Tillverkning och Implantation av Miniatyr Dual element töjningsgivare för mätning av<em> In Vivo</em> Gastrointestinal Sammandragningar i gnagare.
Summary
The in vivo measurement of smooth muscle contractions along the gastrointestinal tract of laboratory animals remains a powerful, though underutilized, technique. Flexible, dual element strain gages are not commercially available and require fabrication. This protocol describes the construction of reliable, inexpensive strain gages for acute or chronic implantation in rodents.
Abstract
Gastrointestinal dysfunction remains a major cause of morbidity and mortality. Indeed, gastrointestinal (GI) motility in health and disease remains an area of productive research with over 1,400 published animal studies in just the last 5 years. Numerous techniques have been developed for quantifying smooth muscle activity of the stomach, small intestine, and colon. In vitro and ex vivo techniques offer powerful tools for mechanistic studies of GI function, but outside the context of the integrated systems inherent to an intact organism. Typically, measuring in vivo smooth muscle contractions of the stomach has involved an anesthetized preparation coupled with the introduction of a surgically placed pressure sensor, a static pressure load such as a mildly inflated balloon or by distending the stomach with fluid under barostatically-controlled feedback. Yet many of these approaches present unique disadvantages regarding both the interpretation of results as well as applicability for in vivo use in conscious experimental animal models. The use of dual element strain gages that have been affixed to the serosal surface of the GI tract has offered numerous experimental advantages, which may continue to outweigh the disadvantages. Since these gages are not commercially available, this video presentation provides a detailed, step-by-step guide to the fabrication of the current design of these gages. The strain gage described in this protocol is a design for recording gastric motility in rats. This design has been modified for recording smooth muscle activity along the entire GI tract and requires only subtle variation in the overall fabrication. Representative data from the entire GI tract are included as well as discussion of analysis methods, data interpretation and presentation.
Introduction
Experimentella studier som spelar in in vivo gastrointestinal (GI) motilitet över ett antal experimentella betingelser förblir ett kraftfullt verktyg för att förstå de underliggande normala och patofysiologiska processer som är nödvändiga för närings homeostas. Traditionellt många experimentella metoder, en del med likheter med de som finns i kliniskt bruk 1, har använts för att direkt kvantifiera förändringar i GI kontraktion takt 2-5, intraluminala tryck 6, 7, eller GI transitering av icke-absorberbara markörer 8, 9 eller stabila isotoper 10-12. Var och en av dessa tekniker har unika fördelar och nackdelar, som har beaktats tidigare i litteraturen. Exempelvis har användbarheten av ballongen manometri att kvantifiera tryckförändringar ifrågasatts på grund av den inneboende efterlevnad av ballongmaterialet medan gastrointestinala återvinning av icke-absorberbara markörer kräver euthanizing experiment animal för en enda datapunkt. Nyligen har tillämpning och validering av en miniatyriserad artärtryck kateter rapporterats som erbjuder en icke-kirurgisk metod för övervakning av gastric kontraktilitet hos råttor och möss 3. Medan en orogastrically placerade tryckgivare eliminerar effektivt störande variabler på gastrointestinal funktion genom att undvika kirurgiska ingrepp, är ett sådant tillvägagångssätt endast lämplig för sövda preparat. Dessutom gör bristen på visuella ledningen inte tillåta konsekvent placering av givaren inom specifika regioner i magen. Som sådan är denna ansökan begränsat till magen eller kolon eftersom visualisering, tillsammans med den relativt styva transduktorn tråd, inom duodenum eller ileum är inte ett alternativ.
Likaså har biomagnetisk växelströms biosusceptometry (ACB) teknik validerats för GI kontraktion analys 4. Medan ACB tekniken ger en icke-invasiv apgrepp för mätning av gastrointestinala sammandragningar, ACB lider av en liknande begränsning i att användningen av intagna magnetiska upptäckt media tillåter inte exakt registrering av specifika regioner i mag-tarmkanalen. Denna begränsning kan övervinnas genom kirurgisk implantation av magnetiska markörer. Ändå kräver ACB tekniken att djuret bedövas för datainsamling.
Ultrasonomicrometry har varit anställd i någon GI studerar 13, 14 för att dra nytta av den lilla storleken, rumsliga och tidsmässiga fördelar med piezoelektriska kristaller sändare / mottagare. Vågor av gastric glattmuskelkontraktion inte en högfrekvent händelse och uppträder med en hastighet av cirka 3-5 cykler / min. Därför kan de tidsmässiga fördelar sonomicrometry vara onödigt att motivera kostnaden. Dessutom medan linjär rörelse är noggrant uppmätt med sonomicrometry, begränsningar inte har lämnats avseende korrekt mag uppgiftertolkning som kan bli följden av att implantera ett otillräckligt antal kristaller 14.
Baserat på den ursprungliga designen av Bas och kollegor 2, 15 detta visualiseras protokoll dokumenterar steg-för-steg-tillverkning och försöket med miniatyr, dubbla inslag töjningsgivare som besitter hög känslighet och flexibilitet för inspelning glatta muskelsammandragningar längs hela GI mer fullständigt tarmkanalen. Dimensionerna för de töjningsgivare element är lämpliga för alla gnagare tillämpning eftersom känslighet och storleken hos den färdiga töjningsgivare är mest beroende av de silikon ark inkapslande elementen. Dessa töjningsgivare lätt anpassade för akut och kronisk tillämpning i sövda och fritt beter laboratoriedjurmodeller vilket ger en enkel teknik för att kvantifiera glatta muskelsammandragningar.
Protocol
Representative Results
Discussion
De förfaranden som presenteras här tillåter enskilda laboratorierna att tillverka känsliga miniatyr töjningsgivare för biologiska tillämpningar, inklusive, men inte begränsat till, gastrointestinal motilitet i små försöksdjur. Eftersom den kommersiella tillverkningen av dessa töjningsgivare har upphört, är laboratorier undersöker gastrointestinal funktion begränsad till andra tekniker som inte kan tillåta ett fullständigt utbud av experimentella applikationer som finns tillgängliga. Denna rapport ger …
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Forskningsfinansiering mottogs genom det nationella institutet för neurologiska sjukdomar och stroke (NS049177 och NS087834). Författarna vill erkänna intellektuella bidrag av den sena Dr Paul Bass och hans kollegor i den ursprungliga utformningen av töjningsgivare; och Carol Tollefsrud för tillverkning och marknadsföring av töjningsgivare tills det att produktionen under 2010 samt för hennes insikts korrespondens.
Materials
| Strain gage element | Micro-Measurements (Vishay Product Group) | EA-06-031-350 | Linear pattern, foil, stress analysis strain gage (2 required) www.vishaypg.com/micro-measurements/ or http://www.vishaypg.com/docs/11070/031ce.pdf |
| epoxy-phenolic adhesive | M-bond 610 | General purpose adhesive for bonding strain gage elements | http://www.vishaypg.com/docs/11024/wirecable.pdf |
| 3 conductor insulated wire | 336-FTE | Fine gage, flexible general purpose wire | http://www.vishaypg.com/docs/11024/wirecable.pdf |
| Flux and rosin solvent kit | FAR-2 M-Flux AR kit | Liquid solder flux | http://www.vishaypg.com/docs/11023/soldacce.pdf |
| Solder | 361A-20R-25 | Optimized and recommended for strain gage applications | http://www.vishaypg.com/docs/11023/soldacce.pdf |
| Gold socket connector | PlasticsOne | E363/0 | Socket contact for electrode pedestal http://www.plastics1.com/PCR/Catalog/Item.php?item=407 |
| Electrode pedestal | MS363 | Secure platform for wire contacts | http://www.plastics1.com/PCR/Catalog/Item.php?item=499 |
| 6-wire cable | 363 PLUG W/VINYL SL/6 | Pre-fabricated vinyl-coated cable (in customized lengths) with plug adaptor to match electrode pedestal and tinned solder lugs on terminal end | |
| Silicone rubber casting compound | EIS electrical products | Elan Tron E211 | Potting medium for gage/wire solder joints http://www.eis-inc.com |
| HOTweezers | Meisei Corporation | Model 4B | Wire insulation strippers http://www.impexron.us |
| Soldering station | Weller (Apex Tool Group) | WES 51 | High quality soldering equipment http://www.apexhandtools.com/weller/index.cfm |
| Available through http://www.eis-inc.com or http://www.amazon.com | |||
| Silicone sheet | Trelleborg Sealing Solutions Northborough-Life Sciences | Pharmelast 20-20 | Encapsulating strain gauge elements 10 B Forbes Road Northborough, MA 01532 (800) 634-2000 |
| Amplifier | Experimetria Ltd | AMP-01-SG | http://experimetria.com/Biological_amplifiers.php |
References
- Szarka, L. A., Camilleri, M. Methods for measurement of gastric motility. Am. J. Physiol. Gastrointest. Liver Physiol. 296 (3), G461-G475 (2009).
- Pascaud XB, F. A. U., Genton, M. J., Bass, P. A miniature transducer for recording intestinal motility in unrestrained chronic rats. Am. J. Physiol. Endocrinol. Metab. Gastrointest. Physiol. 4 (5), 532-538 (1978).
- Gourcerol, G., Adelson, D. W., Million, M., Wang, L., Tache, Y. Modulation of gastric motility by brain-gut peptides using a novel non-invasive miniaturized pressure transducer method in anesthetized rodents. Peptides. 32 (4), 737-746 (2011).
- Américo, M. F., et al. Validation of ACB in vitro and in vivo as a biomagnetic method for measuring stomach contraction. Neurogastroenterol. Motil. 22 (12), 1340-1374 (2010).
- Fujitsuka, N., Asakawa, A., Amitani, H., Fujimiya, M., Inui, A. Chapter Eighteen – Ghrelin and Gastrointestinal Movement. Ghrelin and Gastrointestinal Movement. , 289-301 (2012).
- Monroe, M. J., Hornby, P. J., Partosoedarso, E. R. Central vagal stimulation evokes gastric volume changes in mice: a novel technique using a miniaturized barostat. Neurogastroenterol. Motil. 16 (1), 5-11 (2004).
- Herman, M. A., et al. Characterization of noradrenergic transmission at the dorsal motor nucleus of the vagus involved in reflex control of fundus tone. Am. J. Physiol. Regul. Integr. Comp. Physiol. 294 (3), 720-729 (2008).
- Gondim, F. A., et al. Complete cervical or thoracic spinal cord transections delay gastric emptying and gastrointestinal transit of liquid in awake rats. Spinal Cord. 37 (11), 793-799 (1999).
- Van Bree, S. H. W., et al. Systemic inflammation with enhanced brain activation contributes to more severe delay in postoperative ileus. Neurogastroenterol. Motil. 25 (8), 540-549 (2013).
- Qualls-Creekmore, E., Tong, M., Holmes, G. M. Gastric emptying of enterally administered liquid meal in conscious rats and during sustained anaesthesia. Neurogastroenterol. Motil. 22 (2), 181-185 (2010).
- Qualls-Creekmore, E., Tong, M., Holmes, G. M. Time-course of recovery of gastric emptying and motility in rats with experimental spinal cord injury. Neurogastroenterol. Motil. 22 (1), 62 (2010).
- Choi, K. M., et al. Determination of gastric emptying in nonobese diabetic mice. Am. J. Physiol. Gastrointest. Liver Physiol. 293 (5), G1039-G1045 (2007).
- Adelson, D. W., Million, M., Kanamoto, K., Palanca, T., Tache, Y. Coordinated gastric and sphincter motility evoked by intravenous CCK-8 as monitored by ultrasonomicrometry in rats. Am. J. Physiol. Gastrointest. Liver Physiol. 286 (2), G321-G332 (2004).
- Xue, L., et al. Effect of modulation of serotonergic, cholinergic, and nitrergic pathways on murine fundic size and compliance measured by ultrasonomicrometry. Am. J. Physiol. Gastrointest. Liver Physiol. 290 (1), G74-G82 (2005).
- Bass, P., Wiley, J. N. Contractile force transducer for recording muscle activity in unanesthetized animals. J. Appl. Physiol. 32 (4), 567-570 (1972).
- Holmes, G. M., Browning, K. N., Tong, M., Qualls-Creekmore, E., Travagli, R. A. Vagally mediated effects of glucagon-like peptide 1: in vitro and in vivo gastric actions. J. Physiol. 587 (19), 4749-4759 (2009).
- Tong, M., Qualls-Creekmore, E., Browning, K. N., Travagli, R. A., Holmes, G. M. Experimental spinal cord injury in rats diminishes vagally-mediated gastric responses to cholecystokinin-8s. Neurogastroenterol. Motil. 23 (2), e69-e79 (2011).
- Miyano, Y., et al. The role of the vagus nerve in the migrating motor complex and ghrelin- and motilin-induced gastric contraction in suncus. PLoS ONE. 8 (5), e64777 (2013).
- Holmes, G. M., Rogers, R. C., Bresnahan, J. C., Beattie, M. S. Thyrotropin-releasing hormone (TRH) and CNS regulation of anorectal motility in the rat. J Auton. Nerv. Syst. 56, 8-14 (1995).
- Ormsbee, H. S., Bass, P. Gastroduodenal motor gradients in the dog after pyloroplasty. Am. J. Physiol. 230, 389-397 (1976).
- Fukuda, H., et al. Impaired gastric motor activity after abdominal surgery in rats. Neurogastroenterol. Motil. 17 (2), 245-250 (2005).
- Browning, K. N., Babic, T., Holmes, G. M., Swartz, E., Travagli, R. A. A critical re-evaluation of the specificity of action of perivagal capsaicin. J. Physiol. 591 (6), 1563-1580 (2013).
