Измерение давления объема Curve в мышиных легких
Summary
Here we present a protocol to simply and reliably measure the lung pressure-volume curve in mice, showing that it is sufficiently sensitive to detect phenotypic parenchymal changes in two common lung pathologies, pulmonary fibrosis and emphysema. This metric provides a means to quantify the lung’s structural changes with developing pathology.
Abstract
В последние десятилетия мышь стала основной модели на животных из различных легочных заболеваний. В моделях эмфиземы или фиброза, существенные фенотипические изменения лучше всего оценивать путем измерения изменений в эластичности легких. Чтобы лучше понять конкретные механизмы, лежащие в основе этих патологий у мышей, важно, чтобы функциональные измерения, которые могут отражать проявляющего патологии. Хотя есть много способов измерить эластичность, классический метод является то, что из общего легких давление-объем (PV) кривая сделано во всем диапазоне объемов легких. Это измерение было сделано на взрослых легких почти из всех видов млекопитающих, начиная почти 100 лет, и такие кривые PV также сыграли важную роль в открытии и понимания функции легочного сурфактанта в развитии легких плода. К сожалению, такие общие кривые PV не были широко представлены в мыши, несмотря на то, что они могут предоставить полезную информацию о macroscOPIC эффекты структурных изменений в легких. Хотя частичные кривые PV измерения только изменения в объеме легких, иногда сообщалось, без меры абсолютного объема, нелинейный характер общей кривой PV делает эти частичные очень трудно интерпретировать. В настоящем исследовании мы описываем стандартный способ измерить общую кривую PV. Затем мы протестировали способность этих кривых для обнаружения изменений в мыши структуры легких в двух патологий общего легких, эмфизема и фиброз. Результаты показали значительные изменения в нескольких переменных в соответствии с ожидаемыми структурными изменениями с этих патологий. Это измерение кривой легких PV мышей таким образом, обеспечивает простой способ контролировать прогрессирование патофизиологических изменений с течением времени и потенциального влияния лечебных процедур.
Introduction
Мышь теперь основной модели на животных из различных легочных заболеваний. В моделях эмфиземы или фиброза, существенные фенотипические изменения лучше всего оценивать путем измерения изменения в эластичности легких. Хотя есть много способов измерить эластичность, классический метод является то, что общее давление-объем (PV) кривой, измеренной от остаточного объема (RV) в общей емкости легких (TLC). Это измерение было сделано на взрослых легких почти из всех видов млекопитающих, начиная почти 100 лет 1-3. Такие кривые PV также сыграли важную роль в открытии и понимания функции легочного сурфактанта в развитии легких плода 4-7. Несмотря на важность ФВ кривой, как измерение фенотипа лёгкого, не было никакого стандартный способ выполнить это измерение. Это было сделано просто путем надувания и сдувания легкого с дискретными шагами (ожидание определенного времени, для уравновешивания после каждого) или с помощью насосов, чтоможет непрерывно надуть и выкачать легких. Кривая PV часто делается по объему диапазоне от нуля до некоторого пользовательских определить емкость легких, но длительность каждого тома контура давления сообщают разные лаборатории был чрезвычайно разнообразен, варьируется от нескольких секунд 8 до часа 2. Некоторые исследователи относятся к этой общей кривой легких PV также статической или квазистатической, но это все качественные условия, которые предлагают немного понять, и они здесь не используются. Кроме того, кривая PV не была широко сообщалось в мыши, несмотря на то, что она может дать полезную информацию о макроскопических эффектов структурных изменений в легких.
Некоторые вопросы привели к изменчивости в приобретении кривой PV в том числе: 1) уровень инфляции и дефляции; 2) экскурсии давления для надувания и сдувания; и 3) средства для определения абсолютного измерения объема легких. В методе присутствуют здесь, скорость 3 мл / мин была выбрана в качестве компромиссного соглашения,е, будучи не слишком коротким, чтобы отражать динамический эластичность, связанный с нормальной вентиляции и не слишком медленно, чтобы сделать измерения непрактично, особенно при изучении больших когорт. С номинальной общая емкость легких в / 6 здорового мыши C57BL порядка 1,2 мл 9, этот показатель, как правило, позволяет два полных закрыт PV петли должно быть сделано примерно в 1,5 мин.
В расширенном литературе, где кривые PV были зарегистрированы, пиковое давление инфляции используется уже очень разнообразны, варьируя от самого низкого показателя 20 до более чем 40 см Н 2 О. Часть этой изменчивости может быть связана с видами, но основная цель установки верхнего предела давления для кривых PV является раздувать легкие к общей емкости легких (TLC), или максимального объема легких. ТСХ в организме человека определяется максимальным усилием добровольного человек может сделать, но, к сожалению, это никогда не может быть дублирована в любой модели на животных. Таким образом, максимальный объем в экспериментальных кривых PV отговариваетделяется максимального давления произвольно установленного следователя. Цель состоит в том, чтобы установить давление, где кривая PV является плоской, но, к сожалению, инфляция конечностей млекопитающего кривой легких PV никогда не плоские. Так большинство исследователей установить давление, где кривая инфляции начинает существенно сгладить, обычно 30 см H 2 O. У мышей, однако, кривая PV является еще более сложной с двуспальной горб на инфляции конечности, и, где это инфляция конечностей зачастую все еще резко возрастает в 30 см H 2 O 10, так что 30 это не очень хорошая конечная точка PV кривой. По этой причине, мы используем 35 см H 2 O в качестве предела давления для кривой мыши PV, который является давление, при котором инфляция конечности всех штаммов рассмотренных нами начинают сглаживаться.
Поскольку сама кривая ПВ очень нелинейной, появление контура PV будет зависеть от объема, из которого начинается кривая. Некоторые коммерческие вентиляторы позволяют пользователям делать большие петли PV, начиная с FRC, но если объем FRC неизвестно, то это невозможно интерпретировать изменения в такой PV кривой с какой-либо патологии, так как эти изменения могут просто связаны с изменением в стартовом объем, а не структурные изменения в легких. Таким образом, без абсолютного измерения объема, кривые PV почти невозможно интерпретировать и, таким образом маленькая утилита. Хотя существует несколько способов измерения объема легких, они часто громоздки и требуют специального оборудования. В простой подход, описанный здесь, кривая ПВ начинает при нулевом объеме после естественных процедуры дегазации в.
Таким образом, в работе показано, простой способ стандартизации измерений кривой легких PV в легких мыши, и определяет несколько метрик, которые могут быть вычислены из этой кривой, которые связаны с легочной структуры. Кривая PV, таким образом, обеспечивает проверку функции легких, что имеет непосредственное применение в возможности обнаружить фенотипических структурные изменения у мышей с коммна патологии легких, таких как эмфизема и фиброз.
Protocol
Representative Results
Discussion
В этой статье просто воспроизводимый метод был описан для измерения у мышей классический метод упругости легких, фенотипирование общей кривой легких PV. Такие кривые сыграли важную роль в открытии легочного сурфактанта и его значение в обеспечении стабильности легких. Здесь показано, …
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
This work has been supported by NIH HL-1034.
Materials
| Name of Material/ Equipment | Company | Catalog Number | Comments/Description |
| Syringe Pump | Harvard Apparatus | 55-2226 | Infuse/Withdraw syringe pump |
| Pump 22 Reversing Switch | Harvard Apparatus | 552217 | included with pump |
| Linear displacement transformer | Trans-Tek, Inc. | 0244-0000 | |
| 5 mL glass syringe | Becton Dickenson | Several other possible vendors | |
| Digital recorder | ADInstruments | PL3504 | Several other possible vendors |
| Bridge Amp Signal Conditioner | ADInstruments | FE221 | |
| Gas tank,100% oxygen | Airgas, Inc | Any supplier or hospital source will work | |
| Pressure Transducer – 0-1psi millivolt output | Omega Engineering | PX-137 | Range: ≈0-60 cmH2O |
Riferimenti
- Neergaard, K. v. Neue Auffasungen über einn Grundbergriff der Atemtechnik. Die Retraktionskraft der unge, abhangig von den Oberflachenspannung in den Alveolen. (New interpretations of basic concepts of respiratory mechanics. Correlation of pulmonary recoil force with surface tension in the alveoli.). Zeitschrift Fur Gesamte Experi Medizin. 66, 373-394 (1929).
- Hildebrandt, J. Pressure-volume data of cat lung interpreted by a plastoelastic, linear viscoelastic model. J. Appl. Physiol. 28, 365-372 (1970).
- Hoppin, F. G., Hildebrandt, J., West, J. B. . Bioengineering Aspects of the Lung. , 83-162 (1977).
- Avery, M. E., Mead, J. Surface properties in relation to atelectasis and hyaline membrane disease). AMA. J. Dis. Child. 97, 517-523 (1959).
- Clements, J. A., Hustead, R. F., Johnson, R. P., Gribetz, I. Pulmonary surface tension and alveolar stability. Tech Rep CRDLR US Army Chem. Res. Dev. Lab. 3052, 1-24 (1961).
- Radford, E. P., Remington, J. W. . Tissue Elasticity. , 177-190 (1957).
- Mitzner, W., Johnson, J. W. C., Scott, R., London, W. T., Palmer, A. E. Effect of betamethasone on the pressure-volume relationship of fetal rhesus monkey lung. Journal of Applied Physiology. 47, 377-382 (1979).
- Smaldone, G. C., Mitzner, W., Itoh, H. The role of alveolar recruitment in lung inflation: Influence on pressure-volume hysteresis. Journal of Applied Physiology. 55, 1321-1332 (1983).
- Tankersley, C. G., Rabold, R., Mitzner, W. Differential lung mechanics are genetically determined in inbred murine strains. Journal of Applied Physiology. 86, 1764-1769 (1999).
- Soutiere, S. E., Mitzner, W. On defining total lung capacity in the mouse. J. Appl. Physiol. 96, 1658-1664 (2004).
- Stengel, P. W., Frazer, D. G., Weber, K. C. Lung degassing: an evaluation of two methods. Journal of Applied Physiology: Respiratory, Environmental and Exercise Physiology. 48, 370-375 (1980).
- Limjunyawong, N., Mitzner, W., Horton, M. A mouse model of chronic idiopathic pulmonary fibrosis. Physiol Rep. 2, e00249 (2014).
- Fallica, J., Das, S., Horton, M. R., Mitzner, W. Application of Carbon Monoxide Diffusing Capacity in the Mouse Lung. J. Appl. Physiol. 110, 1455-1459 (2011).
- Brown, R. H., et al. The structural basis of airways hyperresponsiveness in asthma. J. Appl. Physiol. 101 (1), 30-39 (2006).
- Smargiassi, A., et al. Ultrasonographic Assessment of the Diaphragm in Chronic Obstructive Pulmonary Disease Patients: Relationships with Pulmonary Function and the Influence of Body Composition – A Pilot Study. Respiration: International Review of Thoracic Diseases. 87 (5), 364-371 (2014).
- Mitzner, W. Airway-parenchymal interdependence. Comprehensive Physiol. 2, 1921-1935 (2012).
- Johnson, J. W., Permutt, S., Sipple, J. H., Salem, E. S. Effect of Intra-Alveolar Fluid on Pulmonary Surface Tension Properties. J. Appl. Physiol. 19, 769-777 (1964).
- Palmer, S., Morgan, T. E., Prueitt, J. L., Murphy, J. H., Hodson, W. A. Lung development in the fetal primate, Macaca nemestrina. II. Pressure-volume and phospholipid changes. Pediatr. Res. 11, 1057-1063 (1977).
- Lum, H., Mitzner, W. A species comparisonof alveolar size and surface forces. Journal of Applied Physiology. 62, 1865-1871 (1987).
- Faridy, E. E. Effect of distension on release of surfactant in excised dogs’ lungs. Respir. Physiol. 27, 99-114 (1976).
- Faridy, E. E., Permutt, S., Riley, R. L. Effect of ventilation on surface forces in excised dogs’ lungs. J. Appl. Physiol. 21, 1453-1462 (1966).
- Comroe, J. H., Forster, R. E., Dubois, A. B., Briscoe, W. A., Carlsen, E. . The Lung: Clinical Physiology and Pulmonary Function Tests. , (1962).
- Martinez, F. J., et al. The clinical course of patients with idiopathic pulmonary fibrosis. Ann. Intern. Med. 142, 963-967 (2005).
