מדידה של עקומת לחץ-נפח ריאות עכבר
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
בעשורים האחרונים העכבר הפך מודל החיה העיקרי של מגוון רחב של מחלות ריאה. במודלים של אמפיזמה או סיסטיק, שינויי פנוטיפי החיוניים מוערכים ביותר על ידי מדידה של השינויים בגמישות ריאות. כדי להבין הטוב ביותר מנגנונים מיוחדים המונחים ביסוד פתולוגיות כגון בעכברים, זה חיוני כדי לבצע מדידות פונקציונליות שיכול לשקף את הפתולוגיה הפיתוח. למרות שיש דרכים רבות למדוד גמישות, בשיטה הקלסית היא שמסך ריאות לחץ-נפח העקומה (PV) נעשתה על פני הטווח של כרכי ריאות השלם. מדידה זו נעשתה על ריאות מבוגרות מכמעט כל מיני יונקים שראשיתה כמעט 100 שנים, ועקומות PV כזה גם שיחקו תפקיד מרכזי בגילוי וההבנה של הפונקציה של פעילי שטח ריאתי בהתפתחות ריאות של העובר. לרוע המזל, הכולל עיקולי PV כזה לא דווחו בהרחבה בעכבר, למרות העובדה שהם יכולים לספק מידע שימושי על macroscהשפעות OPIC של שינויים מבניים בריאות. למרות שלפעמים הם דיווחו עקומות PV חלקיות מדידה רק את השינויים בנפח ריאות, בלי מידה של נפח מוחלט, הטבע לא לינארית של כוללת עקומת PV הופך חלקיים אלה אלה קשים מאוד לפרש. במחקר הנוכחי, אנו מתארים את דרך סטנדרטית למדידה הכוללת עקומת PV. אז אנחנו צריכים לבדוק את היכולת של עקומות אלה כדי לזהות שינויים במבנה ריאות עכבר בשתי פתולוגיות ריאה נפוצה, אמפיזמה וסיסטיק. תוצאות הראו שינויים משמעותיים במספר משתנה בקנה אחד עם שינויים מבניים צפויים עם פתולוגיות אלה. מדידה זו של עקומת PV ריאות בעכברים ובכך מספקת אמצעי פשוט לעקוב אחר ההתקדמות של שינויי pathophysiologic לאורך זמן ואת ההשפעה הפוטנציאלית של הליכים טיפוליים.
Introduction
העכבר הוא עכשיו מודל החיה העיקרי של מגוון רחב של מחלות ריאה. במודלים של אמפיזמה או סיסטיק, שינויי פנוטיפי החיוניים מוערכים ביותר על ידי מדידת השינויים בגמישות ריאות. למרות שיש דרכים רבות למדוד גמישות, בשיטה הקלסית היא זה של העקומה כולל לחץ-נפח (PV) הנמדדת מהנפח שיורית (RV) לקיבולת כוללת ריאות (TLC). מדידה זו נעשתה על ריאות מבוגרות מכמעט כל מיני יונקים שראשיתה כמעט 100 שנים 1-3. עקומות PV כזה גם שיחקו תפקיד מרכזי בגילוי וההבנה של הפונקציה של פעילי שטח ריאתי בהתפתחות ריאות של העובר 4-7. למרות החשיבות של עקומת PV כמדידה של פנוטיפ של הריאות, לא חל כל אופן תקני לבצע מדידה זו. זה כבר נעשה פשוט על ידי ניפוח וניכוי הריאות בצעדים בדידים (מחכה זמן משתנה לאיזון אחרי כל אחד) או עם משאבות שברציפות יכול לנפח ולהוציא את האוויר מהריאות. עקומת PV נעשה לעתים קרובות על פני טווח נפח בין אפס וכמה קיבולת ריאות למשתמש להגדיר, אבל משך הזמן של כל לולאת לחץ נפח שדווחה על ידי מעבדות שונות הזמן היה משתנה באופן קיצוני, שונה מכמה שניות 8 עד שעה 2. חוקרים מסוימים מתייחסים לעקומת PV הריאות כוללת זה כסטטי או quasistatic, אבל אלה הם תנאים איכותיים המציעים תובנה קטנה, והם לא בשימוש כאן. בנוסף, עקומת PV לא דווחה בהרחבה בעכבר, למרות שזה יכול לספק מידע שימושי על ההשפעות מקרוסקופית של שינויים מבניים בריאות.
כמה בעיות גרמו לשונות ברכישת עקומת PV כולל: 1) את שיעור אינפלציה והדפלציה; 2) טיולי לחץ אינפלציה ודפלציה; ו 3) האמצעים כדי לקבוע מדידת נפח ריאות מוחלטת. בהווה השיטה כאן, בשיעור של 3 מיליליטר / דקה נבחרה כcompromisדואר, להיות לא יותר מדי קצר שישקף את הגמישות הדינמית הקשורים לאוורור תקין ולא איטי מדי כדי לבצע את המדידה מעשית, במיוחד כאשר בודקים קבוצות גדולות. מאז קיבולת ריאות כוללת נומינלית ב/ 6 עכבר בריא C57BL היא בסדר הגודל של 1.2 מיליליטר 9, שיעור זה בדרך כלל מאפשר לשתי מלאים סגור PV לולאות להיעשות בכ -1.5 דקות.
בספרות המורחבת שבה דווחו עקומות PV, לחץ האינפלציה השיא בשימוש היה מאוד משתנה, משתנה מנמוך כמו 20 ליותר מ 40 סנטימטרים H 2 O. חלק משונות זו עשויה להיות קשור למין, אבל מטרה העיקרית של קביעת הגבול העליון ללחץ עקומות PV היא לנפח את הריאות לקיבולת כוללת ריאות (TLC), או מקסימאלי נפח ריאות. TLC בבני האדם מוגדר על ידי המאמץ מרצון המקסימאלי אדם יכול לעשות, אבל לצערי זה לא יכול להיות מועתק בכל מודל של בעלי חיים. לפיכך, ההיקף המקסימאלי בעקומות PV ניסיוניות הוא להרתיענכרה על ידי לחץ מקסימאלי שנקבע באופן שרירותי על ידי החוקר. המטרה היא לקבוע את לחץ שבו עקומת PV היא שטוחה, אבל לרוע המזל איבר האינפלציה של עקומת PV ריאות של יונקים הוא לא שטוח. כך שרוב החוקרים להגדיר לחץ שבו עקומת האינפלציה מתחילה לרדד באופן משמעותי, בדרך כלל 30 סנטימטרים H 2 O. בעכבר, לעומת זאת, העקום PV הוא עוד יותר מורכב עם דבשת כפולה על איבר האינפלציה, ושבו איבר אינפלציה זו הוא לעתים קרובות עדיין עולה בתלילות ב-30 סנטימטרים H 2 O 10, כך 30 היא לא נקודת סיום טובה ל עקומת PV. מסיבה זו, אנו משתמשים 35 סנטימטרים H 2 O כגבול לחץ לעקומת PV העכבר, שהוא לחץ שבו הגפיים האינפלציה של כל הזנים שנבחנו מתחילים לרדד.
מאז עקומת PV עצמו היא מאוד לא קוי, את המראה של לולאת PV יהיה תלוי בנפח מהמקום שבי העקומה מתחילה. כמה מאווררים מסחריים מאפשרים למשתמשים לעשות לולאות PV גדולות, החל מFRC, אבל אם FRC הנפח אינו ידוע אז זה בלתי אפשרי לפרש שינויים בעקומת PV כזה עם כל פתולוגיה, שכן שינויים אלה פשוט יכולים לנבוע שינוי במתחיל נפח, ולא שינויים מבניים בריאות. כך ללא מדידת נפח מוחלטת, עקומות PV הן כמעט בלתי אפשריות לפרש ולכן יש כלי קטן. אמנם, יש כמה דרכים למדוד כרכי ריאות, אלה הם לעתים קרובות מסורבלים ודורשים ציוד מיוחד. בגישה הפשוטה שתוארה כאן, עקומת PV מתחילה באפס הנפח לאחר in vivo הליך סילוק גזים.
לסיכום, מאמר זה מדגים שיטה פשוטה לתקן מדידת עקומת PV ריאות בעכבר הריאות, ומגדיר מספר מדדים שניתן לחשב מעקום זה שצמוד למבנה ריאות. עקומת PV כך מספקת בדיקת תפקוד ריאתי שיש לו תחולה ישירה ביכולת לזהות שינויים מבניים פנוטיפי בעכברים עם commעל פתולוגיות ריאה כגון אמפיזמה וסיסטיק.
Protocol
Representative Results
Discussion
במאמר זה שיטה לשחזור פשוטה שתוארה למדוד בעכברי שיטה קלסית של גמישות ריאות phenotyping, הכוללת את עקומת PV ריאות. עקומות כזה היו גורם משמעותי בגילוי של פעילי שטח ריאתי וחשיבותה במתן יציבות ריאות. כאן הוא הראה כיצד עקומת PV שימושית גם במתן אמצעים למדידה כמה משתנים הקשורים לגמי…
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).
