En preklinisk modell av ansträngningsrelaterad värmeslag hos möss
Summary
Protokollet beskriver utvecklingen av en standardiserad, repeterbar, preklinisk modell av ansträngningsrelaterad värmeslag (EHS) hos möss fria från negativa yttre stimuli som elektrisk stöt. Modellen ger en plattform för mekanistiska, förebyggande och terapeutiska studier.
Abstract
Värmeslag är den allvarligaste manifestationen av värmerelaterade sjukdomar. Klassisk värmeslag (CHS), även känd som passiv värmeslag, uppstår i vila, medan ansträngningsrelaterad värmeslag (EHS) inträffar under fysisk aktivitet. EHS skiljer sig från CHS i etiologi, klinisk presentation och och sviter av multiorgan dysfunktion. Fram till nyligen har endast modeller av kraftvärmesystem varit väletablerade. Detta protokoll syftar till att ge riktlinjer för en raffinerad preklinisk musmodell av EHS som är fri från stora begränsande faktorer som användning av anestesi, fasthållningsanordningar, rektala sonder eller elektriska stötar. Manliga och kvinnliga C57Bl/6 möss, instrumenterade med kärntemperatur (Tc) telemetriska sonder användes i denna modell. För förtrogenhet med löpläget genomgår möss 3 veckors träning med både frivilliga och tvingade löphjul. Därefter kör möss på ett tvunget hjul inuti en klimatkammare inställd på 37,5 °C och 40%-50% relativ luftfuktighet (RH) tills de visar symptombegränsning (t.ex. medvetslöshet) vid Tc på 42,1-42,5 °C, även om lämpliga resultat kan erhållas vid kammartemperaturer mellan 34,5-39,5 °C och fuktighet mellan 30%- 9%. Beroende på önskad svårighetsgrad avlägsnas möss omedelbart från kammaren för återhämtning i omgivningstemperaturen eller förblir i den uppvärmda kammaren under en längre tid, vilket inducerar en allvarligare exponering och en högre incidens av dödlighet. Resultaten jämförs med skenmatchade övningskontroller (EXC) och/eller naiva kontroller (NC). Modellen speglar många av de patofysiologiska resultaten som observerats i mänskliga EHS, inklusive medvetslöshet, svår hypertermi, multiorganskador samt inflammatorisk cytokinfrisättning och akuta fassvar i immunsystemet. Denna modell är idealisk för hypotesdriven forskning för att testa förebyggande och terapeutiska strategier som kan fördröja uppkomsten av EHS eller minska de multiorganskador som kännetecknar denna manifestation.
Introduction
Värmeslag kännetecknas av dysfunktion i centrala nervsystemet och efterföljande organskador hos hypertermiska ämnen1. Det finns två manifestationer av värmeslag. Klassisk värmeslag (CHS) drabbar mestadels äldre populationer under värmeböljor eller barn som lämnas i solexponerade fordon under varma sommardagar1. Ansträngningsrelaterad värmeslag (EHS) uppstår när det finns en oförmåga att termoregulera tillräckligt under fysisk ansträngning, vanligtvis, men inte alltid, under höga omgivningstemperaturer som resulterar i neurologiska symtom, hypertermi och efterföljande multiorgan dysfunktion och skada2. EHS förekommer i fritids- och elitidrottare samt militär personal och hos arbetare med och utan samtidig uttorkning3,4. EHS är faktiskt den tredje ledande dödsorsaken hos idrottare under fysisk aktivitet5. Det är extremt utmanande att studera EHS hos människor eftersom episoden kan vara dödlig eller leda till långsiktiga negativa hälsoresultat6,7. Därför kan en tillförlitlig preklinisk modell av EHS tjäna som ett värdefullt verktyg för att övervinna begränsningarna av retrospektiva och associativa kliniska observationer hos mänskliga EHS offer. Prekliniska modeller av CHS hos gnagare och grisar har kännetecknats väl8,9,10. Prekliniska modeller av CHS översätts dock inte direkt till EHS-patofysiologi på grund av de unika effekterna av fysisk träning på den termoregulatoriska profilen och medfödda immunsvar11. Dessutom utgjorde tidigare försök att utveckla prekliniska EHS-modeller hos gnagare betydande begränsningar, inklusive överlagrade stressstimuli inducerade av elektrisk stöt, införande av en rektal sond och fördefinierade maximala kärntemperaturer med hög dödlighet12,13,14,15,16 som inte överensstämmer med aktuella epidemiologiska data. Dessa representerar betydande begränsningar som kan förvirra datatolkningen och ge otillförlitliga biomarkörindex. Därför syftar protokollet till att karakterisera och beskriva stegen i en standardiserad, mycket repeterbar och översättningsbar preklinisk modell av EHS hos möss som till stor del är fri från de begränsningar som nämns ovan. Justeringar av modellen som kan resultera i graderade fysiologiska resultat från måttlig till dödlig värmeslag beskrivs. Författarnas kunskap är detta den enda prekliniska modellen av EHS med sådana egenskaper, vilket gör det möjligt att bedriva relevant EHS-forskning på ett hypotesdrivet sätt11,17,18.
Protocol
Representative Results
Discussion
Denna tekniska översyn syftar till att ge riktlinjer för utförandet av en preklinisk modell av EHS hos möss. Detaljerade steg och material som krävs för utförandet av en reproducerbar EHS episod av varierande allvarlighetsgrad anges. Viktigt är att modellen till stor del efterliknar de tecken, symtom och multiorgan dysfunktion som observerats hos mänskliga EHS-offer11,19. Dessutom möjliggör denna modell undersökning av mekanismen bakom kort- och lång…
Declarações
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Detta arbete finansierades av försvarsdepartementet W81XWH-15-2-0038 (TLC) och BA180078 (TLC) och BK och Betty Stevens Endowment (TLC). JMA fick stöd av ekonomiskt stöd från Saudiarabien. Michelle King var vid University of Florida när denna studie genomfördes. Hon är för närvarande anställd vid Gatorade Sports Science Institute, en division av PepsiCo R&D.
Materials
| 1080P HD 4 Security Cameras 4CH Home Video Security Camera System w/ 1TB HDD 2MP Night View Cameras CCTV Surveillance Kit | LaView | ||
| 5-0 Coated Vicryl Violet Braided | Ethicon | ||
| 5-0 Ethilon Nylon suture Black Monofilament | Ethicon | ||
| Adhesive Surgical Drape with Povidone 12×18 | Jorgensen Labset al. | ||
| BK Precision Multi-Range Programmable DC Power Supplies Model 9201 | BK Precision | ||
| DR Instruments Medical Student Comprehensive Anatomy Dissection Kit | DR Instruments | ||
| Energizer Power Supply | Starr Life Sciences | ||
| G2 Emitteret al. | Starr Life Sciences | ||
| Layfayette Motorized Wheel Model #80840B | Layfayette | ||
| Patterson Veterinary Isoflurane | Patterson Veterinary | ||
| Platform receiveret al. | Starr Life Sciences | ||
| Scientific Environmental Chamber Model 3911 | ThermoForma | ||
| Training Wheels | Columbus Inst. |
Referências
- Leon, L. R., Bouchama, A. Heat stroke. Comprehensive Physiology. 5 (2), 611-647 (2015).
- Laitano, O., Leon, L. R., Roberts, W. O., Sawka, M. N. Controversies in exertional heat stroke diagnosis, prevention, and treatment. Journal of Applied Physiology. 127 (5), 1338-1348 (2019).
- King, M. A., et al. Influence of prior illness on exertional heat stroke presentation and outcome. PLOS One. 14 (8), 0221329 (2019).
- Carter, R., et al. Epidemiology of hospitalizations and deaths from heat illness in soldiers. Medicine and Science in Sports and Exercise. 37 (8), 1338-1344 (2005).
- Howe, A. S., Boden, B. P. Heat-related illness in athletes. The American Journal of Sports Medicine. 35 (8), 1384-1395 (2007).
- Wallace, R. F., Kriebel, D., Punnett, L., Wegman, D. H., Amoroso, P. J. Prior heat illness hospitalization and risk of early death. Environmental Research. 104 (2), 290-295 (2007).
- Wang, J. -. C., et al. The association between heat stroke and subsequent cardiovascular diseases. PLOS One. 14 (2), 0211386 (2019).
- Leon, L. R., Blaha, M. D., DuBose, D. A. Time course of cytokine, corticosterone, and tissue injury responses in mice during heat strain recovery. Journal of Applied Physiology. 100 (4), 1400-1409 (2006).
- Leon, L. R., DuBose, D. A., Mason, C. W. Heat stress induces a biphasic thermoregulatory response in mice. American Journal of Physiology. Regulatory, Integrative and Comparative Physiology. 288 (1), 197-204 (2005).
- Leon, L. R., Gordon, C. J., Helwig, B. G., Rufolo, D. M., Blaha, M. D. Thermoregulatory, behavioral, and metabolic responses to heatstroke in a conscious mouse model. American Journal of Physiology. Regulatory, Integrative and Comparative Physiology. 299 (1), 241-248 (2010).
- King, M. A., Leon, L. R., Morse, D. A., Clanton, T. L. Unique cytokine and chemokine responses to exertional heat stroke in mice. Journal of Applied Physiology. 122 (2), 296-306 (2016).
- Costa, K. A., et al. l-Arginine supplementation prevents increases in intestinal permeability and bacterial translocation in Male Swiss mice subjected to physical exercise under environmental heat stress. The Journal of Nutrition. 144 (2), 218-223 (2014).
- Hubbard, R. W. Effects of exercise in the heat on predisposition to heatstroke. Medicine and Science in Sports. 11 (1), 66-71 (1979).
- Hubbard, R. W., et al. Rat model of acute heatstroke mortality. Journal of Applied Physiology: Respiratory, Environmental and Exercise Physiology. 42 (6), 809-816 (1977).
- Hubbard, R. W., et al. Diagnostic significance of selected serum enzymes in a rat heatstroke model. Journal of Applied Physiology: Respiratory, Environmental and Exercise Physiology. 46 (2), 334-339 (1979).
- Hubbard, R. W., et al. Role of physical effort in the etiology of rat heatstroke injury and mortality. Journal of Applied Physiology: Respiratory, Environmental and Exercise Physiology. 45 (3), 463-468 (1978).
- Garcia, C. K., et al. Sex-dependent responses to exertional heat stroke in mice. Journal of Applied Physiology. 125 (3), 841-849 (2018).
- Garcia, C. K., et al. Effects of Ibuprofen during Exertional Heat Stroke in Mice. Medicine and Science in Sports and Exercise. 52 (9), 1870-1878 (2020).
- King, M. A., Leon, L. R., Mustico, D. L., Haines, J. M., Clanton, T. L. Biomarkers of multi-organ injury in a pre-clinical model of exertional heat stroke. Journal of Applied Physiology. 118 (10), (2015).
- Murray, K. O., et al. Exertional heat stroke leads to concurrent long-term epigenetic memory, immunosuppression and altered heat shock response in female mice. The Journal of Physiology. 599 (1), 119-141 (2021).
- Leon, L. R., DuBose, D. A., Mason, C. W. Heat stress induces a biphasic thermoregulatory response in mice. American Journal of Physiology-Regulatory, Integrative and Comparative Physiology. 288, 197-204 (2005).
- Laitano, O., et al. Delayed metabolic dysfunction in myocardium following exertional heat stroke in mice. The Journal of Physiology. 598 (5), 967-985 (2020).
- Iwaniec, J., et al. Acute phase response to exertional heat stroke in mice. Experimental Physiology. 106 (1), 222-232 (2020).
- He, S. -. X., et al. Optimization of a rhabdomyolysis model in mice with exertional heat stroke mouse model of EHS-rhabdomyolysis. Frontiers in Physiology. 11, (2020).
- Lopez, J. R., Kaura, V., Diggle, C. P., Hopkins, P. M., Allen, P. D. Malignant hyperthermia, environmental heat stress, and intracellular calcium dysregulation in a mouse model expressing the p.G2435R variant of RYR1. British Journal of Anaesthesia. 121 (4), 953-961 (2018).
- Laitano, O., Murray, K. O., Leon, L. R. Overlapping mechanisms of exertional heat stroke and malignant hyperthermia: evidence vs. conjecture. Sports Medicine. 50 (9), 115-123 (2020).
- Casa, D. J., Armstrong, L. E., Kenny, G. P., O’Connor, F. G., Huggins, R. A. Exertional heat stroke: new concepts regarding cause and care. Current Sports Medicine Reports. 11 (3), 115-123 (2012).
