마우스 폐의 압력 볼륨 곡선의 측정
Summary
Here we present a protocol to simply and reliably measure the lung pressure-volume curve in mice, showing that it is sufficiently sensitive to detect phenotypic parenchymal changes in two common lung pathologies, pulmonary fibrosis and emphysema. This metric provides a means to quantify the lung’s structural changes with developing pathology.
Abstract
최근 수십 년 동안 마우스가 폐 질환의 다양한 차 동물 모델이되고있다. 폐기종 또는 섬유증의 모델에서, 필수적인 표현형 변화는 가장 폐 탄성 변화의 측정에 의해 평가된다. 마우스에서 가장 이러한 병리를 특정 기본 메커니즘을 이해하기 위해서는 병리 현상을 반영 할 수있는 기능을 측정하는 데 필수적이다. 탄성을 측정하는 방법에는 여러 가지가 있지만, 전형적인 방법은 전체 폐 용적의 압력 (PV)는 폐 곡선 볼륨의 전체 범위에 걸쳐 수행한다는 것이다. 이 측정은 거의 백년 거슬러 거의 모든 포유 동물 종으로부터 성인 폐에서 이루어진 것으로, 이러한 PV 곡선은 태아 폐 개발 폐 계면 활성제의 기능의 발견 및 이해에 중요한 역할을했다. 불행히도, 이러한 전체 PV 곡선들이 널리 macrosc에 유용한 정보를 제공 할 수 있다는 사실에도 불구하고, 마우스에서보고되지 않은폐의 구조적인 변화의 OPIC 효과. 폐 용적의 단지 부분적인 변화를 측정 PV 곡선 때때로보고되어 있지만, 절대 체적의 측정치없이 전체 PV 곡선의 비선형 특성을 해석하는 이러한 부분들 매우 어렵게 만든다. 본 연구에서는 총 PV 곡선을 측정하는 표준화 된 방법을 설명합니다. 우리는 다음 두 가지 일반적인 폐 병변, 폐기종 및 섬유증 마우스 폐 구조의 변화를 감지하는이 곡선의 능력을 시험 하였다. 결과는 이러한 병리와 예상 구조적 변화와 일치하는 여러 변수에 큰 변화를 보였다. 마우스에서 폐 PV 곡선이 측정은 시간이 지남에 따라서, 병태 생리 학적 변화 및 치료 방법의 효과 전위의 진행을 모니터링하는 간단한 수단을 제공한다.
Introduction
이제 마우스 폐 질환의 다양한 일차 동물 모델이다. 폐기종 또는 섬유증의 모델에서, 필수적인 표현형 변화는 가장 폐 탄성의 변화를 측정함으로써 평가된다. 탄성을 측정하는 방법은 여러 가지가 있겠지만, 고전적인 방법은 그 총 폐 용량 (TLC)에 잔여 볼륨 (RV)에서 측정 된 전체 압력 – 볼륨 (PV) 곡선. 이 측정은 거의 백년 1-3 거슬러 올라가는 거의 모든 포유류에서 성인 폐에 만들어졌다. 이러한 PV 곡선 태아 폐 개발 4-7 폐 계면 활성제의 기능의 발견 및 이해에 중요한 역할을했다. 폐의 표현형의 측정치로 PV 곡선의 중요성에도 불구하고,이 측정을 수행 할 수있는 표준화 된 방법이 없었다. 그것은 팽창 및 이산 단계와 폐 (각 후 평형에 대한 변수 대기 시간)을 배출하기 또는 펌프를 간단하게 수행되었음을지속적으로 팽창하고 폐를 수축 할 수 있습니다. PV 곡선들은 제로 및 일부 사용자 정의 폐활량 사이의 체적 범위에서 수행되지만 다른 실험실에 의해보고 된 각 압력 볼륨 루프의 지속 시간은 5.6 시간 (2)에 몇 초 (8)로부터 변화, 매우 변수였다. 일부 연구자들은 정적 또는 quasistatic 등이 총 폐 PV 곡선을 참조하지만, 이러한 작은 통찰력을 제공 질적이며, 그들은 여기에 사용되지 않습니다. 또한, PV 곡선 널리이 폐에서의 구조적 변화의 거시적 효과에 관한 유용한 정보를 제공 할 수 있다는 사실에도 불구하고, 마우스에서보고되지 않았다.
몇 가지 문제가 포함 PV 곡선 획득의 가변성에 성공 : 인플레이션과 디플레이션 1) 비율; 2) 인플레이션과 디플레이션에 대한 압력 여행; 3) 수단은 절대 폐 량 측정을 결정한다. 여기에 방법 존재에서, 3 ㎖의 속도 / 분 compromis로 선정되었다대규모 코호트 연구 특히, 측정 비실용적로서 전자, 너무 짧게있는 것은 통풍 너무 느린하지와 관련된 동적 탄성을 반영합니다. C57BL / 6 마우스의 건강한 공칭 전체 폐 용량 1.2 ㎖의 9 정도이기 때문에,이 속도는 전형적으로는 두 개의 완전한 PV는 약 1.5 분에서 수행 될 수 있도록 폐쇄 루프.
PV 곡선이보고 된 확장 된 문헌에서 사용 피크 인플레이션 압력은 40 센티미터 H 2 O로 낮은 20에서 다양한 매우 변수왔다 이 변동의 일부는 종에 관련 될 수 있지만, PV 곡선의 상한 압력 한계를 설정하는 기본 목표 총 폐활량 (TLC) 또는 최대 폐 용적 폐 팽창한다. 인간의 TLC는 개인이 만들 수있는 최대한의 자발적인 노력에 의해 정의된다, 그러나 불행하게도이 모든 동물 모델에서 중복 될 수 없다. 따라서, 실험 PV 곡선의 최대 볼륨을 억제하다임의로 연구자가 설정 한 최대 압력에 의해 채굴. 목표는 PV 곡선이 평탄 압력을 설정할 수 있지만, 불행히도 포유류 폐 PV 곡선의 팽창 사지 결코 평탄한. 그래서 대부분의 연구자들은 일반적으로 인플레이션 곡선이 실질적으로 평평하게 시작 압력, 30cm의 H 2 O를 설정 마우스 그러나 PV 곡선은 팽창 사지 이중 혹으로 더 복잡하며,이 팽창 사지 종종 여전히 30cm의 H 2 O (10)에서 급격하게 상승되는 경우, 그래서 30 대 좋은 종점 아니다 PV 곡선. 이러한 이유로, 우리는 우리가 검토 한 모든 균주의 팽창 사지가 평평하게 시작하는 압력이 마우스 PV 곡선의 압력 한계, 같은 35cm의 H 2 O를 사용합니다.
PV 곡선 자체가 매우 비선형이기 때문에, PV 루프의 외관은 곡선이 어디서 시작 부피에 의존 할 것이다. 일부 상용 팬은 F에서 시작하여, 사용자가 큰 PV 루프를 수행 할 수RC하지만 FRC 볼륨이 미지 인 경우, 이들 변경 단순히 볼륨 개시까지 변화로부터 발생할 수 있기 때문에, 임의의 병리와 같은 PV 곡선의 변화를 해석하는 것은 불가능하고, 폐하지 구조적 변화. 따라서 절대 볼륨 측정하지 않고, PV 곡선을 해석하고, 따라서 작은 유틸리티가 거의 불가능하다. 폐 볼륨을 측정하는 방법에는 여러 가지가 있습니다,하지만, 이들은 종종 복잡하고 특별한 장비가 필요합니다. 여기에 설명 된 간단한 방법으로, PV 곡선은 생체 내 가스 제거 과정을 거친 후 제로 볼륨에서 시작한다.
요약하면, 본 논문에서는 마우스의 폐에서 폐 PV 곡선 측정을 표준화하기위한 간단한 방법을 설명하고, 폐 구조에 연결되어있는이 곡선으로부터 계산 될 수있는 몇 가지 지표를 정의합니다. PV 곡선 따라서 통신과 마우스에서 표현형의 구조적인 변화를 감지 할 수있는 직접 응용 프로그램이있는 폐 기능 검사를 제공합니다폐기종 및 섬유증과 같은 폐 병리에.
Protocol
Representative Results
Discussion
본 논문에서는 간단한 재현 방법은 마우스의 표현형 폐 탄성, 전체 폐 PV 곡선의 고전적인 방법을 측정하는 기술되었다. 이러한 곡선은 폐 계면 활성제의 발견과 폐 안정성을 제공의 중요성에 쓸모 있었다. 여기가 PV 곡선 성인 마우스 폐에서 폐 탄성 관련된 여러 변수를 측정하는 수단을 제공하기에 유용한 방법을 도시한다. 마우스 폐의 병리학 적 변화를 생성하기 위해 일반적으로 사용되는 두 ?…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
This work has been supported by NIH HL-1034.
Materials
| Name of Material/ Equipment | Company | Catalog Number | Comments/Description |
| Syringe Pump | Harvard Apparatus | 55-2226 | Infuse/Withdraw syringe pump |
| Pump 22 Reversing Switch | Harvard Apparatus | 552217 | included with pump |
| Linear displacement transformer | Trans-Tek, Inc. | 0244-0000 | |
| 5 mL glass syringe | Becton Dickenson | Several other possible vendors | |
| Digital recorder | ADInstruments | PL3504 | Several other possible vendors |
| Bridge Amp Signal Conditioner | ADInstruments | FE221 | |
| Gas tank,100% oxygen | Airgas, Inc | Any supplier or hospital source will work | |
| Pressure Transducer – 0-1psi millivolt output | Omega Engineering | PX-137 | Range: ≈0-60 cmH2O |
References
- Neergaard, K. v. Neue Auffasungen über einn Grundbergriff der Atemtechnik. Die Retraktionskraft der unge, abhangig von den Oberflachenspannung in den Alveolen. (New interpretations of basic concepts of respiratory mechanics. Correlation of pulmonary recoil force with surface tension in the alveoli.). Zeitschrift Fur Gesamte Experi Medizin. 66, 373-394 (1929).
- Hildebrandt, J. Pressure-volume data of cat lung interpreted by a plastoelastic, linear viscoelastic model. J. Appl. Physiol. 28, 365-372 (1970).
- Hoppin, F. G., Hildebrandt, J., West, J. B. . Bioengineering Aspects of the Lung. , 83-162 (1977).
- Avery, M. E., Mead, J. Surface properties in relation to atelectasis and hyaline membrane disease). AMA. J. Dis. Child. 97, 517-523 (1959).
- Clements, J. A., Hustead, R. F., Johnson, R. P., Gribetz, I. Pulmonary surface tension and alveolar stability. Tech Rep CRDLR US Army Chem. Res. Dev. Lab. 3052, 1-24 (1961).
- Radford, E. P., Remington, J. W. . Tissue Elasticity. , 177-190 (1957).
- Mitzner, W., Johnson, J. W. C., Scott, R., London, W. T., Palmer, A. E. Effect of betamethasone on the pressure-volume relationship of fetal rhesus monkey lung. Journal of Applied Physiology. 47, 377-382 (1979).
- Smaldone, G. C., Mitzner, W., Itoh, H. The role of alveolar recruitment in lung inflation: Influence on pressure-volume hysteresis. Journal of Applied Physiology. 55, 1321-1332 (1983).
- Tankersley, C. G., Rabold, R., Mitzner, W. Differential lung mechanics are genetically determined in inbred murine strains. Journal of Applied Physiology. 86, 1764-1769 (1999).
- Soutiere, S. E., Mitzner, W. On defining total lung capacity in the mouse. J. Appl. Physiol. 96, 1658-1664 (2004).
- Stengel, P. W., Frazer, D. G., Weber, K. C. Lung degassing: an evaluation of two methods. Journal of Applied Physiology: Respiratory, Environmental and Exercise Physiology. 48, 370-375 (1980).
- Limjunyawong, N., Mitzner, W., Horton, M. A mouse model of chronic idiopathic pulmonary fibrosis. Physiol Rep. 2, e00249 (2014).
- Fallica, J., Das, S., Horton, M. R., Mitzner, W. Application of Carbon Monoxide Diffusing Capacity in the Mouse Lung. J. Appl. Physiol. 110, 1455-1459 (2011).
- Brown, R. H., et al. The structural basis of airways hyperresponsiveness in asthma. J. Appl. Physiol. 101 (1), 30-39 (2006).
- Smargiassi, A., et al. Ultrasonographic Assessment of the Diaphragm in Chronic Obstructive Pulmonary Disease Patients: Relationships with Pulmonary Function and the Influence of Body Composition – A Pilot Study. Respiration: International Review of Thoracic Diseases. 87 (5), 364-371 (2014).
- Mitzner, W. Airway-parenchymal interdependence. Comprehensive Physiol. 2, 1921-1935 (2012).
- Johnson, J. W., Permutt, S., Sipple, J. H., Salem, E. S. Effect of Intra-Alveolar Fluid on Pulmonary Surface Tension Properties. J. Appl. Physiol. 19, 769-777 (1964).
- Palmer, S., Morgan, T. E., Prueitt, J. L., Murphy, J. H., Hodson, W. A. Lung development in the fetal primate, Macaca nemestrina. II. Pressure-volume and phospholipid changes. Pediatr. Res. 11, 1057-1063 (1977).
- Lum, H., Mitzner, W. A species comparisonof alveolar size and surface forces. Journal of Applied Physiology. 62, 1865-1871 (1987).
- Faridy, E. E. Effect of distension on release of surfactant in excised dogs’ lungs. Respir. Physiol. 27, 99-114 (1976).
- Faridy, E. E., Permutt, S., Riley, R. L. Effect of ventilation on surface forces in excised dogs’ lungs. J. Appl. Physiol. 21, 1453-1462 (1966).
- Comroe, J. H., Forster, R. E., Dubois, A. B., Briscoe, W. A., Carlsen, E. . The Lung: Clinical Physiology and Pulmonary Function Tests. , (1962).
- Martinez, F. J., et al. The clinical course of patients with idiopathic pulmonary fibrosis. Ann. Intern. Med. 142, 963-967 (2005).
