Ex Vivo-Methode zur Beurteilung der spontanen Motilität des Mausreproduktivtrakts und eines MATLAB-basierten Uterus Motion Tracking Algorithmus für die Datenanalyse
Summary
Uteruskontraktionen sind wichtig für das Wohlbefinden von Frauen. Jedoch, pathologisch erhöhte Kontraktilität kann zu Dysmenorrhoe führen, vor allem bei jüngeren Frauen. Hier beschreiben wir eine einfache Ex-vivo-Zubereitung, die eine schnelle Beurteilung der Wirksamkeit von glatten Muskelrelaxantien ermöglicht, die zur Behandlung von Dysmenorrhoe verwendet werden können.
Abstract
Dysmenorrhoe, oder schmerzhafte Krämpfe, ist das häufigste Symptom mit Menses bei Frauen verbunden und seine Schwere kann frauenalltag behindern. Hier präsentieren wir eine einfache und kostengünstige Methode, die für die Erprobung neuer Medikamente zur Verringerung der Gebärmutterkontraktilität entscheidend wäre. Diese Methode nutzt die einzigartige Fähigkeit des gesamten Mausfortpflanzungstraktes, spontane Beweglichkeit zu zeigen, wenn sie ex vivo in einer Petrischale mit sauerstoffhaltigem Krebspuffer gepflegt wird. Diese spontane Beweglichkeit ähnelt der wellenartigen myometrialen Aktivität der menschlichen Gebärmutter, die als Endometriumwellen bezeichnet wird. Um die Wirksamkeit der Methode zu demonstrieren, verwendeten wir ein bekanntes Uterusrelaxant-Medikament, Adrenalin. Wir zeigen, dass die spontane Beweglichkeit des gesamten Mausfortpflanzungstraktes in diesem Petrischalenmodell schnell und reversibel durch 1 M Adrenalin gehemmt werden kann. Die Dokumentation der Veränderungen der Gebärmutterbeweglichkeit kann leicht mit einem gewöhnlichen Smartphone oder einer ausgeklügelten Digitalkamera durchgeführt werden. Wir entwickelten einen MATLAB-basierten Algorithmus, der bewegungstracking ermöglicht, um spontane Veränderungen der Gebärmuttermotilität zu quantifizieren, indem die Rate der Uterushornbewegungen gemessen wird. Ein großer Vorteil dieses ex vivo Ansatzes ist, dass der Fortpflanzungstrakt während des gesamten Experiments intakt bleibt und alle intrinsinininären zellulären Wechselwirkungen bewahrt. Die Hauptbeschränkung dieses Ansatzes ist, dass bis zu 10-20% der Uteri keine spontane Beweglichkeit aufweisen können. Bisher ist dies die erste quantitative Ex-vivo-Methode zur Beurteilung der spontanen Gebärmuttermotilität in einem Petrischalenmodell.
Introduction
Als wichtiges weibliches Organ ist die Gebärmutter entscheidend für die Fortpflanzung und für die Ernährung des Fötuswesentlich 1. Die Gebärmutter besteht aus drei Schichten: Perimetrium, Myometrium und Endometrium. Das Myometrium ist die Hauptkontraktile Schicht der Gebärmutter und spielt eine Schlüsselrolle bei der Fötuslieferung. Das Endometrium ist die innerste Schicht, die die Gebärmutterhöhle auskleidung und für die Embryoimplantation unerlässlich ist. Bei nicht schwangeren Frauen im reproduktiven Alter wird die Endometriumschicht monatlich zu Beginn des Menstruationszyklus vergossen. Das Myometrium hilft in diesem Vergießensprozess durch die Aufrechterhaltung der spontanen myometrialen Kontraktionen, die für die Reinigung des nekrotischen Endometriumgewebes aus der Gebärmutter benötigt werden1.
Leider, erhöhte myometriale Kontraktilität kann zu negativen Nebenwirkungen wie Dysmenorrhoe führen, oder schmerzhafte Menstruationskrämpfe. Dies ist insbesondere bei jungen Frauen und nulliparösen Frauen2zu beobachten. Jedoch, Dysmenorrhoe ist für jede Frau anders und hängt von der Stärke ihrer myometrialen Kontraktionen; stärkere Kontraktionen sind oft mit dem Gefühl von schweren Krämpfenverbunden 3. Myometriale Kontraktilität kann mit Gebärmutter-Ultraschall visualisiert werden und wird oft als Endometriumwellen erkannt. Verbesserte Freisetzung von Prostaglandinen während der Menstruation4 in der Gebärmutter unteren endometrialen Sloughing wird geglaubt, um zu einer erhöhten myometrialen Hyperkontraktilität beitragen, was zu Ischämie und Hypoxie der Gebärmuttermuskulatur und damit erhöhte Schmerzen3.
Schwere Dysmenorrhoe kann die tägliche Aktivität einiger Frauen behindern und 3 bis 33% der Frauen haben sehr starke Schmerzen, die dazu führen könnten, dass eine Frau für 1 bis 3 Tage jeden Menstruationszyklus bettlägerig ist5. Dysmenorrhoe ist die Hauptursache für gynäkologische Morbidität bei Frauen im reproduktiven Alter unabhängig von Alter, Nationalität und wirtschaftlichem Status5. Die geschätzte Prävalenz von Dysmenorrhoe ist sowohl hoch als auch variabel und reicht von 45 % bis 93 % bei Frauen im reproduktiven Alter5. Dysmenorrhoe-assoziierte Schmerzen hat einen Einfluss auf das tägliche Leben von Frauen und kann zu schlechten akademischen Leistungen bei Jugendlichen führen, niedrigere Qualität des Schlafes, Einschränkung der täglichen Aktivitäten, und Stimmungsschwankungen5.
Viele Frauen, die schwere Dysmenorrhoe erleben, greifen auf rezeptfreie Medikamente zurück, um ihre Schmerzen zu lindern. Solche rezeptfreien Medikamente enthalten Cyclooxygenase-Inhibitoren (COX), die die Bildung von Prostaglandinen verhindern6. Jedoch, COX-Hemmer sind mit unerwünschten kardiovaskulären Ereignissen verbunden, und etwa 18% der Frauen mit Dysmenorrhoe sind nicht auf diese Inhibitoren reagieren7. Daher gibt es einen Bedarf an neuen Medikamenten, um Menstruationskrämpfe zu reduzieren. Da die Kontraktilität der Gebärmutter zur Pathogenese der Dysmenorrhoe beiträgt, kann eine mögliche Strategie die Verwendung von Gebärmutterrelaxantien sein.
Es ist vorteilhaft, die Auswirkungen von potenziellen Entspannungsmedikamenten in einem Modell natürlich vorkommender spontaner myometrialer wellenähnlicher Kontraktionen zu quantifizieren. Bisher wurde jedoch keine effiziente Ex-vivo-Methode zum Testen von muskelentspannenden Medikamenten in der intakten Gebärmutter beschrieben. Derzeit werden isometrische Spannungsmessungen verwendet, um entspannende Arzneimitteleffekte zu bewerten. Während solcher Messungen wird ein Gebärmuttermuskelstreifen in einem Gewebebad in konstanter Länge unter Vorspannung gehalten, während die Kraft von Gebärmuttermuskelkontraktionen vor und nach der Oxytocin-Stimulation in Gegenwart oder Abwesenheit eines Relaxmittels aufgezeichnet wird. Obwohl dieser Ansatz sehr nützlich ist, erfordert er teure Ausrüstung. Darüber hinaus ähneln isometrische Kontraktionen nicht den spontanen myometrialen wellenartigen Kontraktionen, die natürlicherweise in der intakten Gebärmutter auftreten. Einzigartig ist, dass die uterine myometrialen Wellen bei Nagetieren als Gebärmutterhornmotilität visualisiert werden können, wenn der gesamte Fortpflanzungstrakt (Ovarien, Eileiter, Gebärmutter und Vagina) in einer Pufferlösung gehalten wird. Hier stellen wir eine ex vivo Methode zur Überwachung der spontanen Beweglichkeit der intakten Mausgebärmutter vor, die in einer Petrischale mit sauerstoffhaltigem Krebspuffer platziert wird. Wir beschreiben auch einen Motilitätsquantifizierungsalgorithmus, der den MATLAB Motion Tracker verwendet. Dieser neuartige Ansatz bietet eine einfache und kostengünstige alternative, um das Entspannungspotenzial natürlich vorkommender Heilmittel und synthetischer Verbindungen zu testen.
Protocol
Representative Results
Discussion
Hier beschrieben wir eine Methode zur Beurteilung der spontanen Kontraktilität des gesamten Nagetier-Reproduktionstraktes, die die Eierstöcke, Eileiter, Gebärmutterhörner und die Vagina umfasst. Wir verwendeten eine ähnliche Methode, um die entspannende Wirkung von Phenylephrin auf die spontane Gebärmuttermotilität13zu demonstrieren, aber in der Vergangenheit waren wir nicht in der Lage, quantitative Analyse der Daten zu liefern. In dieser Arbeit haben wir einen Algorithmus für die quantit…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Diese Arbeit wurde durch interne IU-Mittel unterstützt. AGO konzipierte die Studie. XC und AGO waren an der Gestaltung der beschriebenen Experimente beteiligt. FL und AGO analysierten und interpretierten die Daten. KLL, JOB, FL führten alle Ex-vivo-Experimente durch. FL schrieb das MATLAB-Skript. KLL, JOB und AGO schrieben das Manuskript. Alle Autoren lasen und genehmigten die endgültige Fassung des Manuskripts.
Materials
| Epinephrine hydrochloride | Sigma-Aldrich | E4642 | |
| Dulbecco's PBS | Fisher Sceintific | 17-512Q | |
| Ethanol 200 PROOF | Decon Laboratories | 2701 | |
| NaCl | Sigma-Aldrich | S7653 | |
| Glucose | Sigma-Aldrich | G7528 | |
| KCl | Sigma-Aldrich | P9333 | |
| CaCl2 · 2H2O | Sigma-Aldrich | C5080 | |
| NaH2PO4 | Sigma-Aldrich | S0751 | |
| MgCl2 · 6H2O | Sigma-Aldrich | M9272 | |
| NaHCO3 | Sigma-Aldrich | S6297 | |
| Isoflurane, USP | Patterson Veterinary | 07-893-2374 | |
| Dissecting Extra-Fine-Pointed Precision Splinter Forceps | Fisher Sceintific | 13-812-42 | |
| Curved Hardened Fine Iris Scissors | Fine Science Tools | 14091-09 | |
| Dissection High-performance Modular Stereomicroscope | Leica | MZ6 | |
| Digital 5 Megapixel Color Microscope Camera with active cooling system | Leica | DFC425 C | |
| Stereomaster Microscope Fiber-Optic Light Sources | Fisher Sceintific | 12-562-21 | |
| Weigh Boat | Fisher Sceintific | WB30304 | |
| Convertors Astound Standard Surgical Gown | Cardinal Health | 9515 | Small, Medium or Large |
| Gloves | McKesson Corporation | 20-1080 | Small, Medium, or Large; powder-free sterile latex or nitrile surgical gloves |
| Petri Dish | Corning Falcon | 351029 | 100 mm |
| Petri Dish | Corning Falcon | 353001 | 35 mm |
| 95% O2– 5% CO2 gas mixture | Praxair | MM OXCD5-K | |
| Ear-loop Masks | Valumax International | 5430E-PP | |
| DSLR 24.2 MP Camera | Canon | EOS Rebel T6i | |
| MATLAB | MathWorks | N/A | version 2019 or later |
References
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