体外筋肉検査

体外筋力検査は、生体から取り出した生体筋組織の特性を特徴付ける方法であり、体内検査よりも広範かつ正確に特性を定量化できます。体外筋力検査は、筋肉の構造と生理学、そしてその両方が生物のパフォーマンスにどのように関係しているかについての科学的知識の大部分を提供してきました。幹細胞研究では、体外筋力検査を利用して、体外研究で見られる非筋細胞の存在下で、筋細胞とは別に、筋細胞単独の機能と個々の動作を確立しています。 ^[1]

適切な動物が選択されると (特定の運動機能用 (跳躍用のカエルなど)、または研究課題に答えるための特定の動物種など)、特定の筋肉が、その生体内機能と繊維タイプの分布に基づいて特定されます。倫理的承認、および必要な場合は政府の承認を得た後、動物は人道的に安楽死させられます。人道的な方法は国によって異なり、最も適切な方法は倫理的承認と研究者のスキル レベルに基づきます。動物が完全に死亡して回復の可能性がないことを確認するために、心臓を循環系から除去して血流を停止する、および/または脳と脊柱を完全に破壊するなど、いくつかの追加基準に従う必要があります。これに続いて、動物の体長、体重、および重要となる可能性のあるその他の生体力学的マーカーなど、動物の形態に関する一般的な測定値が通常迅速に得られます。次に、動物は対象の筋肉を採取する準備が整います。独立した筋肉では、これらは哺乳類のヒラメ筋や前下行脚、両生類の足底筋や腸脛靭帯などの後肢の筋肉である傾向があります。in vitro で検査された他の筋肉には、横隔膜と乳頭筋があります。

骨格筋の分離を成功させるには、特定の条件が必要です。組織は、代謝状態が遅くなるように頻繁に交換される冷却リンゲル液またはクレブス・ヘンゼライト液で分離する必要があります。そのためには、冷却した解剖培地が必要です。また、培地内の基質不足により組織が死ぬのを防ぐため、溶液を頻繁に交換する必要があります。解剖溶液は、​​調製する組織に適した濃度の酸素と二酸化炭素で継続的に酸素化する必要があります。通常、非哺乳類組織は、98% 酸素、2% 二酸化炭素を泡立てたガス溶液で調製され、哺乳類組織は、95% 酸素、5% 二酸化炭素を泡立てた溶液で調製されます。筋肉の分離には器用さが求められるため、適切な倍率の顕微鏡が必要です。外部の光ファイバー光源も、熱を放出せずに十分な光を提供するのに役立ちます。

筋肉をテスト用に準備するための正しい方法はありません。準備中に筋肉が損傷しておらず、筋腱ユニットが無傷で、テスト装置内で筋肉を固定するために使用できるものがあればよいのです。骨格筋の近位端および/または遠位端に骨片を残して固定することができます。さらに、絹縫合糸またはアルミニウム T フォイル クリップを使用して筋肉の腱を巻き付けることで、腱を支え、メカニクス装置内で固定するために使用できます。

体外筋肉テストでは通常、力と長さの変化を制御および検出できるデュアルモード サーボモーターが必要です。デュアルモード システムが利用できない場合は、独立した力トランスデューサーとモーター アームを使用できます。サンプル組織の一方の端は、縫合されている場合は針で、アルミニウム T フォイル クリップで準備されている場合はワニ口クリップで固定し、もう一方の端はサーボモーターに接続します。筋肉全体をリンゲル液またはクレブス ヘンゼライト液に浸し、酸素を通気して組織を生きたまま代謝を活発に保ちます。溶液は、通常、外部ヒーター/クーラー ウォーター バスを使用して、テスト対象の筋肉に適したテスト温度まで加熱されます。筋肉を支配する神経に電流を流すか、循環溶液内に配置されたプラチナ電極を介して筋肉全体の反応を引き起こすことで、筋肉を刺激して収縮させます。サーボモーターは、筋肉の収縮による力や長さの変化を検出します。刺激レベルは、多くの場合、最大の運動単位動員を保証するレベルに設定されます。サーボモーターは、筋肉の長さを変えながら一定の力を維持するようにプログラムすることも、その逆を行うこともできます。また、筋肉は、作業ループなどのより複雑なテストを受ける場合もあります。羽状筋を使用する場合、テスト中に繊維の長さを正確に測定するために、ソノミクロメトリーがよく使用されます。

体外筋肉検査は、筋肉組織のあらゆる規模で実施できます。筋肉のグループ全体(人間の大腿四頭筋のように、共通の挿入部または起始部を共有している場合)、単一の筋肉、筋線維の「束」 、単一の筋線維、単一の筋原線維、単一の筋節、心筋細胞、または半分の筋節でも実施できます。筋線維は、そのままの場合もあれば、「スキンド」 (細胞膜、筋小胞体、細胞質を除去するプロセス) の場合もあります。これにより、筋節の収縮成分へのアクセスが容易になります。

一般的にテストされる特性はいくつかあり、特定の実験では、単収縮時間、強直力、力と長さの関係、力と速度の関係、作業ループ、疲労試験、融合頻度、エネルギーコストなど、これらの特性のサブセットが使用されることがよくあります。

最近では、 in vitroとin vivoのハイブリッドアプローチであるin situが使用され、生物は末期麻酔下に置かれ、筋肉が生物に付着したままin vivoテストが行​​われます。これにより、筋肉が適切な温度に保たれ、血液によって十分な栄養素と酸素が供給されることが保証されますが、手順はより困難であり、一部のテストは実行できない可能性があります。^[2]

生体外筋肉試験は、生検または他の病気の手術中に採取された小さな筋肉切片を除いて、ヒトではほとんど使用されていません。哺乳類や鳥類では、筋肉が高温および高酸素を必要とするため、筋肉組織が生体から除去されるとすぐに細胞が急速に死滅するため、試験は一般的に困難です。哺乳類の骨格筋は、試験プロトコルを合理的に可能な限り長く延長するために、通常約 25°C で試験されます。また、生体内の温度をより正確に再現するために、単離した哺乳類の骨格筋全体の試験中に約 37°C の試験温度を使用することもできます。さらに、骨格筋の熱的特殊化を考慮することが重要であり、コア筋肉は、末梢筋肉よりも小さな温度変化による機械的性能の変化の影響を受けやすいです。^[3]外温動物（爬虫類、両生類、魚類、無脊椎動物）では、筋肉組織は、温度と生体に応じて、数時間から数日間、生体外で生存することができます。筋肉の使用可能期間を延ばすために、多くの実験が 0°C またはそれに近い温度で行われます。また、魚類や両生類では、筋繊維をそのままの状態で 1 本だけ分離することが可能ですが、他の種では通常、これは不可能です。

体外で筋肉組織を分離すると、近くにシグナル伝達系非筋細胞がなくても、筋細胞機能の個別データを取得できます。^[1] 体外試験では、筋肉を正確に刺激できるため、生来の組織挙動に関する正確なデータが得られます。^[4]分離した筋肉の試験では、基質など、組織周囲の環境に関する他の要因が制限されます。体外分離した筋肉の試験は、その理想的な正確性、精度、再現性に基づく有益な手順です。^[5]

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