1 Departamentul de Inginerie Biomedică, Universitatea Stony Brook, Stony Brook, NY, SUA

H. LAM

1 Departamentul de Inginerie Biomedică, Universitatea Stony Brook, Stony Brook, NY, SUA

R. DA

1 Departamentul de Inginerie Biomedică, Universitatea Stony Brook, Stony Brook, NY, SUA

M. TEERATANANON

1 Departamentul de Inginerie Biomedică, Universitatea Stony Brook, Stony Brook, NY, SUA

Y.-X. QIN

1 Departamentul de Inginerie Biomedică, Universitatea Stony Brook, Stony Brook, NY, SUA

rezumat

Introducere

Mușchiul osos și osul sunt strâns interacționate atât din punct de vedere anatomic, cât și funcțional (Cianferotti și Brandi 2014). Ambele țesuturi s-au dovedit a fi afectate dramatic de lipsa gravitației și de imobilizare (Bonewald și colab. 2013). Semnalele biomecanice sau stimulii hormonali sistemici declanșați, provocați din afecțiuni precum încărcarea sau dezafectarea, sunt simțite și transduse de proprietățile endocrine ale mușchilor și oaselor (Cianferotti și Brandi 2014). În ciuda presupunerii că efectul major al lipsei de gravitație ar putea fi datorat lipsei încărcării musculare pe os, mușchiul și țesutul osos pot contribui efectiv la refacerea sau repararea celuilalt (Bonewald și colab. 2013). Prin urmare, un singur duo-funcțional terapeutic care ar putea menține și vindeca nu numai osul, ci și mușchii este cel mai ideal și trebuie identificat.

Au fost raportate scăderi ale activității musculare care duc la atrofia musculară după misiunea spațială, leziuni ale măduvei spinării, repaus la pat și îmbătrânire. Modificarea mediului mecanic induce rapid adaptarea musculară în ceea ce privește dimensiunea fibrelor și proprietățile metabolice (LeBlanc și colab. 2000; Edgerton și colab. 1995; Zhou și colab. 1995; Gregory și colab. 2003; Narici și colab. 2003; Trappe și colab. 2001). Zborul spațial pe termen scurt a cauzat pierderi semnificative ale volumului muscular cu 5 până la 17%, aria secțiunii transversale a fibrelor cu 11 până la 24% și fibra de tip I cu 6 până la 8% (LeBlanc și colab. 2000; Edgerton și colab. 1995). La fel, leziunile la 6 săptămâni după măduva spinării au cauzat o pierdere de 15% a masei musculare la nivelul extremităților inferioare și o reducere medie a secțiunilor transversale ale mușchilor cu 18 până la 46% (Castro și colab. 1999; Spungen și colab. 2003). Aceste modificări sunt adesea asociate cu creșterea slăbiciunii musculare și a riscului de fractură (Zehnder și colab. 2004).

Modelele de animale mici au fost studiate pe larg pentru a imita starea de neutilizare (Allen și Bloomfield 2003, Morey-Holton și Globus 2002, Hauschka și colab. 1988, Morey-Holton și Globus 1998). Similar studiilor la om, rozătoarele au prezentat o pierdere a masei musculare scheletice, cea mai mare la nivelul mușchilor posturali și scăderea forței musculare (Boonyarom și Inui 2006; Fisher și colab. 1998; Hurst și Fitts 2003; McClung și colab. 2006). Membrul paralizat indus de substanțe chimice la șobolani a prezentat cel mai mare declin (

40%) în greutatea musculară și în secțiunea transversală a fibrelor în mușchiul soleului (Dupont Salter și colab. 2003). Gradul de atrofie musculară nu a fost la fel de profund în tibialul anterior și gastrocnemius,

20%. Descărcarea membrelor posterioare de șobolan a susținut, de asemenea, aceste constatări, unde a existat o reducere semnificativă atât a zonei fibrelor musculare de tip I, cât și de tip II pentru mușchii solei și plantari (Kyparos și colab. 2005). În plus, suspensia membrelor posterioare a scăzut procentul fibrelor musculare de tip I cu aproximativ 40%, în timp ce numărul fibrelor de tip II a fost mărit de

Ca intervenție, stimularea electrică funcțională produce contracții izometrice în înlocuirea lipsei activității musculare (Baldi și colab. 1998). S-a demonstrat că contracțiile induse măresc volumul muscular, secțiunea transversală a mușchilor și îmbunătățesc rezistența la oboseală la om (Gerrits și colab. 2002; Skold și colab. 2002). Cu toate acestea, efectele acestui stimul extern depind în mare măsură de variabilitatea duratei și frecvenței stimulării (Perez și colab. 2002). Efectul stimulării musculare electrice dinamice (DEMS) asupra atenuării pierderii osoase din uz la șobolani a fost arătat într-o manieră dependentă de frecvență și raportul contracție-repaus (Lam și Qin 2008, Lam și colab. 2011). Pe de altă parte, stimularea hidraulică dinamică nou dezvoltată (DHS) este sugerată să acționeze neinvaziv ca o cuplare a mușchilor oscilatori externi. S-a arătat că componentele dinamice derivate din încărcarea hidraulică influențează presiunea fluidului interstițial osos și atenuează pierderea osoasă de uzură într-un mod dependent de frecvență și magnitudine (Hu și colab. 2014; Hu și colab. 2013a, Hu și colab. 2012) prin modularea populației de celule stem mezenchimale ale măduvei osoase (Hu și colab. 2013b) și expresii genetice osteogene (Hu și Qin 2014).

Stimularea electrică aplicată animalelor a raportat diverse efecte asupra morfologiei și biochimiei mușchilor scheletici. Numeroase paradigme de stimulare au fost testate și au generat concluzii mixte asupra beneficiului unor astfel de stimulări. Discrepanțele au fost contribuite în principal de frecvența de stimulare aplicată, durata stimulării și tipul de mușchi analizat (Mabuchi și colab. 1982; Kernell și colab. 1987; Gorza și colab. 1988; Jarvis și colab. 1996). Stimularea la 10 Hz timp de 24 de ore pe zi a crescut rezistența la oboseală, dar a scăzut dimensiunea mușchilor anteriori tibiali (Salmons și Henriksson 1981). Frecvența mai mică, cum ar fi 2 Hz, aplicată timp de 10 ore pe zi a demonstrat o reducere marcată a atrofiei paralizate a solului (Dupont Salter și colab. 2003). Majoritatea studiilor care au arătat efecte pozitive ale contracției musculare electrice la nivelul țesuturilor au folosit protocoale de stimulare extrem de lungi, de la 2 la 24 de ore. În plus, aplicarea frecvenței de stimulare a variat de la 1 la 100 Hz.

Deoarece mușchiul osos și osul sunt interdependenți și interdependenți și că semnalele de stimulare optimizate sunt cruciale pentru regenerarea țesuturilor, am fost interesați să investigăm efectul frecvenței DEMS și efectul componentelor dinamice derivate din DHS asupra răspunsurilor morfologice ale fibrelor musculare în condiții de neutilizare . Au fost efectuate studii separate pe animale: (1) pentru a verifica efectul atrofic al suspensiei membrelor posterioare asupra mușchilor soleus, gastrocnemius și cvadriceps al șobolanilor; (2) pentru a evalua diferența în răspunsurile morfologice ale fibrelor musculare la DEMS la 1 Hz, 50 Hz și 100 Hz; și (3) pentru a accesa diferența în răspunsurile morfologice ale fibrelor musculare la încărcarea statică și DHS de 2 Hz.

Materiale și metode

Studiul pe animale 1 - Validarea atrofiei musculare induse de HLS

Studiul pe animale 2 - Efectul DEMS asupra morfologiei fibrelor musculare la diferite frecvențe de încărcare

Studiul pe animale 3 - Efectul componentelor dinamice ale DHS asupra morfologiei fibrelor musculare

Histologie și analiză a imaginii

Secțiunile transversale ale probelor de mușchi crio-conservate, conținând atât straturi musculare profunde, cât și superficiale, au fost realizate la 8 μm folosind un criostat (Leica) la -20 ° C. Trei secțiuni au fost apoi colorate cu Hemotoxilyn și Eoson (H&E, Polyscience, SUA). Cinci imagini cu câmp luminos cu secțiune transversală aleatorie (20x) au fost capturate din fiecare secțiune musculară cu un microscop Zeiss (AxioVision 4.5, Germania). Zonele de fibră musculară cu secțiune transversală medie au fost determinate de software-ul Image J și normalizate la valoarea medie HLS.

analize statistice

comparația

Graficul arată valorile medii ± SE pentru modificarea procentuală a greutății corporale față de valoarea inițială. Animalele potrivite pentru vârstă au prezentat o creștere a greutății corporale cu 2,5%. Pe de altă parte, HLS a afectat procentul modificării greutății corporale cu o scădere de 6,2% ( # p A p b p c p b p d p A p b p # p Figura 4, suprafața medie a fibrelor secțiunii transversale a soleului drept în grupul de tratament de 50 Hz (1.605 ± 430 μm 2) și grupul de tratament de 100 Hz (855 ± 75 μm 2) au fost de 18% (p> 0,05) și 56% (p 2), respectiv. Cadricepsul drept în grupul de tratament cu 50 Hz (2.998 ± 453 μm 2) a fost cu 8% mai mare decât grupul de tratament cu 1 Hz (2.765 ± 236 μm 2) (p> 0,05) și a fost cu 29% mai mare decât tratamentul cu 100 Hz (2.329 ± 148 μm 2) grup (p 2) comparativ cu grupurile de tratament de 50 Hz (2.585 ± 247 μm 2) și 1 Hz (2.583 ± 91 μm 2) (p> 0,05). Normalizarea la valoarea medie HLS a arătat tendințe similare.

Graficul prezintă valorile medii ± SD pentru mediile de secțiune transversală a solului, gastrocnemiusului și a cvadricepsului ca fibră ca răspuns la DEMS la diferite frecvențe de încărcare (A, C și E), precum și normalizarea corespunzătoare la valoarea medie HLS (B, D și F). * p # p Figura 5, aria medie a secțiunii transversale a fibrelor din soleul drept din grupul DHS (1.303 ± 439 μm 2) a fost similară cu cea din grupul static (1.237 ± 331 μm 2) (p> 0.05). În mod similar, diferența dintre zonele de fibră transversală medie ale mușchilor gastrocnemius dreapta între grupul DHS (2.643 ± 363 μm 2) și grupul static (2.843 ± 739 μm 2) a fost statistic nesemnificativă (p> 0.05). Normalizarea la valoarea medie HLS a arătat tendințe similare.

Graficul prezintă valorile medii ± SD pentru zona transversală medie a soleului și a fibrei gastrocnemius ca răspuns la presiunea statică și încărcarea DHS (A și C), precum și normalizarea corespunzătoare la valoarea medie HLS (B și D). Zonele de fibră musculară cu secțiune transversală medie în DHS au fost similare cu cele din grupul static.

Discuţie

Acest studiu a investigat efectul de frecvență al DEMS și efectul componentelor dinamice derivate din DHS asupra răspunsurilor morfologice ale fibrelor musculare în condiții de neutilizare. HLS a afectat în mod negativ greutățile umede ale mușchilor și a determinat în medie suprafețele transversale ale fibrelor, mai mult în soleus decât în ​​gastrocnemie și cvadriceps. Într-o astfel de condiție de neutilizare, DEMS la 50 Hz a avut o zonă de fibră cu secțiune transversală medie semnificativ mai mare comparativ cu grupul de 1 Hz sau 100 Hz din cvadriceps și a prezentat o tendință similară în gastrocnemie. DEMS la 100 Hz a arătat o zonă de fibră transversală medie mai mare comparativ cu stimulările de 1 Hz și 50 Hz în soleus. Mușchiul cvadriceps și gastrocnemius sunt exemple de mușchi cu contracție rapidă, care sunt foarte receptivi la contracția cu fibre musculare abundente de tip II (Zhou și colab. 1995; Perez și colab. 2002; Punkt și colab. 2004). În schimb, soleul este considerat ca un mușchi de postură (cu mișcare lentă) cu o abundență de fibre de tip I (Punkt și colab. 2004; Perez și colab. 2002; Zhou și colab. 1995). S-a raportat că fibrele cu contracție lentă sunt mai sensibile la HLS decât fibrele musculare rapide și că dezuzarea induce o transformare lentă-rapidă (Marsh și colab. 1992; Oishi și colab. 1998).

Datele actuale au confirmat că eficacitatea DEMS depinde în mare măsură de frecvența stimulării. Au fost cercetate stimulări mecanice pentru a atenua atrofia musculară. Stimularile electrice de lungă durată (10 - 24 h) la frecvență scăzută au împiedicat semnificativ pierderea în greutate la nivelul solei și tibialului anterior (Dupont Salter și colab. 2003, Salmons și Henriksson 1981). Cu toate acestea, alții au descoperit că stimularea cu frecvență mai mare poate menține proprietățile mecanice musculare, adică contracție și forță tetanică, precum și reducerea pierderii în greutate musculară și a fibrelor CSA (Eerbeek și colab. 1984; Gorza și colab. 1988). Zilnic 30 de minute de stimulare electrică la 45 Hz - 60 Hz au fost studiate anterior cu indivizi sănătoși (Perez și colab. 2002). Deoarece subiecții nu au experimentat nicio pierdere musculară legată de dezactivare, stimularea a servit ca o îmbunătățire și a arătat o creștere a CSA medie cu 14% și a numărului de fibre de tip II. Din câte știm, acest studiu a fost primul care a examinat efectul unei astfel de durate pe termen scurt (10 minute) asupra mușchiului în uz. Am demonstrat anterior că DEMS, aplicat 10 minute pe zi, poate preveni parțial pierderea osoasă trabeculară în femurul dezafectat într-o manieră dependentă de frecvență, unde 50 Hz s-a dovedit a fi o frecvență optimizată de încărcare a DEMS pentru os (Lam și Qin 2008). În mod corespunzător, efectul DEMS asupra osului și mușchilor poate oferi în cele din urmă informații despre relația os-mușchi.

Mușchii cvadriceps și gastrocnemius sunt exemple de mușchi rapid contracționați, care sunt foarte receptivi la contracția cu fibre musculare abundente de tip II. În schimb, soleul este considerat ca un mușchi de postură (cu mișcare lentă) cu fibre abundente de tip I (Zhou și colab. 1995; Perez și colab. 2002; Punkt și colab. 2004). Au fost detectate studii asupra grupurilor musculare cu contracție rapidă, adică extensor digitorum longus (EDL)

95% din fibrele de tip II prin analiza histochimică și izoforma II cu lanț greu de miozină (MHC) II prin analiza proteinelor (Jarvis și colab. 1996; Punkt și colab. 2004; Pette și colab. 2002). A exprimat Soleus

În concluzie, 10 minute de DEMS zilnic la cvadriceps la 50 Hz au arătat o creștere a ariei de fibră a cvadricepsului cu secțiune transversală medie, comparativ cu 1 Hz și 100 Hz. Variația frecvenței de stimulare a avut un impact asupra schimbării morfologice a fibrelor musculare în stare de neutilizare. Pe de altă parte, nu s-a găsit nicio diferență în morfologia musculară între stimulările DHS statice și cele de 2 Hz. Deși mecanismul dintre stimulare și adaptarea țesuturilor rămâne neclar, aceste studii au demonstrat importanța în luarea în considerare a tipului de stimulare care se aplică și a modificărilor de perfuzie a fluidelor generate de o astfel de stimulare. Investigațiile viitoare pot viza durata stimulărilor și suplimentarea cu frecvența de stimulare adecvată în cadrul regimurilor DEMS și DHS. Acesta vizează optimizarea condițiilor de încărcare DHS (de exemplu, frecvența și amploarea) eficiente asupra mușchilor și determinarea mecanismelor din aval.

Mulțumiri

Autorii sunt recunoscători pentru sprijinul amabil din partea Institutului Național de Sănătate (R01 AR52379 și AR61821, YXQ), a Comandamentului de Cercetări Medicale și Materiale ale Armatei SUA și a Institutului Național de Cercetări Biomedicale Spațiale prin Acordul de Cooperare NASA NCC 9-58 (YXQ).