Порівняння морфологічних змін м’язових волокон у відповідь на динамічні електричні м’язи
1 Кафедра біомедичної інженерії Університету Стоні-Брук, Стоні-Брук, Нью-Йорк, США
Х. ЛАМ
1 Кафедра біомедичної інженерії Університету Стоні-Брук, Стоні-Брук, Нью-Йорк, США
R. YEH
1 Кафедра біомедичної інженерії Університету Стоні-Брук, Стоні-Брук, Нью-Йорк, США
М. ТЕЕРАТАНАНОН
1 Кафедра біомедичної інженерії Університету Стоні-Брук, Стоні-Брук, Нью-Йорк, США
Y.-X. QIN
1 Кафедра біомедичної інженерії Університету Стоні-Брук, Стоні-Брук, Нью-Йорк, США
Резюме
Вступ
Скелетні м’язи та кістки тісно взаємодіють як анатомічно, так і функціонально (Cianferotti and Brandi 2014). Показано, що на обидві ці тканини суттєво впливає відсутність сили тяжіння та іммобілізації (Bonewald et al., 2013). Біомеханічні сигнали або спрацьовані системні гормональні подразники, викликані такими станами, як навантаження або невикористання, сприймаються та трансдуруються ендокринними властивостями м’язів і кісток (Cianferotti and Brandi 2014). Незважаючи на припущення, що основний ефект відсутності сили тяжіння може бути пов’язаний з відсутністю м’язового навантаження на кістку, м’язи та кісткові тканини можуть насправді сприяти відновленню або відновленню один одного (Bonewald et al. 2013). Тому єдиний двофункціональний терапевтичний засіб, який міг би підтримувати та лікувати не лише кістки, а й м’язи, є найбільш ідеальним і потребував ідентифікації.
Повідомлялося про зниження м’язової активності, що призводить до атрофії м’язів, після космічної місії, травми спинного мозку, постільного режиму та старіння. Зміна в механічному середовищі швидко індукує м’язову адаптацію до розміру клітковини та метаболічних властивостей (LeBlanc et al. 2000, Edgerton et al. 1995, Zhou et al. 1995, Gregory et al. 2003, Narici et al. 2003, Trappe et al. 2001). Короткочасні космічні польоти спричинили значні втрати в обсязі м'язів на 5-17%, площі поперечного перерізу волокон на 11-24% та волокнах I типу на 6--8% (LeBlanc et al., 2000, Edgerton et al., 1995). Подібним чином, 6-тижнева травма спинного мозку спричинила 15% втрату м’язової маси на нижніх кінцівках та усереднене зменшення площі поперечного перерізу м’язів на 18–46% (Castro et al. 1999, Spungen et al. 2003). Ці зміни часто пов’язані із збільшенням м’язової слабкості та ризиком переломів (Zehnder et al. 2004).
Моделі дрібних тварин були широко вивчені з метою імітації стану відсутності (Allen and Bloomfield 2003, Morey-Holton and Globus 2002, Hauschka et al. 1988, Morey-Holton and Globus 1998). Подібно до досліджень на людях, дослідження гризунів показали втрату маси скелетних м’язів, найбільшу в постуральних м’язах, і зменшення м’язової сили (Boonyarom and Inui 2006, Fisher et al. 1998, Hurst and Fitts 2003, McClung et al. 2006). Паралізована кінцівка, індукована хімічними речовинами, у щурів показала найбільший спад (
40%) у вазі м’язів та площі поперечного перерізу волокон у м’язі підошви (Dupont Salter et al. 2003). Ступінь атрофії м’язів не була такою глибокою у великій гомілковій кістці та шлунково-кишковому відділі,
20%. Розвантаження задніх кінцівок щурів також підтвердило ці висновки, де спостерігалося значне зменшення площі м’язових волокон типу I та II для м’язів підошви та підошовної м’язи (Kyparos et al. 2005). Крім того, суспензія задніх кінцівок зменшила відсоток м’язових волокон типу I приблизно на 40%, тоді як кількість волокон типу II збільшилась за рахунок
Як втручання функціональна електрична стимуляція виробляє ізометричні скорочення замість відсутності м’язової активності (Baldi et al. 1998). Показано, що індуковані скорочення збільшують м’язовий об’єм, площу поперечного перерізу м’язів та покращують стійкість до втоми у людини (Gerrits et al. 2002, Skold et al. 2002). Однак ефекти цього зовнішнього подразника сильно залежали від мінливості тривалості та частоти стимуляції (Perez et al. 2002). Вплив динамічної електричної стимуляції м'язів (DEMS) на пом'якшення втрати кісткової маси у щурів було продемонстровано в залежності від частоти та відношення скорочення до спокою (Lam and Qin 2008, Lam et al. 2011). З іншого боку, нещодавно розроблена динамічна гідравлічна стимуляція (DHS) пропонується діяти неінвазивно як зовнішня коливальна мускулатура. Показано, що динамічні компоненти, отримані від гідравлічного навантаження, впливають на тиск міжкісткової рідини в кістках і пом'якшують втрату кісткової тканини залежно від частоти та величини (Hu et al. 2014, Hu et al. 2013a, Hu et al. 2012), можливо за допомогою модуляції популяції мезенхімальних стовбурових клітин кісткового мозку (Hu et al. 2013b) та експресії остеогенних генів (Hu and Qin 2014).
Електростимуляція, що застосовується до тварин, повідомляє про різний вплив на морфологію та біохімію скелетних м’язів. Численні парадигми стимулювання були перевірені і дали неоднозначний висновок про користь таких стимулювань. До розбіжностей в основному сприяли застосовувана частота стимуляції, тривалість стимуляції та тип аналізованого м’яза (Mabuchi et al. 1982, Kernell et al. 1987, Gorza et al. 1988, Jarvis et al. 1996). Стимуляція при частоті 10 Гц протягом 24 год на добу збільшувала опір втомі, проте зменшувала розмір передніх м’язів великогомілкової кістки (Salmons and Henriksson 1981). Менша частота, така як 2 Гц, застосовувана протягом 10 год на день, продемонструвала помітне зниження паралізованої атрофії підошви (Dupont Salter et al. 2003). Більшість досліджень, які показали позитивні ефекти електричного скорочення м’язів на тканинному рівні, використовували надзвичайно довгі протоколи стимуляції - від 2 до 24 годин. Крім того, застосування частоти стимуляції становило від 1 до 100 Гц.
Оскільки скелетні м’язи та кістки взаємопов’язані та взаємозалежні, і що оптимізовані сигнали стимуляції мають вирішальне значення для регенерації тканин, ми були зацікавлені в дослідженні частотного ефекту DEMS та впливу динамічних компонентів, отриманих від DHS, на морфологічні реакції м’язового волокна під стан використання. Були проведені окремі дослідження на тваринах: (1) для перевірки атрофічного ефекту суспензії задніх кінцівок на м’язи підошви щурів, шлунково-кишкового та квадрицепсного м’язів щурів; (2) оцінити різницю в морфологічних реакціях м’язових волокон на DEMS при частотах 1 Гц, 50 Гц та 100 Гц; та (3) отримати доступ до різниці в морфологічних реакціях м’язових волокон на статичне навантаження та DHS навантаження 2 Гц.