Een preklinisch model van inspanningswarmteslag bij muizen
Summary
Het protocol beschrijft de ontwikkeling van een gestandaardiseerd, herhaalbaar, preklinisch model van inspanningswarmteberoerte (EHS) bij muizen die vrij zijn van ongunstige externe stimuli zoals elektrische schokken. Het model biedt een platform voor mechanistische, preventieve en therapeutische studies.
Abstract
Hitteberoerte is de meest ernstige manifestatie van hittegerelateerde ziekten. Klassieke hitteberoerte (CHS), ook bekend als passieve hitteberoerte, treedt op in rust, terwijl inspanningswarmteberoerte (EHS) optreedt tijdens fysieke activiteit. EHS verschilt van CHS in etiologie, klinische presentatie en gevolgen van multi-orgaandisfunctie. Tot voor kort waren alleen modellen van CHS goed ingeburgerd. Dit protocol is bedoeld om richtlijnen te bieden voor een verfijnd preklinisch muismodel van EHS dat vrij is van belangrijke beperkende factoren zoals het gebruik van anesthesie, terughoudendheid, rectale sondes of elektrische schokken. Mannelijke en vrouwelijke C57Bl/6-muizen, geïnstrumenteerd met kerntemperatuur (Tc) telemetrische sondes werden gebruikt in dit model. Om vertrouwd te raken met de loopmodus ondergaan muizen 3 weken training met zowel vrijwillige als geforceerde loopwielen. Daarna lopen muizen op een geforceerd wiel in een klimaatkamer die is ingesteld op 37,5 °C en 40%-50% relatieve vochtigheid (RV) totdat ze symptoombeperking vertonen (bijv. Bewustzijnsverlies) bij Tc van 42,1-42,5 °C, hoewel geschikte resultaten kunnen worden verkregen bij kamertemperaturen tussen 34,5-39,5 °C en vochtigheid tussen 30% -90%. Afhankelijk van de gewenste ernst worden muizen onmiddellijk uit de kamer verwijderd voor herstel bij omgevingstemperatuur of blijven ze langer in de verwarmde kamer, wat een ernstiger blootstelling en een hogere incidentie van mortaliteit veroorzaakt. De resultaten worden vergeleken met sham-matched exercise controls (EXC) en/of naïeve controls (NC). Het model weerspiegelt veel van de pathofysiologische uitkomsten die worden waargenomen bij menselijke EHS, waaronder bewustzijnsverlies, ernstige hyperthermie, schade aan meerdere organen en inflammatoire cytokine-afgifte en acute faseresponsen van het immuunsysteem. Dit model is ideaal voor hypothesegedreven onderzoek om preventieve en therapeutische strategieën te testen die het begin van EHS kunnen vertragen of de multi-orgaanschade die deze manifestatie kenmerkt, kunnen verminderen.
Introduction
Hitteberoerte wordt gekenmerkt door disfunctie van het centrale zenuwstelsel en daaropvolgende orgaanschade bij hypertherme proefpersonen1. Er zijn twee manifestaties van een zonnesteek. Klassieke hitteberoerte (CHS) treft vooral oudere bevolkingsgroepen tijdens hittegolven of kinderen die tijdens warme zomerdagen in aan de zon blootgestelde voertuigen worden achtergelaten1. Exertional heat stroke (EHS) treedt op wanneer er een onvermogen is om adequaat te thermoreguleren tijdens fysieke inspanning, meestal, maar niet altijd, onder hoge omgevingstemperaturen die resulteren in neurologische symptomen, hyperthermie en daaropvolgende multi-orgaandisfunctie en schade2. EHS komt voor bij recreatieve en topsporters, maar ook bij militairen en bij arbeiders met en zonder gelijktijdige uitdroging3,4. EHS is inderdaad de derde belangrijkste doodsoorzaak bij atleten tijdens fysieke activiteit5. Het is uiterst uitdagend om EHS bij mensen te bestuderen, omdat de episode dodelijk kan zijn of kan leiden tot negatieve gezondheidsresultaten op lange termijn6,7. Daarom zou een betrouwbaar preklinisch model van EHS kunnen dienen als een waardevol hulpmiddel om de beperkingen van retrospectieve en associatieve klinische observaties bij menselijke EHS-slachtoffers te overwinnen. Preklinische modellen van CHS bij knaagdieren en varkens zijn goed gekarakteriseerd8,9,10. Preklinische modellen van CHS vertalen zich echter niet direct in EHS-pathofysiologie vanwege de unieke effecten van lichaamsbeweging op het thermoregulatorische profiel en de aangeboren immuunrespons11. Bovendien stelden eerdere pogingen om preklinische EHS-modellen bij knaagdieren te ontwikkelen aanzienlijke beperkingen, waaronder gesuperponeerde stressstimuli veroorzaakt door elektrische schokken, het inbrengen van een rectale sonde en vooraf gedefinieerde maximale kernlichaamstemperaturen met hogesterftecijfers 12,13,14,15,16 die niet overeenkomen met de huidige epidemiologische gegevens. Deze vertegenwoordigen aanzienlijke beperkingen die de interpretatie van gegevens kunnen verstoren en onbetrouwbare biomarkerindexen kunnen opleveren. Daarom is het protocol gericht op het karakteriseren en beschrijven van de stappen van een gestandaardiseerd, zeer herhaalbaar en vertaalbaar preklinisch model van EHS bij muizen dat grotendeels vrij is van de hierboven genoemde beperkingen. Aanpassingen aan het model die kunnen resulteren in graduele fysiologische uitkomsten van matige tot fatale hitteberoerte worden beschreven. Voor zover de auteurs weten, is dit het enige preklinische model van EHS met dergelijke kenmerken, waardoor het mogelijk is om relevant EHS-onderzoek op een hypothesegestuurde manier voort te zetten11,17,18.
Protocol
Representative Results
Discussion
Deze technische review heeft tot doel richtlijnen te geven voor de prestaties van een preklinisch model van EHS bij muizen. Gedetailleerde stappen en materialen die nodig zijn voor de uitvoering van een reproduceerbare EHS-episode van variabele ernst worden verstrekt. Belangrijk is dat het model grotendeels de tekenen, symptomen en multi-orgaandisfunctie nabootst die worden waargenomen bij menselijke EHS-slachtoffers11,19. Bovendien maakt dit model het mogelijk o…
Declarações
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Dit werk werd gefinancierd door het Ministerie van Defensie W81XWH-15-2-0038 (TLC) en BA180078 (TLC) en de BK en Betty Stevens Endowment (TLC). JMA werd ondersteund door financiële hulp van het Koninkrijk Saoedi-Arabië. Michelle King was bij de Universiteit van Florida op het moment dat deze studie werd uitgevoerd. Ze is momenteel in dienst van het Gatorade Sports Science Institute, een divisie van 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).
