Måling av trykk volum Curve i Muse Lunger

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

I de siste tiårene mus har blitt den viktigste dyremodellen av en rekke lungesykdommer. I modeller for emfysem eller fibrose, er de grunnlegg fenotypiske forandringer beste vurderes ved å måle endringer i lungeelastisitet. For å best forstå spesifikke mekanismene bak slike sykdommer hos mus, er det viktig å gjøre funksjonelle målinger som kan gjenspeile utviklingen patologi. Selv om det er mange måter å måle elastisiteten, er den klassiske metode som av den totale lunge trykk-volum (PV) kurve gjort over hele spekteret av lungevolum. Denne målingen er gjort på voksne lungene fra nesten alle pattedyrarter som kan dateres tilbake nesten 100 år, og slike PV kurver også spilt en stor rolle i oppdagelsen og forståelsen av funksjon av lunge surfaktant i fosterets lunge utvikling. Dessverre har slike totale PV kurver er ikke blitt mye rapportert i mus, til tross for at de kan gi nyttig informasjon om macroscOPIC effekter av strukturelle endringer i lungen. Selv om delvis PV kurver måler bare endringene i lungevolumet blir noen ganger rapportert, uten et mål på absolutte volum, gjør disse partielle seg meget vanskelig å tolke den ikke-lineære natur av den totale PV-kurven. I den foreliggende undersøkelse, beskriver vi en standardisert måte for å måle den totale PV-kurven. Vi har testet evnen til disse kurver til å detektere endringer i muselungestrukturen i to felles lunge patologier, emfysem og fibrose. Resultatene viste signifikante endringer i flere variabler konsistente med forventede strukturelle endringer med disse patologi. Denne måling av lunge PV-kurven i mus gir således en enkel anordning for å overvåke progresjonen av de patofysiologiske endringer over tid og den potensielle effekten av terapeutiske inngrep.

Introduction

Musen er nå den primære dyremodell av en rekke lungesykdommer. I modeller for emfysem eller fibrose, er de grunnlegg fenotypiske forandringer beste bedømmes ved å måle forandringer i lungeelastisitet. Selv om det er mange måter å måle elastisiteten, er den klassiske metode som av det totale trykk-volum (PV) kurve målt fra restvolum (RV) til total lungekapasitet (TLC). Denne målingen er gjort på voksne lungene fra nesten alle pattedyrarter som kan dateres tilbake nesten 100 år ^1-3. Slike PV kurver også spilt en stor rolle i oppdagelsen og forståelsen av funksjon av lunge surfaktant i foster lunge utvikling ^4-7. På tross av PV-kurven betydning som en måling av lunge fenotype, har det ikke vært standardisert måte for å utføre denne måling. Det har blitt gjort ganske enkelt ved å blåse opp og å tømme lungen med diskrete trinn (venter en variabel tid for likevektsinnstilling etter hver) eller med pumper somkontinuerlig kan blåse og deflate lungen. PV-kurven er ofte gjort over et volumområde mellom null og noen bruker-definere lungekapasitet, men varigheten av hver trykkvolum sløyfe rapportert av forskjellige laboratorier har vært svært variabel, varierende fra noen få sekunder til ⁸ timer ^2. Noen forskere refererer til denne totale lunge PV kurve som statisk eller kvasistatisk, men disse er kvalitative termer som tilbyr litt innsikt, og de blir ikke brukt her. I tillegg, PV-kurven ikke er blitt allment rapportert i mus, til tross for at det kan gi nyttig informasjon om de makroskopiske effekter av strukturelle endringer i lungen.

Flere saker har resultert i variasjon i PV kurve oppkjøpet inkludert: 1) frekvensen av inflasjon og deflasjon; 2) trykk utflukter for inflasjon og deflasjon; og 3) et middel for å bestemme et absolutt lungevolummåling. I fremgangsmåten til stede her, med en hastighet på 3 ml / min ble valgt som et compromise, som ikke er for kort for å reflektere den dynamiske elastisitets forbundet med normal ventilasjon og ikke for treg til å foreta målingen upraktisk, spesielt når man vil studere store kullene. Siden en nominell total lungekapasitet i en C57BL / 6 friske mus er av størrelsesorden 1,2 ml ^9, denne hastigheten kan typisk to fullstendig lukket PV løkker som skal gjøres i omtrent 1,5 min.

I den utvidede litteratur hvor PV kurver er rapportert, har peak lufttrykk brukes vært svært variabel, varierende fra så lavt som 20 til over 40 cm H ₂ O. En del av denne variasjon kan være relatert til arter, men et primært mål om å sette den øvre trykkgrense for PV-kurver er å blåse lungen til total lungekapasitet (TLC), eller maksimalt lungevolum. TLC i mennesker er definert av maksimal frivillig innsats en person kan gjøre, men dessverre dette kan aldri bli duplisert i noen dyremodell. Således er den maksimale volum i eksperimentelle kurver PV avskrekkeminelagt av en maksimal trykk vilkårlig satt av utprøver. Målet er å sette et press der PV-kurven er flat, men dessverre inflasjon lem av et pattedyr lunge PV kurve er aldri flat. Så de fleste etterforskere satt et trykk hvor inflasjonskurven begynner å flate vesentlig, typisk 30 cm H ₂ O. I mus, men er PV-kurven enda mer kompleks med et dobbelt pukkel på inflasjons lem, og hvor dette inflasjon lem er ofte fortsatt stiger bratt ved 30 cm H ₂ O ^10, slik at 30 ikke er et godt sluttpunkt for PV kurve. Av denne grunn bruker vi 35 cm H ₂ O som trykkgrensen for musen PV-kurven, som er et trykk som inflasjons lemmer av alle stammer som vi har undersøkt begynner å flate ut.

Siden PV-kurven i seg selv er meget ikke-lineær, vil utseendet av en PV sløyfe avhenger av volumet fra hvor kurven begynner. Noen kommersielle vifter tillate brukere å gjøre store PV looper, fra FRC, men hvis FRC volum er ukjent, så er det umulig å tolke endringer i slike PV-kurven med en hvilken som helst patologi, siden disse endringer kan ganske enkelt være et resultat av en endring i utgangsvolumet, og ikke strukturelle forandringer i lungen. Dermed uten en absolutt volummål, PV kurver er nesten umulig å tolke og dermed har liten nytte. Selv om det finnes flere måter å måle lungevolum, disse er ofte tungvint og krever spesialutstyr. I den enkle metode som er beskrevet her, begynner PV-kurven ved null volum etter en in vivo avgassingsprosedyren.

Oppsummert viser dette papiret en grei metode for å standardlunge PV-kurven måling i mus lunge, og definerer en rekke beregninger som kan beregnes ut fra denne kurven som er knyttet til lunge struktur. PV kurve gir dermed en lungefunksjonstest som har direkte anvendelse i å kunne oppdage fenotypiske strukturelle endringer i mus med commpå lunge patologier slik som emfysem og fibrose.

Protocol

The Johns Hopkins University Animal Care og bruk komité godkjente alle animalske protokoller. 1. Utstyr Den sammensatte systemet satt opp, klar til å måle PV-kurven er vist i figur 1. Volummål: Generere en konstant hastighet på inflasjon og deflasjon ved hjelp av en sprøytepumpe med en bryter som lar brukeren raskt reversere pumpen etter å ha nådd trykkgrensene. For mus PV kurver, bruker en meget lett smurt 5 ml glass …

Representative Results

Selv om fremgangsmåten for PV-kurver er vist i videoen bare for kontroll friske mus, undersøkte vi muligheten av PV-kurven for å detektere funksjonelle og patologiske endringer hos mus med to forskjellige vanlige patologier, emfysem og fibrose. Detaljer om disse tradisjonelle modellene beskrevet andre steder 12,13. Veldig kort, etter anestesi med 3% isofluran den emfysem ble forårsaket av tre eller seks U porcinpankreatisk elastase innpodet inn i luftrøret og studert tre uker senere, og fibrose ble forå…

Discussion

I denne artikkelen en enkel reproduserbar fremgangsmåte er blitt beskrevet for å måle i mus en klassisk metode for fenotyping lungeelastisitet, den totale lunge PV-kurven. Slike kurver var instrumental i oppdagelsen av lunge surfaktant og dens betydning i å gi lunge stabilitet. Her er det vist hvordan PV-kurven er også nyttig i å tilveiebringe et middel til å måle flere variabler knyttet til lungeelastisitet hos voksne muselunger. Det var svært store endringer i alle variablene i to mest brukte musemodeller for…

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