Herhaalde Meting van Respiratory spieractiviteit en Ventilatie in muismodellen van neuromusculaire aandoening
Summary
Dit artikel beschrijft een werkwijze voor herhaalde metingen van ventilatie en respiratoire spieractiviteit in vrij gedragen amyotrofische laterale sclerose (ALS) muismodel gedurende ziekteprogressie met hele-lichaamsplethysmografie en elektromyografie via een geïmplanteerde apparaat telemetrie.
Abstract
Hulpademhalingsspieren helpen om de ventilatie te behouden wanneer diafragma functie wordt aangetast. Het volgende protocol beschrijft een werkwijze voor herhaalde metingen gedurende weken of maanden accessoire ademhalingsspieren activiteit tegelijkertijd meten ventilatie in een niet-verdoofde, vrij gedragen muis. De techniek omvat de chirurgische implantatie van een radiozender en het inbrengen van de elektrode leidt naar de ongelijkzijdige en trapezius spieren elektromyogram de activiteit van deze ademhalingsspieren te meten. Ventilatie wordt gemeten door het gehele lichaam plethysmografie en dierlijke beweging wordt bepaald door video en wordt gesynchroniseerd met elektromyogram activiteit. Metingen van spieractiviteit en ventilatie in een muismodel van amyotrofische laterale sclerose worden gepresenteerd om te laten zien hoe deze tool kan worden gebruikt om hoe de ademhalingsspieren activiteit veranderingen in de tijd te onderzoeken en om de impact van spieractiviteit op ventilatie te beoordelen. De beschreven werkwijzen kunnen easily worden aangepast aan de activiteit van andere spieren te meten of accessoire ademhalingsspieren activiteit in aanvullende muismodellen van de ziekte of letsel te beoordelen.
Introduction
Hulpademhalingsspieren (ARM) te verhogen ventilatie in tijden van grote vraag (bijvoorbeeld lichaamsbeweging) en helpen om de ventilatie te behouden wanneer diafragma functie in het gedrang komt na letsel of ziekte 1, 2. Hoewel veranderingen in diafragmafunctie zijn goed beschreven in amyotrofische laterale sclerose (ALS) en muismodellen 3, 4, 5, 6, veel minder bekend over de activiteit of functie van wapens in ALS. Echter, een studie suggereert dat ALS patiënten die ARMs werven hebben een betere prognose dan die met vergelijkbare diafragma dysfunctie die dat niet doen 7. Verder ARM activiteit voldoende is voor ademhaling in geval van membraan 8 verlamming. Deze studies geven aan dat strategieën om ARM functie vergroten breathi kan verbeterenng bij patiënten met neuromusculaire ziekten, ruggenmergletsel of andere aandoeningen waarbij diafragmafunctie wordt aangetast. Echter, de mechanismen die ARM werving voor ademhalen zijn grotendeels onbekend. Methoden om de respiratoire functie en veranderingen in de ARM-activiteit na verloop van tijd in diermodellen van de ziekte of verwonding nodig zijn om te bestuderen hoe armen worden aangeworven te meten, alsook om therapieën te evalueren ARM werving en de ventilatie te verbeteren. Bovendien kan de verhoogde activiteit van wapens samenvalt met het progressieve verlies van diafragmafunctie een nuttig biomarker voor ziekteprogressie bij neuromusculaire ziektes zoals ALS 7, 9, 10 zijn.
Dit protocol beschrijft een werkwijze om niet-invasief (na de initiële operatie) een aantal malen meet de activiteit van de ademhalingsspieren en ventilatie in wakkere, gedragen muizen. Gesynchroniseerde opnames van elektromyograafy (EMG), het hele lichaam plethysmografie (WBP) en video laat de onderzoeker hoe veranderingen in armbeweging effect ventilatie beoordelen en te bepalen wanneer de patiënt in rust of bewegen. Een belangrijk voordeel van deze werkwijze is dat deze kan worden uitgevoerd in wakkere, gedragen muizen, terwijl sommige alternatieve methoden voor het meten EMG vereist anesthesie en / of terminalprocedures 11, 12, 13. Het opnemen van EMG-activiteit in wakkere muizen tijd kan ook worden bereikt door het chronische implantatie van EMG leidt, wanneer de muis wordt gebonden door draden aan het acquisitiesysteem 14, 15. Omdat vastmaken van een muis kunnen interfereren met normale ontwikkeling of het gedrag en kunnen niet compatibel met standaard plethysmografie kamer zijn de beschreven werkwijze gebruikt telemetrietoestellen het EMG signaal naar het acquisitiesysteem draadloos te verzenden. De zender kanin- of uitschakelen met een magneet om stroom te besparen en maakt herhaalde metingen van EMG-activiteit gedurende enkele maanden. Dit protocol kan gemakkelijk worden aangepast om de activiteit van additionele respiratoire of niet- ademhalingsspieren te meten door het plaatsen van de EMG leidt naar verschillende spieren. Als alternatief, één van de twee leidingen kan worden toegepast om EEG-activiteit meten slaaptoestand beoordelen of epileptische activiteit 16 te identificeren. Deze techniek is met succes gebruikt om veranderingen in ARM-activiteit in rust gedurende progressie van de ziekte in een muismodel van ALS te meten en om de belangrijkste neuronen rijden ARM-activiteit in gezonde muizen 10 te identificeren.
Protocol
Representative Results
Discussion
De procedure hier gedemonstreerd maakt de invasieve (na initiële chirurgische implantatie van de zender) meten van respiratoire spieractiviteit en ventilatie gedurende vele maanden in hetzelfde dier. Deze techniek heeft een aantal voordelen ten opzichte van standaard EMG technieken geanesthetiseerde muizen: 1) de experimenten hebben minder muizen en bieden de mogelijkheid om gegevens van dezelfde plaats nemen in een enkele muis in ziektestadia (in plaats van verschillende muizen op verschillende ziektestadia); 2) signa…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Steun voor dit werk werd geleverd door een Cincinnati Children's Hospital Medical Center Trustee Award uit aan SAC en een NIH training subsidie (T32NS007453) naar VNJ
Materials
| B6.Cg-Tg (SOD1*G93A)1 Gur/J | Jackson Laboratory | 4435 | |
| Plethysmography Chamber | Buxco Respiratory Products/ Data Sciences International | 601-1425-001 | |
| Telemetry Receivers (Model RPC-1) | Data Sciences International | 272-6001-001 | |
| Bias Flow Pump (Model BFL0500) | Data Sciences International | 601-2201-001 | |
| ACQ-7000 USB | Data Sciences International | PNM-P3P-7002XS | |
| Dataquest A.R.T. Data Exchange Matrix | Data Sciences International | 271-0117-001 | |
| New Ponemah Analysis System | Data Sciences International | PNM-POST-CFG | |
| Ponemah Physiology Platform Acqusition software v5.20 | Data Sciences International | PNM-P3P-520 | |
| Ponemah Unrestrained Whole Breath Plethysmography analysis package v5.20 | Data Sciences International | PNM-URP100W | |
| Configured Ponemah Software System | Data Sciences International | PNM-P3P-CFG | |
| Analysis Module (URP) | Data Sciences International | PNM-URP100W | |
| Universal Amplifier | Data Sciences International | 13-7715-59 | |
| Sync Board | Data Sciences International | 271-0401-001 | |
| Sync Cable | Data Sciences International | 274-0030-001 | |
| Transducer-Pressure Buxco | Data Sciences International | 600-1114-001 | |
| Flow Meter | Data Sciences International | 600-1260-001 | |
| Magnet and Radio included in F20-EET Starter Kit | Data Sciences International | 276-0400-001 | |
| Axis P1363 Video Camera | Data Sciences International | 275-0201-001 | |
| Terg-A-Zyme | Fisher Scientific | 50-821-785 | Enzyme Detergent |
| Actril | Minntech Corporation | 78337-000 | Chemical Sterilant |
| Stereo Dissecting Microscope (Model MEB126) | Leica | 10-450-508 | |
| Servo-Controlled Humidifier/Infant Incubator | OHMEDA Ohio Care Plus | 6600-0506-803 | |
| TL11M2-F20-EET Transmitters | Data Sciences International | 270-0124-001 | |
| Dumont #2 Laminectomy Forceps – Standard Tips/Straight/12cm (x2) | Fine Scientific Instruments | 11223-20 | For handling wires |
| Dumont #2 Laminectomy Forceps – Standard Tips/Straight/12cm (x2) | Fine Scientific Instruments | 11223-20 | For surgery |
| Narrow Pattern Forceps- Serrated/Curved/12cm | Fine Scientific Instruments | 17003-12 | |
| Spring Scissors – Tough Cut/Straight/Sharp/12.5cm/6mm Cutting Edge | Fine Scientific Instruments | 15124-12 | |
| Tissue Separating Scissors – Straight/Blunt-Blunt/11.5cm | Fine Scientific Instruments | 14072-10 | |
| Fine Scissors – Tough Cut/Curved/Sharp-Sharp/9 cm | Fine Scientific Instruments | 14058-11 | For cutting wires and clipping nails |
| Scalpel Handle #3 | World Precision Instruments | 500236 | |
| Scalpel Blade | Fine Scientific Instruments | 10010-00 | For preparing lead caps |
| Polysorb Braided Absorbable suture | Coviden | D4G1532X | For coiling transmitter leads |
| Gluture | Zoetis Inc. | 6606-65-1 | Cyanoacrylate adhesive |
| 3 mL Syring Slip Tip – Soft | Vitality Medical | 118030055 | |
| 25G Needle (X2) | Becton Dickinson and Co. | 305-145 | |
| Cotton Tipped Applicators | Henry Schein Animal Health | 100-9175 | |
| Andis Easy Cut Hair Clipper Set | Andis | 049-06-0271 | Electrical Razor sold at Target |
| Isoflurane | Henry Schein Animal Health | 29404 | Anesthetic |
| Isopropyl Alcohol 70% | Priority Care 1 | MS070PC | |
| Dermachlor 2% Medical Scrub (chlorohexidine 2%) | Butler Schein | 55482 | |
| Artificial Tears | Henry Schein Animal Health | 48272 | Lubricant Opthalmic Ointment |
| Vacuum grease | Dow Corning Corporation | 1597418 | |
| Water Blanket | JorVet | JOR784BN |
References
- Johnson, R. A., Mitchell, G. S. Common mechanisms of compensatory respiratory plasticity in spinal neurological disorders. Respir Physiol Neurobiol. 189 (2), 419-428 (2013).
- Sieck, G. C., Gransee, H. M. . Respiratory Muscles: Structure, Function & Regulation. , (2012).
- Rizzuto, E., Pisu, S., Musaro, A., Del Prete, Z. Measuring Neuromuscular Junction Functionality in the SOD1(G93A) Animal Model of Amyotrophic Lateral Sclerosis. Ann Biomed Eng. 43 (9), 2196-2206 (2015).
- Kennel, P. F., Finiels, F., Revah, F., Mallet, J. Neuromuscular function impairment is not caused by motor neurone loss in FALS mice: an electromyographic study. Neuroreport. 7 (8), 1427-1431 (1996).
- Pinto, S., Alves, P., Pimentel, B., Swash, M., de Carvalho, M. Ultrasound for assessment of diaphragm in ALS. Clin Neurophysiol. 127 (1), 892-897 (2016).
- Stewart, H., Eisen, A., Road, J., Mezei, M., Weber, M. Electromyography of respiratory muscles in amyotrophic lateral sclerosis. J Neurol Sci. 191 (1-2), 67-73 (2001).
- Arnulf, I., et al. Sleep disorders and diaphragmatic function in patients with amyotrophic lateral sclerosis. Am J Respir Crit Care Med. 161, 849-856 (2000).
- Bennett, J. R., et al. Respiratory muscle activity during REM sleep in patients with diaphragm paralysis. Neurology. 62 (1), 134-137 (2004).
- Pinto, S., de Carvalho, M. Motor responses of the sternocleidomastoid muscle in patients with amyotrophic lateral sclerosis. Muscle Nerve. 38 (4), 1312-1317 (2008).
- Romer, S. H., et al. Accessory respiratory muscles enhance ventilation in ALS model mice and are activated by excitatory V2a neurons. Exp Neurol. 287 (Pt. 2, 192-204 (2017).
- Moldovan, M., et al. Nerve excitability changes related to axonal degeneration in amyotrophic lateral sclerosis: Insights from the transgenic SOD1(G127X) mouse model. Exp Neurol. 233 (1), 408-420 (2012).
- Pagliardini, S., Gosgnach, S., Dickson, C. T. Spontaneous sleep-like brain state alternations and breathing characteristics in urethane anesthetized mice. PLoS One. 8 (7), 70411 (2013).
- Nicaise, C., et al. Phrenic motor neuron degeneration compromises phrenic axonal circuitry and diaphragm activity in a unilateral cervical contusion model of spinal cord injury. Exp Neurol. 235 (2), 539-552 (2012).
- Akay, T. Long-term measurement of muscle denervation and locomotor behavior in individual wild-type and ALS model mice. J Neurophysiol. 111 (3), 694-703 (2014).
- Tysseling, V. M., et al. Design and evaluation of a chronic EMG multichannel detection system for long-term recordings of hindlimb muscles in behaving mice. J Electromyogr Kinesiol. 23 (3), 531-539 (2013).
- Weiergraber, M., Henry, M., Hescheler, J., Smyth, N., Schneider, T. Electrocorticographic and deep intracerebral EEG recording in mice using a telemetry system. Brain Res Brain Res Protoc. 14 (3), 154-164 (2005).
- Pilla, R., Landon, C. S., Dean, J. B. A potential early physiological marker for CNS oxygen toxicity: hyperoxic hyperpnea precedes seizure in unanesthetized rats breathing hyperbaric oxygen. J Appl Physiol. 114 (1985), 1009-1020 (1985).
- Morrison, J. L., et al. Role of inhibitory amino acids in control of hypoglossal motor outflow to genioglossus muscle in naturally sleeping rats. J Physiol. 552 (Pt. 3, 975-991 (2003).
- Tscharner, V., Eskofier, B., Federolf, P. Removal of the electrocardiogram signal from surface EMG recordings using non-linearly scaled wavelets). J Electromyogr Kinesiol. 21 (4), 683-688 (2011).
- Hof, A. L. A simple method to remove ECG artifacts from trunk muscle EMG signals. J Electromyogr Kinesiol. 19 (6), e554-e555 (2009).
- Lu, G., et al. Removing ECG noise from surface EMG signals using adaptive filtering. Neurosci Lett. 462 (1), 14-19 (2009).
