Resumen
Antecedentes
Aunque la prevalencia del entrenamiento de fuerza muscular inspiratoria ha aumentado en la medicina clínica, su efecto sobre la remodelación de la fibra de diafragma no es bien entendida y no existen modelos experimentales de incrabilización de fuerza muscular respiratoria animal relevante. Probamos el postulado de que el acondicionamiento intrínseco de la oclusión traqueal transitoria (ITTO) en animales conscientes proporcionaría un nuevo modelo experimental de entrenamiento de fuerza muscular respiratoria, y utilizó aumentos significativos en el área transversal de fibra diafragmática (CSA) como la medida de resultado principal. Presumimos que aumentaría CSA de fibra de diafragma costal y hipotetizaría una mayor duración y magnitud de las oclusiones amplificaría la remodelación.
Metodología/Hallazgos principales
Las ratas Sprague-Dawley se sometieron a la colocación quirúrgica de un manguito traqueal y se asignaron aleatoriamente para recibir sesiones diarias de 10 minutos de ITTO, duración prolongada, ITTO de 20 minutos (ITTO-20), obstrucción parcial con 50% de presión de inflación de puños (ITTO-Par) u observación (farsa) durante dos semanas. Después de las intervenciones, la morfología de la fibra, la composición de la cadena pesada de la miosina y la CSA se examinaron en las regiones costales crurales y ventrales, mediales y dorsales. En el diafragma costal medial, con ITTO, las fibras tipo IIX/B fueron 26% mayores en el diafragma costal medial (P <0.01) y un 24% más grande en el diafragma crural (P <0.05). No se detectaron cambios significativos en la composición de la fibra o la morfología. Las sesiones de ITO-20 también arrojaron aumentos significativos en el área transversal de la fibra costal medial, pero los efectos no fueron mayores que los provocados por sesiones de 10 minutos. Por otro lado, ITTO-PAR resultó en obstrucción parcial de las vías respiratorias y no generó hipertrofia de fibra.
Conclusiones/importancia
Los resultados sugieren que la magnitud de la carga fue más influyente para alterar el área de la sección transversal de fibra que las sesiones de acondicionamiento de duración prolongada. Los resultados también indicaron que ITTO se asoció con hipertrofia de fibra tipo II en la región costal medial del diafragma y puede ser un modelo experimental ventajoso de entrenamiento clínico de fuerza muscular respiratoria.
Introducción
El diafragma es el músculo primario de la bomba inspiratoria, y en los humanos contrata cada tres a cinco segundos para mantener la ventilación alveolar. Debido a que la actividad contráctil diafragmática es vital, es importante comprender cómo responde el músculo a los cambios en la actividad motora o en las condiciones ambientales. Por ejemplo, la ventilación mecánica controlada (MV) debilita la bomba inspiratoria y da como resultado un estrés oxidativo diafragmático significativo, proteólisis y atrofia después de tan solo seis horas en mamíferos pequeños (1)–(3). El diafragma humano ventilado también puede atrofia y perder la función contráctil rápidamente, dentro de los tres o siete días de la MV controlada (4)–(6). En contraste, se ha demostrado que el entrenamiento de fuerza muscular inspiratoria (IMST) con cargas de umbral de alta presión aumenta la capacidad de generación de presión de la bomba inspiratoria y facilita el destete de la MV en pacientes hospitalizados (7)–(10). Dado que más de la mitad de los pacientes no encendidos no sobreviven un año (11), (12) y los costos médicos anuales son un estimado de $ 3.5 millones/sobreviviente (12)es importante identificar tratamientos que puedan prevenir o revertir la disfunción del diafragma inducida por el ventilador. Sin embargo, los efectos de la IMST en la remodelación muscular son prácticamente desconocidos para el diafragma humano, porque la ubicación del músculo hace que sea problemático acceder a la biopsia. Por lo tanto, un modelo animal de IMST permitiría investigaciones sistemáticas sobre la plasticidad histológica, molecular y funcional del entrenamiento en los músculos respiratorios.
Estudios anteriores en animales revelan que las sobrecargas mecánicas pueden remodelar las fibras diafragmáticas de acuerdo con el tipo de sobrecarga, la intensidad y la duración. La carga resistiva sostenida por bandas traqueales provoca hipertrofia de fibras musculares lentas en hámsters (13) y ratas (14) pero también está asociado con una alta mortalidad. Las duraciones más cortas pero fisiológicamente desafiantes de la respiración resistiva aumentan la expresión del gen MHC lento diafragmático, con daño concurrente de la membrana plasmática y la interrupción del sarcómero (15), (16). Estos estudios sugirieron que la alta magnitud y la larga duración de las cargas dañan las fibras diafragmáticas. De hecho, se ha informado evidencia morfológica de lesión por diafragma humano después de sobrecargas prolongadas y fatigantes (17). En particular, ninguno de los estudios de animales anteriores utilizó regímenes intensos y breves de carga de presión que se parecían a una prescripción clínica de ejercicio IMST en intensidad y duración.
(A) Se administró en un pletismografía para permitir el movimiento animal limitado. El manguito traqueal se infló por la inyección de solución salina estéril en la línea de actuación. El momento y la magnitud de la presión del manguito se monitorizó con un polígrafo. (B) Ilustración recortada del brazalete traqueal. La tráquea estaba completamente patente con el manguito desinflado. Con el manguito inflado, la tráquea estaba completa y reversible ocluida.
Aunque el diafragma comprende ∼0.5% de la masa corporal (37), abarca una gran área de superficie relativa, y sus accesorios musculares a la jaula torácica pueden producir diferencias biomecánicas regionales. Se han observado diferencias en las regiones costales y crurales de roedores para la composición de la cadena pesada de miosina (MHC) y las respuestas metabólicas al ejercicio de resistencia de todo el cuerpo (18)–(20). La magnitud de la remodelación inducida por carga también parece ser mayor en las regiones costales (21). Dentro del diafragma costal, se cree que las diferencias locales en la zona de la superficie de la aposición y el grosor muscular influyen en la presión pleural local y el acortamiento (22). Variaciones regionales en el grosor del diafragma de roedores (23) y en el flujo sanguíneo durante el ejercicio (24) sugiere que las compensaciones de carga muscular podrían variar localmente en respuesta a la actividad. Sin embargo, la remodelación histológica regional del diafragma de roedores no se ha explorado sistemáticamente con el entrenamiento de fuerza.
En humanos, IMST utiliza una carga caracterizada por una oclusión inspiratoria hasta que los músculos inspiratorios generan suficiente presión para abrir una válvula de umbral de presión preestablecida. Empleamos un modelo de roedores de oclusión traqueal transitoria intrínseca (ITTO) para proporcionar cargas oclusivas breves y reversibles a la respiración. El objetivo principal era investigar si este nuevo paradigma de carga podría provocar hipertrofia de fibra diafragmática sin inducir la lesión de fibra reportada con carga sostenida, como bandas traqueales. Este proyecto se basó en el postulado subyacente de que la corta duración, de alta intensidad, ITTO provocaría la remodelación de la fibra diafragmática, según el régimen de entrenamiento impuesto y la eficiencia mecánica regional del músculo cargado. Nuestros hallazgos indican que podría ser un modelo experimental útil de la hipertrofia muscular respiratoria inducida por la fase inicial de carga de oclusión de IMST.
(A) CSA. Tipo IIX/B CSA en el costal medial (#) y cruralLas regiones fueron significativamente mayores en los animales de ITTo que los animales simulados. En el grupo ITTO, las fibras de diafragma costal medial tipo IIX/B fueron significativamente mayores que los segmentos dorsales, ventrales y crurales (†). En ambos grupos, las fibras tipo IIX/B fueron significativamente mayores que las fibras oxidativas (‡). (B ) Proporciones de fibra.En el grupo simulado, la región ventral contenía significativamente menos fibras tipo IIX/B que la región dorsal. En todos los grupos, las fibras tipo IIX/B fueron significativamente menos frecuentes que las fibras tipo IIA o I (‡). ( do)MHC A A. La fibra tipo I aA de la región medial fue significativamente más grande en los animales que los animales simulados. El aA de las fibras tipo IIX/B del diafragma ventral simulada fueron significativamente más bajas que el diafragma medial simulado ( #
. (Las barras de error son ± 1SD, *p <0.05;
- https://doi.org/10.1371/journal.pone.0049264.g002Al caracterizar la remodelación de la fibra diafragmática producida por este innovador modo de entrenamiento, se abordaron tres objetivos específicos: (i) Identificación de las diferencias de remodelación regional, (ii) el examen del efecto de la duración de la sesión de entrenamiento en la remodelación, y (iii) una comparación de sobrecargas oclusivas versus resistentes. Presumimos que Produciría hipertrofia de fibra rápida en el diafragma costal, en comparación con un grupo de control entrenado por simulación. Además, planteamos la hipótesis de que aumentar la duración de las sesiones diarias de entrenamiento aumenta esta hipertrofia. Finalmente, planteamos la hipótesis de que la obstrucción parcial de las vías respiratorias no causaría hipertrofia de fibra.
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PELEAimagen originalFigura 3.Análisis inmunofluorescente de cadena pesada de miosina en el diafragma costal medial.(
) Diafragma de ITTo Animal. (
B
) Diafragma del animal simulado. Las fibras tipo I fluorescaron azul, el verde IIA iluminado y las fibras tipo IIX/B permanecieron libres de fluorescencia. Las imágenes fueron capturadas con un aumento de 100x. La barra de escala representa 100 µm.
- Aprobación éticaEl estudio se llevó a cabo de acuerdo con los procedimientos descritos en la guía para el cuidado y uso de animales de laboratorio de los Institutos Nacionales de Salud. El estudio fue aprobado por el Comité Institucional de Cuidado y Uso de Animales de la Universidad de Florida (Proyecto #E575).
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Fracción de área (un
A ) de células remodeladas en el diafragma costal y crural. https://doi.org/10.1371/journal.pone.0049264.t002 AnimalesSe estudiaron veintinueve ratas Sprague-Dawley (Harlan Laboratories, Indianápolis, IN). Los animales se mantuvieron en viviendas estándar en el centro de cuidado de animales de la Universidad de Florida. Una luz inversa de 12∶12 horas: ciclo oscuro yad libitumLa dieta se proporcionó a los animales a lo largo de los experimentos. El régimen de entrenamiento de ITTO se basó en experimentos diseñados por nuestro laboratorio para investigar la neurobiología de la mecanosensación respiratoria y la compensación motora a las cargas oclusivas
(25)
–(27). Todos los animales se sometieron a la colocación de un brazalete traqueal y luego fueron asignados al azar a un grupo de acondicionamiento. Los objetivos del estudio se llevaron a cabo en experimentos separados: (1) el efecto de ITTO en la remodelación muscular regional del diafragma, y (2) el efecto de los regímenes modificados de entrenamiento en la remodelación del diafragma costal medial.
Colocación del oclusor
