Comparația modificărilor morfologice ale fibrelor musculare ca răspuns la mușchiul electric dinamic
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.