Geç Evre Omurgasızlarda Kalp Hızının Minimal İnvaziv Ölçümü İçin Empedans Pnömografisi
Summary
Termal bir meydan okuma sırasında kalp hızının ölçülmesi, akut çevresel değişimin bir sonucu olarak organizmaların fizyolojik tepkilerine ışık verir. Amerikan ıstakozunu(Homarus americanus)model bir organizma olarak kullanan bu protokol, geç evre omurgasızlarda kalp hızını ölçmek için empedans pnömografisinin nispeten noninvaziv ve öldürücü olmayan bir yaklaşım olarak kullanılmasını tanımlar.
Abstract
Dünya iklimlerinde yaygın değişiklikler sonucunda okyanuslarda sıcaklıklar hızla artmaktadır. Organizma fizyolojisi çevresel sıcaklıktan yoğun olarak etkilendiği için, bu durum çeşitli deniz canlılarında termal fizyolojik performansı değiştirme potansiyeline sahiptir. Amerikan ıstakozunu(Homarus americanus)model bir organizma olarak kullanan bu protokol, geç evre omurgasızlarda kardiyak performansın akut termal stres altında nasıl değiştiğini anlamak için empedans pnömografisinin kullanımını açıklamaktadır. Protokol, bir sıcaklık rampa deneyi sırasında kalp hızının gerçek zamanlı olarak toplanmasına olanak tanıyan minimal invaziv bir teknik sunar. Veriler kolayca Arrhenius kırılma sıcaklığı (ABT), hangi kalp hızı artan sıcaklıklar ile düşmeye başlar sıcaklık hesaplamak için kullanılan bir Arrhenius arsa oluşturmak için manipüle edilir. Bu teknik geç evre omurgasızlar (yani, yengeçler, midye veya karides) çeşitli kullanılabilir. Protokol sadece sıcaklığın kardiyak performans üzerindeki etkisine odaklansa da, fizyolojik performansı etkilemek için sıcaklıkla etkileşime girme potansiyelini anlamak için değiştirilebilir. Bu nedenle, yöntem deniz omurgasızlarının çevredeki akut değişikliklere nasıl tepki verdigini daha iyi anlamak için geniş kapsamlı uygulamalar potansiyeline sahiptir.
Introduction
Son yıllarda, atmosfere sera gazlarının artan girdisi (yani, karbondioksit, metan, ve azot oksit) çevresel değişimyaygındesenler ilerler 1 sonuçlandı. Dünya okyanusları hızla ısınıyor2,,3, organizma fizyolojisi üzerinde ciddi etkileri olabilir bir eğilim. Sıcaklık fizyolojik oranları ağır etkiler ve organizmalar performans için en uygun sıcaklık aralığı na sahip4,5,6. Bu nedenle, sıcaklıklar bu aralığın dışında başıboş olarak bireyler dokulara uygun oksijen dağıtım ını korumakta zorluklar yaşayabilirsiniz. Bu okyanussıcaklıkları5,7ısınma karşısında aerobik performans düşüşlere yol açma potansiyeline sahiptir.
Laboratuvar ortamında, çevresel değişimin fizyolojik etkilerini anlamak için bir yöntem termal stres bağlamında kardiyak performansı incelemektir. Bu, öngörülen ısınma koşullarına maruz kalmanın performans eğrilerini nasıl değiştirebileceği ne kadar içgörü sağlar5,6 yanı sıra iklimlendirme plastisite potansiyelini8. Deniz omurgasızlarında kalp atış hızını ölçmek için çeşitli yöntemler başarıyla uygulanmıştır. Ancak, bu tekniklerin çoğu cerrahi kaldırma veya dış iskelet ve ölçümcihazlarınınuzun süreli implantasyon içerir 9,10,11, hangi test konusuna ek stres tanıttı ve deneme öncesi başarılı bir iyileşme için gerekli süreyi artırır. Ayrıca, daha az invaziv teknikler (örneğin, görsel gözlem, videografi) organizmaların tam veya yarı saydam olabileceği erken yaşam öyküsü aşamaları ile sınırlandırılabilir12. Ayrıca, daha teknolojik olarak gelişmiş metodolojiler (örneğin, kızılötesi transdüserler veya Doppler perfüzyon8yoluyla gözlemler 8,11)iyi bilgili olmayan araştırmacılara ek zorluklar sunulabilir.
Bu protokol, bir sıcaklık rampa deneyi sırasında kalp hızındaki değişiklikleri değerlendirmek için empedans pnömografi kullanımını göstermek için geç aşama deniz omurgasız modeli olarak Amerikan ıstakoz(Homarus americanus)kullanır. Empedans pnömografi kalp sözleşmeler gibi voltaj değişiklikleri ölçmek için perikardın her iki tarafında konumlandırılmış iki elektrotlar arasında bir salınımlı elektrik akımı (AC) geçen içerir ve rahatlatır13,14. Bu teknik minimal invazivdir, çünkü dış iskeletin hemen altına hafifçe yerleştirilen küçük elektrotlar (yani 0.10-0.12 mm çapında) kullanır. Son olarak, bir veri kaydedici kullanımı yoluyla rampa sırasında hem kalp hızı ve su sıcaklığı gerçek zamanlı değerlendirmeler sağlar.
Protokol aynı zamanda Arrhenius kırılma sıcaklığı (ABT), kalp hızı artan sıcaklıklar13,15ile azalmaya başlar sıcaklık hesaplamak için talimatlar sağlar. ABT kritik termal maksimum ölçme üzerinde tercih edilebilir deneklerde kapasitenin termal sınırının öldürücü olmayan bir göstergesi olarak hizmet vermektedir (CTmax, kardiyak fonksiyonun üst sınırı5,6), öldürücü sınırlar genellikle aşırı ve nadiren doğal ortamda karşılaşılan gibi5.
Protocol
Representative Results
Discussion
Bu protokol, bir sıcaklık rampa deneyi sırasında geç evre omurgasızların kalp hızındaki değişiklikleri ölçmek için empedans pnömografisinin kullanımını açıklar. Bu tekniğin diğer laboratuvar tabanlı yaklaşımlar99,10,11 ile karşılaştırıldığında birincil yararı minimal invaziv olması ve dış iskeletin büyük cerrahi manipülasyon içermemesidir, böylece deneme öncesinde gerekli iyileşme sür…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Yazarlar paul Rawson laboratuvar yardımı ve Ulusal Bilim Vakfı ödülü IIA-1355457 Maine EPSCoR Maine Üniversitesi’nde fon ekipman satın almak için teşekkür ederiz. Bu proje USDA Ulusal Gıda ve Tarım Enstitüsü, Hatch proje numarası MEO-21811 Maine Tarım ve Orman Deney İstasyonu yanı sıra NOAA Ulusal Deniz Balıkçılık Servisi Saltonstall Kennedy Grant #18GAR039-136 tarafından desteklendi. Yazarlar ayrıca bu makalenin önceki bir sürümü hakkındaki yorumları için üç anonim yorumcuya teşekkür eder. Maine Tarım ve Orman Deney İstasyonu Yayın No 3733.
Materials
| 1.6 mm (1/16 in) drill bit | Milwaukee Tool at Home Depot | 1001294900 | This is for a 1.6 mm (1/16 in) diameter drill bit. This item can be found at most home-improvement stores. |
| 38 AWG Copper Magnet Wire | TEMCo | MW0093 | This wire is used to make the wire electrode leads that are implanted into the test subjects. This listing is for a 4 oz coil of 38-gauge magnetic wire. TemCo also has 36-gauge magnetic wire that is also suitable for use in constructing wire electrodes. |
| Cyanoacrylate glue | Loctite | 852882 | This item includes a brush tip, which makes it easier to control the amount of glue used to secure electrodes to the carapace. |
| Ethanol, 70% Solution, Molecular Biology Grade | Fisher BioReagents | BP82931GAL | This reagent is used in combination with the sterile cotton balls to disinfect the carapace prior to electrode implantation. |
| Excel | Microsoft | N/A | This program is used in the protocol for organizing, manipulating, and analyzing data. It is compatible with both PC and Mac operating systems. |
| Fisherbrand 8-Piece Dissection Kit | Fisher Scientific | 08-855 | This kit includes the forceps, scissors, dissecting knife (and blades), and dissecting needle needed to accomplish the electrode implantation steps in the protocol. |
| Fisherbrand Isotemp Refrigerated/Heated Bath Circulators: 5.4-6.5L, 115V/60Hz | Fisher Scientific | 13-874-180 | This is a complete system that consists of an immersion circulator and a bath. It can be used as a temperature controlled bath or to circulate fluid externally to an application. Temperature range of this water bath is -20 to +100 °C, and the unit heats/cools rapidly and is easy to drain upon conclusion of use. |
| Fisherbrand Sterile Cotton Balls | Fisher Scientific | 22-456-885 | These swabs should be soaked in 70% ethanol before being used to disinfect the carapace prior to electrode implantation. |
| Fork Terminal, Red Vinyl, Butted Seam, 22 to 16 AWG, 100 PK | Grainger | 5WHE6 | Terminals are soldered to the magnetic wire to construct the wire electrodes. These can be purchased from a variety of home-improvement vendors. |
| Impedance converter | UFI | Model 2991 | Measures impedance changes correlated with very small voltage changes, ranging from 0.2 ohm to over 5 ohms. This model can convert impedance changes that stem from resistance, capacitance, or inductance variations, as well as a combination of all three. |
| LabChart software | ADInstruments | N/A | Purchase of the PowerLab datalogger includes the LabChart software, but a license for the software can also be directly downloaded online. LabChart allows the user to record data, open and read LabChart files, analyze data, as well as save and export files. There is a free version of the software, LabChart Reader, but users can only open and read LabChart files and analyze them (i.e., it cannot be used to record, save, or export data files). One also has the option of selecting LabChart Pro, which includes LabChart teaching modules that can be used for educational purposes. |
| LED Soldering Iron | Grainger | 28EA35 | This is a generic soldering iron that can be used to solder the magnetic wire to the fork terminals to create the wire electrodes. |
| PowerLab datalogger | ADInstruments | ML826 | There are a variety of models of the PowerLab. This catalog number is for the 2/26 model that is a 2 channel, 16 bit resolution recorder with two analog input channels, independently selectable input sensitivities, two independent analog outputs for stimulation or pulse generation and a trigger input. The PowerLab features a wide range of low-pass filters, AC or DC coupling and adaptive mains filter. This unit has a USB interface for connection to Windows or Mac OS computers and a sampling rate of 100,000 samples/s per channel. |
| Prism8 | GraphPad | N/A | This program provides an additional option for calculating the Arrhenius Break Temperature through its “Segmental linear regression” data analysis option. This program does not require any programming and is compatible with both Mac and Windows operating systems. |
| R | R Project | N/A | This is free software for statistical computing that is compatible with UNIX platforms, as well as Windows and Mac operating systems. This program can also be used to calculate the Arrhenius Break Temperature using the “segmented” package. There are a number of tutorials and user guides available online through the r-project.org website. |
| Rosin Core Solder | Grainger | 331856 | This product has a diameter of 0.031 in (0.76 mm) and is ideal for use in soldering speaker wire (similar gauge as magnetic wire used for electrodes). |
| SAS | SAS Institute | N/A | This program provides an additional option for calculating the Arrhenius Break Temperature. However, it does require programming and is not compatible with Mac operating systems. |
| SigmaPlot | Systat Software, Inc. | N/A | This is the authors’ preferred program for statistical determination of the Arrhenius Break Temperature. The “Regression Wizard” is easy to use and does not require any programming. One can obtain a free 30-day trial license before purchase. However, it is compatible only with PC computers. |
| T-type Pod | ADInstruments | ML312 | Suitable for measurement of temperatures from 0-50 °C using T-type thermocouples. |
| T-type Thermocouple Probe | ADInstruments | MLT1401 | Compatible with the T-type Pod for connection. Measures temperature up to 150 °C, and is suitable for immersion in various solutions, semi-solids, and tissue (includes a needle for implantation). This product is a 0.6 mm diameter isolated probe that is sheathed in chemical-resistant Teflon and a lead length of 1.0 m. |
| UV Cable Tie, Black | Home Depot | 295813 | This is for a 100-pack of 8-inch (20.32 cm), black cable ties. However, based on the size of test subjects, smaller or larger cable ties may be needed. This item, and others like it, can be purchased at any home-improvement store. |
References
- Stocker, T. F., et al. . Climate Change 2013: The Physical Basis. Contribution of Working Group I to the Fifth Assessment Report of the Intergovernmental Panel on Climate Change. , (2013).
- Pershing, A. J., et al. Slow adaptation in the face of rapid warming leads to collapse of the Gulf of Maine cod fishery. Science. 350 (6262), 809-812 (2015).
- Smale, D. A., et al. Marine heat waves threaten global biodiversity and the provision of ecosystem services. Nature Climate Change. 9 (4), 306-316 (2019).
- Pörtner, H. O., Farrell, A. P. Physiology and climate change. Science. 322 (5902), 690-692 (2008).
- Pörtner, H. O., Bock, C., Mark, F. C. Oxygen- and capacity-limited thermal tolerance: bridging ecology and physiology. Journal of Experimental Biology. 220 (15), 2685-2696 (2017).
- Somero, G. N., Lockwood, B. L., Tomanek, L. . Biochemical adaptation: response to environmental challenges, from life’s origins to the Anthropocene. , (2017).
- Sokolova, I. M., Frederich, M., Bagwe, R., Lanning, G., Sukhotin, A. A. Energy homeostasis as an integrative tool for assessing limits of environmental stress tolerance in aquatic invertebrates. Marine Environmental Research. 79, 1-15 (2012).
- Tepolt, C. K., Somero, G. N. Master of all trades: thermal acclimation and adaptation of cardiac function in a broadly distributed marine invasive species, the European green crab, Carcinus maenas. Journal of Experimental Biology. 217 (7), 1129-1138 (2014).
- Frederich, M., Pörtner, H. O. Oxygen limitation of thermal tolerance defined by cardiac and ventilatory performance in spider crab, Maja squinado. American Journal of Physiology-Regulatory, Integrative and Comparative Physiology. 279 (5), 1531-1538 (2000).
- Metzger, R., Sartoris, F. J., Langenbuch, M., Pörtner, H. O. Influence of elevated CO2 concentrations on thermal tolerance of the edible crab Cancer pagurus. Journal of Thermal Biology. 32, 144-151 (2007).
- Walther, K., Sartoris, F. J., Bock, C., Pörtner, H. O. Impact of anthropogenic ocean acidification on thermal tolerance of the spider crab Hyas araneus. Biogeosciences. 6 (10), 2207-2215 (2009).
- Styf, H. K., Sköld, H. N., Eriksson, S. P. Embryonic response to long-term exposure of the marine crustacean Nephrops norvegicus to ocean acidification. Ecology and Evolution. 3 (15), 5055-5065 (2013).
- Camacho, J., Qadri, S. A., Wang, H., Worden, M. K. Temperature acclimation alters cardiac performance in the lobster Homarus americanus. Journal of Comparative Physiology A. 192 (12), 1327-1334 (2006).
- Braby, C., Somero, G. N. Ecological gradients and relative abundance of native (Mytilus trossulus) and invasive (Mytilus galloprovincialis) blue mussels in the California hybrid zone. Marine Biology. 148 (6), 1249-1262 (2006).
- Stenseng, E., Braby, C. E., Somero, G. N. Evolutionary and acclimation-induced variation in the thermal limits of heart function in congeneric marine snails (Genus Tegula): implications for vertical zonation. Biological Bulletin. 208 (2), 138-144 (2005).
- Factor, J. . Biology of the Lobster: Homarus americanus. , (1995).
- Muggeo, V. M. Segmented: an R package to fit regression models with broken-lin relationships. R News. 8 (1), 20-25 (2008).
- Ryan, S. E., Porth, L. S. A tutorial on the piecewise regression approach applied to bedload transport data. General Technical Report RMS-GTR-189. , (2007).
- . . Prism8 Statistics Guide. , (2020).
- Cuculescu, M., Hyde, D., Bowler, K. Thermal tolerance of two species of marine crab, Cancer pagurus and Carcinus maenas. Journal of Thermal Biology. 23 (2), 107-110 (1998).
- Stillman, J. H. A comparative analysis of plasticity of thermal limits in porcelain crabs across latitudinal and intertidal zone clines. International Congress Series. 1275, 267-274 (2004).
- Maderia, D., et al. cellular and biochemical thermal stress response of intertidal shrimps with different vertical distributions: Palaemon elegans and Palaemon serratus. Comparative Biochemistry and Physiology, Part A. 183, 107-115 (2015).
- Padilla-Ramirez, S., et al. The effects of thermal acclimation on the behavior, thermal tolerance, and respiratory metabolism in a crab inhabiting a wide range of thermal habitats (Cancer antennarius Stimpson, 1856, the red shore crab). Marine and Freshwater Behaviour and Physiology. 48 (2), 89-101 (2017).
- Pörtner, H. O. Ecosystem effects of ocean acidification in times of ocean warming: a physiologist’s view. Marine Ecology Progress Series. 373, 203-217 (2008).
- Pörtner, H. O. Oxygen- and capacity-limitation of thermal tolerance: a matrix for integrating climate-related stressor effects in marine ecosystems. Journal of Experimental Biology. 213 (6), 881-893 (2010).
- Zittier, Z. M. C., Hirse, T., Pörtner, H. O. The synergistic effects of increasing temperature and CO2 levels on activity capacity and acid-base balance in the spider crab, Hyas araneus. Marine Biology. 160 (8), 2049-2062 (2013).
- Harrington, A. M., Hamlin, H. J. Ocean acidification alters thermal cardiac performance, hemocyte abundance, and hemolymph chemistry in subadult American lobsters Homarus americanus H. Milne Edwards, 1837 (Decapoda: Malcostraca: Nephropidae). Journal of Crustacean Biology. 39 (4), 468-476 (2019).
- Depledge, M. H. Photoplethysmography – a non-invasive technique for monitoring heart beat and ventilation rate in decapod crustaceans. Comparative Biochemistry and Physiology Part A: Physiology. 77 (2), 369-371 (1984).
