Misura della curva di pressione-volume in mouse polmoni
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
Negli ultimi decenni topo è diventato il modello animale primario di una varietà di malattie polmonari. Nei modelli di enfisema o fibrosi, le variazioni fenotipiche essenziali sono meglio valutati mediante misurazione delle variazioni di elasticità polmonare. Per comprendere meglio i meccanismi specifici alla base di tali patologie nei topi, è indispensabile effettuare misurazioni funzionali che possono riflettere la patologia sviluppo. Sebbene vi siano molti modi per misurare l'elasticità, il metodo classico è quello del polmone pressione volume totale (PV) Curva fatto sull'intero intervallo di volumi polmonari. Questa misura è stata fatta su polmoni adulti da quasi tutte le specie di mammiferi risalenti quasi 100 anni, e tali curve fotovoltaici anche svolto un ruolo importante nella scoperta e la comprensione della funzione del surfattante polmonare in sviluppo polmonare fetale. Purtroppo, tali curve totale PV non sono stati ampiamente riportati nel topo, nonostante il fatto che essi possono fornire informazioni utili sul macroscEffetti OPIC di cambiamenti strutturali nel polmone. Sebbene curve parziali FV misura solo le variazioni di volume polmonare sono talvolta riportati, senza misura del volume assoluto, la natura non lineare della curva totale PV rende questi parziali molto difficile interpretazione. Nel presente studio, si descrive un metodo standardizzato per misurare la curva totale PV. Abbiamo poi testato la capacità di queste curve per rilevare i cambiamenti nella struttura del polmone del mouse in due patologie polmonari comuni, enfisema e fibrosi. I risultati hanno mostrato cambiamenti significativi in più variabili coerenti con i cambiamenti strutturali attesi con queste patologie. Questa misurazione della curva PV polmone nei topi fornisce pertanto un mezzo semplice per monitorare la progressione dei cambiamenti fisiopatologici nel tempo e l'effetto potenziale di procedure terapeutiche.
Introduction
Il mouse è ora il modello animale primario di una varietà di malattie polmonari. Nei modelli di enfisema o fibrosi, i cambiamenti fenotipici essenziali sono meglio valutati misurando le variazioni di elasticità polmonare. Sebbene vi siano molti modi per misurare l'elasticità, il metodo classico è quello della curva di pressione-volume totale (PV) misurata dal volume residuo (RV) alla capacità polmonare totale (TLC). Questa misura è stata fatta su polmoni adulti da quasi tutte le specie di mammiferi risalenti quasi 100 anni 1-3. Tali curve PV anche svolto un ruolo importante nella scoperta e la comprensione della funzione del surfattante polmonare nello sviluppo del polmone fetale 4-7. Nonostante l'importanza della curva PV come misura del fenotipo del polmone, non vi è stato alcun modo standardizzato effettuare tale misurazione. E 'stato fatto semplicemente gonfiando e sgonfiando polmone con passi discreti (attesa per un tempo variabile equilibramento dopo ogni) o con pompepuò continuamente gonfiare e sgonfiare il polmone. La curva PV è spesso fatto in un intervallo di volume tra zero e alcune capacità polmonare dall'utente definire, ma la durata di ogni ciclo pressione volume riportato da diversi laboratori è estremamente variabile, che varia da pochi secondi a 8 ore 2. Alcuni ricercatori si riferiscono a questa curva totale PV polmone come statico o quasi statica, ma questi sono termini qualitativi che offrono visione poco, e che non sono usati qui. Inoltre, la curva PV non è stato ampiamente riportato nel topo, nonostante il fatto che essa può fornire informazioni utili sugli effetti macroscopici di cambiamenti strutturali nel polmone.
Diversi problemi hanno portato a variabilità acquisizione curva PV tra cui: 1) il tasso di inflazione e la deflazione; 2) le escursioni di pressione per l'inflazione e la deflazione; e 3) mezzi per la determinazione di una misura assoluta volume polmonare. Nel metodo qui presenti, una velocità di 3 ml / min è stato scelto come compromise, non essendo troppo breve da riflettere l'elasticità dinamica associata con ventilazione normale e non troppo lento da rendere impraticabile la misura, in particolare quando si studia grandi coorti. Poiché una capacità nominale polmonare totale in un C57BL / 6 sana mouse è dell'ordine di 1,2 ml 9, questo tasso consente tipicamente due completo chiusi PV cicli essere fatto in circa 1,5 min.
In letteratura estesa in cui sono state riportate le curve PV, la pressione di gonfiaggio di picco utilizzato è stato estremamente variabile, variando da un minimo di 20 ad oltre 40 cm H 2 O. Una parte di questa variabilità può essere correlato alla specie, ma un obiettivo primario di impostare il limite di pressione superiore per le curve PV è di gonfiare il polmone di capacità totale polmonare (TLC), o il volume polmonare massimo. La TLC nell'uomo è definita dallo sforzo massimale volontaria un individuo può fare, ma purtroppo non può mai essere duplicato in qualsiasi modello animale. Così, il volume massimo in curve sperimentali FV è scoraggiareminato da una pressione massima fissato arbitrariamente dallo sperimentatore. L'obiettivo è quello di impostare una pressione in cui la curva PV è piatta, ma purtroppo l'arto inflazione di una curva PV polmone dei mammiferi non è mai piatta. Quindi molti ricercatori impostare una pressione in cui la curva di gonfiaggio inizia ad appiattirsi sostanzialmente, genere il 30 cm H 2 O. Nel topo, tuttavia, la curva PV è ancora più complessa con una doppia gobba sull'arto gonfiaggio, e dove tale parte dell'inflazione spesso ancora a picco al 30 cm H 2 O 10, quindi 30 non è un punto finale per il buon curva PV. Per questo motivo, usiamo 35 centimetri H 2 O come il limite di pressione per la curva del mouse PV, che è una pressione alla quale gli arti gonfiaggio di tutti i ceppi che abbiamo esaminato cominciano ad appiattirsi.
Poiché la curva PV è molto lineare, l'aspetto di un loop PV dipenderà dal volume da dove la curva inizia. Alcuni ventilatori commerciali consentono agli utenti di fare grandi anse fotovoltaici, partendo da FRC, ma se il volume FRC è sconosciuto, allora è impossibile interpretare variazioni di tale curva PV con qualsiasi patologia, poiché questi cambiamenti potrebbero semplicemente derivare da un cambiamento di volume di partenza, e non alterazioni strutturali nel polmone. Così, senza una misura del volume assoluto, curve PV sono quasi impossibili da interpretare e quindi hanno scarsa utilità. Anche se, ci sono diversi modi per misurare i volumi polmonari, questi sono spesso ingombranti e richiedono attrezzature speciali. Nella semplice metodo qui descritto, la curva PV inizia a volume zero dopo una procedura di degasaggio in vivo.
In sintesi, questo lavoro dimostra un metodo semplice per standardizzare la misurazione della curva PV polmonare nel polmone del mouse, e definisce alcuni parametri che possono essere calcolati da questa curva che sono collegate alla struttura del polmone. La curva PV fornisce quindi un test di funzionalità polmonare, che ha applicazione diretta di essere in grado di rilevare i cambiamenti strutturali fenotipiche nei topi con commsulle patologie polmonari come l'enfisema e fibrosi.
Protocol
Representative Results
Discussion
In questo documento un metodo semplice e riproducibile è stato descritto per misurare in topi un metodo classico di elasticità fenotipizzazione polmonare, la curva totale PV polmonare. Tali curve sono state fondamentali per la scoperta del surfattante polmonare e la sua importanza nel fornire stabilità al polmone. Qui è mostrato come la curva PV è anche utile nel fornire un mezzo per misurare diverse variabili collegati elasticità polmonare nei polmoni topo adulto. Ci sono stati cambiamenti molto significativi in …
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).
