Gentagen Måling af åndedrætsorganer muskel aktivitet og ventilation i musemodeller af Neuromuskulær sygdom
Summary
Papiret introducerer en fremgangsmåde til gentagne målinger af ventilation og respiratorisk muskelaktivitet i en frit opfører amyotrofisk lateral sklerose (ALS) musemodel hele sygdomsprogression med hel-legemsplethysmografi og elektromyografi via en implanteret telemetrienheden.
Abstract
Tilbehør respirationsmusklerne bidrage til at bevare ventilation, når membranen er svækket. Den følgende protokol beskriver en fremgangsmåde til gentagne målinger over uger eller måneder efter tilbehør respiratorisk muskelaktivitet samtidig måler ventilation i en ikke-bedøvet, frit opfører mus. Teknikken omfatter kirurgisk implantation af en radiosender og indsættelse af elektroden fører ind i scalene og trapezius muskler til at måle elektromyogram aktivitet af disse inspiratoriske muskler. Ventilation måles ved hel-legemsplethysmografi, og dyrs bevægelser vurderes ved video og er synkroniseret med electromyogram aktivitet. Målinger af muskelaktivitet og ventilation i en musemodel for amyotrofisk lateral sklerose præsenteres for at vise, hvordan dette værktøj kan anvendes til at undersøge, hvordan respiratorisk muskelaktivitet ændringer over tid og at vurdere virkningen af muskelaktivitet på ventilation. De beskrevne metoder kan easily tilpasses til at måle aktiviteten af andre muskler eller vurdere tilbehør respiratorisk muskel aktivitet i yderligere musemodeller af sygdom eller tilskadekomst.
Introduction
Tilbehør respiratoriske muskler (ARM'er) øge ventilationen i perioder med høj efterspørgsel (fx motion) og hjælpe med at bevare ventilation, når membranen funktion er kompromitteret efter skade eller sygdom 1, 2. Selvom ændringer i membran funktion er blevet godt beskrevet i amyotrofisk lateral sklerose (ALS) patienter og musemodeller 3, 4, 5, 6, meget mindre om aktiviteten eller funktionen af rentetilpasningslånene i ALS. , En undersøgelse foreslog imidlertid, at ALS-patienter, der rekrutterer våben har en bedre prognose end dem med lignende membran dysfunktion, der ikke gør 7. Endvidere ARM aktivitet er tilstrækkelig til respiration i tilfælde af mellemgulvet lammelse 8. Disse undersøgelser viser, at strategier at forøge ARM-funktionen kan forbedre breathing i patienter, der lider neuromuskulær sygdom, rygmarvsskade, eller andre tilstande, hvor membranen funktion er nedsat. Men de mekanismer, der styrer ARM rekruttering til at trække vejret er stort set ukendt. Metoder til måling af åndedrætsfunktionen og ændringer i ARM aktivitet over tid i dyremodeller af sygdom eller skade er nødvendige for at undersøge, hvordan rentetilpasningslån rekrutteres, samt at evaluere behandlingsformer for at forbedre ARM rekruttering og ventilation. Endvidere kan øget aktivitet af våben falder sammen med det progressive tab af membranen funktion være et nyttigt biomarkør for sygdomsprogression i neuromuskulære sygdomme, såsom ALS 7, 9, 10.
Denne protokol beskriver en fremgangsmåde til ikke-invasiv (efter den første kirurgi) og gentagne gange måle aktiviteten af respiratoriske muskler og ventilation i vågne, opfører mus. Synkroniserede optagelser af elektromyografy (EMG), hel-legemsplethysmografi (WBP), og video tillader undersøgeren for at vurdere, hvordan ændringer i ARM aktivitet indvirkning ventilation og til at bestemme, når motivet er i hvile eller bevæger sig. En stor fordel ved denne fremgangsmåde er, at den kan udføres i vågne, opfører mus, mens nogle alternative metoder til måling af EMG kræver anæstesi og / eller er terminalprocedurer 11, 12, 13. Registrering af EMG-aktivitet i vågen mus over tid kan også opnås gennem den kroniske implantation af EMG fører, hvor musen er tøjret med ledninger til erhvervelse systemet 14, 15. Fordi tøjring en mus kan forstyrre normal bevægelse eller adfærd og kan ikke være foreneligt med en standard plethysmografi kammer, den beskrevne metode benyttes telemetri enheder til trådløst at overføre EMG-signalet til erhvervelse system. Senderen kantændes eller slukkes med en magnet for at spare på batteriet og giver gentagne målinger af EMG aktivitet over flere måneder. Denne protokol kan let tilpasses til at måle aktiviteten af yderligere respiratoriske eller ikke-respiratoriske muskler ved at indsætte EMG fører ind forskellige muskler. Alternativt kan en af de to ledninger anvendes til at måle EEG aktivitet at vurdere søvntilstand eller til at identificere anfaldsaktivitet 16. Denne teknik har med succes været anvendt til at måle ændringer i ARM aktivitet i hvile i hele sygdomsprogression i en musemodel af ALS og at identificere de vigtigste neuroner kørsel ARM aktivitet i raske mus 10.
Protocol
Representative Results
Discussion
Proceduren demonstreret her tillader noninvasiv (efter indledende kirurgisk implantation af senderen) måling af respiratorisk muskelaktivitet og ventilation gennem mange måneder i det samme dyr. Denne teknik har adskillige fordele i forhold til standard EMG teknikker i bedøvede mus: 1) forsøgene kræver færre mus og tilvejebringer evnen til at optage data fra det samme sted i en enkelt mus tværs sygdomsstadier (i stedet for at bruge flere mus på forskellige sygdomstilstande stadier); 2) data analyse kan udføres …
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Støtte til dette arbejde blev leveret af en Cincinnati Children 's Hospital Medical Center administrator Award til SAC og en NIH træning tilskud (T32NS007453) til VNJ
Materials
| B6.Cg-Tg (SOD1*G93A)1 Gur/J | Jackson Laboratory | 4435 | |
| Plethysmography Chamber | Buxco Respiratory Products/ Data Sciences International | 601-1425-001 | |
| Telemetry Receivers (Model RPC-1) | Data Sciences International | 272-6001-001 | |
| Bias Flow Pump (Model BFL0500) | Data Sciences International | 601-2201-001 | |
| ACQ-7000 USB | Data Sciences International | PNM-P3P-7002XS | |
| Dataquest A.R.T. Data Exchange Matrix | Data Sciences International | 271-0117-001 | |
| New Ponemah Analysis System | Data Sciences International | PNM-POST-CFG | |
| Ponemah Physiology Platform Acqusition software v5.20 | Data Sciences International | PNM-P3P-520 | |
| Ponemah Unrestrained Whole Breath Plethysmography analysis package v5.20 | Data Sciences International | PNM-URP100W | |
| Configured Ponemah Software System | Data Sciences International | PNM-P3P-CFG | |
| Analysis Module (URP) | Data Sciences International | PNM-URP100W | |
| Universal Amplifier | Data Sciences International | 13-7715-59 | |
| Sync Board | Data Sciences International | 271-0401-001 | |
| Sync Cable | Data Sciences International | 274-0030-001 | |
| Transducer-Pressure Buxco | Data Sciences International | 600-1114-001 | |
| Flow Meter | Data Sciences International | 600-1260-001 | |
| Magnet and Radio included in F20-EET Starter Kit | Data Sciences International | 276-0400-001 | |
| Axis P1363 Video Camera | Data Sciences International | 275-0201-001 | |
| Terg-A-Zyme | Fisher Scientific | 50-821-785 | Enzyme Detergent |
| Actril | Minntech Corporation | 78337-000 | Chemical Sterilant |
| Stereo Dissecting Microscope (Model MEB126) | Leica | 10-450-508 | |
| Servo-Controlled Humidifier/Infant Incubator | OHMEDA Ohio Care Plus | 6600-0506-803 | |
| TL11M2-F20-EET Transmitters | Data Sciences International | 270-0124-001 | |
| Dumont #2 Laminectomy Forceps – Standard Tips/Straight/12cm (x2) | Fine Scientific Instruments | 11223-20 | For handling wires |
| Dumont #2 Laminectomy Forceps – Standard Tips/Straight/12cm (x2) | Fine Scientific Instruments | 11223-20 | For surgery |
| Narrow Pattern Forceps- Serrated/Curved/12cm | Fine Scientific Instruments | 17003-12 | |
| Spring Scissors – Tough Cut/Straight/Sharp/12.5cm/6mm Cutting Edge | Fine Scientific Instruments | 15124-12 | |
| Tissue Separating Scissors – Straight/Blunt-Blunt/11.5cm | Fine Scientific Instruments | 14072-10 | |
| Fine Scissors – Tough Cut/Curved/Sharp-Sharp/9 cm | Fine Scientific Instruments | 14058-11 | For cutting wires and clipping nails |
| Scalpel Handle #3 | World Precision Instruments | 500236 | |
| Scalpel Blade | Fine Scientific Instruments | 10010-00 | For preparing lead caps |
| Polysorb Braided Absorbable suture | Coviden | D4G1532X | For coiling transmitter leads |
| Gluture | Zoetis Inc. | 6606-65-1 | Cyanoacrylate adhesive |
| 3 mL Syring Slip Tip – Soft | Vitality Medical | 118030055 | |
| 25G Needle (X2) | Becton Dickinson and Co. | 305-145 | |
| Cotton Tipped Applicators | Henry Schein Animal Health | 100-9175 | |
| Andis Easy Cut Hair Clipper Set | Andis | 049-06-0271 | Electrical Razor sold at Target |
| Isoflurane | Henry Schein Animal Health | 29404 | Anesthetic |
| Isopropyl Alcohol 70% | Priority Care 1 | MS070PC | |
| Dermachlor 2% Medical Scrub (chlorohexidine 2%) | Butler Schein | 55482 | |
| Artificial Tears | Henry Schein Animal Health | 48272 | Lubricant Opthalmic Ointment |
| Vacuum grease | Dow Corning Corporation | 1597418 | |
| Water Blanket | JorVet | JOR784BN |
References
- Johnson, R. A., Mitchell, G. S. Common mechanisms of compensatory respiratory plasticity in spinal neurological disorders. Respir Physiol Neurobiol. 189 (2), 419-428 (2013).
- Sieck, G. C., Gransee, H. M. . Respiratory Muscles: Structure, Function & Regulation. , (2012).
- Rizzuto, E., Pisu, S., Musaro, A., Del Prete, Z. Measuring Neuromuscular Junction Functionality in the SOD1(G93A) Animal Model of Amyotrophic Lateral Sclerosis. Ann Biomed Eng. 43 (9), 2196-2206 (2015).
- Kennel, P. F., Finiels, F., Revah, F., Mallet, J. Neuromuscular function impairment is not caused by motor neurone loss in FALS mice: an electromyographic study. Neuroreport. 7 (8), 1427-1431 (1996).
- Pinto, S., Alves, P., Pimentel, B., Swash, M., de Carvalho, M. Ultrasound for assessment of diaphragm in ALS. Clin Neurophysiol. 127 (1), 892-897 (2016).
- Stewart, H., Eisen, A., Road, J., Mezei, M., Weber, M. Electromyography of respiratory muscles in amyotrophic lateral sclerosis. J Neurol Sci. 191 (1-2), 67-73 (2001).
- Arnulf, I., et al. Sleep disorders and diaphragmatic function in patients with amyotrophic lateral sclerosis. Am J Respir Crit Care Med. 161, 849-856 (2000).
- Bennett, J. R., et al. Respiratory muscle activity during REM sleep in patients with diaphragm paralysis. Neurology. 62 (1), 134-137 (2004).
- Pinto, S., de Carvalho, M. Motor responses of the sternocleidomastoid muscle in patients with amyotrophic lateral sclerosis. Muscle Nerve. 38 (4), 1312-1317 (2008).
- Romer, S. H., et al. Accessory respiratory muscles enhance ventilation in ALS model mice and are activated by excitatory V2a neurons. Exp Neurol. 287 (Pt. 2, 192-204 (2017).
- Moldovan, M., et al. Nerve excitability changes related to axonal degeneration in amyotrophic lateral sclerosis: Insights from the transgenic SOD1(G127X) mouse model. Exp Neurol. 233 (1), 408-420 (2012).
- Pagliardini, S., Gosgnach, S., Dickson, C. T. Spontaneous sleep-like brain state alternations and breathing characteristics in urethane anesthetized mice. PLoS One. 8 (7), 70411 (2013).
- Nicaise, C., et al. Phrenic motor neuron degeneration compromises phrenic axonal circuitry and diaphragm activity in a unilateral cervical contusion model of spinal cord injury. Exp Neurol. 235 (2), 539-552 (2012).
- Akay, T. Long-term measurement of muscle denervation and locomotor behavior in individual wild-type and ALS model mice. J Neurophysiol. 111 (3), 694-703 (2014).
- Tysseling, V. M., et al. Design and evaluation of a chronic EMG multichannel detection system for long-term recordings of hindlimb muscles in behaving mice. J Electromyogr Kinesiol. 23 (3), 531-539 (2013).
- Weiergraber, M., Henry, M., Hescheler, J., Smyth, N., Schneider, T. Electrocorticographic and deep intracerebral EEG recording in mice using a telemetry system. Brain Res Brain Res Protoc. 14 (3), 154-164 (2005).
- Pilla, R., Landon, C. S., Dean, J. B. A potential early physiological marker for CNS oxygen toxicity: hyperoxic hyperpnea precedes seizure in unanesthetized rats breathing hyperbaric oxygen. J Appl Physiol. 114 (1985), 1009-1020 (1985).
- Morrison, J. L., et al. Role of inhibitory amino acids in control of hypoglossal motor outflow to genioglossus muscle in naturally sleeping rats. J Physiol. 552 (Pt. 3, 975-991 (2003).
- Tscharner, V., Eskofier, B., Federolf, P. Removal of the electrocardiogram signal from surface EMG recordings using non-linearly scaled wavelets). J Electromyogr Kinesiol. 21 (4), 683-688 (2011).
- Hof, A. L. A simple method to remove ECG artifacts from trunk muscle EMG signals. J Electromyogr Kinesiol. 19 (6), e554-e555 (2009).
- Lu, G., et al. Removing ECG noise from surface EMG signals using adaptive filtering. Neurosci Lett. 462 (1), 14-19 (2009).
