Gjentatt måling av respiratorisk muskelaktivitet og ventilasjon i musemodeller av neuromuskulær Disease
Summary
Dette papiret introduserer en fremgangsmåte for gjentatte målinger av ventilasjon og luftmuskelaktivitet i et fritt oppfører amyotrofisk lateral sklerose (ALS) musemodell hele sykdomsprogresjon med hel-legeme-plethysmografi og elektrode for via et implantert telemetrianordning.
Abstract
Tilbehørs respirasjonsmuskulaturen bidra til å opprettholde ventilasjon når membranfunksjonen er svekket. Følgende protokoll beskriver en metode for gjentatte målinger over uker eller måneder med tilbehør respiratorisk muskelaktivitet samtidig som måle ventilasjon i et ikke-bedøvet, fritt oppfører mus. Teknikken omfatter kirurgisk implantering av en radiosender og innsetting av elektroder fører inn i scalene og trapezius muskler for å måle elektromyogrammet aktiviteten til disse inspiratoriske muskler. Ventilasjon måles ved hjelp av hel-legeme-plethysmografi, og dyr bevegelse vurderes av video og er synkronisert med electromyogram aktivitet. Målinger av muskelaktivitet og ventilasjon i en musemodell av amyotrofisk lateralsklerose blir presentert for å vise hvordan denne verktøyet kan brukes for å undersøke hvordan luftmuskelaktivitet endringer over tid, og for å vurdere effekten av muskelaktivitet på ventilasjon. De beskrevne fremgangsmåter kan easily være tilpasset for å måle aktiviteten til andre muskler eller for å vurdere tilbehør respiratorisk muskelaktivitet i ytterligere musemodeller av sykdom eller skade.
Introduction
Tilbehørs respirasjonsmuskulaturen (armer) øke ventilasjonen i tider med høy etterspørsel (f.eks mosjon) og hjelpe til å opprettholde ventilasjon når membranfunksjonen er svekket etter skade eller sykdom 1, 2. Selv om forandringer i membranfunksjon er godt beskrevet i amyotrofisk lateral sklerose (ALS) pasienter og musemodeller 3, 4, 5, 6, mye mindre er kjent om aktiviteten eller funksjon av armene i ALS. Men en studie antydet at als pasienter som rekrutterer Armene har en bedre prognose enn tilsvarende membranen dysfunksjon som ikke gjør det 7. Videre er tilstrekkelig for respirasjon i tilfeller av membranen lammelse 8 ARM aktivitet. Disse studiene viser at strategier for å utfylle ARM-funksjonen kan forbedre breathing i pasienter som lider av neuromuskulære sykdommer, ryggmargsskade, eller andre tilstander der membranen er svekket. Imidlertid mekanismene som kontrollerer ARM rekruttering for pusting er stort sett ukjent. Metoder for å måle lungefunksjon og endringer i ARM aktivitet over tid i dyremodeller av sykdom eller skade for å studere hvordan armene blir rekruttert, samt for å evaluere terapi for å forbedre ARM rekruttering og ventilasjon. Videre kan den økte aktiviteten av våpen som faller sammen med den progressive tap av membranfunksjonen være en nyttig biomarkør for sykdomsprogresjon i nevromuskulære sykdommer slik som ALS 7, 9, 10.
Denne protokollen beskriver en metode for ikke-invasiv måte (ved å følge den innledende kirurgi) og gjentatte ganger måle aktiviteten av luftveismuskler og ventilasjon i våken, oppfører mus. Synkroniserte opptak av elektromyografeny (EMG), hel-legeme-plethysmografi (WBP), og video tillate undersøkeren å vurdere hvordan endringer i ARM aktivitet innvirkning ventilasjon og for å bestemme når emnet er i ro eller i bevegelse. En stor fordel med denne metoden er at den kan utføres i våken, oppfører mus, mens noen alternative metoder for å måle EMG kreve anestesi og / eller terminale fremgangsmåter 11, 12, 13. Opptaket av EMG-aktivitet i våkne mus over tid, kan også oppnås via det kronisk implantering av EMG leder, hvor musen er bundet ved hjelp av tråder til innsamlingssystemet 14, 15. Fordi tjoring en mus kan forstyrre normal bevegelse eller oppførsel, og kan ikke være kompatibel med et standard pletysmografi kammer, benytter den beskrevne fremgangsmåten telemetrianordninger til å trådløst sende EMG-signal til innsamlingssystemet. Den kan senderenvære slått på eller av med en magnet for å spare batteristrøm og tillater gjentatte målinger av EMG-aktivitet i løpet av flere måneder. Denne protokollen kan enkelt tilpasses for å måle aktiviteten av ytterligere luft eller ikke-respiratoriske muskler ved å innsette EMG fører inn i forskjellige muskler. Alternativt, kan en av de to ledere brukes til å måle EEG-aktivitet for å vurdere hviletilstand, eller for å identifisere anfallsaktivitet 16. Denne teknikken har med hell blitt brukt til å måle endringer i ARM aktivitet i ro over hele sykdomsutvikling i en musemodell av ALS, og for å identifisere viktige neuroner drivarmen aktivitet i friske mus 10.
Protocol
Representative Results
Discussion
Prosedyren vist her gjør det mulig for den ikke-invasive (etter innledende kirurgisk implantering av senderen) måling av luftveiene muskelaktivitet og ventilasjon over mange måneder i det samme dyr. Denne teknikk har flere fordeler fremfor vanlige EMG-teknikker i bedøvede mus: 1) eksperimentene krever færre mus og gi muligheten til å registrere data fra det samme sted i et enkelt mus på tvers av sykdomsstadier (i stedet for å bruke flere mus ved forskjellige sykdomsstadier); 2) dataanalyse kan utføres med mer k…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Støtte for dette arbeidet ble gitt av en Cincinnati Children Hospital Medical Center Tillitsmannen Award til SAC og en NIH trening stipend (T32NS007453) til 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).
