完整表达肌肉功能丨Aurora Scientific整体动物肌肉生理学的卓越解决方案

2022-11-16 18:04:25, 玉研仪器上海玉研科学仪器有限公司

人体体内主要有三种肌肉类型：骨骼肌（skeletal）、心肌（cardiac）和平滑肌（smooth muscle）。每种肌肉类型都有独特的细胞成分、生理、特定的功能和病理。骨骼肌附着在骨骼上，人体的所有动作都是通过骨骼肌收缩来完成的，没有骨骼肌就没有动作的产生。心肌就是心脏，是人体重要器官，给予人们血液运输带来动力。平滑肌主要存在于胃肠道、生殖系统、泌尿系统、血管系统和呼吸系统。

骨骼肌、心肌、平滑肌

无论是骨骼肌、心肌或平滑肌，人体中的肌肉都能产生力量和运动。骨骼肌支持骨骼保持姿势和控制随意运动。骨骼肌也有助于能量的新陈代谢和储存。心肌推动血液，并导致构成人体的每个细胞的适当氧合和维持。平滑肌位于全身各处，使用收缩力量来缩短和推动各种内容物穿过它所涉及的多个器官系统的管腔。

那么，对于研究人员到底该通过什么方式来完整地描述表达肌肉的功能？众所周知，动物模型的研究是生理学研究的基础支柱之一，对于肌肉生理学亦是如此。评估动物模型的肌肉生理性能是许多研究人员的一个重要的研究目标。

三合一整体动物肌肉测试系统

自1982年以来，Aurora Scientific Inc.的肌肉生理学设备一直是世界顶级科学研究人员的不二选择。Aurora Scientific的旗舰双模肌肉杠杆系统和力传感被广泛用于生命科学研究专业，包括运动与代谢研究，心脏病学，损伤恢复，老年学，疾病学，药理学等。Aurora Scientific具有研究全身整体生理学或特定肌肉功能的解决方案，可以精确有效地描述动物模型的肌肉功能。

一个多功能性的系统：能够弹性地应用 “活体，原位，离体”

三种不同的实验技术去准确地测量啮齿类动物的肌肉性能

Aurora Scientific的1300A/1305A——3合1整体动物肌肉测试系统是高性能和高精确度的测试系统，让研究者利用简要的方法去测量肌肉的张力和各种力学性能。基于300C双模肌肉杠杆系统的1300A/1305A系统可以灵活和准确的提供离体、原位以及活体的肌肉测试方式。

拉伸收缩、疲劳、刚度、力-速度和工作循环等试验方案直接应用1300A/1305A测试系统，同时具有高灵活性，可以应用于等距测试方案，例如抽搐、强直收缩和力量-刺激频率等实验方案。

使用双模杠杆可以在实验中同时测量和改变肌肉或组织的力和长度。该系统能够在测量一个参数的同时控制另一个参数，并在两个参数之间瞬时切换。由于只需要一个与肌肉相连的点，这使得研究人员能够制定可以精准模拟生理条件的复杂实验方案。而且三个装置（离体、原位与活体）之间的转换可以很轻易的完成，这给予了研究人员更大的实验通用性。

研究与实验的应用

1300A/1305A——3合1整体动物肌肉测试系统的多功能性使研究人员能够进行大量的功能测定，以测试肌肉的不同参数，包括以下测定：

1.收缩功能

最常见的功能评估是等长收缩。当产生力而肌肉长度没有变化时，会发生这种类型的收缩。比较形象的一个例子是用手推向一堵墙。评估此类收缩的经典方法是在改变刺激频率的同时得出力与时间曲线。这是通过增加电流刺激的频率来完成的，直到肌肉产生的力没有进一步增加。在确定每个刺激频率的峰值力后响应并绘图。

在进行这些实验时，我们必须考虑两个基本假设：最佳肌肉长度和最佳刺激电流。最佳肌肉长度或L0是肌肉必须达到的最佳长度，以产生最大的力量。最佳刺激电流是为了确保在实验中所有目标肌肉的肌纤维达到完全激发状态所需的最小电流量。

2.疲劳

疲劳方案被设计用于评估由于持续刺激而随时间推移肌肉的力的减少。在马里兰大学的LoFin实验室最近发表的一篇论文中引用了一个实际例子。疲劳方案是以活体测试进行的。在实验期间，股神经被以330毫秒的强直脉冲以持续2分钟每秒一次的频率刺激。此外，使用电极直接刺激肌肉本身，在整个方案中每隔15秒叠加一次强直性收缩。这使得研究人员能够剖析肌肉和神经刺激导致的表型力损失的差异。

3.损伤易感性

损伤易感性是肌肉疾病等领域研究人员的一个重要考虑因素。Kalalah等人在网络研讨会上引用的研究使用了活体方式进行测试。强直性刺激激发胫骨前肌足够久的肌肉力量输出并达到平衡。之后肌肉在被刺激的同时拉伸，产生离心收缩，从而引起肌肉损伤。在研究中，野生型小鼠与mdx小鼠同样地进行20次离心收缩。观察到野生型小鼠与mdx小鼠在损伤后的肌力上表现出明显的差异。因为该方案采用活体测试的方式，所以两个小鼠模型都可以在稍后测试中评估其肌肉恢复能力，而mdx小鼠的恢复能力由于缺乏功能性营养不良蛋白而比野生型小鼠小得多。

一、离体研究

当使用1300A/1305A进行离体研究时，先将实验所用的肌肉进行手术切除，然后置于含氧和温控的浴槽中，以保持活力。一根肌腱固定在固定夹具上，另一根肌腱被缝合在双模肌肉杠杆系统的的悬臂上。最后，通过固定在浴槽内的场电极来对肌肉进行刺激。如果分离出的组织依然保留了神经组织，也可以使用吸引电极对肌肉进行神经刺激。

该实验设计可用于任何小肌肉，如：

√ 趾长伸肌（EDL）

√ 比目鱼肌

√ 蚓状肌

√ 隔膜肌

√ 心脏肌肉（乳头肌和小梁肌）

因为较为大型的肌肉在离体状态下较难保持活性。所以这种方法主要适用于小型肌肉或者来自较为年轻的动物模型肌肉。

离体方式的优势：

1. 手术切除允许直接测量肌肉功能（收缩力），而不依赖于神经元的完整性和其他变量；

2. 允许体外评估神经肌肉功能；

3. 可直接对组织进行化控或药控。

离体方式的劣势：

1. 没有血流供应；

2. 实验技术上具有挑战性；

3. 通过肌纤维内外氧/代谢/ CO2扩散限制预存活力；

4. 无法进行重复测试。

二、原位研究

这个方法可以用于直接测量来自任何不是高度五边形的肌肉的力，并且可以在一端结扎，而另一端保持完整。

研究的主要肌肉通常是：

√ 胫骨前肌（TA）

√ 趾长伸肌（EDL）

√ 腓肠肌

√ 比目鱼肌

√ 此方法同样适用于斜方肌和咬肌等肌肉

原位方式与离体测试类似，因为都是测量单个肌肉条。但是，相比于离体测试，原位测试的侵入性较低。具体方式为，在动物的腿上做一个小切口以暴露目标肌肉。皮肤至少在腿部中途缩回，以便暴露肌肉群。然后将远端肌腱切断并缝合到双模式杠杆臂上。暴露的组织可以用盐水或矿物油滴注保持湿润。然后通过直接置于相应神经上的针电极或将电极直接置于肌肉上来刺激肌肉。这种测试方式可以测量由单个肌肉所产生的力，并同时确保组织的代谢需求仍然由动物自己的血液供应来满足。

原位方式的优势：

1. 尽管是侵入式实验，但是肌肉的神经与供血完全保留；

2. 直接测量特定肌肉力学性质；

3. 可以通过直接的肌肉刺激来测量肌肉功能。

原位方式的劣势：

1. 对实验者的技术要求较高；

2. 重复测量具有挑战性。

三、活体研究

尽管在文献中已被描述了超过25年，但活体实验可能是三种技术中使用最少的一种实验模式。此种试验方式主要是测量下肢足底或背屈肌产生的总扭矩。具体方法为，当动物动物被麻醉后，将它的脚被固定在双模杠杆肌肉传感器的踏板上。在准备实验时，将动物的胫骨垂直于杠杆并对齐，臀部略微抬起。这使得动物在进行趾屈或背屈运动时腿部肌肉群与旋转轴旋转轴的角度一致。

在这些实验中，扭矩的测量被归一化为下列参数之一：

√ 相对肌肉质量

√ 动物质量

√ 横截面积的估计

活体方式的优势：

1. 高通量分析

2. 生理相关性高

3. 无手术隔离或神经血管的改变

4. 可以进行纵向测试

活体方式的劣势：

1. 很难确定单一肌肉对整体功能的影响。

2. 动物的神经必须完好

3. 电极的放置需要练习。

相比传统的离体实验方式，
原位以及活体实验方式
在肌肉测试中有着怎样的优势？

使用原位与活体的方式测试肌肉功能比只是测试离体肌肉拥有更多优势。最显著的优势是监控治疗干预前后的效果或疾病模型动物受伤后的恢复能力。这使得我们可以在研究疾病进展或治疗效果的同时，不必杀死动物，这是在肌肉研究中一项重大的突破。此外，通过原位或活体方式测试肌肉功能并比较结果，可以很容易地确定离体测试产生的差异或伪影。

原位和活体肌肉测试可以确保在整个实验过程中维持肌肉的血液供应，从而在与体温相同的环境中为肌肉提供足够的氧气和营养，并确保肌肉在实验过程中不会缺氧。此外活体肌肉测试具有非侵入性的优势，因此允许动物在实验后复原，以便在随后的时间内进行进一步治疗、干预或进一步测试。凭借出色的外科技术和专业知识，也可以在进行原位测试的时候进行非终点实验。

原位实验是在麻醉下进行的，在麻醉下，分离目标肌肉的神经供应，并将肌肉的远端连接到双模肌肉杠杆系统。

活体实验也是在麻醉下进行，但是使用的是非侵入性的方式：将脚绑在踏板上，通过神经刺激肌肉。在这种情况下，测量单位会发生变化，力的单位从力变为力矩，长度单位变成角度。

原位和活体测试与离体测试在肌肉力学上非常相似，因此研究人员可以轻松地从离体肌肉实验过渡到原位和活体实验。原位和活体测试的优点是肌肉在生理环境中进行测试，从而产生更多的生理相关结果。

Aurora Scientific专门为肌肉测试所设计的DMC控制和分析软件会预先安装在电脑主机之中。实验前操作准备，数据采集和数据分析都能通过我们的控制和分析软件（DMC/DMA）在数分钟内完成。静息长度，静息力度，刺激等参数和进行实验的方案都可以通过控制软件（DMC）去设置。电脑桌面也会提供标准实验方案的扩充程式库，方案包括: 抽搐张力，强直收缩张力，疲劳，力-刺激频率，力-收缩速率，硬度和功循环等。

Aurora Scientific的1300A/1305A——3合1整体动物肌肉测试系统可通过同时使用三种方式（单一肌肉到整体动物）评估肌肉功能，可以更好的得出肌肉功能的完整拼图。

Aurora Scientific现在为全世界32多个国家的研究人员提供高质量的研究仪器。包括牛津大学、哈佛大学、UCLA、麻省理工学院、佛罗里达大学、亚利桑那大学、墨尔本大学、悉尼大学、香港大学、香港中文大学以及3M公司Vivek Bharti实验室等都是Aurora的忠实用户。

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