Name: dosage-adjusted resistance training in mice with a reduced risk of muscle damage
Uploaded: 2022-08-31T14:20:00
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Cette étude a été financée par des subventions de la Jain Foundation Inc., R03HD091648 du NICHD, une subvention pilote de AR3T sous NIH P2CHD086843, un prix FRAP de l’EACPHS à Wayne State University, un Faculty Startup Package de Wayne State University et un contrat de sous-traitance de 1R01AR079884-01 (Peter L. Jones PI) à JAR. Cette étude a également été financée par une subvention de recherche de l’American Physical Therapy Association - Michigan (APTA-MI) à JMB, MEP et JAR. Les auteurs remercient la Dre Renuka Roche (professeure agrégée, Eastern Michigan University, MI) pour avoir lu le manuscrit de manière critique et fourni des commentaires. Les auteurs remercient M. Anselm D. Motha pour ses conseils sur l’impression 3D. Les auteurs remercient les patients atteints de dysferlinopathies qui ont partagé leurs histoires sur le site Web de la Fondation Jain à https://www.jain-foundation.org/patient-physician-resources/patient-stories, en particulier leurs expériences avec l’exercice.

Les expériences décrites dans cet article ont été approuvées par l’Institutional Animal Care and Use Committee (IACUC) de la Wayne State University, Detroit, Michigan, États-Unis, conformément au Guide for the Care and Use of Laboratory Animals (1996, publié par National Academy Press, 2101 Constitution Ave. NW, Washington, DC 20055, États-Unis). B6. Des souris A-Dysfprmd/GeneJ (alias souris BLAJ, mâles, ~1,5 ans) qui modélisent LGMD2B/R2 ont été utilisées pour la présente étude. Les...

Cet article présente des instructions étape par étape sur la façon de construire un appareil pour effectuer un type d’entraînement de réadaptation de précision appelé entraînement de résistance ajusté à la dose (DART). Le travail décrit également l’application du dispositif et de la méthodologie DART dans une étude d’entraînement pour comparer les dommages musculaires 3 jours après un seul épisode de DART (groupe DART) avec les dommages 3 jours après un entraînement isométrique comparable (gro...

L’exercice confère de nombreux avantages pour la santé des muscles squelettiques (examinés dans Vina et al.1). Plus précisément, l’entraînement progressif en résistance (PRT), qui consiste à effectuer des contractions musculaires contre des charges externes progressivement plus importantes (p. ex. haltères, haltères, circuits câble-poulie-poids), est connu pour aider à augmenter la masse musculaire et la force chez les personnes en bonne santé et les populations de patients (revue dans des publications antérieures 2,3 ). La PRT est basée sur le principe de surcharge, selon lequel, lorsque le muscle se contracte contre des charges externes de plus en plus importantes, il s’adapte en augmentant sa section transversale physiologique ainsi que sa capacité de production de force4. Les modèles existants de PRT chez les rongeurs comprennent l’escalade d’échelle avec résistance appliquée à la queue, la co-contraction des muscles agonistes contre la résistance des antagonistes, la course avec un harnais lesté, un exercice accroupi provoqué par un choc électrique et la résistance à la marche des roues 5,6,7,8,9,10 (revue dans des publications antérieures 11,12 ). Cependant, il n’existe actuellement aucun outil de recherche permettant d’effectuer une PRT ciblée avec précision et ajustée en fonction de la posologie chez la souris qui ressemble étroitement aux méthodes et dispositifs PRT utilisés dans la recherche et la pratique cliniques humaines12,13. Cela limite la capacité des chercheurs à étudier l’innocuité et l’efficacité de la PRT à dose précise dans les études fondamentales et précliniques chez la souris.
Pour surmonter cet obstacle, une méthodologie et un dispositif PRT sont développés dans cette étude sur la base des conceptions de circuits câble-poulie utilisées dans les équipements d’entraînement en résistance dans les gymnases modernes14,15,16. Cette méthode de PRT est appelée entraînement de résistance ajusté à la dose (DART), et le dispositif est appelé dispositif DART. En plus de sa fonctionnalité en tant qu’outil d’entraînement de réadaptation de précision, le dispositif DART peut également être utilisé comme instrument autonome pour évaluer objectivement le couple contractile concentrique maximal qui peut être généré par le muscle tibial antérieur (TA) chez une souris, de la même manière que le maximum d’une répétition (1RM, la charge maximale qui peut être soulevée / déplacée / pressée / accroupie avec succès une seule fois tout en maintenant une bonne forme) est évaluée chez l’homme17, 18. Le dispositif DART peut également être couplé à un dynamomètre isocinétique fabriqué sur mesure ou commercial pour mesurer la force tétanique isométrique maximale produite par le muscle TA chez une souris (comparable à la contraction volontaire maximale [MVC] chez l’homme), puis effectuer une PRT ajustée à la dose avec une résistance basée sur la force tétanique maximale (p. ex., 50 % de la force de crête).
Cet article décrit la construction du dispositif DART et explique comment il peut être couplé à un dynamomètre sur mesure, qui a été décrit dans les publications antérieures 19,20,21,22, pour évaluer le couple contractile et effectuer l’EICC. L’étude décrit également comment le dispositif DART a été utilisé pour comparer les dommages musculaires induits par l’exercice causés par un seul épisode de DART (4 séries de 10 contractions concentriquement biaisées avec 50% 1RM) aux dommages causés par un épisode comparable de contractions isométriques (4 séries de 10 contractions isométriques) dans un modèle murin de dystrophie musculaire de type 2B (LGMD2B, ou LGMDR2)23,24. Le modèle murin étudié manque d’une protéine appelée dysferline, qui joue un rôle important dans la protection du muscle squelettique contre les lésions musculaires d’apparition retardée à la suite de contractions excentriques nuisibles 22,25,26,27,28,29,30 . Il a également été démontré chez des souris mâles déficientes en dysferline que l’exercice forcé concentré n’est pas aussi dommageable que l’exercice forcé excentrique et que l’exposition antérieure à un entraînement concentriquement biaisé offre une protection contre les blessures résultant d’un épisode ultérieur de contractions excentriquementbiaisées 22. Étant donné que la présente étude a été menée pour tester la faisabilité de la méthodologie et du dispositif DART actuels pour effectuer un entraînement de résistance à dosage ajusté et biaisé concentriquement, des souris mâles déficientes en dysferline ont été choisies pour l’étude afin de comparer les nouvelles données du dispositif DART avec les données précédentes. Dans les études futures, des souris BLAJ femelles seront incluses pour étudier l’effet du sexe en tant que variable biologique par rapport à la réponse à l’EICC. Les souris âgées de ~ 1,5 an ont été étudiées car elles présentent déjà des changements dystrophiques dans de nombreux groupes musculaires et, par conséquent, modélisent l’état physiopathologique dans lequel les muscles pourraient être chez les patients qui ont déjà une faiblesse musculaire et une atrophie musculaire et qui recherchent des soins de réadaptation pour maintenir la masse musculaire et la force26.

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	<tbody>
		<tr>
			<td>AnMiao Star 608 Ceramic Ball Bearing</td>
			<td>Anmiao Star (N/A)</td>
			<td>AMS127</td>
			<td>High precision, low friction wheel bearing.&#160; If make and model is not commercially available, an alternative version of a 608 low-friction wheel bearing, 8 mm bore diameter,&#160; 22 mm outside diameter, with silicon nitride ceramic balls in 420 stainless steel housing should suffice.&#160; Excess friction in the wheel bearing will adversely impact performance of the DART device and will increase overall resistance to muscle contractions.</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Axio Scope.A1 microscope</td>
			<td>Carl Zeiss (Peabody, MA)</td>
			<td>Product #Axio Scope.A1</td>
			<td>Light and fluorescence microscope</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>B6.A-Dysfprmd/GeneJ (a.k.a. BLAJ mice)</td>
			<td>The Jackson Laboratory (Bar Harbor, ME).&#160; Special colony maintained by The Jain Foundation Inc. for collaborators who study dysferlin.</td>
			<td>Stock #012767</td>
			<td>Dysferlin deficient mice that model human limb girdle muscular dystrophy type 2B/R2.</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Bipolar, transcutaneous, neuromuscular electrical stimulation (NMES) electrode</td>
			<td>Harvard Apparatus, Holliston, MA</td>
			<td>BS4 50&#8211;6824</td>
			<td>Electrode for NMES.&#160; If this electrode is not commercially available, please contact corresponding author for alternatives.</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Coplin Staining Dish</td>
			<td>ThermoFisher (Waltham, MA)</td>
			<td>Catalog No. S17495</td>
			<td>Staining dish/jar for hematoxylin and eosin (H&#38;E) staining of sections</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Cura 4.4.1. Software</td>
			<td>Ultimaker, Utrecht, Netherlands</td>
			<td>Ultimaker Cura 4.4.1.</td>
			<td>Slicing software to convert stereolithography files into G-CODE files</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Deltaphase isothermal gel heating pad</td>
			<td>Braintree Scientific (Braintree, MA)</td>
			<td>Item #39DP</td>
			<td>Heating pad to provide thermal support to animals while under anesthesia</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Eosin Y</td>
			<td>Millipore Sigma (Burlington, MA)</td>
			<td>HT110132-1L</td>
			<td>Pink cytoplasmic stain</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Gorilla Super Glue</td>
			<td>The Gorilla Glue Company (Cincinnati, OH)</td>
			<td>Gorilla Super Glue Micro Precise</td>
			<td>Cyanoacrylate adhesive to bond PLA components</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Hematoxylin solution, Gill No.3</td>
			<td>Millipore Sigma (Burlington, MA)</td>
			<td>GHS332-1L</td>
			<td>Dark blue stain for nuclei</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>HM525NX cryostat</td>
			<td>ThermoFisher (Waltham, MA)</td>
			<td>Catalog #HM525NX</td>
			<td>Cryostat to make frozen sections of muscle</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Lab Wipes.&#160; Kimberly-Clark Professional Kimtech Science Kimwipes Delicate Task Wipers, 1-Ply</td>
			<td>ThermoFisher (Waltham, MA)</td>
			<td>Catalog No. 06-666.&#160; Manufacturer #34120</td>
			<td>Laboratory wipes to blot mineral oil from muscle tissue before snap freezing and for other purposes.</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Labview 2014</td>
			<td>National Instruments, Austin, Texas, USA</td>
			<td>Labview 2014</td>
			<td>Software for custom-written programs/routines that operate the dynamometer and trigger the NMES stimulator.</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Liquid nitrogen HDPE Dewar Flasks</td>
			<td>ThermoFisher (Waltham, MA)</td>
			<td>S34074B.&#160; Thermo Scientific 41502000/EMD</td>
			<td>Flask to hold liquid nitrogen for snap freezing muscle or other tissue</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Magic depilatory cream</td>
			<td>Softsheen Carson (New York, NY)</td>
			<td>N/A</td>
			<td>Razorless hair removal cream</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Metal alligator clip</td>
			<td>JINSHANGTOPK (web-based business)</td>
			<td>24Pcs 51mm Metal Alligator Clip Spring Clamps</td>
			<td>Spring clamp to hold tibial pin</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Micrscope slides</td>
			<td>Globe Scientific (Mahwah, NJ)</td>
			<td>1354W. Diamond White Glass Slides</td>
			<td>Charged microscope slides</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Mineral Oil</td>
			<td>ThermoFisher (Waltham, MA)</td>
			<td>BP26291</td>
			<td>Mineral oil to cryoprotect muscle tissue before snap freezing</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Monoprice Premium 3D Printer Filament PLA</td>
			<td>Monoprice (Rancho Cucamonga, CA)</td>
			<td>#11778</td>
			<td>Premium 3D Printer Filament PLA 1.75mm 1 kg/spool, Gray.&#160; This is the material used to 3D print device components.</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Monoprice Select Mini V2 3D printer</td>
			<td>Monoprice (Rancho Cucamonga, CA)</td>
			<td>Mini V2 3D</td>
			<td>3D printer for computer-aided fabrication of device components.</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>NIH Image software</td>
			<td>National Instritues of Health (NIH, Bethesda, MD)</td>
			<td>NIH Image for Windows</td>
			<td>Image processing and analysis software used to quantify area of muscle damage.&#160; NIH Image is also known as Image J.</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Photoshop CS4</td>
			<td>Adobe (San Jose, CA)</td>
			<td>Creative Suite (CS4). 64 bit version for Windows</td>
			<td>Image processing and analysis software used to generate tiled/stiched images of entire muscle cross-section from images of indvidual overlapping fields</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>PSIU6 stimulation isolation unit</td>
			<td>Grass Instruments (West Warwick, RI)</td>
			<td>PSIU6 isolation unit</td>
			<td>Isolation unit for NMES.&#160; Stimulators, such as Model 4100 from A-M come with a built in stimulation isoloation unit</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Roboz 4-0 silk black braided suture material</td>
			<td>Roboz Surgical (Gaithersburg, MD)</td>
			<td>Roboz Surgical SUT152</td>
			<td>Suture material to connect DART device footplate to dynamometer footplate or resistance for resistance training</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>S48 square pulse stimulator</td>
			<td>Grass Instruments (West Warwick, RI)</td>
			<td>S48 Stimulator</td>
			<td>Laboratory electrical stimulator for NMES .&#160; If this stimulator is not commercially available, Model 4100 Isolated High Power Stimulator from A-M systems could be an alternative.&#160; Please contact co-author Jones for more information.</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Scott&#8217;s bluing reagent</td>
			<td>Ricca Chemical Company (Arlington, TX)</td>
			<td>6697-32</td>
			<td>Bluing solution that intensifies hematoxylin nuclear staining</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>SigmaStat version 3.5</td>
			<td>Systat Software (San Jose, CA)</td>
			<td>SigmaStat version 3.5</td>
			<td>Statistical software package for statistical analyses</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Tabletop isoflurane vaporizer</td>
			<td>VetEquip (Livermore, CA)</td>
			<td>Item #901801</td>
			<td>Inhaled tabletop anesthesia system</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Triple antibiotic first aid ointment</td>
			<td>Global Health Products (wed-based business)</td>
			<td>Globe Triple Antibiotic First Aid Ointment, 1 oz (2-Pack) First Aid Antibiotic Ointment</td>
			<td>Antibiotic ointment applied on tibial pin as part of post-procedural care</td>
		</tr>
	</tbody>
</table>

dosage-adjusted resistance training in mice with a reduced risk of muscle damage

L’entraînement progressif en résistance (PRT), qui consiste à effectuer des contractions musculaires contre des charges externes progressivement plus importantes, peut augmenter la masse musculaire et la force chez les individus en bonne santé et dans les populations de patients. Il existe un besoin d’outils de réadaptation de précision pour tester l’innocuité et l’efficacité de la PRT afin de maintenir et/ou de restaurer la masse musculaire et la force dans les études précliniques sur des modèles animaux de petite et de grande taille. La méthodologie et le dispositif PRT décrits dans cet article peuvent être utilisés pour effectuer un entraînement de résistance ajusté à la posologie (DART). Le dispositif DART peut être utilisé comme dynamomètre autonome pour évaluer objectivement le couple contractile concentrique généré par les fléchisseurs dorsoles de la cheville chez la souris ou peut être ajouté à un système de dynamométrie isocinétique préexistant. Le dispositif DART peut être fabriqué avec une imprimante 3D standard basée sur les instructions et les fichiers d’impression 3D open source fournis dans ce travail. L’article décrit également le flux de travail d’une étude visant à comparer les lésions musculaires induites par la contraction causées par un seul épisode d’EICC aux lésions musculaires causées par un épisode comparable de contractions isométriques (OMA) dans un modèle murin de dystrophie musculaire de type 2B / R2 (souris BLAJ). Les données de huit souris BLAJ (quatre animaux pour chaque condition) suggèrent que moins de 10% du muscle antérieur du tibial (TA) a été endommagé par un seul épisode de DART ou d’ISOM, le DART étant moins dommageable que l’ISOM.

Des souris mâles BLAJ, âgées de ~1,5 an, ont été étudiées. Les souris BLAJ modélisent la maladie musculaire humaine, LGMD2B/R2. Ces souris sont particulièrement sensibles aux lésions musculaires d’apparition retardée lors d’un seul épisode de contractions musculaires excentriques22,29. Les souris BLAJ ont donc été choisies pour ces études afin d’apprendre si l’EICC pouvait être réalisée de manière non préjudiciable en ajustant précis?...

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Dosage-Adjusted Resistance Training in Mice with a Reduced Risk of Muscle Damage

Le présent protocole décrit une technique unique appelée entraînement en résistance ajustée à la dose (DART), qui peut être incorporée dans des études de réadaptation de précision effectuées sur de petits animaux, tels que des souris.

Entraînement en résistance ajusté en fonction de la posologie chez les souris présentant un risque réduit de lésions musculaires

Progressive resistance training (PRT), which involves performing muscle contractions against progressively greater external loads, can increase muscle ...

Ce protocole est l’une des premières études qui permet aux scientifiques d’effectuer un entraînement de résistance ajusté à la dose chez la souris similaire à la façon dont il est effectué chez l’homme. Le principal avantage de cette technique est qu’elle permet aux enquêteurs d’ajuster avec précision la résistance contre laquelle les muscles tibiaux antérieurs de la souris doivent travailler pendant l’entraînement en résistance. De plus, étant donné que les contractions musculaires sont excentriquement biaisées, il y a moins de risques de lésion musculaire induite par la contraction.Notre technique d’entraînement en résistance ajustée au dosage peut être incorporée dans des études fondamentales et précliniques chez la souris afin de développer des interventions pour l’amélioration ou le maintien de la masse musculaire et de la force dans un large éventail de maladies. L’aspect le plus difficile du protocole est de stimuler précisément la branche fibulaire du nerf sciatique, qui innerve les muscles tibiaux antérieurs. Pour réduire les stimulations électriques imprécises, ajustez la position de l’électrode et l’amplitude de stimulation jusqu’à ce que le couple de contraction maximal soit enregistré par un dynamomètre.Pour commencer, fournissez un support thermique à la souris à l’aide d’un coussin chauffant en gel isotherme et placez une lampe chauffante à 1 mètre au-dessus de la souris. Pour préparer la peau à l’EICC ou à l’ISOM, retirez la fourrure du membre postérieur gauche en appliquant une crème dépilatoire. Après 2 minutes, nettoyez la jambe avec des lingettes imbibées d’eau distillée pour enlever la fourrure et toute la crème résiduelle de la peau.Désinfectez la peau à l’aide d’une solution de gommage à la povidone iodée et d’éthanol à 70%, puis utilisez un coton-tige propre pour appliquer un protecteur sur les yeux et la peau épilée pour éviter le dessèchement. Ensuite, appliquez 5% de crème de lidocaïne sur le tibia pour engourdir la zone. Passez une aiguille hypodermique stérile de calibre 26 de 1/2 pouce à travers la partie la plus large de la partie proximale de l’os tibial.Une fois la goupille stabilisatrice fixée, tenez l’aiguille avec un hémostatique stérile et pliez la partie en plastique jusqu’à ce qu’elle se détache, puis posez la souris en décubitus dorsal. Assurez-vous que la souris est toujours bien connectée au cône nasal pour maintenir l’anesthésie. À l’aide d’une paire de pinces à épiler stériles, introduisez la goupille tibiale dans une pince crocodile en métal, de sorte que l’extrémité de la goupille tibiale soit maintenue par la pince crocoditrice.Déplacez le bras réglable de la pince crocodile pour vous assurer que le pied de la souris est placé sur la plaque plantaire de l’appareil DART. Attachez le pied de la souris sur la plaque de pied de l’appareil DART avec du ruban adhésif de laboratoire. Assurez-vous que le pied est placé à un angle de 90 degrés par rapport à l’axe long de l’os tibial de la souris.Placez une aiguille hypodermique de calibre 18 de 1,5 = pouce de long à travers les trous pré-percés sur le rapporteur du dispositif DART pour créer une butée de flexion plantaire, puis posez la plaque de pied sur la butée de flexion plantaire. Pour optimiser le placement de l’électrode, placez une électrode bipolaire, transcutanée et NMES sur la face inférolatérale de l’articulation du genou de la souris. Utilisez un stimulateur électrique de laboratoire pour appliquer des impulsions uniques de 1 hertz afin de stimuler la branche fibulaire du nerf sciatique.Observez le tibial antérieur, ou le muscle et le tendon du ventre TA pour des signes de contractions de contraction provoquées électriquement. Maintenant, attachez la suture à la plaque de plancher du dynamomètre, puis optimisez l’amplitude de la tension de sortie du stimulateur NMES afin que NMES soit confiné au nerf fibulaire commun et au muscle TA. Pour régler le stimulateur afin qu’il produise des trains d’impulsions répétés, réglez les cadrans pour la fréquence des impulsions à 125 hertz, la durée du train à 500 millisecondes et les trains par seconde à 1.Allumez l’interrupteur à bascule pour les trains d’impulsions répétitifs. Réglez le stimulateur pour produire des trains d’impulsions d’une durée de 500 millisecondes entrecoupés d’un repos de 500 millisecondes entre les trains d’impulsions. Déplacez la butée de flexion plantaire vers le trou sur le rapporteur qui correspond à 160 degrés sur l’axe long du tibia.Dans DART, pour que le muscle TA fonctionne concentriquement, appliquez une résistance en suspendant un poids approprié tel que 5 grammes avec une suture en soie non élastique attachée à la plaque de pied du dispositif DART. Ajustez la résistance en appliquant 50% du poids du maximum de 1 répétition. Assurez-vous que le pied tire à travers au moins la moitié de la plage active disponible de dorsiflexion.Effectuez un seul entraînement DART qui implique 1 série de 10 répétitions de contractions concentriques et 2 minutes de repos entre les séries. Pour l’entraînement ISOM, placez le pied de la souris à 160 degrés par rapport à l’axe long du tibia. Maintenez la position statique en collant la suture en soie sur la plaque de pied du banc robotisé.Effectuez une seule séance d’entraînement ISOM qui implique 4 séries de 10 répétitions de contractions isométriques et 2 minutes de repos entre les séries. Comme soins post-opératoires pour les souris, prendre des précautions pour maintenir l’hygiène du membre postérieur exercé et réduire la douleur au site de l’aiguille. Les changements histologiques dans le muscle TA ont été étudiés après 3 jours d’entraînement DART ou OMI.La coloration à l’hématoxyline et à l’éosine indiquait que l’étendue des lésions musculaires était faible dans les groupes DART et OMI, mais les lésions musculaires étaient légèrement plus évidentes dans le groupe OMI. Il est important de stimuler spécifiquement les contractions dans les muscles tibiaux antérieurs et d’ajuster précisément la résistance contre laquelle ces muscles doivent travailler pendant l’entraînement de résistance ajusté à la dose. À la suite de cette procédure, les chercheurs seront en mesure d’évaluer la tolérance à l’effort sous forme de susceptibilité à la fatigue et aux blessures causées par des contractions musculaires répétées contre la résistance.Cette technique peut être incorporée dans une grande variété d’applications de recherche fondamentale et préclinique, telles que des études sur des modèles murins, de maladies neuromusculaires telles que les dystrophies musculaires et des modèles murins de blessures sportives.

Research

JoVE Journal

Neuroscience

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Recherche

Neurosciences

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