Summary

מודל פרה-אקליני של מכת חום מאמץ בעכברים

Published: July 01, 2021
doi:

Summary

הפרוטוקול מתאר התפתחות של מודל סטנדרטי, חוזר, פרה-אקליני של מכת חום מאמץ (EHS) בעכברים ללא גירויים חיצוניים שליליים כגון הלם חשמלי. המודל מהווה פלטפורמה ללימודים מכאניסטיים, מונעים וטיפוליים.

Abstract

מכת חום היא הביטוי החמור ביותר של מחלות הקשורות לחום. מכת חום קלאסית (CHS), הידועה גם בשם שבץ חום פסיבי, מתרחשת במנוחה, ואילו מכת חום מאמץ (EHS) מתרחשת במהלך פעילות גופנית. EHS שונה CHS באטיולוגיה, מצגת קלינית, והמשך של תפקוד רב איברים. עד לאחרונה, רק דגמים של CHS הוקמו היטב. פרוטוקול זה נועד לספק קווים מנחים למודל עכבר פרה-אקליני מעודן של EHS, הנאווה בגורמים מגבילים מרכזיים כגון שימוש בהרדמה, איפוק, בדיקות רקטליות או הלם חשמלי. גברים ונקבות C57Bl/6 עכברים, מכשירים עם טמפרטורת הליבה (Tc) בדיקות טלמטריות נוצלו במודל זה. לצורך היכרות עם מצב הריצה, עכברים עוברים 3 שבועות של הכשרה באמצעות גלגלי ריצה מרצון וכפויים כאחד. לאחר מכן, עכברים רצים על גלגל כפוי בתוך תא אקלים להגדיר ב 37 °C (5 °F) ו 40%-50% לחות יחסית (RH) עד הצגת מגבלת סימפטום (למשל, אובדן הכרה) ב Tc של 42.1-42 °C (5 °F), אם כי תוצאות מתאימות ניתן להשיג בטמפרטורות החדר בין 34.5-39.5 °C (למשל, אובדן הכרה) ב Tc של 42.1-42 °C (5 °F), אם כי תוצאות מתאימות ניתן להשיג בטמפרטורות החדר בין 34.5-39.5 °C (30%-90%. בהתאם לחומרה הרצויה, עכברים מוסרים מהתא באופן מיידי להתאוששות בטמפרטורת הסביבה או נשארים בתא המחומם למשך זמן רב יותר, מה גרימת חשיפה חמורה יותר ושכיחות גבוהה יותר של תמותה. התוצאות מושוות לבקרות פעילות גופנית תואמות מזויפות (EXC) ו/או פקדים נאיביים (NC). המודל משקף רבות מהתוצאות הפתופיזיולוגיות שנצפו ב- EHS האנושי, כולל אובדן הכרה, היפרתרמיה חמורה, נזק רב-איברי כמו גם שחרור ציטוקינים דלקתיים, ותגובות פאזה חריפות של המערכת החיסונית. מודל זה אידיאלי למחקר מונחה השערות כדי לבחון אסטרטגיות מניעה וטיפולית שעלולות לעכב את הופעת EHS או להפחית את הנזק הרב-איברי המאפיין ביטוי זה.

Introduction

שבץ חום מאופיין בתפקוד מערכת העצבים המרכזית ונזק לאיברים הבאים בנבדקים היפרתרמיים1. ישנם שני ביטויים של מכת חום. מכת חום קלאסית (CHS) משפיעה בעיקר על אוכלוסיות קשישים במהלך גלי חום או ילדים שנותרו בכלי רכב חשופי שמש במהלך ימי הקיץ החמים1. מכת חום מאמץ (EHS) מתרחשת כאשר יש חוסר יכולת thermoregulate כראוי במהלך מאמץ פיזי, בדרך כלל, אבל לא תמיד, תחת טמפרטורות סביבה גבוהות וכתוצאה מכך תסמינים נוירולוגיים, היפרתרמיה, ולאחר מכן תפקוד רב איברים ונזק2. EHS מתרחשת ספורטאי פנאי ואליטה, כמו גם אנשי צבא ובפועלים עם ובלי התייבשות במקביל3,4. ואכן, EHS הוא הגורם המוביל השלישי לתמותה אצל ספורטאים במהלך פעילות גופנית5. זה מאוד מאתגר ללמוד EHS בבני אדם כמו הפרק יכול להיות קטלני או להוביל לתוצאות בריאותיות שליליות לטווח ארוך6,7. לכן, מודל פרה קליני אמין של EHS יכול לשמש ככלי רב ערך כדי להתגבר על המגבלות של תצפיות קליניות רטרוספקטיביות אסוציאטיביות בקורבנות EHS אנושיים. דגמים פרה-קליניים של CHS במכרסמים וחזירים אופיינו היטב8,9,10. עם זאת, מודלים פרה-אקליניים של CHS אינם מתורגמים ישירות לפתופיזיולוגיה EHS בשל ההשפעות הייחודיות של פעילות גופנית על הפרופיל התרמו-ריאלטורי ותגובה חיסוניתמולדת 11. בנוסף, ניסיונות קודמים לפתח מודלים פרה-אקליניים של EHS במכרסמים הציבו הגבלות משמעותיות, כולל גירויי לחץ מובחרים הנגרמים על ידי הלם חשמלי, החדרת בדיקה רקטלית וטמפרטורות גוף בסיסיות מוגדרות מראש עם שיעורי תמותה גבוהים12,13,14,15,16 שאינם תואמים את הנתונים האפידמיולוגיים הנוכחיים. אלה מייצגים מגבלות משמעותיות שעלולות לבלבל את פרשנות הנתונים ולספק מדדי סמנים ביולוגיים לא אמינים. לכן, הפרוטוקול נועד לאפיין ולתאר את הצעדים של מודל פרה-קליני מתוקנן, חוזר על עצמו וניתן לתרגום של EHS בעכברים, שהוא ברובו חופשי מהמגבלות שהוזכרו לעיל. התאמות למודל שיכולות לגרום לתוצאות פיזיולוגיות מדורגות ממכת חום בינונית עד קטלנית מתוארות. למיטב ידיעת המחברים, זהו המודל הקדם-אקליני היחיד של EHS עם מאפיינים כאלה, מה שמאפשר להמשיך במחקר EHS רלוונטי באופן מונחה השערה11,17,18.

Protocol

כל ההליכים נבדקו ואושרו על ידי IACUC של אוניברסיטת פלורידה. עכברים זכרים או נקבות C57BL/6J, ~ 4 חודשים, במשקל בטווח של 27-34 גרם ו 20-25 גרם, בהתאמה, משמשים למחקר. 1. השתלה כירורגית של מערכת ניטור הטמפרטורה הטלמטרית עם ההגעה מהמוכר, אפשר לבעלי החיים לנוח בויבריום לפחות שבוע לפני הניתו…

Representative Results

הפרופילים התרמו-גולטוריים הטיפוסיים במהלך כל פרוטוקול EHS ושחזור מוקדם של עכבר מודגמים באיור 1A. פרופיל זה כולל ארבעה שלבים נפרדים שניתן להגדיר כשלב חימום התא, שלב פעילות גופנית מצטברת, שלב פעילות גופנית במצב יציב, ושלב התאוששות על ידי שיטת קירור מהירה (R) או חמורה (S)…

Discussion

סקירה טכנית זו שואפת לספק קווים מנחים לביצועים של מודל פרה-אקליני של EHS בעכברים. שלבים וחומרים מפורטים הנדרשים לביצוע פרק EHS לשחזור של חומרות משתנות מסופקים. חשוב לציין, המודל מחקה במידה רבה את הסימנים, הסימפטומים, ותפקוד לקוי מרובה איברים שנצפו בקורבנות EHSאנושיים 11,<sup clas…

Divulgations

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

עבודה זו מומנה על ידי משרד ההגנה W81XWH-15-2-0038 (TLC) ו BA180078 (TLC) וקרן BK ובטי סטיבנס (TLC). JMA נתמך בסיוע כספי מממלכת ערב הסעודית. מישל קינג הייתה עם אוניברסיטת פלורידה בזמן שהמחקר הזה נערך. כיום היא מועסקת על ידי המכון למדעי הספורט Gatorade, חטיבה של פפסיקו מו”פ.

Materials

 1080P HD 4 Security Cameras 4CH Home Video Security Camera System w/ 1TB HDD 2MP Night View Cameras CCTV Surveillance Kit LaView
5-0 Coated Vicryl Violet Braided Ethicon
5-0 Ethilon Nylon suture Black Monofilament Ethicon
Adhesive Surgical Drape with Povidone 12×18 Jorgensen Labset al.
BK Precision Multi-Range Programmable DC Power Supplies Model 9201 BK Precision
DR Instruments Medical Student Comprehensive Anatomy Dissection Kit  DR Instruments
Energizer Power Supply Starr Life Sciences
G2 Emitteret al. Starr Life Sciences
Layfayette Motorized Wheel Model #80840B Layfayette
Patterson Veterinary Isoflurane Patterson Veterinary
Platform receiveret al. Starr Life Sciences
Scientific Environmental Chamber Model 3911 ThermoForma
Training Wheels  Columbus Inst.

References

  1. Leon, L. R., Bouchama, A. Heat stroke. Comprehensive Physiology. 5 (2), 611-647 (2015).
  2. Laitano, O., Leon, L. R., Roberts, W. O., Sawka, M. N. Controversies in exertional heat stroke diagnosis, prevention, and treatment. Journal of Applied Physiology. 127 (5), 1338-1348 (2019).
  3. King, M. A., et al. Influence of prior illness on exertional heat stroke presentation and outcome. PLOS One. 14 (8), 0221329 (2019).
  4. Carter, R., et al. Epidemiology of hospitalizations and deaths from heat illness in soldiers. Medicine and Science in Sports and Exercise. 37 (8), 1338-1344 (2005).
  5. Howe, A. S., Boden, B. P. Heat-related illness in athletes. The American Journal of Sports Medicine. 35 (8), 1384-1395 (2007).
  6. Wallace, R. F., Kriebel, D., Punnett, L., Wegman, D. H., Amoroso, P. J. Prior heat illness hospitalization and risk of early death. Environmental Research. 104 (2), 290-295 (2007).
  7. Wang, J. -. C., et al. The association between heat stroke and subsequent cardiovascular diseases. PLOS One. 14 (2), 0211386 (2019).
  8. Leon, L. R., Blaha, M. D., DuBose, D. A. Time course of cytokine, corticosterone, and tissue injury responses in mice during heat strain recovery. Journal of Applied Physiology. 100 (4), 1400-1409 (2006).
  9. Leon, L. R., DuBose, D. A., Mason, C. W. Heat stress induces a biphasic thermoregulatory response in mice. American Journal of Physiology. Regulatory, Integrative and Comparative Physiology. 288 (1), 197-204 (2005).
  10. Leon, L. R., Gordon, C. J., Helwig, B. G., Rufolo, D. M., Blaha, M. D. Thermoregulatory, behavioral, and metabolic responses to heatstroke in a conscious mouse model. American Journal of Physiology. Regulatory, Integrative and Comparative Physiology. 299 (1), 241-248 (2010).
  11. King, M. A., Leon, L. R., Morse, D. A., Clanton, T. L. Unique cytokine and chemokine responses to exertional heat stroke in mice. Journal of Applied Physiology. 122 (2), 296-306 (2016).
  12. Costa, K. A., et al. l-Arginine supplementation prevents increases in intestinal permeability and bacterial translocation in Male Swiss mice subjected to physical exercise under environmental heat stress. The Journal of Nutrition. 144 (2), 218-223 (2014).
  13. Hubbard, R. W. Effects of exercise in the heat on predisposition to heatstroke. Medicine and Science in Sports. 11 (1), 66-71 (1979).
  14. Hubbard, R. W., et al. Rat model of acute heatstroke mortality. Journal of Applied Physiology: Respiratory, Environmental and Exercise Physiology. 42 (6), 809-816 (1977).
  15. Hubbard, R. W., et al. Diagnostic significance of selected serum enzymes in a rat heatstroke model. Journal of Applied Physiology: Respiratory, Environmental and Exercise Physiology. 46 (2), 334-339 (1979).
  16. Hubbard, R. W., et al. Role of physical effort in the etiology of rat heatstroke injury and mortality. Journal of Applied Physiology: Respiratory, Environmental and Exercise Physiology. 45 (3), 463-468 (1978).
  17. Garcia, C. K., et al. Sex-dependent responses to exertional heat stroke in mice. Journal of Applied Physiology. 125 (3), 841-849 (2018).
  18. Garcia, C. K., et al. Effects of Ibuprofen during Exertional Heat Stroke in Mice. Medicine and Science in Sports and Exercise. 52 (9), 1870-1878 (2020).
  19. King, M. A., Leon, L. R., Mustico, D. L., Haines, J. M., Clanton, T. L. Biomarkers of multi-organ injury in a pre-clinical model of exertional heat stroke. Journal of Applied Physiology. 118 (10), (2015).
  20. Murray, K. O., et al. Exertional heat stroke leads to concurrent long-term epigenetic memory, immunosuppression and altered heat shock response in female mice. The Journal of Physiology. 599 (1), 119-141 (2021).
  21. Leon, L. R., DuBose, D. A., Mason, C. W. Heat stress induces a biphasic thermoregulatory response in mice. American Journal of Physiology-Regulatory, Integrative and Comparative Physiology. 288, 197-204 (2005).
  22. Laitano, O., et al. Delayed metabolic dysfunction in myocardium following exertional heat stroke in mice. The Journal of Physiology. 598 (5), 967-985 (2020).
  23. Iwaniec, J., et al. Acute phase response to exertional heat stroke in mice. Experimental Physiology. 106 (1), 222-232 (2020).
  24. He, S. -. X., et al. Optimization of a rhabdomyolysis model in mice with exertional heat stroke mouse model of EHS-rhabdomyolysis. Frontiers in Physiology. 11, (2020).
  25. Lopez, J. R., Kaura, V., Diggle, C. P., Hopkins, P. M., Allen, P. D. Malignant hyperthermia, environmental heat stress, and intracellular calcium dysregulation in a mouse model expressing the p.G2435R variant of RYR1. British Journal of Anaesthesia. 121 (4), 953-961 (2018).
  26. Laitano, O., Murray, K. O., Leon, L. R. Overlapping mechanisms of exertional heat stroke and malignant hyperthermia: evidence vs. conjecture. Sports Medicine. 50 (9), 115-123 (2020).
  27. Casa, D. J., Armstrong, L. E., Kenny, G. P., O’Connor, F. G., Huggins, R. A. Exertional heat stroke: new concepts regarding cause and care. Current Sports Medicine Reports. 11 (3), 115-123 (2012).
check_url/fr/62738?article_type=t

Play Video

Citer Cet Article
King, M. A., Alzahrani, J. M., Clanton, T. L., Laitano, O. A Preclinical Model of Exertional Heat Stroke in Mice. J. Vis. Exp. (173), e62738, doi:10.3791/62738 (2021).

View Video