Characterization of Fiber Types in Different Muscles of the Hindlimb in Female Weanling and Adult Wistar Rats

We analyzed lesser diameter and distribution of fiber types in different skeletal muscles from female Wistar rats using a histoenzymology Myofibrillar Adenosine Tri-phosphatase (mATPase) method. Fragments from muscles were frozen and processed by mATPase in different pH. Adult and weanling rat soleus muscles presented a predominance of type I fibers and larger fiber diameters. In the plantar muscle in adult rats, the type IIB fibers demonstrated greater lesser diameter while in the weanling animals, types I and IIB fibers were larger. The plantar muscle of animals of both ages was composed predominantly of the type IID fibers. The type IID fibers were observed in similar amounts in the lateral gastrocnemius and the medial gastrocnemius muscles. Type IIB fibers showed predominance and presented higher size in comparison with other types in the EDL muscle. The present study shows that data on fiber type distribution and fiber lesser diameter obtained in adult animals cannot always be applied to weanling animals of the same species. Using the mATPase, despite the difficult handling, is an important tool to determine the different characteristics of the specific fibers in the skeletal muscle tissue

ANÁLISE DO DESEMPENHO FUNCIONAL PARA ESTIMAR CARACTERÍSTICAS MORFOLÓGICAS DO TECIDO MUSCULAR ESQUELÉTICO DE SUJEITOS ADULTOS

This short review aims to analyze the capacity of functional analysis, through isokinetic dynamometry, to gather information on muscle fiber contractile characteristics in normal sedentary individuals, athletes, elderly people and in muscular alterations (atrophy and myopathy). The studies, here reported, demonstrated that by kinetic functional analysis, in contrast to the in vitro one, muscular performance in individuals may be quantified in conditions close to their daily or sportive activities. Thus, it is possible to precisely determine the influence of muscular adaptations in conducting these activities and, in addition, verify how muscular contraction functions in adverse clinical conditions like, lack of use, muscular atrophy, aging and myopathy. Different functional variables (fatigue index, torque, potency and work) are strongly related with different types of fibers, particularly with type 2 fast contraction fiber. Consolidation of the dynamometer as an instrument for measuring and/or diagnostic of various muscular conditions is highly relevant to therapeutic practice and merits emphasizing to health professionals.  Esta breve revisão aborda a capacidade da análise funcional, através da dinamometria isocinética, em inferir características contráteis das fibras musculares em indivíduos normais sedentários, atletas, idosos e nas alterações musculares (atrofia e miopatia). A análise dos estudos aqui abordados demonstrou que a análise funcional isocinética, em contraste com a realizada in vitro, quantifica o desempenho muscular em condições próximas das atividades de vida diária ou esportiva dos sujeitos. Portanto, é possível determinar mais precisamente a influência das adaptações musculares na realização destas atividades e, além disso, como a função muscular se comporta em condições clínicas adversas como desuso, atrofia muscular, envelhecimento e miopatias. As diferentes variáveis funcionais (índice de fadiga, torque, trabalho e potência) apresentam fortes relações com diferentes tipos de fibras, com destaque para a fibra de contração rápida do tipo 2. A consolidação do dinamômetro como instrumento de medida e/ou diagnóstico das diferentes condições musculares é de grande relevância para a prática terapêutica e merece tornar-se mais evidente para os profissionais da saúde. 

Study of costameric proteins in soleus muscle longitudinal sections of female rats immobilized and rehabilitated by intermittent passive manual stretching

No tecido muscular esquelético, a interface entre o sarcolema e a matriz extracelular é constituída por proteínas especializadas responsáveis pela transmissão de força transversal e longitudinal à miofibra. As adaptações do músculo esquelético às forças fisiológicas e patológicas, como a imobilização segmentar e exercícios de reabilitação, podem contribuir para a percepção celular dos sinais mecânicos e, consequentemente, induzir modificações na flexibilidade e na força muscular. Este estudo investigou as respostas teciduais do músculo sóleo de ratas submetido ao estresse longitudinal induzido pela associação do treinamento do tipo alongamento passivo com a livre movimentação pós-imobilização dos membros posteriores direitos. O membro posterior direito das ratas foi imobilizado por 10 dias em flexão plantar, a fim de manter o músculo sóleo em posição de encurtamento. Após a imobilização, os animais passaram por um período de alongamento passivo manual intermitente. Antes da imobilização e durante o período de alongamento e de livre movimentação, foi realizada análise funcional da marcha dos animais. Noventa e seis ratas Wistar adultas foram divididas em 8 grupos: Imobilizado (I); Imobilizado e alongado por 1 dia (IAL(1)); Imobilizado e alongado por 3 dias (IAL(3)); Imobilizado e alongado por 10 dias (IAL(10)); Imobilizado e livre por 1 dia (IL(1)); Imobilizado e livre por 3 dias (IL(3)); Imobilizado e livre por 10 dias (IL(10)); Controle do Imobilizado (C(Imob)). Após os procedimentos experimentais, o músculo sóleo foi removido e congelado, para o processamento de reação de coloração Hematoxilina-Eosina; imunoistoquímica para fibronectina, colágenos tipos I e III; imunofluorescência de laminina, distrofina e macrófagos; western blot de laminina e distrofina. Análises qualitativa e quantitativa em Microscópio de Luz e sistema de análise de imagens foram realizadas. As variáveis foram avaliadas inter- e intra-grupos pelo Modelo de Regressão Linear com Efeitos Mistos. Após a imobilização, os animais apresentaram perda de peso corporal e alterações no tamanho e formato das fibras. Ainda, a hipocinesia modificou as variáveis funcionais da marcha, reduziu a amplitude de movimento (ADM) de dorsiflexão, aumentou a relação fibras com fibronectina intracelular/número total de fibras (rFFI/NTF), a expressão de distrofina, de laminina e dos colágenos tipos I e III. Após três dias de remobilização, as alterações morfológicas estavam exacerbadas: intensa celularidade, núcleos centralizados, corpos de inclusão, necrose. Estes achados foram mais intensos no IAL(3). Os grupos IAL(3) e IL(3) também apresentaram comprometimento funcional, restrição de ADM, aumento da rFFI/NTF e da expressão do colágeno tipo III. Outros achados observados nestes grupos foram aumento da quantidade de macrófagos no tecido e de distrofina. As anormalidades relativas aos parâmetros da marcha e as alterações morfológicas geradas pela imobilização mostraram melhora no grupo IAL(10). A remobilização associada ao alongamento durante dez dias mostrou significativa efetividade na reversão das anormalidades musculoesqueléticas induzidas pelo desuso, especialmente nas variáveis funcionais.The interface between sarcolemma and extracellular matrix in skeletal muscle tissue is constituted by specialized proteins that are responsible for the transversal and longitudinal forces transmission to the myofiber. Skeletal muscle adaptations to physiological and pathological forces, such as segmental immobilization and rehabilitation exercises, may contribute to cellular perception of mechanical signals and consequently induce alterations related to flexibility and muscular force. This study investigated the tissue responses of the soleus muscle in female rats caused by longitudinal stress induced by the association of passive stretching training with the free movement after immobilization of the right hind limb. The right hind limbs of female rats were immobilized during 10 days in a plantar flexion in order to keep the soleus muscle in a shortened position. After the immobilization, the animals were submitted to intermittent passive manual stretching. The animals gait was functionally analyzed before immobilization and during the period of stretching or free movement. Ninety-six adult female Wistar rats were divided into 8 groups: Immobilized (I); Immobilized and stretched for 1 day (IS(1)); Immobilized and stretched for 3 days (IS(3)); Immobilized and stretched for 10 days (IS(10)); Immobilized and free for 1 day (IF(1)); Immobilized and free for 3 days (IF(3)); Immobilized and free for 10 days (IF(10)); Immobilized control (C(Immob)). After the experimental period, the soleus muscle was removed, frozen and further processed by Hematoxylin-eosin stain; immunohistochemistry reactions for fibronectin, types I and III collagen; imunofluorescence of laminin, dystrophin and macrophages; western blot of dystrophin and laminin. Qualitative and quantitative results were obtained using a Light Microscope and a system of image analysis. The between- and within-group data were analyzed using Mixed-Effects Linear Models. After the immobilization, the animals presented loss of body weight and alterations in size and shape of the fibers. Furthermore, the hypokinesia changed the functional variables of gait, reduced the dorsiflexion range of motion (ROM), increased the intracellular fibronectin/total number of fibers ratio (FIF/TNFr), the expression of dystrophin, of laminin and of the types I and III collagen. After three days of remobilization, the morphological changes were exacerbated: intense cellularity, nuclear centralization, inclusion bodies and necrosis. These findings showed increased in the IS(3). The groups IS(3) and IF(3) also showed functional impairment, ROM restriction, increased FIF/TNFr and immunoreactivity of the type III collagen. Others findings observed in these groups were increase of the amount of macrophages in the tissue and of dystrophin. The abnormalities related to gait parameters and the morphological changes induced by immobilization were improved in the IS(10) group. The remobilization using stretching for ten days showed significant effectiveness and reverted the skeletal muscle abnormalities induced by disuse, especially concerning the functional variables

Analysis of adaptive muscular responses to stretching and eccentric exercises applied after immobilization of the hindlimb in female rats in postnatal development

O presente estudo analisou as mudanças e adaptações geradas pelos protocolos de alongamento e exercício excêntrico nos músculos sóleo e plantar, após 10 dias de imobilização do membro posterior de ratas em desenvolvimento pós-natal. Para isso, 45 ratas da raça Wistar, com 21 dias de idade, foram divididas em 10 grupos: grupo imobilizado (GI); grupo imobilizado e treinado excentricamente por 10 dias (GITE(10)) ou 21 dias (GITE(21)); grupo imobilizado e alongado por 10 dias (GIAL(10)) ou 21 dias (GIAL(21)); grupo anestesiado (GA); grupo controle de 21 dias de idade (GC(zero)); grupo controle do imobilizado de 31 dias de idade (GC(Imob)); grupo controle de 10 dias com 41 dias de idade (GC(10)); grupo controle de 21 dias com 52 dias de idade (GC(21)). A imobilização foi aplicada por 10 dias no membro posterior direito dos animais, a fim de manter a posição de encurtamento dos músculos sóleo e plantar. Posteriormente, as ratas do GITE(10) e GITE(21) passaram pelo período de treino excêntrico em esteira declinada, por 40 minutos. Enquanto os animais do GIAL(10) e GIAL(21) foram submetidos ao alongamento mantido por 40 minutos, através da fixação da dorsiflexão máxima permitida pelo tornozelo. Após os protocolos, os fragmentos dos músculos sóleo e plantar foram retirados e submetidos às reações histoquímica, imunoistoquímica e bioquímica. Análise qualitativa e quantitativa (isoformas de MHC, proporção de fibras, diâmetro menor e relação capilar/fibra) foram realizadas. Para análise estatística foi usado o Modelo Linear de Efeitos Mistos com nível de significância de 5% e Intervalo de Confiança de 95%. A partir da análise temporal do desenvolvimento muscular dos animais, foram observadas características de imaturidade dos músculos sóleo e plantar (fibras arredondadas, núcleos volumosos, reatividade do tecido), principalmente em animais com 21 e 31 dias de idade. Aumento progressivo do diâmetro das fibras e da relação capilar/fibra, em ambos os músculos, foram observados. O predomínio de FT1 e maior expressão da MHCI já estavam evidentes no músculo sóleo, mesmo de animais com 21 dias de idade. O músculo plantar apresentou predomínio de FT2D na análise da mATPase, e a avaliação das isoformas indicou predomínio da MHCIId e MHCIIb. O procedimento de imobilização desencadeou alta reatividade do tecido, redução do diâmetro de todos os tipos de fibras, mudança na proporção das fibras (redução de FT1 no sóleo e aumento de FT2D no plantar) e na expressão das isoformas de MHC, e queda do número de capilares transversais. A aplicação do alongamento e exercício excêntrico provocou adaptações importantes como o aumento do diâmetro das fibras, modificação da proporção das fibras e aumento da relação capilar/fibra, em ambos os músculos. Da análise morfológica, o músculo sóleo apresentou maior reatividade, quando comparado ao músculo plantar, com grande quantidade de núcleos centralizados e halo basofílico. O treino excêntrico foi capaz de intensificar as respostas hipertrófica e angiogênica, principalmente no período de 21 dias de reabilitação. Portanto, o desenvolvimento muscular normal foi acompanhado por adaptações importantes que correspondem ao avançar da idade juntamente com o aumento da demanda funcional nessa fase. O dispositivo de imobilização foi eficaz para promover o desuso e encurtamento dos músculos avaliados. Diferenças nítidas entre a resposta adaptativa dos músculos sóleo e plantar são observadas em ambos os protocolos de reabilitação no animal bebê.This study analyzed changes and adaptations in the soleus and plantar muscles induced by stretching and eccentric exercise protocols applied after 10 days immobilization of the hindlimb in developing female rats. Fortyfive Wistar female rats, 21 days old, were divided into 10 groups: Immobilized (IG); Immobilized and trained eccentrically for 10 days (IEG(10)) or 21 days (IEG(21)); Immobilized and stretched for 10 days (ISG(10)) or 21 days (ISG(21)); Anesthetized (AG); Control, 21 days old (CG(zero)); Control of immobilized group, 31 days old (CG(Immob)); Control group of 10 days, 41 days old (CG(10)) or 21 days, 52 days old (CG(21)). The animals had the right hindlimb immobilized for 10 days keeping the soleus and plantar mucles in a shortened position. Rats in the IEG(10) and IEG(21) groups were further submitted to eccentric training in a declining threadmill for 40 minutes, while the ones in groups ISG(10) and ISG(21) were stretched for 40 minutes by fixing the maximum ankle dorsiflexion. Fragments of the soleus and plantar muscles were removed and analyzed by histochemical, immunohistochemical and biochemical assays, after sacrifice of the animals. Qualitative and quantitative analysis were made of Myosin Heavy-Chain (MHC) isoforms, fiber proportion, minimum diameter and capillary/fiber ratio. Data was statistically analyzed by the method of Mixed Effects Linear Models with a significance level of 5% and confidence interval of 95%. Temporal analysis of muscle development suggested immaturity of soleus and plantar muscles (rounded fibers, voluminous nuclei and tissue reactivity) specially in animals aged from 21-31 days. Progressive increase of fiber diameter and the capillary/ fiber ratio was also observed. Predominance of FT1 fibers and higher MHCI expression were already evident in the soleus muscle even in 21 days old animals. Analysis of mATPase showed that FT2D fibers were predominant in the plantar muscle as were the isoforms MHCIId and MHCIIb. Immobilization produced high tissue reactivity, diameter reduction in all fiber types, changes in fiber proportion (reduction of FT1 in the soleus and increase of FT2D numbers in the plantar muscles) and MHC isoform expressions and decreased number of transversal capillars. Both, stretching and eccentric exercises induced important adaptations like increased fiber diameter, modified fiber proportions and increased capillary/ fiber ratios in the soleus and plantar muscles. Morphological analysis indicated that the soleus was more reactive as compared to the plantar muscle, showing large quantities of centralized nuclei and a basophilic halo. Eccentric training induced greater hypertrophic and angiogenic responses, specially during the 21 days rehabilitation. Thus, normal muscular development in this phase was accompanied by major adaptations, which correspond to advancing age and increased functional demand. The immobilization apparatus was efficient in preventing use and promoting shortening of the muscles evaluated. Sharp differences between adaptive responses of soleus and plantar muscles were observed in both rehabilitation protocols applied to baby animals

Immobilization and therapeutic passive stretching generate thickening and increase the expression of laminin and dystrophin in skeletal muscle

Extracellular matrix and costamere proteins transmit the concentric, isometric, and eccentric forces produced by active muscle contraction. The expression of these proteins after application of passive tension stimuli to muscle remains unknown. This study investigated the expression of laminin and dystrophin in the soleus muscle of rats immobilized with the right ankle in plantar flexion for 10 days and subsequent remobilization, either by isolated free movement in a cage or associated with passive stretching for up to 10 days. The intensity of the macrophage response was also evaluated. One hundred and twenty-eight female Wistar rats were divided into 8 groups: free for 10 days; immobilized for 10 days; immobilized/free for 1, 3, or 10 days; or immobilized/stretched/free for 1, 3, or 10 days. After the experimental procedures, muscle tissue was processed for immunofluorescence (dystrophin/laminin/CD68) and Western blot analysis (dystrophin/laminin). Immobilization increased the expression of dystrophin and laminin but did not alter the number of macrophages in the muscle. In the stretched muscle groups, there was an increase in dystrophin and the number of macrophages after 3 days compared with the other groups; dystrophin showed a discontinuous labeling pattern, and laminin was found in the intracellular space. The amount of laminin was increased in the muscles treated by immobilization followed by free movement for 10 days. In the initial stages of postimmobilization (1 and 3 days), an exacerbated macrophage response and an increase of dystrophin suggested that the therapeutic stretching technique induced additional stress in the muscle fibers and costameres