توصيف سريع للمرونة اللزجة لمخاط مجرى الهواء باستخدام مقياس الريومتر على الطاولة
Summary
تلعب الخصائص اللزجة المرنة للمخاط دورا حاسما في إزالة الغشاء المخاطي الهدبي. ومع ذلك ، تتطلب تقنيات ريولوجية المخاط التقليدية مناهج معقدة وتستغرق وقتا طويلا. توفر هذه الدراسة بروتوكولا مفصلا لاستخدام مقياس الريومتر الموجود على الطاولة والذي يمكنه إجراء قياسات مرنة لزجة بسرعة وموثوقية.
Abstract
في أمراض الرئة المخاطية الانسدادية (مثل الربو ومرض الانسداد الرئوي المزمن والتليف الكيسي) وأمراض الجهاز التنفسي الأخرى (مثل الالتهابات الفيروسية / البكتيرية) ، يتم تغيير الخصائص الفيزيائية الحيوية للمخاطس عن طريق فرط إفراز الخلايا الكأسية ، وجفاف مجرى الهواء ، والإجهاد التأكسدي ، ووجود الحمض النووي خارج الخلية. أظهرت الدراسات السابقة أن مرونة لزوجة البلغم ترتبط بوظيفة الرئة وأن العلاجات التي تؤثر على ريولوجيا البلغم (على سبيل المثال ، حال للبلغم) يمكن أن تؤدي إلى فوائد سريرية ملحوظة. بشكل عام، تستخدم القياسات الريولوجية للسوائل غير النيوتونية مناهج مفصلة تستغرق وقتا طويلا (على سبيل المثال، مقاييس الريومتر المتوازية/المخروطية و/أو تتبع الجسيمات الميكروبية) التي تتطلب تدريبا مكثفا لإجراء الفحص وتفسير البيانات. اختبرت هذه الدراسة موثوقية وقابلية التكرار والحساسية ل Rheomuco ، وهو جهاز سهل الاستخدام على الطاولة مصمم لإجراء قياسات سريعة باستخدام التذبذب الديناميكي مع مسح إجهاد القص لتوفير وحدات مرنة لزجة خطية (G و G و G * و tan δ) وخصائص نقطة الهلام (γ c و σc) للعينات السريرية في غضون 5 دقائق. تم التحقق من أداء الجهاز باستخدام تركيزات مختلفة من محاكي المخاط ، و 8 MDa أكسيد البولي إيثيلين (PEO) ، وضد قياسات الريولوجيا السائبة التقليدية. ثم تم تقييم العزل السريري الذي تم حصاده من مريض بالتنبيب مصاب بحالة الربو (SA) في قياسات ثلاثية ومعامل التباين بين القياسات هو <10٪. أدى الاستخدام خارج الجسم الحي لعامل قوي للحد من المخاط ، TCEP ، على مخاط SA إلى انخفاض خمسة أضعاف في معامل المرونة وتغيير نحو سلوك أكثر “شبها بالسائل” بشكل عام (على سبيل المثال ، ارتفاع δ السمرة). تظهر هذه النتائج مجتمعة أن مقياس الريومتر الذي تم اختباره على الطاولة يمكن أن يجعل مقاييس موثوقة لمرونة لزوجة المخاط في الإعدادات السريرية والبحثية. باختصار ، يمكن استخدام البروتوكول الموصوف لاستكشاف آثار الأدوية المخاطية (على سبيل المثال ، rhDNase ، N-acetyl cysteine) في الموقع لتكييف العلاج على أساس كل حالة على حدة ، أو في الدراسات قبل السريرية للمركبات الجديدة.
Introduction
أمراض انسداد مجرى الهواء المخاطي، بما في ذلك الربو ومرض الانسداد الرئوي المزمن (COPD) والتليف الكيسي (CF)، وغيرها من أمراض الجهاز التنفسي، مثل الالتهاب الرئوي الفيروسي والبكتيري، هي المخاوف الصحية السائدة في جميع أنحاء العالم. في حين أن الفيزيولوجيا المرضية تختلف اختلافا كبيرا بين كل حالة ، فإن السمة الرئيسية الشائعة هي إزالة الغشاء المخاطي الهدبي غير الطبيعي. في الرئتين السليمتين، يبطن المخاط ظهارة مجرى الهواء لحبس الجسيمات المستنشقة وتوفير حاجز مادي ضد مسببات الأمراض. بمجرد إفرازه ، يتم نقل مخاط مجرى الهواء ، الذي يتكون من ~ 97.5٪ ماء ، و 0.9٪ ملح ، و ~ 1.1٪ بروتينات كروية ، و ~ 0.5٪ mucins ، تدريجيا نحو المزمار عن طريق الضرب المنسق للأهداب 1,2. Mucins هي بروتينات سكرية كبيرة مرتبطة ب O تتفاعل عبر روابط غير تساهمية وتساهمية لتوفير الخصائص اللزجة المرنة المميزة للمخاط ، وهو أمر مطلوب للنقل الفعال3. التغيرات في البنية الفائقة لشبكة المخاط الناجمة عن تغيير نقل الأيونات ، أو تكشف الميوسين ، أو التفاعلات الكهروستاتيكية ، أو الربط المتقاطع ، أو التغيرات في التركيب يمكن أن تؤثر بشكل كبير على مرونة لزوجة المخاط وتضعف إزالة الغشاء المخاطي الهدبي 4,5. وبالتالي ، فإن تحديد التغيرات في الخصائص الفيزيائية الحيوية لمخاط مجرى الهواء أمر ضروري لفهم التسبب في المرض واختبار المركبات المخاطية النشطةالجديدة 6.
عوامل مختلفة يمكن أن تؤدي إلى إنتاج مخاط شاذ في الرئتين. في مرض الانسداد الرئوي المزمن ، يؤدي الاستنشاق المزمن لدخان السجائر إلى فرط إفراز المخاط نتيجة لاحتقان الخلايا الكأسية ، وكذلك جفاف مجرى الهواء عن طريق خفض تنظيم قناة منظم التوصيل عبر الغشاء للتليف الكيسي (CFTR) ، مما يسبب فرط تركيز المخاط وانسداد مجرى الهواء الصغير 7,8. وبالمثل ، يتميز CF ، وهو اضطراب وراثي مرتبط بالطفرات في جين CFTR ، بإنتاج مخاط لزج ملتصق غير كاف للنقل 8,9. باختصار ، يؤدي خلل CFTR إلى استنفاد سائل سطح مجرى الهواء ، وتشابك الميوسين البوليمري ، وزيادة التفاعلات الكيميائية الحيوية ، مما يؤدي إلى التهاب مزمن والتهابات بكتيرية. بالإضافة إلى ذلك ، تزيد الخلايا الالتهابية المحاصرة في المخاط الثابت من تفاقم مرونة لزوجة المخاط عن طريق إضافة جزيء كبير آخر ، الحمض النووي ، إلى مصفوفة الجل ، مما يؤدي إلى تفاقم انسداد مجرى الهواء5. يتم توفير أحد أفضل الأمثلة على أهمية ريولوجيا المخاط على الصحة العامة للرئتين من خلال مثال DNFase البشري المؤتلف (rhDNase) في علاج مرضى التليف الكيسي. تم إثبات آثار rhDNase لأول مرة خارج الجسم الحي على البلغم المتوقع ، والذي أظهر انتقالا من المخاط اللزج إلى سائل متدفق في غضون دقائق10,11. أظهرت التجارب السريرية على مرضى التليف الكيسي أن تقليل مرونة لزوجة مخاط مجرى الهواء مع استنشاق الحمض النووي الريبوزي منقوص من معدل التفاقم الرئوي ، وتحسين وظائف الرئة ورفاهية المريض بشكل عام12،13،14. ونتيجة لذلك ، أصبح استنشاق الحمض النووي الريبوزي منقوص الأكسجين الذي يهدف إلى تسهيل الإزالة هو معيار الرعاية لمرضى التليف الكيسي لأكثر من عقدين. لوحظت فوائد سريرية مماثلة مع استخدام محلول ملحي مفرط التوتر مستنشق لترطيب المخاط في التليف الكيسي ، والذي ارتبط بالتغيرات في الخصائص الريولوجية وأدى إلى تسريع إزالة الغشاء المخاطي الهدبي وتحسين وظائف الرئة15,16. وبالتالي ، فإن وجود بروتوكول سريع وموثوق به لقياس خصائص المخاط اللزجة المرنة في الإعدادات السريرية أمر مهم لتحسين النهج العلاجية.
يوفر مقياس الريومتر الموجود على الطاولة والذي تم اختباره هنا بديلا سريعا ومريحا لإجراء قياسات لزجة مرنة شاملة لعينات المخاط / البلغم. باستخدام التذبذبات الديناميكية مع الإزاحة الزاوية التي يتم التحكم فيها ، توفر الأداة تشوها عبر زوج من الألواح المتوازية القابلة للتعديل (على سبيل المثال ، الهندسة الخشنة أو الملساء) لقياس عزم الدوران والإزاحة بدقة 15 nN. م و 150 نانومتر ، على التوالي17. تسمح المعايرة الموحدة الافتراضية جنبا إلى جنب مع إرشادات المستخدم المكيفة للمتخصصين غير الريولوجيا بإجراء قياسات مباشرة وتقليل مخاطر أخطاء المشغل. ينتج الجهاز منحنى كنس الإجهاد الذي تتم معالجته وتحليله في الوقت الفعلي (في غضون 5 دقائق تقريبا) ويوفر تلقائيا خصائص المرونة اللزجة الخطية (G و G و G * و tan δ) ونقطة الهلام (γ c و σc) (انظر الجدول 1). يصف معامل المرونة أو التخزين (G’) كيفية استجابة العينة للإجهاد (أي القدرة على العودة إلى شكلها الأصلي) ، بينما يصف معامل اللزوجة أو الخسارة (G”) الطاقة المتبددة لكل دورة من التشوه الجيبي (أي الطاقة المفقودة بسبب احتكاك الجزيئات). المعامل المعقد أو الديناميكي (G*) هو نسبة الإجهاد إلى الإجهاد، والذي يصف مقدار تراكم القوة الداخلية استجابة لإزاحة القص (أي الخصائص اللزجة المرنة الإجمالية). عامل التخميد (تان δ) هو نسبة معامل اللزج إلى معامل المرونة ، مما يشير إلى قدرة العينة على تبديد الطاقة (أي أن δ تان المنخفض يشير إلى سلوك مرن مهيمن / صلب ، في حين أن δ التان العالي يشير إلى سلوك لزج مهيمن / يشبه السائل). بالنسبة لخصائص نقطة الهلام ، فإن سلالة التقاطع (γc) هي مقياس إجهاد القص ، محسوبة بنسبة مسار الانحراف إلى ارتفاع فجوة القص ، حيث تنتقل العينة من سلوك يشبه الصلبة إلى سلوك يشبه السائل ويحدث ، بحكم تعريفه ، عند سلالة التذبذب حيث G ‘ = G ” أو تان δ = 1. إجهاد العائد المتقاطع (σc) هو مقياس لمقدار الإجهاد الذي يطبقه الجهاز الذي يتقاطع فيه المعامل المرن واللزج. في البلغم الصحي ، تهيمن المرونة على الاستجابة الميكانيكية للإجهاد (G’ > G”). في أمراض الانسداد المخاطي ، يزداد كل من G’ و G” نتيجة للتغيرات المخاطية المرضية 17،18،19. وتسهل البساطة التشغيلية للجهاز إجراء القياسات في الموقع وتتحايل على الحاجة إلى تخزين العينات/نقلها/شحنها إلى مرفق خارج الموقع لتحليلها وبالتالي تجنب آثار الوقت والتجميد والذوبان على خصائص هذه العينات البيولوجية.
في هذه الدراسة ، تم استخدام 8 محاليل من أكسيد البولي إيثيلين MDa (PEO) بتركيزات مختلفة (1٪ -3٪) للتحقق من نطاق قياس مقياس الريومتر التجاري على الطاولة (جدول المواد) وتم مقارنة المنحنى المعتمد على التركيز الذي تم الحصول عليه مباشرة بالقياسات التي تم الحصول عليها باستخدام مقياس الريومتر السائب التقليدي (جدول المواد) ). ثم تم تقييم تكرار القياسات الريولوجية باستخدام مخاط تم حصاده بالمنظار القصبي من مريض منتنبيب يعاني من حالة الربو (SA) ، وهو شكل متطرف من تفاقم الربو يتميز بتشنج قصبي ، التهاب يوزيني ، وفرط إنتاج المخاط استجابة لعامل بيئي أو معدي 8,20 . في هذه الحالة ، تم تنبيب مريض SA بسبب فشل تنفسي حاد واحتاج إلى ECMO (الأكسجة الغشائية خارج الجسم) بسبب عدم القدرة على دعم المريض بفعالية وأمان من خلال التهوية الميكانيكية وحدها ، على الرغم من علاجات الربو القياسية العدوانية. أثناء تنظير القصبات المشار إليه سريريا لانهيار الفص ، لوحظ أن الإفرازات السميكة والواضحة والعنيدة تعيق الشعب الهوائية الفصية وتم شفطها باستخدام الغسيل الملحي. مباشرة بعد الجمع ، تمت إزالة المياه المالحة الزائدة من الشفط وتم تحليل الخصائص اللزجة المرنة لعينة SA المتبقية باستخدام جهاز الطاولة. تمت معالجة عينات إضافية من الأليكوت بعامل مختزل ، تريس (2-كربوكسيل إيثيل) فوسفين هيدروكلوريد (TCEP) ، لتحديد ما إذا كان يمكن استخدام هذا البروتوكول لتوصيف فعالية المركب العلاجي خارج الجسم الحي.
أظهرت النتائج أنه يمكن استخدام هذا البروتوكول وجهاز الطاولة بشكل فعال في بيئة سريرية. كانت الخصائص الريولوجية المحددة من المنحنيات المعتمدة على تركيز PEO (الشكل 1A) لا يمكن تمييزها بين جهاز سطح الطاولة الذي تم اختباره ومقياس الريومتر التقليدي المتوازي (الشكل 1B). كانت القياسات الثلاثية لمخاط SA قابلة للتكرار ، مع معامل تباين بنسبة 10٪ لنقاط النهاية G * و G و G و G” وعكست التشوهات الكبيرة في مرونة لزوجة المخاط التي كانت واضحة سريريا في حالة هذا المريض (الشكل 1D). وأخيرا، أدى العلاج خارج الجسم الحي باستخدام TCEP إلى انخفاض كبير في G’ و G”، وزيادة في δ السمرة، مما يدل على الاستجابة للعلاج عن طريق التغييرات في شبكة الميوسين (الشكل 2). في الختام ، يوفر هذا البروتوكول باستخدام مقياس الريومتر على الطاولة نهجا بسيطا وفعالا لتقييم الخصائص اللزجة المرنة لعينات المخاط التي تم الحصول عليها من العيادة. ويمكن استخدام هذه القدرة لتسهيل نهج الطب الدقيق للرعاية، حيث يمكن للأطباء اختبار فعالية الأدوية المخاطية المعتمدة في الموقع، والتي يمكن أن تساعد في تحديد خيارات العلاج البديلة. بالإضافة إلى ذلك ، يمكن استخدام هذا النهج في التجارب السريرية لدراسة آثار الأدوية الاستقصائية.
Protocol
Representative Results
Discussion
الخصائص اللزجة المرنة الفريدة للمخاط ضرورية للحفاظ على صحة الشعب الهوائية. يمكن للعوامل الداخلية والخارجية تغيير الخصائص الفيزيائية الحيوية لمخاط مجرى الهواء ، مما يسبب مضاعفات سريرية مميزة لأمراض الانسداد المخاطي. وبالتالي ، يمكن النظر في مراقبة التغيرات في مرونة لزوجة المخاط أثناء ت?…
Declarações
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
هذه الورقة مدعومة بمنح من Vertex Pharmaceuticals (جائزة Ehre RIA) والأبحاث المدعومة من CFF EHRE20XX0.
Materials
| Capillary Pistons Tips | Gilson | CP1000 | |
| Discovery Hybrid Rheometer-3 | TA Instruments | DHR-3 Bulk Rheometer manufactured by TA Instruments in New Castle, DE: Used to preform rheological tests. |
|
| Graphing Software | GraphPad Prism | GraphPad Software (San Diego, CA) used for data analysis | |
| Microcentrifuge Tube | Costar | 3621 | |
| Peltier plate | TA Instruments | Temperature control system manufactured by TA Instruments in New Castle, DE |
|
| Polyethylene oxide | Sigma | 372838 | 8 MDa polymer used as mucus simulant |
| Positive Displacement Pipette | Gilson | M1000 | Pipette used for handling viscous solutions |
| Rheomuco | Rheonova | Benchtop Rheometer manufactured by Rheonova in France: Used to preform rheological tests. | |
| Rough Lower Geometries | Rheonova | D-1811-007 | 25mm Diameter |
| Rough Upper Geometries | Rheonova | U-1811-007 | 25mm Diameter |
| Smooth Upper Parallel Plate | TA Instruments | 20mm Diameter | |
| tris(2-carboxyethyl)phosphine | Sigma | 646547-10X1ML | TCEP: Potent reducing agent. |
Referências
- Button, B., et al. A periciliary brush promotes the lung health by separating the mucus layer from airway epithelia. Science. 337 (6097), 937-941 (2012).
- Boucher, R. C. Muco-obstructive lung diseases. New England Journal of Medicine. 380 (20), 1941-1953 (2019).
- Rose, M. C., Voynow, J. A. Respiratory tract mucin genes and mucin glycoproteins in health and disease. Physiological Reviews. 86 (1), 245-278 (2006).
- Ehre, C., Ridley, C., Thornton, D. J. Cystic fibrosis: An inherited disease affecting mucin-producing organs. The International Journal of Biochemistry & Cell Biology. 52, 136-145 (2014).
- Morrison, C. B., Markovetz, M. R., Ehre, C. Mucus, mucins, and cystic fibrosis. Pediatric Pulmonology. 54, 84-96 (2019).
- Hill, D. B., Button, B., Rubinstein, M., Boucher, R. C. Physiology and Pathophysiology of Human Airway Mucus. Physiological Reviews. , (2022).
- Lin, V. Y., et al. Excess mucus viscosity and airway dehydration impact COPD airway clearance. European Respiratory Journal. 55 (1), 1900419 (2020).
- Fahy, J. V., Dickey, B. F. Airway mucus function and dysfunction. The New England Journal of Medicine. 363 (23), 2233-2247 (2010).
- Tomaiuolo, G., et al. A new method to improve the clinical evaluation of cystic fibrosis patients by mucus viscoelastic properties. PloS One. 9 (1), 82297 (2014).
- Shak, S., Capon, D. J., Hellmiss, R., Marsters, S. A., Baker, C. L. Recombinant human DNase I reduces the viscosity of cystic fibrosis sputum. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 87 (23), 9188-9192 (1990).
- Zahm, J. M., et al. Dose-dependent in vitro effect of recombinant human DNase on rheological and transport properties of cystic fibrosis respiratory mucus. The European Respiratory Journal. 8 (3), 381-386 (1995).
- Fuchs, H. J., et al. Effect of aerosolized recombinant human DNase on exacerbations of respiratory symptoms and on pulmonary function in patients with cystic fibrosis. The Pulmozyme Study Group. The New England Journal of Medicine. 331 (10), 637-642 (1994).
- Hubbard, R. C., et al. A preliminary study of aerosolized recombinant human deoxyribonuclease I in the treatment of cystic fibrosis. The New England Journal of Medicine. 326 (12), 812-815 (1992).
- Shak, S. Aerosolized recombinant human DNase I for the treatment of cystic fibrosis. Chest. 107, 65-70 (1995).
- Ma, J. T., Tang, C., Kang, L., Voynow, J. A., Rubin, B. K. Cystic fibrosis sputum rheology correlates with both acute and longitudinal changes in lung function. Chest. 154 (2), 370-377 (2018).
- Donaldson, S. H., et al. Mucus clearance and lung function in cystic fibrosis with hypertonic saline. The New England Journal of Medicine. 354 (3), 241-250 (2006).
- Patarin, J., et al. Rheological analysis of sputum from patients with chronic bronchial diseases. Scientific Reports. 10 (1), 15685 (2020).
- Markovetz, M. R., et al. Endotracheal tube mucus as a source of airway mucus for rheological study. American Journal of Physiology. Lung Cellular and Molecular Physiology. 317 (4), 498-509 (2019).
- Ramsey, K. A., et al. Airway mucus hyperconcentration in non-cystic fibrosis bronchiectasis. American Journal of Respiratory and Critical Care Medicine. 201 (6), 661-670 (2020).
- Dunican, E. M., et al. Mucus plugs in patients with asthma linked to eosinophilia and airflow obstruction. The Journal of Clinical Investigation. 128 (3), 997-1009 (2018).
- Ehre, C., et al. An improved inhaled mucolytic to treat airway muco-obstructive diseases. American Journal of Respiratory and Critical Care Medicine. 199 (2), 171-180 (2019).
- Morrison, C. B., et al. Treatment of cystic fibrosis airway cells with CFTR modulators reverses aberrant mucus properties via hydration. The European Respiratory Journal. 59 (2), 2100185 (2021).
- Puchelle, E., Jacquot, J., Beck, G., Zahm, J. M., Galabert, C. Rheological and transport properties of airway secretions in cystic fibrosis-relationships with the degree of infection and severity of the disease. European Journal of Clinical Investigation. 15 (6), 389-394 (1985).
- Puchelle, E., Zahm, J. M., Quemada, D. Rheological properties controlling mucociliary frequency and respiratory mucus transport. Biorheology. 24 (6), 557-563 (1987).
- Cardinaels, R., Reddy, N. K., Clasen, C. Quantifying the errors due to overfilling for Newtonian fluids in rotational rheometry. Rheologica Acta. 58 (8), 525-538 (2019).
- Hancock, L. A., et al. Muc5b overexpression causes mucociliary dysfunction and enhances lung fibrosis in mice. Nature Communications. 9 (1), 5363 (2018).
- Adewale, A. T., et al. Novel therapy of bicarbonate, glutathione, and ascorbic acid improves cystic fibrosis mucus transport. American Journal of Respiratory Cell and Molecular Biology. 63 (3), 362-373 (2020).
- Fernandez-Petty, C. M., et al. A glycopolymer improves vascoelasticity and mucociliary transport of abnormal cystic fibrosis mucus. JCI Insight. 4 (8), 125954 (2019).
