Измерение функции внешнего дыхания у мышей, используя безудержного плетизмографии всего тела
Summary
Оценка физиологией дыхания традиционно полагались на методы, которые требуют сдержанности или торможение животного. Безудержная плетизмография всего тела, однако, обеспечивает точное, неинвазивный, количественный анализ физиологией дыхания в животных моделях. Кроме того, этот метод позволяет повторяется дыхательных оценку мышей, позволяющих продольных исследований.
Abstract
Дыхательная дисфункция является одним из ведущих причин заболеваемости и смертности в мире и темпы смертности продолжают расти. Количественная оценка функции легких в моделях грызунов является важным инструментом в развитии будущих методов лечения. Обычно используется методики для оценки функции внешнего дыхания, включая инвазивные плетизмографии и вынужденных колебаний. Хотя эти методы дают ценную информацию, сбор данных может быть чревато артефактов и экспериментальной изменчивости в связи с необходимостью для анестезии и / или инвазивных приборов животного. В отличие от этого, безудержное плетизмография всего тела (UWBP) предлагает точную, неинвазивный, количественный путь, по которому будет анализировать респираторных параметров. Эта техника позволяет избежать использования анестезии и ограничений, что является общим для традиционных методов плетизмографии. Это видео продемонстрирует процедуру UWBP включая оборудования создан, записи функция калибровки и легких. Этообъяснит, как анализировать собранные данные, а также определить экспериментальные выбросов и артефакты, которые приводят от движения животных. Дыхательные параметры, полученные с помощью этой техники включают дыхательный объем, минутный объем, вдоха рабочий цикл, вдоха расхода и соотношение времени вдоха к времени выдоха. UWBP не полагаться на специализированных навыков и недорого выполнить. Ключевой особенностью UWBP, и наиболее привлекательным для потенциальных пользователей, является возможность выполнять повторные меры функции легких на того же животного.
Introduction
Легких дисфункция является одним из ведущих причин заболеваемости и смертности в мире. Состояние характеризуется недостаточным кислородного обмена, синонимом кашель, боли в груди и одышка. Респираторные долю этой болезни приходится ~ 10% смертности во всем мире 1. По данным Всемирной организации здравоохранения, смертность будут расти в связи с постоянного курения, загрязнения и профессиональных раздражителей. UWBP является полезным дополнением для изучения физиологии легких, который сильно хвалит традиционный биохимических и гистологических анализов 2. Другие процедуры, используемые для оценки легких не обеспечивают те же преимущества, UWBP. Инвазивные плетизмографии является широко используемым методом, который требует, чтобы животное быть обезболивание 3,4 и, таким образом, в результате респираторных измерений не обязательно отражает естественном состоянии. Кроме того, требование к механической вентиляции и химических проблем исключает будущие измерения 3,4.Другой метод сбора данных дыхательных является вынужденных колебаний, которая является более чувствительным к более тонким изменения в дыхательных параметров по сравнению с UWBP 5. Вынужденные колебания, однако, инвазивной техники и требует животного прекращение сбора 5-7 данных.
UWBP включает в себя размещение животное внутри специализированного камеры. Во время вдоха, дыхательный воздух подогревается и увлажняется в легких увеличения давления паров воды и вызывает тепловое расширение газа 8. Этот эффект вызывает чистое изменение объема воздуха, создавая увеличение давления внутри плетизмографа камере 8. Происходит обратное во время выдоха, создавая дыхательных сигнала от животного. Анализ осциллограмм затем используется для измерения из дыхательных следа: частота дыхания (вдох / мин), общее время дыхательного цикла (сек), вдохновение / срок действия (Ti / Te, сек) и изменения давления в связи с каждой дыхательного объема (P T). <stroнг> Рисунок 1 иллюстрирует каждый измерений происхождение от респираторного следа. Эти измерения можно легко рассчитать и несколько дыхательных параметры могут быть получены из этих измерений. Эти параметры включают в себя: дыхательный объем (объем воздуха перемещаются между нормальной вдоха и выдоха), минутный объем (объем газа, вдыхаемого из легких в минуту), на вдохе цикл (процент времени вдоха к общей длительности цикла дыхания) и Расход при вдохе (количество воздуха, внушен в данный момент времени).
UWBP обеспечивает точное, неинвазивный, количественный анализ физиологией дыхания на животных моделях и может быть использован для измерения прогрессирование респираторных заболеваний и легочной функции 6,9. В отличие от других методов плетизмографии, UWBP избегает использования анестезии, ограничений и инвазивных манипуляций, которые производят артефакты и экспериментальной изменчивости 6,9. Анестезия может подавлять дыхание,изменить частоту сердечных сокращений и может быть сложным, чтобы регулировать 10. Ограничения вызывают увеличение дыхания в связи с дополнительным стрессом с помощью кортикостерона и адреналин выпустить 11,13. Ключевой особенностью UWBP повторяется физиологическую оценку делая его доступным продольных исследований. UWBP настоятельно рекомендуется для продольной оценки физиологии легких и предлагает ценный навык для будущей оценки дыхательной наркотиков.
Блеомицин, яичный альбумин, и гипоксия были использованы, чтобы вызвать респираторные проблемы в нескольких исследованиях и UWBP успешно измеряется точным легких физиологическую оценку 7,9,13-16. Протокол, описанный предназначен для взрослых стандартных лабораторных мышей. Тем не менее, UWBP была адаптирована для других животных, таких как крысы, морские свинки, и приматов 17-20. UWBP не ограничивается только, чтобы оценки легочной дисфункцией, но также используется для оценки легких созревания 3.Универсальность, простота и воспроизводимость UWBP создали отличную технику для оценки функции легких у животных. Различные программное обеспечение (см материалы и таблицы оборудования) будут обязаны следовать этой процедуре. Опытный ученый сможет выполнять этот протокол с мышью в течение 1 часа.
Protocol
Representative Results
Discussion
Техника, описанная здесь является неинвазивным методом для оценки дыхательных параметров безудержных и наркозу мышей. Сильными сторонами этого протокола включают его простоту и точность измерения функции легких продольно с минимальными артефактами. Есть, однако, некоторые ограниче?…
Offenlegungen
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 |
Referenzen
- . . 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).
