Exposição à fumaça de cigarro em camundongos usando um sistema de inalação de corpo inteiro
Summary
Este protocolo demonstra o estudo dos efeitos fisiofisiológicos da fumaça do cigarro (SC) com um sistema de exposição de inalação total (WBI) construído internamente. Este sistema pode expor animais a CS sob condições repetíveis controladas para pesquisa de efeitos mediados pela CS em enfisema pulmonar e hematopoiese.
Abstract
Cerca de 14% dos adultos nos Estados Unidos foram reportados a fumar cigarros em 2018. Os efeitos da fumaça do cigarro (SC) nos pulmões e nas doenças cardiovasculares têm sido amplamente estudados, no entanto, o impacto da SS em outros tecidos e órgãos, como sangue e medula óssea, permanece incompletamente definido. Encontrar o sistema apropriado para estudar os efeitos da CS em roedores pode ser proibitivamente caro e exigir a compra de sistemas disponíveis comercialmente. Assim, pretendemos construir um sistema acessível, confiável e versátil para estudar os efeitos patológicos da CS em camundongos. Esta configuração de exposição à inalação do corpo inteiro (WBIS) imita a respiração e o inchaço dos cigarros, alternando a exposição ao CS e ao ar limpo. Aqui mostramos que este sistema “faça você mesmo” (DIY) induz inflamação das vias aéreas e enfisema pulmonar em camundongos após 4 meses de exposição à fumaça de cigarro. Os efeitos da inalação do corpo inteiro (AIC) da CS sobre as células hematopoiéticas e progenitoras (HSPCs) na medula óssea usando este aparelho também são mostrados.
Introduction
O tabagismo continua sendo uma das principais causas de doenças evitáveis nos EUA, apesar do declínio constante do número de adultos fumantes de cigarros nos últimos 50-60 anos1. É amplamente conhecido que o tabagismo está ligado a múltiplas doenças dos pulmões e do sangue, incluindo doença pulmonar obstrutiva crônica (DPOC), um grupo de doenças que inclui enfisema e bronquite crônica2,3,4. De acordo com o Center for Disease Control (CDC), em 2014, a DPOC foi a terceira principal causa de morte nos Estados Unidos, com mais de 15 milhões de americanos sofrendo dessa doença5.
CS também tem sido recentemente associado a um maior risco de desenvolver hematopoiese clonal (CH)6,7, uma condição na qual uma única célula-tronco hematopoiética produz desproporcionalmente uma grande porcentagem do sangue periférico de uma pessoa. Este achado indica uma conexão potencial entre o tabagismo e a função da medula óssea. Dadas as implicações de saúde generalizadas e altamente significativas da CS e dado que os modelos murinos de doenças são uma pedra angular do progresso na pesquisa biomédica, é útil desenvolver sistemas eficientes e acessíveis para o modelo CS em camundongos.
Aqui, fornecemos um guia passo-a-passo para a construção de um sistema acessível para o tratamento e estudo dos efeitos in vivo da SC sobre enfisema pulmonar e homeostase de medula óssea. A montagem deste equipamento não exige que o usuário tenha conhecimento especializado e, portanto, permite a montagem DIY.
Protocol
Representative Results
Discussion
Aqui fornecemos as informações necessárias para a construção de um aparelho para WBIS de ratos para CS. Após a instalação do sistema, é extremamente importante que os pesquisadores calibram o sistema com base na dose entregue de nicotina ou cotinina em animais. O aparelho contém um temporizador e medidores de pressão que podem ser usados para ajustar o volume do puff de cigarro, a frequência do puff, o período combinado de exposição à fumaça e os intervalos de descanso que os animais recebem entre cada c…
Offenlegungen
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
AR, XH e PE foram apoiados pela concessão do NIH R01HL140398 e uma bolsa da Fundação Gilson Longenbaugh. A DEMM e a KK foram apoiadas pelas bolsas DO NIH R01HL136333 e R01HL134880 (KYK), e uma bolsa da Helis Medical Research Foundation. A DEMM também é apoiada pela Howard Hughes Medical Institute (HHMI) Gilliam Fellowship for Advanced Study. A PE também conta com o apoio do Programa de Bolsas de Pesquisa em Ciências da Saúde Ambiental de Precisão NIEHS T32 ES027801. O JC e o MF são apoiados pelo Tobacco Research Funds do Departamento de Epigenética e Carcinogênese Molecular e pelo Centro de Epigenética (Prêmio Acadêmico para MF) da MD Anderson. FK e YZ são apoiados pelas bolsas NIH R01 ES029442-01 e R01 AI135803-01, bem como a concessão do Mérito VA CX000104. Este projeto foi apoiado pelo Núcleo de Citometria e Triagem Celular da Baylor College of Medicine com financiamento do CPRIT Core Facility Support Award (CPRIT-RP180672), do NIH (CA125123 e RR024574), e da assistência de Joel M. Sederstrom.
Materials
| 1 in fastener | Lowes | 756990 | |
| 1/4 in Barbed Y connector | VWR | 89093-282 | |
| 1/4 in straight tubing connector | VWR | 62866-378 | |
| 1/8 hex nipple | Lowes | 877221 | |
| 1/8 in threaded coupling fitting | Lowes | 877208 | |
| 1/8 in threaded male adapter nipple fitting | Lowes | 877243 | |
| 10/32 (M) threaded straight connector | Bimba | EB60 | |
| 3/4 in 90-degree elbow CPVC fitting | Lowes | 22643 | |
| 3/4 in chlorinated polyvinyl chloride (CPVC) pipe | Lowes | 23814 | |
| 3/4 in CPVC cap | Lowes | 23773 | |
| 3/4 in CPVC Drip irrigation female adapter | Lowes | 194629 | |
| 3/4 in diameter CPVC male adapter | Lowes | 23766 | |
| 8.5 L airtight container with lid (11.25in x 7.75in x 6 in) | Komax | N/A | Listed as "Komax Biokips Large Bread Box | (280-oz) Large Storage Container" |
| Glass drain tube (1.75 in diameter x 8 in length) | KIMAX | 6500 | |
| Isonic Solenoid Valves | Bimba | V2A02-AW1 | |
| Marlboro Red 100's | Marlboro | N/A | |
| Oxygen swivel barbed connector | Global Medical Solutions | RES002 | |
| Panasonic Timer LT4H-W | Panasonic | LT4HW | Item was built-in the valve controller by Shepherd Controls & Associates |
| Pressure regulator | Allied Electronics and Automation | 70600552 | Also listed as "Norgren R07-100-RGKA" |
| Rubber stopper # 1 (one hole) | VWR | 59581-163 | |
| Rubber stopper # 8.5 (one hole) | VWR | 59581-389 | |
| Scireq inExpose system | Scireq and Emka Technologies | N/A | Commercial system used for comparison with our DIY WBIS |
| Straight barbed fitting (8mm opening) | VWR | 10028-872 | |
| Thread Sealant tape | Lowes | 1184243 | |
| Threaded port adaptor | Bimba | P1SA1 | |
| Timeter Aridyne 2000 Medical Air Compressor | MFI Medical | AHC-TE20 | |
| Timeter flowmeter | Allied Healthcare Products | 15006-03YP2 | Also listed as "Puritan Air Meter" |
| Valve Control system | Shepherd Controls and Associates | N/A | Company custom designed the valve control system for this model. |
| Vinyl pipes | Vitality Medical | RES3007 |
Referenzen
- Current Cigarette Smoking Among Adults in the United States. Center for Disease Control and Prevention Available from: https://www.cdc.gov/tobacco/data_statistics/fact_sheets/adult_data/cig_smoking/index.htm (2018)
- Salvi, S. Tobacco smoking and evironmental risk factors for chronic obstructive pulmonary disease. Clinics in Chest Medicine. 35, 17-27 (2014).
- Sunyer, J., et al. Longitudinal relation between smoking and white blood cells. American Journal of Epidemiology. 144, 734-741 (1996).
- Freedman, D. S., Flanders, D., Barboriak, J. J., Malarcher, A. M., Gates, L. Cigarette smoking and leukocyte subpopulations in men. Annals of Epidemiology. 6, 299-306 (1996).
- Chronic Obstructive Pulmonary Disease (COPD). Center for Disease Control and Prevention Available from: https://www.cdc.gov/copd/basics-about.html (2019)
- Genovese, G., et al. Clonal hematopoiesis and blood-cancer risk inferred from blood DNA sequence. New England Journal of Medicine. , (2014).
- Steensma, D. P. Clinical implications of clonal hematopoiesis. Mayo Clinic Proceedings. 93, 1122-1130 (2018).
- Tobacco. Federal Trade Comission Available from: https://www.ftc.gov/tips-advice/business-center/selected-industries/tobacco (2020)
- 3R4F Cigarettes. University of Kentucky – College of Agriculture Food and Environment Available from: https://ctrp.uky.edu/products/gallery/Reference (2020)
- Shan, M., et al. Cigarette smoke induction of osteopontin (SPP1) mediates T H 17 inflammation in human and experimental emphysema. Science Translational Medicine. 4, 1-10 (2012).
- Yuan, X., et al. Activation of C3a receptor is required in cigarette smoke-mediated emphysema. Nature Mucosal Immunology. 8, 874-885 (2014).
- Yuan, X., et al. Cigarette smoke – induced reduction of C1q promotes emphysema. JCI Insight. 4, 1-17 (2019).
- Shan, M., et al. Agonistic induction of PPAR g reverses cigarette smoke – induced emphysema Find the latest version: Agonistic induction of PPAR γ reverses cigarette smoke – induced emphysema. Journal of Clinical Investigation. 124, 1371-1381 (2014).
- Hong, M. J., et al. Protective role of gd T cells in cigarette smoke and influenza infection. Nature Mucosal Immunology. 11, 834-908 (2018).
- Kim, M., et al. Cigarette smoke induces intestinal inflammation via a Th17 cell-neutrophil axis. Frontiers in Immunology. 10, 1-11 (2019).
- Lu, W., et al. The microRNA miR-22 inhibits the histone deacetylase HDAC4 to promote T H 17 cell – dependent emphysema. Nature Immunology. 16, 1185-1194 (2015).
- Hendrix, A. Y., Kheradmand, F. . The Role of Matrix Metalloproteinases in Development, Repair, and Destruction of the Lungs. Progress in Molecular Biology and Translational Science. 148, (2017).
- Siggins, R. W., Hossain, F., Rehman, T., Melvan, J. N., Welsh, D. A. Cigarette smoke alters the hematopoietic stem cell niche. Med Sci. 2, 37-50 (2014).
- Kheradmand, F., You, R., Gu, B. H., Corry, D. B. Cigarette smoke and DNA cleavage promote lung inflammation and emphysema. Transactions of the American Clinical and Climatological Association. 128, 222-233 (2017).
- Ha, M. A., et al. Menthol attenuates respiratory irritation and elevates blood cotinine in cigarette smoke exposed mice. PLoS ONE. , 1-16 (2015).
- Moreno-Gonzalez, I., Estrada, L. D., Sanchez-Mejias, E., Soto, C. Smoking exacerbates amyloid pathology in a mouse model of Alzheimer’s disease. Nature Communications. 4, 1-10 (2013).
- Madison, M. C., et al. Electronic cigarettes disrupt lung lipid homeostasis and innate immunity independent of nicotine. Journal of Clinical Investigation. 129, 4290-4304 (2019).
