Meting van de druk-volume curve in muizenlongen
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
In de afgelopen decennia is de muis wordt de primaire diermodel van verschillende longziekten. In modellen van emfyseem of fibrose, worden de essentiële fenotypische veranderingen beste beoordeeld door het meten van de veranderingen in de longen elasticiteit. Om zo goed begrijpen specifieke mechanismen die een dergelijke pathologieën bij muizen, is het essentieel om functionele metingen die de ontwikkeling pathologie kan reflecteren maken. Hoewel er vele manieren om elasticiteit te meten, de klassieke methode is dat de totale long druk-volume (PV) curve uitgevoerd over het gehele bereik van longvolumes. Deze meting is uitgevoerd op volwassen longen uit bijna alle soorten zoogdieren dateert uit bijna 100 jaar, en dergelijke PV bochten speelde ook een belangrijke rol in de ontdekking en het begrip van de functie van pulmonaire oppervlakteactieve stof in de foetale ontwikkeling van de longen. Helaas, zoals totale PV curves zijn niet uitgebreid in de muis, hoewel zij nuttige informatie over de macrosc kan biedenOPIC effecten van structurele veranderingen in de longen. Hoewel gedeeltelijke PV curves van slechts veranderingen in longvolume soms worden gerapporteerd, zonder maat absolute termen, de niet-lineaire aard van de totale PV kromme maakt deze gedeeltelijke aard moeilijk te interpreteren. In deze studie beschrijven we een gestandaardiseerde manier om de totale PV curve gemeten. We hebben vervolgens getest het vermogen van deze curves veranderingen in muizenlong structuurverschillen in twee algemene long pathologieën, emfyseem en fibrose. De resultaten toonden significante veranderingen in verscheidene variabelen in overeenstemming met de verwachte structurele veranderingen van deze pathologieën. Deze meting van de long PV kromme bij muizen verschaft aldus een eenvoudige manier om de progressie van de pathofysiologische veranderingen in de tijd en het potentiële effect van therapeutische procedures volgen.
Introduction
De muis is nu de belangrijkste diermodel van verschillende longziekten. In modellen van emfyseem of fibrose, worden de essentiële fenotypische veranderingen beste beoordeeld door het meten van de veranderingen in de longen elasticiteit. Hoewel er vele manieren om elasticiteit te meten, de klassieke methode is dat de totale druk-volume (PV) curve gemeten van residuale volume (RV) tot de totale longcapaciteit (TLC). Deze meting is uitgevoerd op volwassen longen uit bijna alle soorten zoogdieren dateert uit bijna 100 jaar 1-3. Dergelijke PV curves speelde ook een belangrijke rol in de ontdekking en het begrip van de functie van pulmonaire oppervlakteactieve stof in de foetale ontwikkeling van de longen 4-7. Ondanks het belang van het PV-curve als een meting van het fenotype van de long, is er geen gestandaardiseerde manier om deze meting uit te voeren. Het is gewoon gedaan door het opblazen en leeg laten lopen van de long met discrete stappen (wacht een variabele tijd evenwichtstoestand na elk) of met pompen diekan continu opblazen en leeglopen van de long. De PV kromme wordt vaak gedaan via een volumebereik tussen nul en enkele door de gebruiker te definiëren longcapaciteit, maar de tijdsduur van elke druk volume curve gerapporteerd door verschillende laboratoria is zeer wisselend, variërend van enkele seconden tot 8 uur 2. Sommige onderzoekers verwijzen naar dit totaal long PV-curve als statische of quasi-statische, maar deze zijn kwalitatieve termen die weinig inzicht bieden, en ze zijn hier niet gebruikt. Bovendien, de PV curve niet uitgebreid in de muis, hoewel zij nuttige informatie over de macroscopische effecten van structurele veranderingen in de longen kan bieden.
Verschillende problemen hebben geleid tot variabiliteit in PV curve verwerven, waaronder: 1) de inflatie en deflatie; 2) de druk excursies voor inflatie en deflatie; en 3) middelen om een absolute longvolume gemeten bepalen. In de onderhavige hier werkwijze een snelheid van 3 ml / min werd gekozen als een compromise, het zijn niet te kort om de dynamische elasticiteit geassocieerd met normale ventilatie en niet te langzaam weerspiegelen met betrekking tot de meting onpraktisch maken, in het bijzonder bij het bestuderen van grote cohorten. Aangezien een nominale totale longcapaciteit in een C57BL / 6 gezonde muis in de orde van 1,2 ml 9 Dit percentage kan typisch twee volledig gesloten PV lussen worden gedaan in ongeveer 1,5 minuten.
In de uitgebreide literatuur waarin PV curves gemeld, is de piek bandenspanning gebruikt uiterst variabel zijn, variërend van zo laag als 20 tot meer dan 40 cm H2O Een deel van deze variabiliteit kan worden gerelateerd aan soorten, maar een primair doel van het instellen van de bovenste druklimiet voor PV krommen de long totale longcapaciteit (TLC) of maximale longvolume blazen. De TLC bij mensen wordt bepaald door de maximale vrijwillige inspanning een individu, maar helaas kan nooit worden gedupliceerd in een diermodel. Zo is het maximale volume experimentele PV krommen afschrikkenbepaald door een maximale druk willekeurig door de onderzoeker ingesteld. Het doel is om een druk waar de PV-curve vlak ingesteld, maar helaas is de inflatie onderdeel van een zoogdier long PV-curve is nooit vlak. Dus de meeste onderzoekers stellen een druk waar de inflatie curve begint te substantieel plat, meestal 30 cm H 2 O. In de muis, maar de PV curve nog ingewikkelder met dubbele bult op de inflatie lidmaat, en indien inflatie onderdeel wordt vaak nog sterk stijgende 30 cm H2O 10, dus 30 geen goed eindpunt voor de PV curve. Daarom gebruiken we 35 cm H2O als de druk voor de muis PV curve, een druk waarbij de inflatie ledematen van alle stammen we onderzocht beginnen te vlakken.
Aangezien de PV curve zelf is zeer lineair, het uiterlijk van een PV lus afhankelijk van het volume waar de curve begint. Sommige commerciële ventilatoren gebruikers in staat om grote PV lussen doen, te beginnen met FRC, maar als de FRC volume bekend is het onmogelijk om veranderingen in zulke PV kromme met elke pathologie interpreteren, aangezien deze veranderingen eenvoudig kan resulteren uit een verandering in startvolume en niet structurele veranderingen in de longen. Dus zonder een absolute volume meting, PV curves zijn bijna onmogelijk te interpreteren en hebben dus weinig nut. Hoewel er verschillende manieren om longvolumes meten, deze vaak omslachtig en vereisen speciale uitrusting. In de eenvoudige benadering beschreven, de PV curve begint bij nul volume na een in vivo ontgassingsprocedure.
Kortom, dit document toont een eenvoudige methode long PV curve meting standaardiseren in de muizenlong en definieert verschillende metrieken die kunnen worden berekend uit deze curve die verband houden longstructuur. De PV kromme verschaft aldus een longfunctie test die rechtstreeks in het te kunnen fenotypische structurele veranderingen te detecteren in muizen met comm heefton long ziekten zoals emfyseem en fibrose.
Protocol
Representative Results
Discussion
In dit artikel een eenvoudige reproduceerbare methode is beschreven te meten muizen een klassieke methode van fenotypering longelasticiteit, de totale long PV curve. Dergelijke krommen droegen bij de ontdekking van pulmonair surfactant en het belang verstrekken long stabiliteit. Hier wordt getoond hoe de PV kromme is ook nuttig in een middel om meerdere variabelen in verband met longelasticiteit bij volwassen muizen longen meten. Er zijn zeer significante veranderingen in alle variabelen van twee veelgebruikte muismodel…
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).
