قياس وظيفة الجهاز التنفسي في الفئران عن طريق تخطيط التحجم غير مقيد كامل الجسم
Summary
وقد اعتمد تقييم الفيزيولوجيا التنفسي تقليديا على التقنيات، التي تتطلب ضبط النفس أو تخدير للحيوان. غير المقيد تخطيط التحجم كامل الجسم، ومع ذلك، يوفر دقيق، غير الغازية، والتحليل الكمي للفسيولوجيا الجهاز التنفسي في النماذج الحيوانية. بالإضافة إلى ذلك، تسمح تقنية تكرار تقييم الجهاز التنفسي في الفئران مما يسمح للدراسات طولية.
Abstract
ضعف الجهاز التنفسي هي واحدة من الأسباب الرئيسية للمراضة والوفيات في العالم، وتستمر معدلات الوفيات في الارتفاع. التقييم الكمي وظائف الرئة في نماذج القوارض هو أداة هامة في تطوير العلاجات المستقبلية. التقنيات المستخدمة عادة لتقييم وظيفة الجهاز التنفسي بما في ذلك تخطيط التحجم الغازية والتذبذب القسري. وبينما توفر هذه التقنيات المعلومات القيمة، ويمكن جمع البيانات تكون محفوفة المصنوعات اليدوية وتقلب التجريبية نظرا للحاجة للتخدير و / أو الأجهزة الغازية من الحيوان. في المقابل، غير المقيد تخطيط التحجم كامل الجسم (UWBP) يقدم غير الغازية، وطريقة دقيقة، والكمية التي يمكن من خلالها تحليل المعلمات الجهاز التنفسي. هذا الأسلوب يتجنب استخدام التخدير والقيود، وهو أمر شائع لتقنيات تخطيط التحجم التقليدية. وهذا الفيديو يظهر الإجراء UWBP بما في ذلك معدات انشاء والمعايرة وظيفة الرئة تسجيل. ذلكسوف يشرح كيفية تحليل البيانات التي تم جمعها، وكذلك تحديد القيم المتطرفة والتحف الفنية التجريبية التي تنتج من حركة الحيوان. وتشمل المعلمات الجهاز التنفسي تم الحصول عليها باستخدام هذه التقنية حجم المد والجزر، وحجم دقيقة، دورة العمل الشهيق، ومعدل تدفق الشهيق ونسبة الوقت إلهام لوقت انتهاء الصلاحية. UWBP لا تعتمد على المهارات المتخصصة وغير مكلفة لأداء. ومن السمات الرئيسية لUWBP، والأكثر جاذبية للمستخدمين المحتملين، هو القدرة على أداء التدابير المتكررة من وظائف الرئة في نفس الحيوان.
Introduction
ضعف الرئة هو واحد من الأسباب الرئيسية للمراضة والوفيات في العالم. وتتميز حالة عدم كفاية الأكسجين الصرف، مرادفا السعال، وآلام الصدر وضيق التنفس. حسابات أمراض الجهاز التنفسي ل~ 10٪ من الوفيات في جميع أنحاء العالم 1. وفقا لمنظمة الصحة العالمية، يتم تعيين معدلات الوفيات في الارتفاع بسبب التدخين المستمر، والتلوث والمهيجات المهنية. UWBP هو إضافة مفيدة لدراسة علم وظائف الأعضاء الرئة، التي تكمل بقوة البيوكيميائية والنسيجية التقليدية تحليلات 2. الإجراءات الأخرى المستخدمة لتقييم الرئة لا توفر نفس المزايا على النحو UWBP. تخطيط التحجم الغازية هي تقنية تستخدم عادة يتطلب أن يكون تخدير الحيوان 3،4 وبالتالي، مما أدى قياسات الجهاز التنفسي لا يعكس بالضرورة حالة طبيعية. علاوة على ذلك، شرط التحديات التهوية الميكانيكية والكيميائية يمنع القياسات المستقبلية 3،4.طريقة أخرى لجمع البيانات عن طريق الجهاز التنفسي هو التذبذب القسري، التي هي أكثر حساسية للتغيرات في ادق المعلمات الجهاز التنفسي مقارنة UWBP 5. التذبذب القسري، ومع ذلك، تقنية الغازية ويتطلب إنهاء الحيوان لجمع البيانات 5-7.
UWBP ينطوي على وضع الحيوان داخل غرفة المتخصصة. خلال الإلهام، وارتفعت درجة حرارة الهواء المد والجزر وترطيب داخل الرئتين زيادة ضغط بخار الماء ويسبب التمدد الحراري من الغاز 8. هذا التأثير يسبب التغير في حجم الهواء يؤدي إلى حدوث ارتفاع في الضغط داخل غرفة مخطاط التحجم 8. يحدث العكس أثناء انتهاء خلق الموجي التنفسي من الحيوان. ثم يتم استخدام التحليل الموجي لقياس من تتبع الجهاز التنفسي: معدل التنفس (الأنفاس / دقيقة)، ومجموع وقت دورة التنفس (ثانية)، إلهام / وقت انتهاء الصلاحية (تي / تي، وثانية) والتغيرات في الضغط بسبب كل حجم المد والجزر (P T). <stroنانوغرام> ويوضح الشكل 1 أصل كل القياسات من تتبع الجهاز التنفسي. هذه القياسات هي بسيطة لحساب ويمكن اشتقاق معلمات الجهاز التنفسي متعددة من هذه القياسات. وتشمل هذه المعايير: حجم المد والجزر (نقل حجم الهواء بين استنشاق وزفير طبيعي)، حجم الدقيقة (حجم الغاز المستنشق من الرئتين في الدقيقة)، دورة عمل الشهيق (النسبة المئوية للوقت إلهام لمجموع التنفس مدة دورة) و معدل تدفق الشهيق (كمية الهواء مستوحاة في وقت معين).
يوفر UWBP دقيق، غير الغازية، والتحليل الكمي للفسيولوجيا الجهاز التنفسي في النماذج الحيوانية، ويمكن استخدامها لقياس تطور أمراض الجهاز التنفسي وظيفة الرئة 6،9. خلافا للتقنيات تخطيط التحجم أخرى، UWBP يتجنب استخدام التخدير، والقيود والتلاعب الغازية التي تنتج المصنوعات اليدوية والتجريبية تقلب 6،9. التخدير يمكن قمع التنفس،تغيير معدل ضربات القلب ويمكن أن يكون تحديا لتنظيم 10. القيود تحفز زيادة في التنفس بسبب الإجهاد الإضافي عن طريق الكورتيزون والادرينالين الافراج 11،13. ويتكرر سمة أساسية من سمات UWBP تقييم الفسيولوجية مما يجعلها قابلة للدراسات طولية. ويوصى بشدة UWBP لتقييم الطولي للعلم وظائف الأعضاء الرئة ويقدم مهارة قيمة لتقييم المخدرات التنفسي في المستقبل.
وقد استخدمت بليوميسين، ألبومين البيض، ونقص الأكسجة للحث على التحديات الجهاز التنفسي في العديد من الدراسات وUWBP ويقاس بنجاح الرئة دقيقة تقييم الفسيولوجية 7،9،13-16. تم تصميم بروتوكول صفها للفئران المختبر الكبار القياسية. ومع ذلك، فقد تم تكييف UWBP إلى الحيوانات الأخرى مثل الفئران والخنازير الغينية، والرئيسيات غير البشرية 17-20. لا يقتصر UWBP فقط لتقييم الخلل الوظيفي الرئوي ولكن كما استخدمت لتقييم نضج الرئة 3.وقد أنشأت براعة والبساطة واستنساخ UWBP تقنية ممتازة لتقييم وظائف الرئة في الحيوانات. سيطلب البرامج المختلفة (انظر الجدول المواد والمعدات) لمتابعة هذا الإجراء. سيكون عالم ذوي الخبرة تكون قادرة على أداء هذا البروتوكول مع ماوس في حدود 1 ساعة.
Protocol
Representative Results
Discussion
تقنية الموضحة هنا هي طريقة غير الغازية لتقييم المعلمات الجهاز التنفسي من الفئران غير المقيد وunanesthetized. وتشمل نقاط القوة في هذا البروتوكول بساطته والدقة لقياس وظائف الرئة طوليا مع الحد الأدنى من القطع الأثرية. هناك، ومع ذلك، بعض القيود والخطوات الحاسمة لأن يلاحظ حول ?…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
We would like to thank Prof David Walker for his technical advice and provision of equipment in the development of this technique. This work is supported by the Victorian Government’s Operational Infrastructure Support Program. This work was partly supported by the Victorian Government’s Operational Infrastructure Support Program.
Materials
| LabChart 7 software (for Macintosh) | ADINSTRUMENTS | MLU60/7 | used in protocol step 4 |
| PowerLab 8/30 (model ML870) | ADINSTRUMENTS | PL3508 | |
| Octal Bridge Amp (model ML228) | ADINSTRUMENTS | FE228 | |
| Black BNC to BNC cable (1m) | ADINSTRUMENTS | MLAC01 | |
| Macintosh OS | Apple Inc. | – | Mac OS X 10.4 or later |
| Surgipack Digital Rectal Thermometer | Vega Technologies | MT-918 | |
| Grass volumeteric pressure transducer PT5A | Grass Instruments Co. | Model number PT5A; serial No. L302P4. | |
| 1ml Syringe | Becton Dickinson (BD) | 309628 | |
| 5ml serological syringe pipettes | Greiner Bio One | 606160 | Connected via plastic tubing |
| Balance/Scales | VWR International, Pty Ltd | SHIMAUW220D | Any weighing balance with of 0.1 gram resolution |
| HM40 Humidity & temperature meter | Vaisala | HM40A1AB | |
| Barometer | Barometer World | 1586 | |
| Laboratory tubing | Dow Corning | 508-101 | Used to connect water column to the syringe and pressure transducer |
| Cylindrical Perspex Chamber | Dynalab Corp. | Custom built cylindrical chamber with internal dimensions as follows: 50mm(w) x 1500mm(l). There are two lids for each side, with dimensions 80mm(l) x 80mm(w). Each lid has a 60mm wide circular hole cut on the face of the lid 50mm deep. This allows the chamber to fit into the lid. A rubber ring is fitted around each hole of the lid where the chamber will fit. For attachment of syringe and pressure transducer, the openings are 5mm in diameter. For attachment of humidity probe, the openings are 25mm in diameter. | |
| 80% Ethanol (4L) | VWR International, Pty Ltd | BDH1162-4LP |
References
- . . World Health Organization, World Health Statistics. , (2008).
- Jones, C. V., et al. M2 macrophage polarization is associated with alveolar formation during postnatal lung development. Respir. Res. 14 (41), 14-41 (2013).
- Campbell, E., et al. Stem cell factor-induced airway hyperreactivity in allergic and normal mice. Am. J. Pathol. 154 (4), 1259-1265 (1999).
- Card, J. W., et al. Cyclooxygenase-2 deficiency exacerbates bleomycin-induced lung dysfunction but not fibrosis. Am. J. Respir. Cell. Mol. Biol. 37 (3), 300-308 (2007).
- Berndt, A., et al. Comparison of unrestrained plethysmography and forced oscillation for identifying genetic variability of airway responsiveness in inbred mice. Physiol. Genomics. 43 (1), 1-11 (2011).
- Flandre, T., et al. Effect of somatic growth, strain, and sex on double-chamber plethysmographic respiratory function values in healthy mice. J. Appl. Physiol. 94 (3), 1129-1136 (2003).
- Petak, F., et al. Hyperoxia-induced changes in mouse lung mechanics: forced oscillations vs. barometric plethysmography. J. Appl. Physiol. 90 (6), 2221-2230 (2001).
- Drorbaugh, J. E., Fenn, W. O. A barometric method for measuring ventilation in newborn infants. Pediatrics. 16 (1), 81-87 (1955).
- Milton, P. L., Dickinson, H., Jenkin, G., Lim, R. Assessment of respiratory physiology of C57BL/6 mice following bleomycin administration using barometric plethysmography. Respiration. 83 (3), 253-266 (2012).
- Gargiulo, S., et al. Mice anesthesia, analgesia, and care, part I: anesthetic considerations in preclinical research. ILAR J. 53 (1), 55-69 (2012).
- Hildebrandt, I., et al. Anesthesia and other considerations for in vivo imaging of small animals. ILAR J. 49 (1), 17-26 (2008).
- Meijer, M. K., et al. Effect of restraint and injection methods on heart rate and body temperature in mice. Lab Anim. 40, 382-391 (2006).
- Hamelmann, E., et al. Noninvasive measurement of airway responsiveness in allergic mice using barometric plethysmography. Am. J. Respir. Crit. Care Med. 156 (3), 766-775 (1997).
- Lim, R., et al. Human mesenchymal stem cells reduce lung injury in immunocompromised mice but not in immunocompetent mice. Respiration. 85 (4), 332-341 (2013).
- Murphy, S., et al. Human amnion epithelial cells prevent Bleomycin-induced lung injury and preserve lung function. Cell Transplant. 20, 909-923 (2011).
- Murphy, S., et al. Human amnion epithelial cells do not abrogate pulmonary fibrosis in mice with impaired macrophage function. Cell Transplant. 21 (7), 1477-1492 (2012).
- Wichers, L. B., et al. A method for exposing rodents to resuspended particles using whole-body plethysmography. Part. Fibre Toxicol. 13 (12), (2006).
- Chong, B. T. Y., et al. Measurement of bronchoconstriction using whole-body plethysmograph: comparison of freely moving versus restrained guinea pigs. J. Pharmacol. Toxicol. Methods. 39 (3), 163-168 (1998).
- Lizuka, H., et al. Measurement of respiratory function using whole-body plethysmography in unanesthetized and unrestrained nonhuman primates. J. Toxicol. Sci. 35 (6), 863-870 (2010).
- McGregor, H., et al. The effect of prenatal exposure to carbon monoxide on breathing and growth of the newborn guinea pig. Pediatr. Res. 43, 126-131 (1998).
- Lundblad, L., et al. A reevaluation of the validity of unrestrained plethysmography in mice. J. Appl. Physiol. 93, 1198-1207 (2002).
- Bartlett, D., Tenney, S. M. Control of breathing in experimental anemia. Respir. Physiol. 10 (3), 384-395 (1970).
- Malan, A. Ventilation measured by body plethysmography in hibernating mammals and in poiiulotherms. Respir. Physiol. 17 (1), 32-44 (1973).
- Seifert, E. L., Mortola, J. P. The circadian pattern of breathing in conscious adult rats. Respir. Physiol. 129 (3), 297-305 (2002).
- DuBois, A. B., et al. A new method for measuring airway resistance in man using a body plethysmograph: Values in normal subject and in patients with respiratory disease. J. Clin. Invest. 35 (3), 327-335 (1956).
- Enhorning, G., et al. Whole-body plethysmography, does it measure tidal volume of small animals. Can. J. Physiol. Pharmacol. 76 (10-11), 945-951 (1998).
- Zhang, Q., et al. Does unrestrained single-chamber plethysmography provide a valid assessment of airway responsiveness in allergic BALB/c mice. Respir. Res. 10 (61), (2009).
