Måling af tryk-volumen kurve i muselunger

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

I de seneste årtier musen er blevet den primære dyremodel for en række forskellige lungesygdomme. I modeller af emfysem eller fibrose, er de væsentlige fænotypiske ændringer bedst vurderes ved måling af ændringer i lunge elasticitet. For bedst forstå specifikke mekanismer bag disse patologier i mus, er det vigtigt at gøre funktionelle målinger, der kan afspejle udviklingen patologi. Selvom der er mange måder at måle elasticitet, den klassiske metode er, at den samlede lunge tryk-volumen (PV) kurve gjort over hele spektret af lunge mængder. Denne måling er foretaget på voksne lunger fra næsten alle pattedyrarter går tilbage næsten 100 år, og sådanne PV kurver spillede også en stor rolle i opdagelsen og forståelsen af ​​funktionen af ​​pulmonal tensid i føtal lunge udvikling. Desværre er sådanne samlede PV kurver er ikke blevet meget omtalt i musen, til trods for at de kan give nyttige oplysninger om macroscOPIC virkninger af strukturelle ændringer i lungen. Selv delvis PV kurver måler blot ændringerne i lunge volumen undertiden rapporteret, uden et mål for absolut volumen, gør disse delvise meget vanskeligt at fortolke den ikke-lineære karakter af den samlede PV kurve. I den foreliggende undersøgelse beskriver vi en standardiseret måde til at måle den samlede PV kurve. Vi har derefter testet evnen af ​​disse kurver at konstatere ændringer i mus lungestrukturen i to fælles lunge patologier, emfysem og fibrose. Resultaterne viste betydelige ændringer i flere variable i overensstemmelse med forventede strukturelle ændringer med disse patologier. Denne måling af lungen PV kurve i mus giver således en enkel måde til at overvåge udviklingen af ​​de patofysiologiske ændringer over tid og den potentielle effekt af terapeutiske procedurer.

Introduction

Musen er nu den primære dyremodel for en række forskellige lungesygdomme. I modeller af emfysem eller fibrose, er de væsentlige fænotypiske ændringer bedst vurderes ved at måle ændringerne i lunge elasticitet. Selvom der er mange måder at måle elasticitet, den klassiske metode er, at det totale tryk-volumen (PV) kurve målt fra resterende volumen (RV) til den samlede lungekapacitet (TLC). Denne måling er foretaget på voksne lunger fra næsten alle pattedyrarter går tilbage næsten 100 år ^1-3. Sådanne PV kurver spillede også en stor rolle i opdagelsen og forståelsen af funktionen af pulmonal tensid i føtal lunge udvikling ^4-7. Trods PV kurve betydning som en måling af lungen fænotype, har der ikke været nogen standardiseret måde til at udføre denne måling. Det er blevet gjort blot ved oppumpning og tømning lungen med diskrete trin (venter en variabel tid til ækvilibrering efter hver) eller med pumper,kan løbende puste og deflatere lungen. PV kurve sker ofte i et volumen på mellem nul og nogle bruger-definere lungekapacitet, men varigheden af hver pres volumen loop rapporteret af forskellige laboratorier har været yderst variable, varierende fra få sekunder ⁸ til HR ^2. Nogle forskere henviser til denne totale lunge PV kurve som statisk eller kvasistatiske, men disse er kvalitativt, der tilbyder lidt indsigt, og de bruges ikke her. Derudover PV kurven er ikke blevet bredt rapporteret i mus, trods det faktum, at det kan give nyttig information om de makroskopiske virkninger af strukturelle ændringer i lungen.

En række spørgsmål har resulteret i variabilitet i PV kurve erhvervelse herunder: 1) inflationsraten og deflation; 2) trykket udflugter for inflation og deflation; og 3) midlerne til at bestemme en absolut måling lunge volumen. I fremgangsmåden til stede her, en hastighed på 3 ml / min blev valgt som compromise, er ikke for kort, at det afspejler den dynamiske elasticitet forbundet med normal ventilation og ikke for langsomt at gøre målingen upraktisk, især når de studerer store årgange. Da en nominel total lungekapacitet i en C57BL / 6 sunde mus er af størrelsesordenen 1,2 ml ^9, denne sats typisk tillader to komplet lukket PV sløjfer der skal gøres i ca. 1,5 min.

I den udvidede litteratur, hvor der er rapporteret om PV kurver, har peak dæktryk bruges været yderst variable, varierende fra så lavt som 20 til over 40 cm H ₂ O. En del af denne variation kan være relateret til arter, men et primært mål om at sætte øvre tryk grænse for PV kurver er at puste lungerne til den samlede lungekapacitet (TLC) eller maksimal lunge volumen. TLC i mennesker er defineret af den maksimale frivillig indsats en person kan gøre, men desværre kan aldrig blive duplikeret i nogen dyremodel. Således maksimale volumen i eksperimentelle PV kurver er afskrækkeudvindes af en maksimal pres vilkårligt fastsat af investigator. Målet er at indstille et tryk, hvor PV er flad, men desværre inflation led af et pattedyr lunge PV kurve er aldrig flad. Så de fleste efterforskere sat et tryk, hvor inflationen kurven begynder at flade betydeligt, typisk 30 cm H ₂ O. I mus imidlertid PV kurve er endnu mere kompleks med en dobbelt pukkel på inflationen lem, og hvor dette inflation lemmer ofte stadig stiger stejlt på 30 cm H ₂ O ^10, så 30 er ikke en god slutpunkt for PV kurve. Derfor bruger vi 35 cm _H2O trykket grænse for muse PV kurve, som er et tryk, ved hvilket de inflation lemmer alle stammer Vi har undersøgt begynder at flade.

Da PV kurven selv er meget ikke-lineær, vil udseendet af en PV loop afhænge af omfanget af, hvor kurven begynder. Nogle kommercielle ventilatorer giver brugerne mulighed for at gøre store PV loops, startende fra FRC, men hvis FRC volumen er ukendt så er det umuligt at fortolke ændringer i sådanne PV kurve med enhver patologi, idet disse ændringer blot kan skyldes en ændring i startvolumen og ikke strukturelle ændringer i lungen. Således uden en absolut måling volumen, er næsten umuligt at fortolke og således have ringe nytte PV kurver. Selv om der er flere måder at måle lungevolumener, disse er ofte besværlige og kræver særligt udstyr. I den simple fremgangsmåde, der beskrives her, PV kurve starter ved nul volumen efter en in vivo afgasning procedure.

Sammenfattende dette papir viser en enkel metode til at standardisere lunge PV kurve måling i mus lunge, og definerer en række målinger, der kan beregnes ud fra denne kurve, der er knyttet til lungestrukturen. PV kurve giver således en lungefunktionen test, der har direkte anvendelse i at kunne opdage fænotypiske strukturændringer i mus med commpå lunge sygdomme såsom emfysem og fibrose.

Protocol

Johns Hopkins University Animal Care og brug Udvalg godkendte alle animalske protokoller. 1. Udstyr Det sammensatte system, der oprettes, klar til at måle PV kurve er vist i figur 1. Måling Volume: Generer en konstant inflation og deflation ved hjælp af en sprøjte pumpe med en switch, der giver brugeren mulighed for hurtigt at vende pumpen efter at trykket grænser. For mus PV kurver, bruge en meget let smurt 5 ml glas spr…

Representative Results

Selv om proceduren for PV kurver demonstreres i videoen kun for kontrol sunde mus, undersøgte vi evnen af ​​PV-kurven til at opdage funktionelle og patologiske forandringer i mus med to forskellige fælles patologier, emfysem og fibrose. Nærmere oplysninger om disse traditionelle modeller beskrevet andetsteds 12,13. Meget kort efter anæstesi med 3% isofluran i emfysem var forårsaget af 3 eller 6 U porcin pancreatisk elastase indpodet i luftrøret og studerede 3 uger senere, og fibrose skyldes 0,05 U b…

Discussion

I dette papir er blevet beskrevet en enkel reproducerbar metode til måling i mus en klassisk metode til fænotypebestemmelse lunge elasticitet, den samlede lunge PV kurve. Sådanne kurver var medvirkende til opdagelsen af ​​pulmonal tensid og dens betydning i at yde lunge stabilitet. Her er det vist, hvorledes PV kurve er også nyttige i at tilvejebringe et middel til at måle flere variable relateret til lunge elasticitet i voksne mus lungerne. Der var meget betydelige ændringer i alle variabler i to almindeligt …

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