La mesure de la courbe pression-volume dans les poumons de souris
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
Au cours des dernières décennies, la souris est devenue le principal modèle animal d'une variété de maladies pulmonaires. Dans les modèles de l'emphysème ou de la fibrose, les changements phénotypiques essentielles sont mieux évaluées par la mesure des variations de l'élasticité des poumons. Pour comprendre mieux les mécanismes sous-jacents de telles pathologies spécifiques chez la souris, il est essentiel de faire des mesures fonctionnelles qui peuvent refléter la pathologie en développement. Bien qu'il existe de nombreuses façons de mesurer l'élasticité, le procédé classique est celle de la pression pulmonaire volume total (PV) courbe effectuée sur l'ensemble des volumes pulmonaires. Cette mesure a été effectuée sur les poumons adultes de presque toutes les espèces de mammifères datant de près de 100 ans, et ces courbes PV également joué un rôle majeur dans la découverte et la compréhension de la fonction du surfactant pulmonaire dans le développement des poumons du foetus. Malheureusement, ces courbes PV totaux ne ont pas été largement rapporté dans la souris, malgré le fait qu'ils ne peuvent fournir des informations utiles sur la macroscOPIC effets des changements structurels dans le poumon. Bien que les courbes PV partielles mesure seulement les changements de volume du poumon sont parfois signalés, sans une mesure de volume absolu, la nature non linéaire de la courbe de PV totale rend ces ceux partielles très difficile à interpréter. Dans la présente étude, nous décrivons une méthode normalisée pour mesurer la courbe de PV totale. Nous avons ensuite testé la capacité de ces courbes pour détecter des changements dans la structure du poumon de la souris dans deux pathologies pulmonaires commun, l'emphysème et la fibrose. Les résultats ont montré des changements significatifs dans plusieurs variables compatibles avec attendus des changements structurels avec ces pathologies. Cette mesure de la courbe du poumon chez les souris PV fournit ainsi un moyen simple de suivre la progression des changements physiopathologiques dans le temps et l'effet potentiel des procédures thérapeutiques.
Introduction
La souris est actuellement le principal modèle animal d'une variété de maladies pulmonaires. Dans les modèles de l'emphysème ou de la fibrose, les changements phénotypiques essentielles sont mieux évaluées en mesurant les variations de l'élasticité des poumons. Bien qu'il existe de nombreuses façons de mesurer l'élasticité, le procédé classique est celle de la courbe pression-volume total (PV) mesuré à partir du volume résiduel (VR) à la capacité pulmonaire totale (CPT). Cette mesure a été effectuée sur les poumons adultes de presque toutes les espèces de mammifères datant de près de 100 ans 1-3. Ces courbes PV ont également joué un rôle majeur dans la découverte et la compréhension de la fonction du surfactant pulmonaire dans le développement des poumons du foetus 4-7. Malgré l'importance de la courbe de PV comme une mesure de le phénotype du poumon, il n'y a pas de manière standardisée pour effectuer cette mesure. Cela a été fait par simple gonflage et dégonflage du poumon à pas discrets (en attente d'un temps variable pour atteindre l'équilibre après chaque) ou avec des pompes quepeut constamment gonfler et dégonfler le poumon. La courbe PV est souvent fait sur une plage de volume comprise entre zéro et une certaine capacité pulmonaire définir par l'utilisateur, mais la durée de temps de chaque boucle de volume de pression rapportés par différents laboratoires ont été extrêmement variables, allant de quelques secondes 8 à h 2. Certains chercheurs se réfèrent à cette courbe totale poumon PV comme statique ou quasi statique, mais ce sont des termes qualitatifs qui offrent peu de perspicacité, et ils ne sont pas utilisés ici. En outre, la courbe PV n'a pas été largement rapportés dans la souris, en dépit du fait qu'elle peut fournir des informations utiles sur les effets macroscopiques de changements structurels dans le poumon.
Plusieurs questions ont donné lieu à la variabilité dans l'acquisition de la courbe PV, y compris: 1) le taux d'inflation et de déflation; 2) les fluctuations de la pression de l'inflation et de déflation; et 3) les moyens pour déterminer une mesure du volume pulmonaire absolue. Dans le procédé présent ici, un taux de 3 ml / min a été choisi comme compromise, ne étant pas trop court à refléter l'élasticité dynamique associée à une ventilation normale et pas trop lente pour rendre la mesure impraticable, en particulier lors de l'étude de grandes cohortes. Depuis une capacité pulmonaire totale nominale dans une souris C57BL / 6 en bonne santé est de l'ordre de 1,2 ml 9, ce taux permet généralement de deux complète fermé PV boucles à faire dans environ 1,5 min.
Dans la littérature étendue où les courbes PV ont été signalés, la pression de gonflage de pointe utilisée a été extrêmement variables, allant d'aussi peu que 20 à plus de 40 cm H 2 O. Une partie de cette variabilité peut être liée à des espèces, mais un des principaux objectifs de réglage de la limite de pression supérieure pour les courbes PV est de gonfler les poumons à la capacité pulmonaire totale (CPT), ou le volume pulmonaire maximale. Le CCM chez l'homme est défini par l'effort volontaire maximale qu'un individu peut faire, mais malheureusement, ce ne peut jamais être dupliqué dans ne importe quel modèle animal. Ainsi, le volume maximal des courbes expérimentales PV est dissuaderminée par une pression maximale fixée arbitrairement par l'enquêteur. L'objectif est de mettre une pression où la courbe de PV est plat, mais malheureusement, le membre de l'inflation d'une courbe poumon PV mammifère ne est jamais plat. Donc, la plupart des chercheurs mis une pression où la courbe de l'inflation commence à se aplatir sensiblement, généralement 30 cm H 2 O. Chez la souris, cependant, la courbe de PV est encore plus complexe avec une double bosse sur la branche de l'inflation, et où cette inflation membre est souvent encore en forte augmentation à 30 cm H 2 O 10, donc 30 ne est pas un bon point pour la fin courbe de PV. Pour cette raison, on utilise 35 cm H 2 O en tant que la limite de pression pour la courbe PV souris, qui est une pression à laquelle les membres de gonflage de toutes les souches que nous avons examinés commencent à se aplatir.
Puisque la courbe PV lui-même est très non linéaire, l'apparition d'une boucle de PV dépendent du volume de l'endroit où la courbe commence. Certains ventilateurs commerciaux permettent aux utilisateurs de faire de grandes boucles PV, à partir de FRC, mais si le volume FRC est inconnu, alors il est impossible à interpréter comme des changements dans la courbe PV avec toute pathologie, puisque ces changements pourraient simplement résulter d'un changement dans le volume de départ, et non pas des modifications structurelles dans le poumon. Ainsi, sans une mesure de volume absolu, les courbes de PV sont presque impossibles à interpréter et ont donc peu d'utilité. Bien que, il ya plusieurs façons de mesurer le volume des poumons, ce sont souvent lourdes et nécessitent des équipements spéciaux. Dans l'approche simple décrite ici, la courbe PV commence à zéro volume après une vivo procédure de dégazage.
En résumé, ce document montre une méthode simple de normaliser poumon PV mesure de la courbe dans le poumon de la souris, et définit plusieurs mesures qui peuvent être calculées à partir de cette courbe qui sont liés à la structure du poumon. La courbe de PV fournit donc un test de la fonction pulmonaire qui a une application directe dans étant capable de détecter des changements structurels phénotypiques chez la souris avec commsur les pathologies pulmonaires telles que l'emphysème et la fibrose.
Protocol
Representative Results
Discussion
Dans cet article, une méthode reproductible simple a été décrit pour mesurer chez la souris une méthode classique d'élasticité phénotypage du poumon, la courbe totale poumon PV. Ces courbes ont contribué à la découverte de surfactant pulmonaire et de son importance pour assurer la stabilité du poumon. Ici, il est montré comment la courbe PV est également utile pour fournir un moyen de mesurer plusieurs variables liées à l'élasticité pulmonaire dans les poumons de souris adultes. Il y avait des …
Declarações
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 |
Referências
- 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).
