Måle lungefunksjon hos mus Bruke Uhemmet hele kroppen pletysmografi
Summary
Vurderingen av respiratorisk fysiologi har tradisjonelt stoles på teknikker som krever beherskelse eller sedasjon av dyret. Unrestrained hele kroppen pletysmografi, men gir presis, ikke-invasiv, kvantitativ analyse av respiratorisk fysiologi i dyremodeller. I tillegg, tillater teknikken gjentas respiratorisk vurdering av mus som åpner for langsgående studier.
Abstract
Åndedretts dysfunksjon er en av de viktigste årsakene til sykelighet og dødelighet i verden og dødelighet fortsette å stige. Kvantitativ vurdering av lungefunksjon i gnagermodeller er et viktig verktøy i utviklingen av fremtidige terapier. Vanligvis brukes teknikker for å vurdere lungefunksjon inkludert invasive pletysmografi og tvunget pendling. Selv om disse teknikker gir verdifull informasjon, kan datainnsamlings være fylt med gjenstander og eksperimentell variabilitet på grunn av behovet for anestesi og / eller invasiv instrumentering av dyret. I kontrast, hemningsløs hele kroppen pletysmografi (UWBP) tilbyr en presis, ikke-invasiv, kvantitativ måte ved å analysere luftveis parametere. Denne teknikken unngår bruk av anestesi og begrensninger, noe som er vanlig for tradisjonelle pletysmografi teknikker. Denne videoen vil demonstrere UWBP prosedyren inkludert utstyret satt opp, kalibrering og lungefunksjon opptak. Detvil forklare hvordan å analysere de innsamlede data, samt identifisere eksperimentelle uteliggere og gjenstander som resultater fra dyrebevegelsen. Respiratoriske parametre oppnådd ved bruk av denne teknikken inkluderer tidevolum, minuttvolum, inspirasjonsdriftssyklus, inspiratorisk flow rate og forholdet til inspirasjon tid til utløpstidspunkt. UWBP ikke er avhengig av spesialisert kompetanse og er billig å utføre. Et viktig trekk ved UWBP, og mest tiltalende for potensielle brukere, er evnen til å utføre gjentatte målinger av lungefunksjonen på samme dyr.
Introduction
Lunge dysfunksjon er en av de viktigste årsakene til sykdom og død i verden. Tilstanden er preget av utilstrekkelig oksygenutveksling, synonymt med hoste, brystsmerter og åndenød. Luftveissykdom representerer ~ 10% av dødelighet på verdensbasis en. Ifølge Verdens helseorganisasjon, er dødeligheten satt til å stige på grunn av vedvarende røyking, forurensning og yrkes irritanter. UWBP er et nyttig tillegg til å studere lungefysiologi, som sterkt komplimenter tradisjonelle biokjemiske og histologiske analyser to. Andre prosedyrer som brukes for lunge vurdering ikke gir de samme fordelene som UWBP. Invasiv pletysmografi er en vanlig brukt teknikk som krever at dyret kan bedøvet 3,4 og således, som følge av luftveis målinger er ikke nødvendigvis representativ for en naturlig tilstand. Videre er behovet for mekanisk ventilasjon og kjemiske utfordringer utelukker fremtidige målinger 3,4.En annen fremgangsmåte for å samle inn data respiratorisk er ved tvungen svingning, som er mer følsom for finere forandringer i luftveisparametere sammenlignet med UWBP 5. Tvunget svingning er imidlertid en invasiv teknikk og krever dyr terminering for datainnsamling 5-7.
UWBP innebærer å plassere et dyr inne i et spesialisert kammer. Under inspirasjon, er tidevanns luften varmet og fuktet i lungene økende press vanndamp og forårsaker termisk ekspansjon av gass åtte. Denne effekten fører til en netto endring i luftvolum skaper en økning i trykket i plethysmograph kammeret åtte. Det motsatte skjer under utånding skape en respirasjonssyklusen fra dyret. Waveform analyse blir så brukt til å måle fra luft spor: respirasjonsfrekvens (pust / min), total pustesyklus (sek), inspirasjon / utløpsdato (Ti / Te, sek) og endringer i trykket som følge hver tidevolum (P T). <strong> Figur 1 illustrerer hver målinger opprinnelse fra en luftveis spor. Disse målingene er lett å beregne og flere luftveis parametere kan være avledet fra disse målingene. Disse parametrene inkluderer: Tidevolum (volumet av luft flyttet mellom normal og utpust), minuttvolum (volum av gass inhalert fra lungene per minutt), inspirasjonsdriftssyklus (prosentandelen av inspirasjon tid til den totale pustesyklus varighet) og inspiratorisk flow rate (mengden luft inspirert i et gitt tidspunkt).
UWBP gir nøyaktig, ikke-invasiv, kvantitativ analyse av respiratorisk fysiologi i dyremodeller, og kan brukes for å måle utviklingen av luftveissykdommer og lungefunksjon 6,9. I motsetning til andre pletysmografi teknikker, unngår UWBP bruk av anestesi, begrensninger og invasive manipulasjoner som produserer gjenstander og eksperimentell variabilitet 6,9. Anestesi kan undertrykke respirasjon,endre hjertefrekvens og kan være utfordrende å regulere 10. Begrensninger indusere en økning i respirasjon på grunn av ekstra stress via corticosterone og adrenalin slipper 11,13. Det sentrale trekk ved UWBP gjentas fysiologiske vurdering gjør det mottagelig for longitudinelle studier. UWBP anbefales sterkt for den langsgående vurdering av lungefysiologi og tilbyr en verdifull kompetanse for fremtidig luft narkotika vurdering.
Bleomycin, ovalbumin, og hypoksi har blitt brukt til å indusere luftveis utfordringer i flere studier og UWBP har lykkes målt nøyaktig lunge fysiologiske vurdering 7,9,13-16. Protokollen er beskrevet er beregnet for standard voksen laboratoriemus. Imidlertid har UWBP blitt tilpasset til andre dyr slik som rotter, marsvin, og ikke-humane primater 17-20. UWBP er ikke begrenset bare til å vurdere nedsatt lungefunksjon, men har også blitt brukt for vurdering av lungemodnings tre.Allsidighet, enkelhet og reproduserbarhet UWBP har etablert en utmerket teknikk for å vurdere lungefunksjonen hos dyr. Diverse programvare (se materialer og utstyr tabellen) vil bli pålagt å følge denne prosedyren. En erfaren forsker ville være i stand til å utføre denne protokollen med en mus innen 1 time.
Protocol
Representative Results
Discussion
Teknikken som beskrives her er en ikke-invasiv metode for vurdering av respiratoriske parametrene for uhemmet og unanesthetized mus. Styrkene i denne protokollen inkludere sin enkelhet og presisjon for å måle lungefunksjonen i lengderetningen med minimale gjenstander. Det er imidlertid noen begrensninger og kritiske trinn skal noteres om fremgangsmåten. Først og viktigst, må det muse forbli rolig i kammeret i minst fem sekunder. Lagt stress vil forstyrre pustemønster av musen, og dermed gi varierende resultater <s…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
We would like to thank Prof David Walker for his technical advice and provision of equipment in the development of this technique. This work is supported by the Victorian Government’s Operational Infrastructure Support Program. This work was partly supported by the Victorian Government’s Operational Infrastructure Support Program.
Materials
| LabChart 7 software (for Macintosh) | ADINSTRUMENTS | MLU60/7 | used in protocol step 4 |
| PowerLab 8/30 (model ML870) | ADINSTRUMENTS | PL3508 | |
| Octal Bridge Amp (model ML228) | ADINSTRUMENTS | FE228 | |
| Black BNC to BNC cable (1m) | ADINSTRUMENTS | MLAC01 | |
| Macintosh OS | Apple Inc. | – | Mac OS X 10.4 or later |
| Surgipack Digital Rectal Thermometer | Vega Technologies | MT-918 | |
| Grass volumeteric pressure transducer PT5A | Grass Instruments Co. | Model number PT5A; serial No. L302P4. | |
| 1ml Syringe | Becton Dickinson (BD) | 309628 | |
| 5ml serological syringe pipettes | Greiner Bio One | 606160 | Connected via plastic tubing |
| Balance/Scales | VWR International, Pty Ltd | SHIMAUW220D | Any weighing balance with of 0.1 gram resolution |
| HM40 Humidity & temperature meter | Vaisala | HM40A1AB | |
| Barometer | Barometer World | 1586 | |
| Laboratory tubing | Dow Corning | 508-101 | Used to connect water column to the syringe and pressure transducer |
| Cylindrical Perspex Chamber | Dynalab Corp. | Custom built cylindrical chamber with internal dimensions as follows: 50mm(w) x 1500mm(l). There are two lids for each side, with dimensions 80mm(l) x 80mm(w). Each lid has a 60mm wide circular hole cut on the face of the lid 50mm deep. This allows the chamber to fit into the lid. A rubber ring is fitted around each hole of the lid where the chamber will fit. For attachment of syringe and pressure transducer, the openings are 5mm in diameter. For attachment of humidity probe, the openings are 25mm in diameter. | |
| 80% Ethanol (4L) | VWR International, Pty Ltd | BDH1162-4LP |
References
- . . World Health Organization, World Health Statistics. , (2008).
- Jones, C. V., et al. M2 macrophage polarization is associated with alveolar formation during postnatal lung development. Respir. Res. 14 (41), 14-41 (2013).
- Campbell, E., et al. Stem cell factor-induced airway hyperreactivity in allergic and normal mice. Am. J. Pathol. 154 (4), 1259-1265 (1999).
- Card, J. W., et al. Cyclooxygenase-2 deficiency exacerbates bleomycin-induced lung dysfunction but not fibrosis. Am. J. Respir. Cell. Mol. Biol. 37 (3), 300-308 (2007).
- Berndt, A., et al. Comparison of unrestrained plethysmography and forced oscillation for identifying genetic variability of airway responsiveness in inbred mice. Physiol. Genomics. 43 (1), 1-11 (2011).
- Flandre, T., et al. Effect of somatic growth, strain, and sex on double-chamber plethysmographic respiratory function values in healthy mice. J. Appl. Physiol. 94 (3), 1129-1136 (2003).
- Petak, F., et al. Hyperoxia-induced changes in mouse lung mechanics: forced oscillations vs. barometric plethysmography. J. Appl. Physiol. 90 (6), 2221-2230 (2001).
- Drorbaugh, J. E., Fenn, W. O. A barometric method for measuring ventilation in newborn infants. Pediatrics. 16 (1), 81-87 (1955).
- Milton, P. L., Dickinson, H., Jenkin, G., Lim, R. Assessment of respiratory physiology of C57BL/6 mice following bleomycin administration using barometric plethysmography. Respiration. 83 (3), 253-266 (2012).
- Gargiulo, S., et al. Mice anesthesia, analgesia, and care, part I: anesthetic considerations in preclinical research. ILAR J. 53 (1), 55-69 (2012).
- Hildebrandt, I., et al. Anesthesia and other considerations for in vivo imaging of small animals. ILAR J. 49 (1), 17-26 (2008).
- Meijer, M. K., et al. Effect of restraint and injection methods on heart rate and body temperature in mice. Lab Anim. 40, 382-391 (2006).
- Hamelmann, E., et al. Noninvasive measurement of airway responsiveness in allergic mice using barometric plethysmography. Am. J. Respir. Crit. Care Med. 156 (3), 766-775 (1997).
- Lim, R., et al. Human mesenchymal stem cells reduce lung injury in immunocompromised mice but not in immunocompetent mice. Respiration. 85 (4), 332-341 (2013).
- Murphy, S., et al. Human amnion epithelial cells prevent Bleomycin-induced lung injury and preserve lung function. Cell Transplant. 20, 909-923 (2011).
- Murphy, S., et al. Human amnion epithelial cells do not abrogate pulmonary fibrosis in mice with impaired macrophage function. Cell Transplant. 21 (7), 1477-1492 (2012).
- Wichers, L. B., et al. A method for exposing rodents to resuspended particles using whole-body plethysmography. Part. Fibre Toxicol. 13 (12), (2006).
- Chong, B. T. Y., et al. Measurement of bronchoconstriction using whole-body plethysmograph: comparison of freely moving versus restrained guinea pigs. J. Pharmacol. Toxicol. Methods. 39 (3), 163-168 (1998).
- Lizuka, H., et al. Measurement of respiratory function using whole-body plethysmography in unanesthetized and unrestrained nonhuman primates. J. Toxicol. Sci. 35 (6), 863-870 (2010).
- McGregor, H., et al. The effect of prenatal exposure to carbon monoxide on breathing and growth of the newborn guinea pig. Pediatr. Res. 43, 126-131 (1998).
- Lundblad, L., et al. A reevaluation of the validity of unrestrained plethysmography in mice. J. Appl. Physiol. 93, 1198-1207 (2002).
- Bartlett, D., Tenney, S. M. Control of breathing in experimental anemia. Respir. Physiol. 10 (3), 384-395 (1970).
- Malan, A. Ventilation measured by body plethysmography in hibernating mammals and in poiiulotherms. Respir. Physiol. 17 (1), 32-44 (1973).
- Seifert, E. L., Mortola, J. P. The circadian pattern of breathing in conscious adult rats. Respir. Physiol. 129 (3), 297-305 (2002).
- DuBois, A. B., et al. A new method for measuring airway resistance in man using a body plethysmograph: Values in normal subject and in patients with respiratory disease. J. Clin. Invest. 35 (3), 327-335 (1956).
- Enhorning, G., et al. Whole-body plethysmography, does it measure tidal volume of small animals. Can. J. Physiol. Pharmacol. 76 (10-11), 945-951 (1998).
- Zhang, Q., et al. Does unrestrained single-chamber plethysmography provide a valid assessment of airway responsiveness in allergic BALB/c mice. Respir. Res. 10 (61), (2009).
