tr>
<tr>
<td>120</td>
			<td>*18.765</td>
		</tr>
<tr>
<td>150</td>
			<td>18.375</td>
		</tr>
<tr>
<td>180</td>
			<td>17.97</td>
		</tr>
<tr>
<td>200</td>
			<td>17.548</td>
		</tr>
</tbody></table>Таблица 2: Пример данных кривой крутящего момента и частоты. * обозначает пиковый тетанический крутящий момент.
<img alt="Figure 1" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/62211/62211fig01.jpg"> Рисунок 1:Настройка программного обеспечения для сбора данных. Иллюстрация настройки программного обеспечения для сбора данных с помощью Live Data Monitor. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/62211/62211fig01large.jpg" target="_blank">Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.</a>
<img alt="Figure 2" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/62211/62211fig2v2.jpg"> Рисунок 2:Установка мыши и размещение электродов. (A-B) Положение мыши, получающей анестезию на носовой конусе, на нагреваемой платформе. Верхняя задняя конечность надежно зажата, с задней стороны колена, чтобы обеспечить неограниченное движение в коленном суставе. Моторная рука регулируется таким образом, что колено сгибается примерно на 60°. Двигательная точка бедренного нерва стимулируется игольчатыми электродами для активации сокращения коленных разгибателей. Настройка мыши отображается с бокового вида(A)и вида сверху(B). <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/62211/62211fig2v2large.jpg" target="_blank">Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.</a>
<img alt="Figure 3" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/62211/62211fig03.jpg"> Рисунок 3:Определение оптимального размещения электродов для достижения изометрического разгибания колена. Представление повторяющихся отрицательных подергиваний, стимулируемых 50 мА с помощью функции мгновенной стимуляции и просматриваемых в Мониторе живых данных. Красными стрелками обозначены первые три подергивания колена. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/62211/62211fig03large.jpg" target="_blank">Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.</a>
<img alt="Figure 4" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/62211/62211fig04.jpg"> Рисунок 4:Репрезентативный подергивание для определения оптимальной мощности. Наименьшая сила силы силы, чтобы вызвать самый высокий изометрический крутящий момент подергивания, должна быть определена для эксперимента с частотой силы и частоты путем повторных экспериментов с подергиванием с прогрессивно увеличиваемой силой силы. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/62211/62211fig04large.jpg" target="_blank">Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.</a>
<img alt="Figure 5" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/62211/62211fig05.jpg"> Рисунок 5:Репрезентативные тетанные кривые крутящего момента на протяжении всего эксперимента с частотой крутящего момента для одной и той же мыши. (A) Субмаксимальный изометрический тетанный крутящий момент, полученный при 10 Гц. (B) Субмаксимальный изометрический тетанный крутящий момент при 40 Гц. (C) Пиковый изометрический тетанный крутящий момент на выходе при 120 Гц. (D) Изометрический тетанический крутящий момент при 150 Гц. (E) Изометрический тетанный крутящий момент при 180 Гц. (F) Изометрический тетанный крутящий момент при 200 Гц. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/62211/62211fig05large.jpg" target="_blank"> Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.</a>
<img alt="Figure 6" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/62211/62211fig06.jpg"> Рисунок 6:Репрезентативные данные кривой крутящего момента и частоты. (A-B). Кривая крутящего момента-частоты в 2 различных временных точках (неделя 1 и 3) у 3 отдельных мышей представлена в виде сырого пикового крутящего момента(А)и сырого пикового крутящего момента, нормализованного к массе тела(В). <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/62211/62211fig06large.jpg" target="_blank">Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.</a>
<img alt="Figure 7" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/62211/62211fig07.jpg"> Рисунок 7:Репрезентативная площадь под кривой (AUC) и пиковые тетанические данные крутящего момента. (A)AUC для 4 отдельных мышей, представленные в виде сырого крутящего момента, нормализованного к массе тела. (B) Пиковый тетанный крутящий момент для тех же 4 мышей, представленный как сырой пиковый тетанный крутящий момент, нормализованный к массе тела. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/62211/62211fig07large.jpg" target="_blank">Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.</a>
<img alt="Figure 8" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/62211/62211fig08.jpg"> Рисунок 8:Пиковый тетанический крутящий момент коленных разгибателей в нескольких моделях мышей. Репрезентативные кривые столбняка пикового крутящего момента для модели трансгенной мыши с гипертрофией (GDF8 KO), неповредимой здоровой мыши C57BL/6 (мышь 2) и мыши C57BL/6 через 7 дней после трансекции передней крестообразной связки (ACL-T). <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/62211/62211fig08large.jpg" target="_blank">Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.</a>
Дополнительный рисунок 1:Размеры изготовленного на заказ пластика. Вставка красным цветом показывает размер глубины. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/62211/Supplementary%20Figure%201.pdf" target="_blank">Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы загрузить этот файл.</a>
Дополнительное видео 1: Подергивание коленного разгибателя в режиме реального времени без моторной руки. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/62211/Supplementary%20video%201.mov" target="_blank">Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы загрузить это видео.</a> 
Дополнительное видео 2: Замедленное движение коленного разгибателя дергается без моторной руки. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/62211/Supplementary%20video%202.mov" target="_blank">Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы загрузить это видео.</a>

Watch this Scientific Journal Video about In vivo Measurement of Knee Extensor Muscle Function in Mice at JoVE.com

In vivo Measurement of Knee Extensor Muscle Function in Mice

Количественная оценка максимальной силы разгибателя коленного сустава необходима для понимания функциональных адаптаций к старению, болезням, травмам и реабилитации. Представлен новый метод многократного измерения in vivo изометрического пикового тетанического крутящего момента.

In vivo Измерение функции мышц-разгибательных мышц колена у мышей

Skeletal muscle plasticity in response to countless conditions and stimuli mediates concurrent functional adaptation, both negative and positive. In the ...

Сила разгибателя коленного сустава является распространенным функциональным результатом, оцениваемым в клинических исследованиях. Однако методы многократной оценки мышцы разгибателя колена, особенно силы квадрицепса, в исследованиях на грызунах были относительно ограничены. Этот неинвазивный протокол может быть использован для измерения изометрического пикового тетанического крутящего момента коленных разгибателей у мышей и может повторяться продольно.Наши методы поддерживают разработку доклинических моделей для улучшения восстановления после травм или у пациентов с остеоартритом. Учитывая широту моделей грызунов, разработанных для изучения результатов опорно-двигательного аппарата после травмы колена или остеоартрита, существует необходимость в неинвазивной оценке силы квадрицепса. Визуальная демонстрация имеет решающее значение для целостности данных, так как мы продемонстрируем, как оптимально разместить электроды для максимальной стимуляции коленных разгибателей.Перед началом эксперимента убедитесь, что все машины подключены в соответствии со спецификациями производителя. Прикрепите двигатель с двумя мышцами нагрузки с помощью коленного удлинительного аппарата к платформе животного и включите водяной насос при 37 градусах Цельсия, затем включите компьютер, мощный двухфазный стимулятор и 2-канальный двухрежимный рычажную систему и добавьте изофлуран в испаритель до максимальной линии заполнения. Чтобы оптимизировать размещение зонда, в программном обеспечении прибора выберите Подготовить эксперимент и настроить мгновенную стимуляцию и установите частоту импульса 125 Гц, ширину импульса 0,2 метра в секунду, количество импульсов — один, частоту поезда — 0,5 Гц и время выполнения — 120 секунд.Затем выберите Файл и откройте Монитор данных в реальном времени. Для проведения экспериментов с частотой подергивания и крутящего момента выберите ранее проведенное программное исследование, которое включает в себя соответствующие эксперименты с частотой подергивания и коленного удлинивания крутящего момента. Выберите подходящую экспериментальную мышь или Добавить новое животное и предоставьте соответствующую информацию о мыши, которая будет сохранена с данными крутящего момента.Затем выберите Следующий эксперимент или Предыдущий эксперимент, чтобы перейти от протокола twitch к последовательности частот силы. После анестезии подтверждают спокоенность отсутствием реакции на педальный рефлекс и помещают мышь в лежачем положении на нагретой платформе с головой и носовым конусом. Используйте электрические кусачки, чтобы сбрить волосы с правой задней конечности.После очистки волос от мыши и платформы плотно зажмите верхнюю заднюю конечность к колену. После зажима поместите нижнюю заднюю конечность в аппарат для разгибания колена с передней большеберцовой костью, слегка касаясь регулируемого пластикового куска, и оберните хирургическую ленту вокруг нижней части регулируемого пластикового куска, чтобы закрепить ногу на аппарате, затем отрегулируйте ручки на платформе, пока колено не будет согнуто под углом 60 градусов, и поместите кусок ленты на туловище мыши, чтобы предотвратить компенсаторное движение с максимальным разгибательным коленом. Поместите электрод подкожно на два-четыре миллиметра проксимально к колену непосредственно над квадрицепсами и мышцами разгибателя колена примерно на один-два миллиметра друг от друга.Чтобы определить оптимальное размещение электродов, в программном обеспечении выберите Мгновенная стимуляция и Монитор живых данных и установите ток на 50 миллиампер для повторных подергиваний, чтобы подтвердить расширение, указанное отрицательной кривой подергивания. Чтобы достичь максимального крутящего момента при разгибаемом колене, отрегулируйте зонды, просматривая отклик в окне Live Data Monitor. При доставке повторных подергиваний с мгновенной стимуляцией пальпируют мышцы сгибателя колена мыши указательным пальцем, чтобы подтвердить, что активации мышц-антагонистов нет.Для максимальной стимуляции разгибателя коленного сустава перепозиционирование зондов по мере необходимости. Когда оптимальное размещение зонда определено, установите ток на уровне 50 миллиампер и выберите «Выполнить эксперимент», чтобы произвести одно подергивание. Выберите «Анализировать результаты», чтобы отобразить выходной крутящий момент и записать крутящий момент подергивания, отображаемый в разделе «Максимальное усилие» с вычитанием базовой линии.Повторите эксперимент, продемонстрированный до тех пор, пока крутящий момент подергивания либо не плато, либо не начнет уменьшаться. Увеличение тока до 10-20 миллиампер и регистрация крутящего момента подергивания для каждого эксперимента. Запишите самый низкий ток, при котором достигается самый высокий крутящий момент.Этот ток будет использоваться для эксперимента с частотой силы. Чтобы определить пиковый изометрический тетанический эффект крутящего момента, выберите предпрограммный эксперимент с частотой крутящего момента для разгибания колена и установите продолжительность стимула 0,35 секунды, частотные последовательности — 10, 40, 120, 150, 180 и 200 Гц, а период покоя между импульсами и сокращениями — 120 секунд. Затем щелкните Запустить эксперимент и проанализировать результаты и вручную запишите крутящий момент на каждой частоте, убедившись, что силовой канал перевернут, поскольку сокращение разгибателя колена приведет к отрицательному крутящему моменту.Обратите внимание на самое высокое значение максимальной силы как пиковый изометрический тетановый крутящий момент. В конце эксперимента с частотой крутящего момента выполните последующее подергивание и сравните последующее подергивание с начальным пиковым подергиванием при том же токе, чтобы оценить повреждение или усталость. Когда все измерения крутящего момента будут получены, аккуратно снимите электродные зонды и зажмите с колена и поместите мышь в рекуперационную клетку на теплоотводе с контролем до полного лежания.В этом репрезентативном анализе три изолированных подергивания были введены при начальной стимуляции тока 10 Гц. Частичное слияние подергиваний наблюдалось при 40 Гц, а пиковый тетановый крутящий момент был достигнут при 120-180 Гц. В этом эксперименте кривые частоты крутящего момента разгибания колена были получены для трех мышей в нулевое время и через две недели после первоначальной оценки.Как было замечено, исходные значения крутящего момента и необработанные значения крутящего момента, нормализованные для массы тела мыши, были статистически сходны в обеих временных точках, подтверждая воспроизводимость анализа. Как показано в этой области в рамках анализа кривой с использованием нормализованных изометрических данных крутящего момента массы тела для полных экспериментов с частотой крутящего момента для четырех отдельных мышей, аналогичный общий крутящий момент был получен после повторных анализов с теми же животными. Пиковый тетанный крутящий момент также продемонстрировал минимальную изменчивость внутри каждого животного.Протокол пикового тетаничного крутящего момента коленного разгибателя коленного сустава является полезным инструментом для обнаружения различий в силе в нескольких моделях мышей. Например, в этом анализе можно наблюдать резкий контраст между силой разгибателя колена и не травмированной мышью дикого типа и трансгенной мышиной моделью супрафизиологической гипертрофии. Кроме того, почти 50%-ное снижение пикового крутящего момента наблюдалось у животных дикого типа через семь дней после хирургической трансекции передней крестообразной связки.Оптимальное размещение электродов является неотъемлемой частью достижения значимых и воспроизводимых результатов. Усталость мышц коленного разгибателя является важным показателем физической функции, включая повторные субмаксимальные сокращения, и будущие оценки добавят дополнительную трансляционную значимость этому методу в доклинических моделях. В исследованиях, изучающих механизмы мышечной адаптации, часто используются мышиные модели из-за простоты генетической модификации.Этот метод предлагает неинвазивный метод многократного измерения функции разгибателя коленного сустава in vivo в этих доклинических моделях.

Research

JoVE Journal

Biology

In vivo Micro-circulation Measurement in Skeletal Muscle by Intra-vital Microscopy

В естественных условиях микро-циркуляции Измерение в скелетной мышце путем Intra-жизненно микроскопии

BACKGROUND: Regulatory factors and detailed physiology of in vivo microcirculation have remained not fully clarified after many different modalities of ...

Ex Vivo Assessment of Contractility, Fatigability and Alternans in Isolated Skeletal Muscles

Ex Vivo Assessment of Contractility, Fatigability and Alternans in Isolated Skeletal Muscles

Ex Vivo оценке сократимости, утомляемость и аНегпапз в изолированных скелетных мышц

 
Described here is a method to measure contractility of isolated skeletal muscles. Parameters such as muscle force, muscle power, contractile kinetics, ...

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

Оценка функции мышц-разгибателей мышц пальцев Longus<em&gt; EX VIVO</em&gt; И передней большеберцовой мышцы<em&gt; В месте</em&gt; У мышей

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

Force Measurement During Contraction to Assess Muscle Function in Zebrafish Larvae

Измерение силы при сжатии для оценки функции мышц в личинки данио

Zebrafish larvae provide models of muscle development, muscle disease and muscle-related chemical toxicity, but related studies often lack functional ...

Measurement of Smooth Muscle Function in the Isolated Tissue Bath-applications to Pharmacology Research

Измерение гладких мышцах функции в выделенную ткань баня приложений к фармакологии исследований

Isolated tissue bath assays are a classical pharmacological tool for evaluating concentration-response relationships in a myriad of contractile tissues.  ...

Functional Reconstitution and Channel Activity Measurements of Purified Wildtype and Mutant CFTR Protein

Функциональная Реорганизация и активности канала измерения очищенной дикого типа и мутантных CFTR белка

The Cystic Fibrosis Transmembrane Conductance Regulator (CFTR) is a unique channel-forming member of the ATP Binding Cassette (ABC) superfamily of ...

Murine Aortic Crush Injury: An Efficient In Vivo Model of Smooth Muscle Cell Proliferation and Endothelial Function

Murine Aortic Crush Injury: An Efficient In Vivo Model of Smooth Muscle Cell Proliferation and Endothelial Function

Повреждение дрожь в аритмии: эффективный<em&gt; В Виво</em&gt; Модель гладкой мышечной клеточной пролиферации и эндотелиальной функции

Arterial reconstruction, whether angioplasty or bypass surgery, involves iatrogenic trauma causing endothelial disruption and vascular smooth muscle cell ...

A Rapid Automated Protocol for Muscle Fiber Population Analysis in Rat Muscle Cross Sections Using Myosin Heavy Chain Immunohistochemistry

Быстрый Автоматизированный протокол для мышечного волокна Анализ населения в Rat Muscle разделов Креста с использованием тяжелой цепи миозина иммуногистохимии

Quantification of muscle fiber populations provides a deeper insight into the effects of disease, trauma, and various other influences on skeletal muscle ...

An Ex Vivo Tissue Culture Model of Cartilage Remodeling in Bovine Knee Explants

Ex Vivo Ткань Культура Модель хряща Ремоделирования в Bovine колено Explants

Ex vivo culture systems cover a broad range of experiments dedicated to studying tissue and cellular function in a native setting. Cartilage is a unique ...

Measurement of Insulin- and Contraction-Stimulated Glucose Uptake in Isolated and Incubated Mature Skeletal Muscle from Mice

Измерение поглощения глюкозы инсулином и сокращением в изолированных и инкубированных зрелых скелетных мышцах мышей

Skeletal muscle is an insulin-responsive tissue and typically takes up most of the glucose that enters the blood after a meal. Moreover, it has been ...