Eine standardisierte Methode zur Messung der inneren Lungenoberfläche über Maus Pneumonektomie und Prothesenimplantation
Summary
Die interne Lungenoberfläche (ISA) ist ein kritisches Kriterium für die Beurteilung der Lungenmorphologie und der Physiologie bei Lungenkrankheiten und der verletzungsinduzierten alveolären Regeneration. Wir beschreiben hier eine standardisierte Methode, die die Messvorspannung für ISA sowohl in der Lungenpneumonektomie als auch in den Prothesenimplantationsmausmodellen minimieren kann.
Abstract
Pulmonary morphology, physiology, and respiratory functions change in both physiological and pathological conditions. Internal lung surface area (ISA), representing the gas-exchange capacity of the lung, is a critical criterion to assess respiratory function. However, observer bias can significantly influence measured values for lung morphological parameters. The protocol that we describe here minimizes variations during measurements of two morphological parameters used for ISA calculation: internal lung volume (ILV) and mean linear intercept (MLI). Using ISA as a morphometric and functional parameter to determine the outcome of alveolar regeneration in both pneumonectomy (PNX) and prosthesis implantation mouse models, we found that the increased ISA following PNX treatment was significantly blocked by implantation of a prosthesis into the thoracic cavity1. The ability to accurately quantify ISA is not only expected to improve the reliability and reproducibility of lung function studies in injured-induced alveolar regeneration models, but also to promote mechanistic discoveries of multiple pulmonary diseases.
Introduction
Die Grundfunktion der Lunge ist der Austausch von Sauerstoff und Kohlendioxid zwischen Blutgefäßen und der Atmosphäre. Lungenerkrankungen wie bronchopulmonale Dysplasie (BPD), chronisch obstruktive Lungenkrankheit (COPD) und akute Atemwegsinfektionen führen zu einer verminderten ISA 2 . Forscher, die Lungenkrankheit studieren, haben mehrere quantitative Methoden entwickelt, um morphologische Veränderungen in den Lungen, einschließlich MLI, ILV, Anzahl der Gasaustauscheinheiten, ISA und Lungengewebe Compliance 2 , 3 zu bewerten. Pionierstudien von Weibel et al. 4 und Duguid et al. 5 zusammen festgestellt, dass ISA als direkte Maßnahme der Lungengasaustauschkapazität in menschlichen Lungen verwendet werden kann und als Kriterium für die Bestimmung des Emphysemschweregrads verwendet werden kann. Eine Reihe von Studien, die in den letzten fünf Jahren veröffentlicht wurden, verwendeten Lungen-morphologische Parameter ( z. </eM> ISA und MLI) zur Beurteilung morphologischer und funktioneller Veränderungen in der Lunge von Mäusen während der Entwicklung 6 und während der Erholung von Verletzungen PNX 1 , 7 . ISA wird nach Gleichung 1 8 , 9 berechnet:
, Wobei ILV das interne Lungenvolumen ist und MLI ein Zwischenparameter ist, der die pulmonale periphere Luftraumgröße 10 darstellt .
PNX, die chirurgische Entfernung von einem oder mehreren Lungenlappen, wurde weithin berichtet, um eine alveoläre Regeneration bei vielen Spezies, einschließlich der Menschen 11 , Mäuse 1 , Hunde 12 , Ratten 13 und Kaninchen 14 , 15 zu induzieren. Ein BolzenY von Mäusen Lungen an vierzehn Tagen nach PNX zeigte, dass sowohl die Erweiterung der bereits bestehenden Alveolen und die de novo Bildung von Alveolen zur Wiederherstellung von ISA, ILV und die Anzahl der Alveolen in den verbleibenden Lungengewebe 1 beitragen. Wir und andere haben gezeigt, dass die Einfügung von Materialien wie Schwamm, Wachs oder einer kundenspezifischen Prothese in die leere Thoraxhöhle nach PNX ( dh Prothesenimplantation) die Alveolenregeneration beeinträchtigt. Es ist nun fest etabliert, dass die mechanische Kraft als einer der wichtigsten Faktoren für die Initiierung der Alveolenregeneration 1 , 16 , 17 fungiert . Solche Studien haben die Wirksamkeit der Verwendung von ISA-Werten aus PNX-behandelten und Prothesen-implantierten Lungen als Kriterium zur quantitativen Bewertung der Alveolenregeneration hervorgehoben.
Observer Bias ist bekannt, um signifikante Einfluss gemessen vaFür lungenmorphologische Parameter ( zB MIL und ILV). Standardisierte Protokolle können verwendet werden, um diese Vorspannung bei der Bestimmung sowohl ILV und MLI, die die beiden Parameter bei der Berechnung von ISA verwendet werden, zu vermeiden. Hier stellen wir hoch detaillierte, standardisierte Protokolle zur Messung dieser Lungenparameter zur Verfügung. Wichtig ist, dass die Fähigkeit, ISA genau zu quantifizieren, die Zuverlässigkeit und Reproduzierbarkeit von Studien der Lungenfunktion in verletzungsinduzierten alveolären Regenerationsmodellen zu verbessern und mechanistische Entdeckungen bei multiplen Lungenerkrankungen zu erleichtern.
Protocol
Representative Results
Discussion
In diesem Protokoll liefern wir detaillierte Beschreibungen über die Messung der pulmonalen Parameter nach der Maus links Lunge PNX und Prothese Implantation. ISA gilt heute als Schlüsselmetrik für die Beurteilung der Atemfunktion bei vielen Lungenerkrankungen und bei der Verletzungsinduzierten alveolären Regeneration. Obwohl die Lungenforschungsgemeinschaft sich über die Nützlichkeit von ISA als nützliche Metrik einverstanden ist, gab es bislang nur wenig die Standardisierung der Messung von ILV und MLI, die bei…
Declarações
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Die Autoren möchten das National Institute of Biological Sciences, Peking für die Unterstützung anerkennen. Diese Arbeit wurde von Beijing Municipal Natural Science Foundation (Nr. Z17110200040000) unterstützt.
Materials
| Low cost cautery kit | Fine Science Tools | 18010-00 | |
| Noyes scissors | Fine Science Tools | 15012-12 | |
| Standard pattern forceps | Fine Science Tools | 11000-12 | |
| Castroviejo Micro Needle Holders | Fine Science Tools | 12060-01 | |
| Vessel clips | Fine Science Tools | 18374-44 | |
| I. V. Cannula-20 gauge | Jinhuan Medical Product Co., LTD. | 29P0601 | |
| Surgical suture | Jinhuan Medical Product Co., LTD. | F602 | |
| Mouse intubation platform | Penn-Century, Inc | Model MIP | |
| Small Animal Laryngoscope | Penn-Century, Inc | Model LS-2-M | |
| TOPO Small Animal Ventilator | Kent Scientific | RSP1006-05L | |
| Thermal pad | Stuart equipment | SBH130D | |
| Pentobarbital sodium salt | Sigma | P3761 | |
| Heparin sodium salt | Sigma | H3393 | |
| Hematoxylin Solution | Sigma | GHS132 | |
| Eosin Y solution, alcoholic | Sigma | HT110116 | |
| 10 ml Pipette | Thermo Scientific | 170356 | |
| Paraformaldehyde | Sigma | P6148 | |
| O.C.T Compound | Tissue-Tek | 4583 | |
| cryosection machine | Leica | CM1950 | |
| Disposable Base Molds | Fisher HealthCare | 22-363-553 | |
| 18 gauge needle | Becton Dickinson | 305199 | |
| Povidone iodine | Fisher Scientific | 19-027132 | |
| 70% ethanol | Fisher Scientific | BP82011 | |
| Infusion sets for single use | Weigao | SFDA 2012 3661704 | |
| Phosphate buffered saline | Gibco | 10010023 | |
| Tapes | 3M Scotch | 8915 | |
| Cotton pad | Vinda | Dr.P | |
| Silicone prosthesis | Custom made | ||
| Brightfield microscope | Olympus | VS120 | |
| Ruler tool | Adobe Photoshop |
Referências
- Liu, Z., et al. MAPK-Mediated YAP Activation Controls Mechanical-Tension-Induced Pulmonary Alveolar Regeneration. Cell Rep. 16 (7), 1810-1819 (2016).
- Thurlbeck, W. M. Internal surface area and other measurements in emphysema. Thorax. 22 (6), 483-496 (1967).
- Knudsen, L., Weibel, E. R., Gundersen, H. J. G., Weinstein, F. V., Ochs, M. Assessment of air space size characteristics by intercept (chord) measurement: an accurate and efficient stereological approach. J Appl Physiol. 108 (2), 412-421 (2010).
- Weibel, E. R. . Morphometry of the Human Lung. , (1963).
- Duguid, J. B., Young, A., Cauna, D., Lambert, M. W. The internal surface area of the lung in emphysema. J Pathol Bacteriol. 88, 405-421 (1964).
- Branchfield, K., et al. Pulmonary neuroendocrine cells function as airway sensors to control lung immune response. Science. 351 (6274), 707-710 (2016).
- Ding, B. -. S., et al. Endothelial-derived angiocrine signals induce and sustain regenerative lung alveolarization. Cell. 147 (3), 539-553 (2011).
- Dunnill, M. S. Quantitative methods in the study of pulmonary pathology. Thorax. 17 (4), 320-328 (1962).
- Weibel, E. R., Gomez, M. Architecture of the human lung. Use of quantitative methods establishes fundamental relations between size and number of lung structures. Science. 137 (3530), 577-585 (1962).
- Thurlbeck, W. M. The internal surface area of nonemphysematous lungs. Am Rev Respir Dis. 95 (5), 765-773 (1967).
- Butler, J. P., et al. Evidence for adult lung growth in humans. N Engl J Med. 367 (16), 244-247 (2012).
- Hsia, C. C. W., Herazo, L. F., Fryder-Doffey, F., Weibel, E. R. Compensatory lung growth occurs in adult dogs after right pneumonectomy. J Clin Invest. 94 (1), 405-412 (1994).
- Thurlbeck, S. W. M. Pneumonectomy in Rats at Various Ages. Am Rev Respir Dis. 120 (5), 1125-1136 (1979).
- Cagle, P. T., Langston, C., Thurlbeck, W. M. The Effect of Age on Postpneumonectomy Growth in Rabbits. Pediatr Pulmonol. 5 (2), 92-95 (1988).
- Langston, C., et al. Alveolar multiplication in the contralateral lung after unilateral pneumonectomy in the rabbit. Am Rev Respir Dis. 115 (1), 7-13 (1977).
- Cohn, R. Factors Affecting The Postnatal Growth of The Lung. Anatomical Record. 75 (2), 195-205 (1939).
- Hsia, C. C., Wu, E. Y., Wagner, E., Weibel, E. R. Preventing mediastinal shift after pneumonectomy impairs regenerative alveolar tissue growth. Am J Physiol Lung Cell Mol Physiol. 281 (5), L1279-L1287 (2001).
- Das, S., MacDonald, K., Chang, H. -. Y. S., Mitzner, W. A simple method of mouse lung intubation. J Vis Exp. (73), e50318 (2013).
- Liu, S., Cimprich, J., Varisco, B. M. Mouse pneumonectomy model of compensatory lung growth. J Vis Exp. (94), (2014).
- Silva, M. F. R., Zin, W. A., Saldiva, P. H. N. Airspace configuration at different transpulmonary pressures in normal and paraquat-induced lung injury in rats. Am J Respir Crit Care Med. 158 (4), 1230-1234 (1998).
- Yilmaz, C., et al. Noninvasive quantification of heterogeneous lung growth following extensive lung resection by high-resolution computed tomography. J Appl Physiol. 107 (5), 1569-1578 (2009).
- Voswinckel, R., et al. Characterisation of post-pneumonectomy lung growth in adult mice. Eur Respir J. 24 (4), 524-532 (2004).
- Ravikumar, P., et al. Regional Lung Growth and Repair Regional lung growth following pneumonectomy assessed by computed tomography. J Appl Physiol. 97, 1567-1574 (2004).
- Gibney, B. C., et al. Detection of murine post-pneumonectomy lung regeneration by 18FDG PET imaging. EJNMMI Res. 2 (1), (2012).
- Muñoz-Barrutia, A., Ceresa, M., Artaechevarria, X., Montuenga, L. M., Ortiz-De-Solorzano, C. Quantification of lung damage in an elastase-induced mouse model of emphysema. Int J Biomed Imaging. 2012, (2012).
