Implantasjon av Radiotelemetry Transmitters gir data på EKG, puls, Core kroppstemperatur og aktivitet i fritt bevegelige Laboratory Mus

Summary

En kirurgisk teknikk for implantasjon av kommersielt tilgjengelige telemetri sendere brukes for kontinuerlig måling av biopotential (en-avlednings EKG), puls, core kroppstemperatur og locomotor aktivitet i fritt bevege mus er vist. Anbefalinger og protokoller for postoperativ pleie og smertelindring, økt utvinning, velvære og overlevelse er også presentert.

Abstract

Laboratoriet musen er dyret arter av valget for de fleste biomedisinsk forskning, både i akademiske sfæren og den farmasøytiske industrien. Mus er en håndterlig størrelse og relativt enkelt å huset. Disse faktorene, sammen med tilgjengeligheten av et vell av spontan og eksperimentelt indusert mutanter, må laboratoriet mus ideell til et bredt spekter av forskningsområder.

I hjerte, farmakologiske og toksikologiske undersøkelser, er nøyaktig måling av parametere knyttet til sirkulasjonssystemet av forsøksdyr ofte nødvendig. Fastsettelse av hjertefrekvens, hjertefrekvens variabilitet, samt varighet av PQ og QT intervall er basert på elektrokardiogram (EKG) opptak. Imidlertid kan skaffe pålitelig EKG kurver samt fysiologiske data som kjernen kroppstemperatur på mus være vanskelig ved hjelp av konvensjonelle målemetoder, som krever tilkobling av sensorer og føre ledninger til en behersket, bundet, eller enda enaesthetized dyr. Data innhentet på denne måten må tolkes med forsiktighet, ettersom det er velkjent at besøksforbud og anestesi kan ha stor artifactual innflytelse på fysiologiske parametre ^{1, 2.}

Radiotelemetry gjør at data kan samles inn fra bevisste og oversiktlig dyr. Målingene kan utføres selv i fritt bevegelige dyr, og uten at etterforskeren å være i nærhet av dyret. Dermed er kjente kilder av gjenstander unngås, og nøyaktige og pålitelige målinger er sikret. Metoden reduserer også interanimal variasjon, og dermed redusere antallet dyr som benyttes, rendering denne teknologien den mest humane metoden for overvåkning fysiologiske parametre i forsøksdyr ^{3, 4.} Konstant fremskritt i datainnsamling teknologi og implantat miniatyrisering betyr at det nå er mulig å registrere fysiologiske parametere og locomotor aktivitet fortløpende og i sanntid over lengre periods som timer, dager eller uker ^{3, 5.}

Her beskriver vi en kirurgisk teknikk for implantasjon av en kommersielt tilgjengelig telemetri-transmitter som brukes for kontinuerlige målinger av kjernen kroppstemperatur, locomotor aktivitet og biopotential (dvs. onelead EKG), som puls, hjertefrekvens variabilitet, samt PQ og QT intervall kan være etablert i freeroaming, oversiktlig mus. Vi presenterer også pre-operative prosedyrer og protokoller for postoperativ intensiv pleie og smerte behandling som øke utvinningen, trivsel og overlevelse i implantert mus ^{5, 6.}

Protocol

Dyret forsøket ble godkjent av distriktssykehuset Veterinary Office (Zurich, Sveits). Bolig og eksperimentelle prosedyrer var i samsvar med sveitsisk dyrevernloven lov og i henhold til EU direktiv om beskyttelse av dyr som brukes til vitenskapelige formål (Direktiv 2010/63/EU av Europaparlamentet og Rådet av 22. september 2010).

1. Pre-operative hensyn

1.1 Mus: boligbehov, generell tilstand og helseovervåking

Det anbefales at mus leveres fra leverandører eller overført fra eksterne gnager koloniene skulle ankomme huset anlegget minst to uker før operasjonen. Denne perioden bør tillate dyrene å tilpasse seg det nye miljøet og anlegg-spesifikke boforhold. Mus, som sosial levende dyr, bør plassert i kompatible grupper i løpet av denne prøveperioden. For å overvåke en persons nivå avmat og vann forbruk, er hver mus holder enkeltvis fra 3 dager før operasjon inntil 10 dager etter kirurgisk transmitter implantasjon. Tiden linje for etablering telemetrisk-transmitter-bærende mus er vist i figur 1. Det er avgjørende at dyrene kommer til kirurgi i god helse og kondisjon. Derfor, før operasjon, bør dyrene følges opp en gang per dag i 2-3 dager om generell tilstand (utseende, holdning, spontan atferd) samt for kroppsvekt, mat og vannforbruk. Disse dataene er dokumentert i en pasientjournal (allmenntilstand og helseovervåkning datablad, Tabell 1) å etablere individuelle baseline nivåer av generelle tilstand og generelle helse og velvære. Ethvert dyr som viser symptomer på sykdom eller nedsatt allmenntilstand før kirurgi bør utelukkes fra forsøket.

1.2 Hår klipping på en dag før operasjon

Dagen før implantering, for å barbere animals for kirurgi, mus er bedøvet kort i en liten (8x8x8cm) pleksiglass kammeret ved hjelp sevofluran (8%) eller isofluran (5%) i rent oksygen (600 ml / min). Etter tap av rettende refleks, er musen tatt ut av kammeret og fremre hals og buk håret er klippet med dyret liggende i dorsal recumbence; anestesi opprettholdes i ca 5 minutter med en nese maske med sevofluran 3-4% eller isofluran 1,5 til 3% i ren oksygen ved en vannmengde på 600 ml / min. Etter klipping av hår, er dyrene lov til å vekke og blir deretter brakt tilbake til sine hjem buret.

2. Implantasjon

2.1 Driftsmiljø, forberedelse av telemetrisk transmitter

På dagen for implantasjon, er alle prosedyrer vedrørende transmitter forberedelse og kirurgi utført på en arbeidsbenk med en laminær hette utstyrt med et kirurgisk mikroskop. Aseptiske betingelser er sikret ved bruk av autoklaveres Instrumentene og steriliseres materialer og ved desinfisering av arbeidsbenk ^7. Før implantasjon, er telemetrisk sendere (ETA-F10, Data Sciences International, St. Paul, MN, USA) først forberedt. Etter å ha fjernet fra sine sterile pakken, er leder av senderen forkortet til en lengde som passer for størrelsen på musen for å bli implantert. I de fleste voksne outbred eller innavlet mus, kan den røde elektroden forkortes til ca 42 mm og hvit / fargeløs elektroden til en lengde på ca 55 mm. Isolasjon rør er fjernet fra den distale (sensorisk) del av fører: ca 20 mm rør er fjernet fra den røde elektroden, er omtrent 10 mm slange fjernet fra hvit / fargeløs elektroden. Den distale del av hver elektrode (som nå er uten rør) blir dannet i en løkke ved å feste enden med tynn silke suturer (Perma-Handseide, 6-0, Ethicon, Norderstedt, Tyskland). Etter forberede elektrodene, er senderen plassert i warm sterilt saltvann klar til å bli implantert når dyret er bedøvet og kirurgisk forberedt.

2.2 Bedøvelse

På 5-10 minutter før innledning av innånding anestesi, en blanding av midazolam (4 mg / kg) og fentanyl (0,04 mg / kg) er subkutant som premedisinering, og dermed gi sedasjon og forkjøpsrett analgesi. Generell innånding anestesi er indusert ved å plassere dyret i induksjon kammer og introdusere den flyktige anestesimiddel (sevofluran 8% eller isofluran 5% i ren oksygen 600 ml / min). Når dyret viser tap av rettende Reflex den overføres til en arbeidsbenk under laminær hette, og plassert i dorsal recumbence på en spesialdesignet metallplate forsynt med en nese maske og slanger av bedøvelsen apparater. Anestesi vedlikeholdes av spontan pusting (sevofluran 3-4% eller isofluran 1,5 til 3% i ren oksygen ved en vannmengde på 600 ml / min). Under anestesi, dyrets øyes er beskyttet med salve (Vitamin A, Baush & Lomb, Steinhausen, Sveits). Mens hun lå på metallplaten dyret er varmet av vannbad oppvarmet overflate (39 ° C + / -1) av arbeidsbenk.

2.3 Kirurgi

Skinnet av fremre nakken og mageregionen er desinfisert med 70% etanol. A 1 - til 1,5 cm lange snitt i huden er laget av den nedre thorax langs midtlinjen på magen. Den negative (hvit / fargeløs) bly er graver subkutant fra thorax til halsen, der et lite snitt (≤ 0,5 cm) er laget i langsgående retning. Huden og underliggende vev er forberedt på å gjøre plass til fiksering av wire loop av elektroden. The wire loop er fast mellom musklene som ligger til høyre for luftrøret, og bruker to tynne silke sting (Perma-Handseide, 6-0, Ethicon, Norderstedt, Tyskland). Såret i nakken er da stengt med absorberbare suturer (6-0 VICRYL, Ethicon, Norderstedt, Tyskland) i lag. Bukveggen blir deretter åpnet i linea alba og kroppen av telemetrisk senderen settes inn i bukhulen på mus. The wire loop av den positive (røde) elektrode er sutureres til xiphoid prosessen med silke suturer på en slik måte at den ligger mellom leveren og mellomgulvet i venstre øvre mageregionen (figur 2). Deretter er det muskel lag av mageregionen lukket med absorberbare suturer (6-0 VICRYL, Ethicon, Norderstedt, Tyskland). Før endelig lukker bukveggen, en blanding av Sulfadoxin og Trimetoprim [(30 mg / kg og 6 mg / kg, henholdsvis; oppløst i 1 mL saltvannsoppløsning (0,9%) og på omtrent kroppstemperatur (38-39 ° C)] injiseres i bukhulen i forbindelse med anti-infeksiøs profylakse og for å støtte væske homeostase. Endelig er huden i mageregionen restaurert med stifter (Presis, 3 M Health Care, St. Paul, MN, USA).

3. Postoperativ behandling

Etter gjennomføringen av kirurgi og anestesi, 0,1 mg / kg av buprenorfin (Temgesic, Essex Chemie AG, Lucerne, Sveits) og 5 mg / kg av meloksikam (Metacam, Boehringer Ingelheim, Basel, Sveits) administreres subkutant for smertebehandling, og dyr er igjen på den varme (39 ° C + / -1) overflate av arbeidet benk til å gjenopprette i ca 2t. Sammen med smertelindring (to ganger daglig: buprenorfin, 0,1 mg / kg og meloxicam 5 mg / kg), er støttende terapi bestående av 300 mL glukose (5%) og 300 mL saltvannsoppløsning (0,9%) varmet til kroppstemperatur, anvendt subkutant to ganger daglig i 4 dager. For ytterligere utvinning støtte, er det verdt å gi dyrene med en ekstra drikkeflaske som inneholder 15% glukoseoppløsning. Under utvinning periode på 4-10 dager, anbefales det at dyrene holdes varme. Derfor, i vårt tilfelle, er mus plassert i en varmende kabinett (30 ° C + / - 1). Overvåking av generelle tilstand og kroppsvekt, somvel som mat og vann forbruk, utføres en gang daglig i henhold til den generelle tilstand og helseovervåking datablad (Tabell 1) for 10 dager postoperativt. Humane endepunkter, dvs. ofre av et dyr for å unngå unødig lidelse og smerte hvis progresjon av utvinning er utilfredsstillende, realiseres under følgende forutsetninger:

1. Hvis du er i dårlig allmenntilstand, dvs dyret er vesentlig apatiske (ingen bevegelse etter å ha blitt berørt / skyves) og kroppsoverflate føles kaldt til tross for oppvarming, bør dyret avlivet umiddelbart.
2. Dersom, på dag 4 etter transmitter implantering, viser dyret klare tegn til apati, er ekstremt aggressiv eller ikke viser noen matinntak, bør det være avlivet umiddelbart.
3. På dag 8 etter transmitter implantasjon, har dyret å vise en klar økning i kroppsvekt i forhold til de foregående postoperative dager. Videre har det å konsumere på løst 80% av pre-operative daglige matinntak. Hvis en av disse vilkårene ikke er oppfylt, bør dyret avlivet umiddelbart.

På 10 dager etter implantering, er dyret overføres tilbake til dyrerom under standard boforhold. Mus bør være plassert i kompatible grupper for å tillate sosial samhandling og for å hindre skadevirkninger av langsiktige individuelle boliger, som kan ha vesentlige virkninger på read-out av senere eksperimenter ^{8, 9.} Mus bør ha en periode på minst 4 uker rekonvalesens etter transmitter implantasjon før det første eksperimentet er utført og datainnsamling begynner.

Fire. Datainnsamling

Datainnsamlingen er initiert ved å berøre dyret med en magnet, hvorpå senderen er slått på. Dataquest ART Software (Data Sciences International, St. Paul, MN, USA) koordinerer deteksjon, innsamling, analyse og graphical presentasjon (i form av bølge former) av signaler fra ett eller flere dyr. Oppkjøpet Programmet samler inn data signaler som sendes til datamaskinen fra omformere og mottakere via en datautveksling Matrix (Data Sciences International). Dette programmet kan enten samle inn data for et bestemt tidsrom med jevne mellomrom eller prøve kontinuerlig og lagre data på datamaskinens harddisk. Som utvalget og kvaliteten av utsendt signal avhenger sterkt av materialet sammensetningen av buret og omkringliggende utstyr (for eksempel metall kontra plast), er det foreslått at mottakeren platen er plassert så nær dyret som mulig, for eksempel under dyrenes bur eller over eksperimentelle området, f.eks laboratoriebenken eller tredemølle. Det anbefales at riktig konfigurasjon av innspillingen og dataoverføring system kontrolleres ved å lage en kort undersøkelse av sanntids målinger i kontinuerlig prøvetaking modus. Etter at dataene har blitt samlet inn og lagret, kan de plotteted, børsnoterte og analysert for en rekke forskjellige parametere ved hjelp av analyse program. Detaljer om konfigurering av opptaket systemet (f.eks definere sampling modus), og analyse programvare (for eksempel for hjertefrekvens variabilitet parametere, PQ intervall og QT intervall etablert fra biopotential / EKG kurver) finnes i fabrikantens håndbøker. Verdifulle tips for biometrisk planlegging og statistiske metoder nyttige for telemetrisk datainnsamling og tolking er publisert andre steder ^3.

5. Representant Resultater:

En samlet ordning av den beskrevne prosedyren er vist i figur 1. Plasseringen av implantert sender, inkludert plasseringen av elektroder for å oppnå biopotentials fra hjertet (en-avlednings EKG) er vist i figur 2. Eksempler på rådata fra kortsiktig biopotential kurver (en-avlednings EKG), og langsiktige hjertefrekvens, kjernen kroppstemperatur og locomotor aktivitet innspillinger av individuellemus er gitt i Figur 3 og Figur 4, henholdsvis. Figur 5 gir et eksempel på publiserte data fra langsiktige målinger i grupper av mus etter et eksperiment. Flere andre parametre kan etableres fra biopotentials kurvene. Eksempler for presentasjon av hjertefrekvens variabilitet parametere ^5, QT intervall og PQ intervall ^10, er ¹¹ publisert andre steder.

Tabell 1. Generell tilstand og helseovervåkning datablad. Klikk her for å laste ned arket. Templaten muliggjør overvåkning av et individs mus generelle tilstand og helse. Baseline undersøkelse av et dyr utseende, holdning, og spontan atferd, samt fastsettelse av kroppsvekt, og mat og vann forbruk må være etablert før implantasjon kirurgi en gang pr dag i 3 dager. Sammenligning av baseline bestemmelser med de som oppnåsdaglig i 10 dager etter operasjonen tjene til å vurdere utviklingen av postoperative. I tillegg er postoperativ pleie og smertebehandling godt dokumentert i form av en medisinsk post. Instruksjoner om humane endepunkter er gitt for å lette beslutninger om en mus skal bli ofret for å unngå unødig smerte og lidelse hvis dyret ikke oppfyller kriteriene for rask gjenoppretting etter implantasjon.

Figur 1. Tidsplan for etablering telemetrisk-transmitter-bærende mus. Kronologisk rekkefølge av prosedyrer knyttet til implantering av en sender som viser tidspunkter der en mus kan brukes til eksperimenter og datainnsamling.

Figur 2. Røntgenbilde / skisse som viser plassering av implantert telemetry senderen. Liket av senderen er plassert i bukhulen. Den positive bly er formet i en wire loop og festet til xiphoid prosessen med suturer. Den negative bly er tunnelerte subkutant fra thorax til halsen og festes som en wire loop mellom musklene rett ved siden av luftrøret. Den røntgenbilde er hentet fra forfatternes forrige publisering i forsøksdyr ^9.

Figur 3. Biopotential kurver. Raw utskrift av one-EKG kurver fra en bevisst mus og av samme dyr i henhold innånding anestesi med sevofluran. Hjertefrekvensen beregnes automatisk av telemetri system. Den 3-sekunders sekvens innspilt under anestesi indikerer en hjertefrekvens på 440 bpm. Kurven registrert i bevisst mus viser en puls på 660 bpm, som faller innenfor forventet område for hjertefrekvens under modesats fysiske aktiviteter som grooming eller spise. Fra biopotential / en-avlednings EKG kurver, hjertefrekvens variabilitet parametre, interbeat intervall, og PQ og QT intervall kan etableres med bruk av produsentens programvare.

Figur 4. Rådata fra langsiktige målinger hos friske og syke mus. Hjertefrekvens (bpm), kjernen kroppstemperatur (° C) og locomotor aktivitet (teller) måles mens mus befinner seg individuelt i sine hjem bur uten forstyrrelse fra mennesker eller eksperimentelle prosedyrer. Hjertefrekvensen er registrert i 30 sekunder hvert 5. minutt (sampling frekvens 1000 Hz). Kjernen kroppstemperatur er samplet i 10 sekunder hvert 5. minutt. Locomotor aktivitet registreres kontinuerlig og lagres med 5 minutters mellomrom. Fem minutters datapunkter spores i 6,5 dager. Den telemetrisk Målingene registreres fra tre mus med ulikkroppslige tilstander. Den sunne mus viser en klar døgnrytme med normal økning i fysiologiske verdier og locomotor aktivitet oppførsel under den mørke (natt) fase. I kontrast, etter en større operasjon, er hjertefrekvens økt, spesielt i dagslys fase, og locomotor aktivitet er deprimert. Den tredje musa led av kronisk tumor sykdomsfrie sin døgnrytme av hjertefrekvens og kjernen kroppstemperatur vises flat, og locomotor aktivitet er redusert. Representative data av hjertefrekvensen målinger (normale verdier og etter en større operasjon) er hentet fra forfatternes forrige publisering i ALTEX ^12.

Figur 5. Eksempel på presentasjon av resultater fra langsiktige telemetri målinger etter et eksperiment. Figuren er hentet fra forfatternes forrige publisering i forsøksdyr ^1. Som en eksemplarisk eksperiment, en 50-minutters isoflurane eller sevofluran bedøvelse ble utført. Den langsiktige effekten av anestetika på hjertefrekvens, kjernen kroppstemperatur og locomotor aktivitet etter at dyrene var våken ble sammenlignet. Ved hjelp av 16 transmitter-implantert mus ble telemetrisk data registrert i åtte mus per bedøvelse mens dyrene var single-huset og lov til å streife fritt i sine hjem merder. For analyse av langsiktige postanesthetic effekter, tok vi hensyn til at verdiene varierer sterkt i løpet av en 24-h syklus fordi mus er aktive hovedsakelig om natten. Derfor var de hjelp av telemetrisk verdiene for hvert dyr beregnet separat for natten (12 h mørk) og dag (12 t lys) faser. Et individs normal verdiene ble etablert ved å beregne midler fra de tre dagene før anestesi. For hver dag etter anestesi, var middelverdien av den mørke og lyse fase sammenlignet med den enkeltes normale verdier, som resulterer i deltaet verdier. Dermed delta verdiene representerer avvik fra normale verdier (etablert førtil anestesi) på tilsvarende 12 timer dag og natt tid. Kolonner representerer middelverdien fra åtte mus; Linjene indikerer standardavvik. Stjernetegn indikerer betydning ved P ≤ 0,05 (Enveis variansanalyse for sammenligning av gruppe betyr på hver av de fire dagene etter anestesi med normale verdier).

Discussion

Radiotelemetry er et kraftig alternativ til konvensjonelle metoder for måling av fysiologiske parametre i biomedisinsk forskning. Høy kvalitet telemetri systemer bestående av implanterbare sendere, mottakere og datainnsamling og analyse maskinvare og programvare er nå kommersielt tilgjengelig, selv for dyr så små som mus. Telemetri representerer den eneste teknikken tilgjengelig for datainnsamling fra uhemmet, fritt bevegelige mus. Ved å bruke denne metoden, er det nå mulig å samle inn data kontinuerlig og / eller for lengre perioder av gangen fra dyr som oppholder seg i sitt eget kjent miljø, og dermed minimere stress for dyrene og påfølgende eksperimentelle artefakter. Form og plassering av ledningene har blitt optimalisert for å få signaler selv ved raske bevegelser (f.eks sliter, kjører, slåss) eller i en oppreist holdning ^9. Dermed kan nøyaktige målinger fås ved eksperimenter, f.eks under anestesi, stress isjon, mens du kjører på en tredemølle, under atferdsmessige eksperimenter, under smitteforsøk, og mange andre eksperimentelle situasjoner.

Men for å få pålitelige, reproduserbare og gjenstand uten data, er det viktig å utelukke miljømessige påvirkninger, og vi trekker spesielt oppmerksomme på viktigheten av standardiserte forhold. Det anbefales at rommet er isolert fra elektronisk og akustisk støy, inkludert ultralyd, som mus er spesielt følsomme. I tillegg, uten forstyrrelser, som for eksempel besøkende eller urelaterte eksperimentelle prosedyrer, bør tillates når gjennomføre målinger. For å unngå forstyrrende påvirkninger (særlig i tilfelle hjemme bur målinger), skal alle nødvendige reindrift prosedyrer være ferdig i rommet før du starter hver måling. I tillegg er huset av mus-særlig hvis menn blir brukt-i grupper eller individuelt kan ha en innvirkning på målingene og må vurderes når PLAnning eksperimenter ^9. Også må musene være sunn og fri for murine patogener, siden latent eller manifest infeksjoner, samt sykdom eller andre helsemessige svekkelser, kan ha betydelig innflytelse på fysiologiske parametre og aktivitet atferd. Følgelig bør musene komme seg helt etter implantering og gis tilstrekkelig tid til å tilpasse seg bærer senderen før du starter noen eksperimenter.

Datainnsamling ved radiotelemetry i mus krever foreløpige kirurgisk implantasjon av telemetri senderen. Dette bør kun utføres av fagpersonell med kirurgiske ferdigheter for å minimere vev traumer og påfølgende smerte og nød. For forskere holder grunnleggende eller avansert (mikro-) kirurgiske ferdigheter, anbefales det å utføre de første forsøkene i frisk mus kadavre med trening implantater (dvs. dummies, forutsatt av produsenten) å etablere prosedyrer og bli kjent med detaljene i denne typenav kirurgi. Etter en slik trening, vil de fleste forskere være i stand til implantatet denne typen sendere med suksess og vil nå en nyttig ferdighet etter noen implantasjoner.

Aseptiske forhold bør opprettholdes under operasjonen for å holde den mikrobiologiske byrden og risikoen for infeksjoner lav. Imidlertid kan fullføre sterilitet ikke gis på grunn av noen spesifikke, sterilitet motstridende forhold i mus (f.eks avkjølende effekten av omfattende hår klipping og desinfeksjon, upraktisk av bandasjer for å beskytte sår). Dermed er anti-infeksiøs profylakse administrert under implantasjon. Vel skreddersydd smertestillende behandling og en klart definert overvåking plan samt tilstrekkelig postoperativ behandling spiller en avgjørende rolle i tilfredsstillende utfallet av forsøket.

Samlet sett vil kirurgisk implantasjon av et telemetrisk senderen i mus være stressende for dyret. Særlig hvis genmodifisering i specific mus linjer påvirker fenotype og svekker dyrenes kroppslige tilstand, komplikasjoner i den perioperative tidsramme og økt dødelighet etter implantasjon kan være en risiko. For å unngå unødig lidelse, bør individer viser utilfredsstillende gjenvinning eller langvarig rekonvalesens bli løst fra eksperimentet og ofret før en døende scenen. For dette formålet, en data ark (Tabell 1: allmenntilstand og helseovervåking datablad) legge til rette for systematisk overvåkning av kritiske symptomer og gi råd om humane endepunkter er etablert. Dermed er utvinning dokumentert i stil med en journal eller et laboratorium journal, noe som gjør gjennomføring av denne metodikken (dvs. implantasjon prosedyre og postoperative) gjennomsiktig til relevante myndigheter og dyrevelferd organer som er ansvarlige for dyreforsøk (for eksempel IACUC).