قياس منحنى الضغط الحجم في الرئتين ماوس
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
في العقود الأخيرة أصبح الماوس على نموذج حيواني الرئيسي لمجموعة متنوعة من أمراض الرئة. في نماذج من انتفاخ الرئة أو تليف، وأفضل طريقة لتقييم التغيرات المظهرية الأساسية من خلال قياس التغيرات في مرونة الرئة. لفهم أفضل آليات محددة الكامنة وراء مثل هذه الأمراض في الفئران، فمن الضروري إجراء قياسات الوظيفية التي يمكن أن تعكس علم الأمراض النامية. على الرغم من أن هناك العديد من الطرق لقياس مرونة، وطريقة الكلاسيكي هو أن من مجموع الرئة الضغط حجم (PV) منحنى القيام به خلال مجموعة كاملة من وحدات التخزين الرئة. أحرز هذا القياس على الرئتين الكبار من كل ما يقرب من أنواع الثدييات التي يعود تاريخها ما يقرب من 100 سنة، ولعب مثل هذه المنحنيات PV أيضا دورا كبيرا في اكتشاف وفهم وظيفة الفاعل بالسطح الرئوي في تطوير رئة الجنين. للأسف، لم يتم الإبلاغ عن مثل هذه الكلية منحنيات PV على نطاق واسع في الماوس، على الرغم من حقيقة أنها يمكن أن توفر معلومات مفيدة عن macroscآثار OPIC من التغييرات الهيكلية في الرئة. وعلى الرغم من منحنيات PV جزئية فقط قياس التغيرات في حجم الرئة وذكرت أحيانا، من دون مقياس الحجم المطلق، وطبيعة غير الخطية من منحنى PV الكلي يجعل هذه منها جزئية من الصعب جدا تفسير. في هذه الدراسة، ونحن تصف طريقة موحدة لقياس منحنى PV الكلي. لقد ثم اختبار قدرة هذه المنحنيات للكشف عن تغيرات في بنية الرئة الماوس في اثنين من أمراض الرئة شيوعا وانتفاخ الرئة والتليف. وأظهرت النتائج تغيرات كبيرة في العديد من المتغيرات بما يتفق مع التغييرات الهيكلية المتوقع مع هذه الأمراض. هذا قياس منحنى PV الرئة في الفئران مما يوفر وسيلة واضحة لمراقبة تطور التغيرات الفسيولوجية المرضية مع مرور الوقت والتأثير المحتمل للإجراءات العلاجية.
Introduction
الماوس هو الآن نموذج حيواني الرئيسي لمجموعة متنوعة من أمراض الرئة. في نماذج من انتفاخ الرئة أو تليف، وأفضل طريقة لتقييم التغيرات المظهرية الأساسية عن طريق قياس التغيرات في مرونة الرئة. على الرغم من أن هناك العديد من الطرق لقياس مرونة، وطريقة الكلاسيكي هو أن من إجمالي حجم الضغط (PV) منحنى يقاس من حجم المتبقية (RV) لقدرة الرئة الكلية (TLC). أحرز هذا القياس على الرئتين الكبار من كل ما يقرب من أنواع الثدييات التي يعود تاريخها تقريبا 100 سنة 1-3. لعبت هذه المنحنيات PV أيضا دورا كبيرا في اكتشاف وفهم وظيفة الفاعل بالسطح الرئوي في تطوير رئة الجنين 4-7. وعلى الرغم من أهمية منحنى PV باعتبارها قياس النمط الظاهري الرئة، ولم يكن هناك طريقة موحدة لتنفيذ هذا القياس. وقد فعلت ذلك ببساطة عن طريق تضخيم ونزع فتيل الرئة مع خطوات منفصلة (تنتظر وقتا المتغير للموازنة بعد كل) أو مع المضخات التييمكن تضخيم مستمر وفرغ الرئة. ويتم ذلك غالبا منحنى PV على نطاق وحجم بين صفر وبعض قدرة الرئة تعريف المستخدم، ولكن كانت المدة الزمنية لكل حلقة حجم الضغوط التي أبلغ عنها مختبرات مختلفة متغير للغاية، تتراوح بين بضعة ثانية 8 إلى 2 ساعة. بعض المحققين تشير إلى هذا المنحنى إجمالي PV الرئة وثابت أو quasistatic، ولكن هذه هي الناحية النوعية التي تقدم نظرة قليلا، وأنها لا تستخدم هنا. وبالإضافة إلى ذلك، لم يتم الإبلاغ عن منحنى PV على نطاق واسع في الماوس، على الرغم من أنه يمكن أن توفر معلومات مفيدة عن الآثار العيانية للتغيرات الهيكلية في الرئة.
وقد أدت العديد من القضايا في تقلب في PV اكتساب منحنى بما في ذلك: 1) معدل التضخم والانكماش. 2) الرحلات ضغط التضخم والانكماش. و3) الوسائل لتحديد وقياس حجم الرئة المطلق. في طريقة الحاضر هنا، بمعدل 3 مل / دقيقة تم اختياره باعتباره ترضويه، ويجري ليس قصيرة جدا لتعكس مرونة الديناميكية المرتبطة تهوية طبيعية وليس بطيئا جدا لجعل قياس غير عملي، خاصة عند دراسة الأفواج الكبيرة. منذ القدرة الإجمالية للرئة الاسمية في C57BL / 6 الماوس صحي هي بناء على أمر من 1.2 مل 9، هذا المعدل عادة سمحت لاثنين من كامل مغلقة PV حلقات ينبغي القيام به في حوالي 1.5 دقيقة.
في الأدب موسعة حيث تم الإبلاغ عن منحنيات PV، وضغط التضخم ذروة استخدامها كان المتغير للغاية، تتراوح بين ما يصل الى 20 لأكثر من 40 سم H 2 O. جزء من هذا التباين قد تكون ذات صلة إلى الأنواع، ولكن الهدف الأساسي من وضع حد الضغط العلوي لمنحنيات PV هو لتضخيم الرئة إلى سعتها الإجمالية الرئة (TLC)، أو حجم الرئة القصوى. يتم تعريف TLC في البشر من جهد طوعي القصوى يمكن للفرد جعل، ولكن للأسف هذا لا يمكن أبدا أن تتكرر في أي نموذج حيواني. وهكذا، فإن حجم القصوى في منحنيات PV التجريبية هو ردعالملغومة قبل الضغط القصوى ضبط تعسفي من قبل المحقق. والهدف هو وضع ضغوط حيث منحنى PV مسطح، ولكن للأسف الطرف التضخم منحنى PV الرئة الثدييات أبدا مسطح. لذلك وضعت معظم المحققين الضغط حيث يبدأ منحنى التضخم لشد بشكل كبير، وعادة 30 سم H 2 O. في الماوس، ومع ذلك، فإن منحنى PV هو أكثر تعقيدا مع سنام مرتين على أطرافهم التضخم، وأين هذا الطرف التضخم وغالبا ما زالت ترتفع بشكل حاد في 30 سم H 2 O 10، حتى 30 ليست نقطة نهاية جيدة لل منحنى PV. لهذا السبب، ونحن نستخدم 35 سم H 2 O كحد الضغط لمنحنى الماوس PV، وهو الضغط الذي أطرافه التضخم من جميع سلالات قمنا بفحص تبدأ لشد.
منذ منحنى PV نفسه هو غير الخطية للغاية، وظهور حلقة PV تعتمد على حجم من حيث يبدأ منحنى. بعض مراوح التجارية تسمح للمستخدمين القيام حلقات PV كبيرة، بدءا من FRC، ولكن إذا كان حجم FRC غير معروف ثم فإنه من المستحيل تفسير التغييرات في منحنى PV هذا مع أي علم الأمراض، حيث أن هذه التغييرات قد تؤدي ببساطة عن التغير في حجم ابتداء، وليس التعديلات الهيكلية في الرئة. هكذا دون قياس الحجم المطلق، والمنحنيات PV تكاد تكون مستحيلة لتفسير وبالتالي يكون فائدة تذكر. وعلى الرغم من ذلك، هناك العديد من الطرق لقياس حجم الرئة، وهذه غالبا ما تكون مرهقة وتتطلب معدات خاصة. في مقاربة بسيطة وصفها هنا، يبدأ منحنى PV في حجم الصفر بعد في الجسم الحي الإجراء التفريغ.
وباختصار، توضح هذه الورقة طريقة مباشرة لتوحيد PV الرئة قياس منحنى في الرئة الماوس، وتعرف عدة المقاييس التي يمكن أن تحسب من هذا المنحنى التي ترتبط بنية الرئة. وبالتالي يوفر منحنى PV اختبار وظيفة الرئة لديه التطبيق المباشر في القدرة على اكتشاف التغيرات الهيكلية المظهرية في الفئران مع بالاتصالاتعلى أمراض الرئة مثل انتفاخ الرئة وتليف.
Protocol
Representative Results
Discussion
في هذه الورقة وقد وصفت طريقة استنساخه واضحة لقياس في الفئران طريقة الكلاسيكي للمرونة phenotyping الرئة، منحنى إجمالي PV الرئة. وكانت مثل هذه المنحنيات دور فعال في اكتشاف الفاعل بالسطح الرئوي وأهميته في توفير الاستقرار الرئة. ومن هنا يظهر كيف أن منحنى PV مفيد أيضا في توفير و?…
Disclosures
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 |
References
- 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).
