Mätning av tryck-volymkurva i muslungor
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
Under de senaste decennierna musen har blivit den primära djurmodell av en mängd olika lungsjukdomar. I modeller av emfysem eller fibros, är de väsentliga fenotypiska förändringar bäst bedömas genom mätning av förändringarna i lungelasticitet. För att bäst förstå specifika mekanismerna bakom dessa sjukdomar i möss, är det viktigt att göra funktionella mätningar som kan spegla utvecklingen patologi. Även om det finns många sätt att mäta elasticitet, är den klassiska metoden att av det totala lungtryck-volym (PV) kurva görs över hela området av lungvolymer. Denna mätning har gjorts på vuxna lungor från nästan alla däggdjursarter som går tillbaka nästan 100 år, och sådana PV kurvor spelade också en viktig roll i upptäckten och förståelse för funktionen av pulmonell surfaktant i fosterlungutveckling. Tyvärr, sådana totala PV kurvor har inte fått stor uppmärksamhet i musen, trots att de kan ge användbar information om macroscOPIC effekter av strukturella förändringar i lungan. Även partiell PV kurvor mäter bara förändringar i lungvolym ibland rapporteras, utan ett mått på absolut volym, gör dessa partiella mycket svårt att tolka olinjära karaktären av den totala PV kurvan. I den aktuella studien beskriver vi ett standardiserat sätt att mäta den totala PV kurvan. Vi har sedan testat förmågan hos dessa kurvor för att upptäcka förändringar i muslunga struktur i två gemensamma lung patologier, emfysem och fibros. Resultaten visade signifikanta förändringar i flera variabler i överensstämmelse med förväntade strukturförändringar med dessa sjukdomar. Denna mätning av lung PV kurvan hos möss ger därmed en enkel väg för att övervaka utvecklingen av de patofysiologiska förändringar över tiden och den potentiella effekten av terapeutiska förfaranden.
Introduction
Musen är nu den primära djurmodell av en mängd olika lungsjukdomar. I modeller av emfysem eller fibros, är de väsentliga fenotypiska förändringar bedöms bäst genom att mäta förändringar i lungan elasticitet. Även om det finns många sätt att mäta elasticitet, är den klassiska metoden att av det totala trycket-volym (PV) kurva mätt från restvolym (RV) till total lungkapacitet (TLC). Denna mätning har gjorts på vuxna lungor från nästan alla däggdjursarter som går tillbaka nästan 100 år 1-3. Sådana PV kurvor spelade också en viktig roll i upptäckten och förståelse för funktionen av pulmonell surfaktant i fosterlungutveckling 4-7. Trots PV kurvan betydelse som ett mått på lungans fenotyp, har det inte funnits något standardiserat sätt att utföra denna mätning. Det har gjorts helt enkelt genom uppblåsning och tömning av lungan med diskreta steg (väntar en variabel tid för ekvilibrering efter varje) eller med pumpar somkan kontinuerligt blåsa upp och tömma lungan. Den PV Kurvan sker ofta över ett volymintervall mellan noll och några användar definiera lungkapacitet, men tidslängden för varje tryckvolymslinga rapporterats av olika labs har varit mycket varierande, allt från några enstaka sekunder 8 till hr 2. Vissa utredare hänvisar till denna totala lung PV kurva som statisk eller kvasistatiska, men dessa är kvalitativa termer som erbjuder lite insikt, och de används inte här. Dessutom PV kurvan har inte fått stor uppmärksamhet i musen, trots att det kan ge användbar information om de makroskopiska effekter av strukturella förändringar i lungan.
Flera frågor har lett till variabilitet i PV kurva förvärvet inklusive: 1) inflationstakten och deflation; 2) utflykter tryck för inflation och deflation; och 3) de medel för att bestämma en absolut lungvolymmätning. I metoden närvarande här, med en hastighet av 3 ml / min valdes som en compromise, till att vara inte alltför kort som återspeglar den dynamiska elasticitet i samband med normal ventilation och inte alltför långsamt för att göra mätningen opraktisk, i synnerhet när man studerar stora kohorter. Eftersom en nominell total lungkapacitet i en C57BL / 6 friska musen är i storleksordningen 1,2 ml 9, tillåter denna hastighet normalt två kompletta stängd PV loopar göras i ca 1,5 min.
I den utökade litteraturen där PV kurvor har rapporterats, har toppinflationstrycket som används varit extremt varierande, varierande från så lågt som 20 till över 40 cm H2O En del av denna variation kan vara relaterade till arter, men ett primärt mål att sätta den övre tryckgränsen för PV kurvor är att blåsa lungan till total lungkapacitet (TLC), eller maximal lungvolym. TLC hos människa definieras av maximal frivillig insats en individ kan göra, men tyvärr kan aldrig återskapas i alla djurmodell. Således är den maximala volymen i experimentella PV kurvor avskräckabryts av en maximal tryck godtyckligt satt av prövaren. Målet är att sätta ett tryck där PV kurvan är flack, men tyvärr inflations delen av en däggdjurslung PV kurva är aldrig platt. Så de flesta utredare satt ett tryck där kurvan inflationen börjar att platta kraftigt, vanligtvis 30 cm H2O I musen är dock PV kurvan ännu mer komplex med en dubbel puckel på inflations lem, och där denna inflations lem ofta ökar fortfarande kraftigt vid 30 cm H2O 10, så 30 är inte en bra slutpunkt för PV kurva. Av denna anledning använder vi 35 cm H2O som tryckgränsen för mus PV kurvan, vilket är ett tryck vid vilket inflations lemmar alla stammar vi har undersökt börjar att platta.
Eftersom PV kurvan själv är mycket icke-linjära, kommer utseendet på en PV slinga beror på volymen från där kurvan börjar. Vissa kommersiella ventilatorer tillåter användare att göra stora solcellsslingor, från FRC, men om FRC volymen är okänd så är det omöjligt att tolka förändringar i en sådan PV kurva med någon patologi, eftersom dessa förändringar helt enkelt skulle kunna leda till en förändring i startvolym, och inte strukturella förändringar i lungan. Alltså utan en absolut volymmätning, PV kurvor är nästan omöjliga att tolka och därmed har lite nytta. Även om det finns flera sätt att mäta lungvolymer, dessa är ofta besvärliga och kräver speciell utrustning. I den enkla metod som beskrivs här, börjar PV kurvan vid noll volym efter en in vivo avgasningsförfarandet.
Sammanfattningsvis visar detta papper en enkel metod för att standardisera lung PV kurva mätning i musen lunga och definierar olika mått som kan beräknas ur denna kurva som är kopplade till lungstrukturen. Den PV Kurvan ger därmed ett lungfunktionstest som har direkt tillämpning i att kunna upptäcka fenotypiska strukturella förändringar i möss med commpå lung patologier såsom emfysem och fibros.
Protocol
Representative Results
Discussion
I detta papper en enkel reproducerbar metod har beskrivits för att mäta i möss en klassisk metod för fenotypning lungelasticitet, den totala lung PV kurva. Sådana kurvor bidrog upptäckten av pulmonell surfaktant och dess betydelse för att ge lung stabilitet. Här visas hur PV kurvan är också användbar för att tillhandahålla ett medel för att mäta flera variabler relaterade till lungelasticitet i vuxna muslungor. Det fanns mycket betydande förändringar i alla variabler i två vanliga musmodeller för att …
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).
