Blootstelling aan sigarettenrook bij muizen met behulp van een inhalatiesysteem voor het hele lichaam
Summary
Dit protocol toont de studie van de pathofysiologische effecten van sigarettenrook (CS) met een in eigen huis gebouwd inhalatiesysteem (WBI) voor het hele lichaam (WBIS). Dit systeem kan dieren blootstellen aan CS onder gecontroleerde herhaalbare omstandigheden voor onderzoek naar CS-gemedieerde effecten op longemfyseem en hematopoiese.
Abstract
Bijna 14% van de volwassenen in de Verenigde Staten zou in 2018 sigaretten roken. De effecten van sigarettenrook (CS) op longen en hart- en vaatziekten zijn uitgebreid bestudeerd, maar de impact van CS in andere weefsels en organen zoals bloed en beenmerg blijft onvolledig gedefinieerd. Het vinden van het juiste systeem om de effecten van CS bij knaagdieren te bestuderen kan onbetaalbaar zijn en vereist de aankoop van commercieel beschikbare systemen. Daarom wilden we een betaalbaar, betrouwbaar en veelzijdig systeem bouwen om de pathologische effecten van CS bij muizen te bestuderen. Deze opstelling van het hele lichaam inhalatieblootstellingssysteem (WBIS) bootst het ademen en puffen van sigaretten na door afwisselend blootstelling aan CS en schone lucht. Hier laten we zien dat dit doe-het-zelf (DIY) systeem luchtwegontsteking en longemfyseem veroorzaakt bij muizen na 4 maanden blootstelling aan sigarettenrook. De effecten van inademing van cs (WBI) in het hele lichaam op hematopoëtische stamcellen en voorlopercellen (HSPCs) in het beenmerg met behulp van dit apparaat worden ook aangetoond.
Introduction
Het roken van sigaretten blijft een van de belangrijkste oorzaken van vermijdbare ziekten in de VS, ondanks de gestage daling van het aantal volwassenen dat sigaretten rookt in de afgelopen 50-60 jaar1. Het is algemeen bekend dat roken verband houdt met meerdere ziekten van de longen en het bloed, waaronder chronische obstructieve longziekte (COPD), een groep ziekten die emfyseem en chronische bronchitis2,3,4omvat . Volgens het Center for Disease Control (CDC) was COPD in 2014 de derde belangrijkste doodsoorzaak in de Verenigde Staten met meer dan 15 miljoen Amerikanen die aan deze ziekte leden5.
CS is onlangs ook geassocieerd met een hoger risico op het ontwikkelen van klonale hematopoiese (CH)6,7, een aandoening waarbij een enkele hematopoëtische stamcel onevenredig een groot percentage van iemands perifere bloed produceert. Deze bevinding wijst op een mogelijk verband tussen roken en beenmergfunctie. Gezien de wijdverbreide en zeer significante gevolgen voor de gezondheid van CS en gezien het feit dat muriene modellen van ziekten een hoeksteen zijn van de vooruitgang in biomedisch onderzoek, is het nuttig om efficiënte en betaalbare systemen te ontwikkelen om CS bij muizen te modelleren.
Hier bieden we een stapsgewijze handleiding voor het bouwen van een betaalbaar systeem voor de behandeling en studie van de in vivo effecten van CS op longemfyseem en beenmerghomeostase. De assemblage van deze apparatuur vereist niet dat de gebruiker gespecialiseerde kennis heeft en maakt dus zelfmontage mogelijk.
Protocol
Representative Results
Discussion
Hier verstrekken we de informatie die nodig is voor de bouw van een apparaat voor WBIS van muizen aan CS. Na installatie van het systeem is het van cruciaal belang dat onderzoekers het systeem kalibreren op basis van de geleverde dosis nicotine of cotinine bij dieren. Het apparaat bevat een timer en manometers die kunnen worden gebruikt om het rookwolkvolume, de rookfrequentie, de gecombineerde rookblootstellingsperiode en rustintervallen die dieren tussen elke sigaret ontvangen, aan te passen. Bovendien kan het werkelij…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
AR, XH en PE werden ondersteund door NIH-subsidie R01HL140398 en een Gilson Longenbaugh Foundation-subsidie. DEMM en KK werden ondersteund door de NIH-subsidies R01HL136333 en R01HL134880 (KYK) en een subsidie van de Helis Medical Research Foundation. DEMM wordt ook ondersteund door de Howard Hughes Medical Institute (HHMI) Gilliam Fellowship for Advanced Study. PE wordt ook ondersteund door training in precision environmental health sciences NIEHS T32 ES027801 Fellowship Program. JC en MF worden ondersteund door Tobacco Research Funds van het Department of Epigenetics and Molecular Carcinogenesis en door het Center for Epigenetics (Scholar Award to MF) bij MD Anderson. FK en YZ worden ondersteund door NIH-subsidies R01 ES029442-01 en R01 AI135803-01 en VA Merit-subsidie CX000104. Dit project werd ondersteund door de Cytometrie- en Celsorteerkern van het Baylor College of Medicine met financiering van de CPRIT Core Facility Support Award (CPRIT-RP180672), de NIH (CA125123 en RR024574) en de hulp van 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 |
References
- 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).
