מדידה חוזרת של פעילות שרירי הנשימה ואת אוורור בעכברי מודל של המחלה שרירית
Summary
מאמר זה מציג שיטה מדידות חוזרות של אוורור ופעילות שרירי הנשימה בתוך טרשת לרוחב amyotrophic מתנהג בחופשיות במודל של עכברים (ALS) לאורך התקדמות המחלה עם plethysmography הגוף כולו ואת electromyography באמצעות מכשיר טלמטריה מושתל.
Abstract
שרירי הנשימה אביזר לעזור לשמור אוורור כאשר פונקציה הסרעפת נפגעת. הפרוטוקול הבא מתאר שיטת מדידות חוזרות לאורך שבועות או חודשים של פעילות שריר נשימת אבזר תוך מדידת אוורור בו זמנית הלא מורדם, עכבר מתנהג בחופשיות. הטכניקה כוללת את ההשתלה כירורגית של משדר רדיו ואת החדרת אלקטרודה מובילה לתוך השרירים השווים צלעות ו טרפז כדי למדוד את פעילות electromyogram של שרירי שאיפה אלה. אוורור נמדד plethysmography הגוף כולו, ותנועת חיה נבחנת על ידי וידאו מסונכרן עם פעילות electromyogram. מדידות של פעילות שריר ואוורור במודל של עכברים של טרשת לרוחב amyotrophic מוצגות להראות איך הכלי הזה יכול לשמש כדי לחקור שינויים בפעילות השרירים איך נשימה לאורך זמן כדי להעריך את ההשפעה של פעילות שרירים על אוורור. השיטות שתוארו יכולות דוארasily להתאים למדוד את הפעילות של שרירים אחרים או להעריך פעילות שריר נשימת אבזר בעכברי מודל נוסף של מחלה או פציעה.
Introduction
שרירי הנשימה אביזר (נשק) להגדיל אוורור בתקופות של ביקוש גבוה (למשל, פעילות גופנית) ולעזור לשמור אוורור כאשר פונקציה הסרעפת נפגעת בעקבות פציעה או מחלה 1, 2. למרות שינויים בתפקוד הסרעפת תוארו היטב טרשת לרוחב amyotrophic (ALS) בחולים ועכבר מודלים 3, 4, 5, 6, הרבה פחות ידוע על פעילות או פונקציה של נשק ALS. עם זאת, מחקר אחד הציע כי חולי ALS המגייסים נשק בעלי פרוגנוזה טובה יותר מאשר אלו עם תפקוד הסרעפת דומה כי לא 7. יתר על כן, פעילות ARM מספיק נשימה במקרים של סרעפת שיתוק 8. מחקרים אלו מצביעים על כך אסטרטגיות להגדלת פונקציה ARM עשוי לשפר breathing בחולים הסובלים ממחלת שרירית, פגיעה בחוט השדרה, או תנאים אחרים בהם פונקציה הסרעפת נפגעת. עם זאת, מנגנוני שליטת גיוס ARM לנשימה אינם ידועים ברובם. שיטות למדידת תפקוד נשימה ושינויים בפעילות ARM לאורך זמן במודלים של בעלי חיים למחלות או פציעה יש צורך ללמוד איך זרועות גייס, כמו גם להעריך טיפולים כדי לשפר ARM גיוס ואוורור. יתר על כן, הפעילות המוגברת של נשק בד בבד עם האובדן ההדרגתי של תפקוד סרעפת עשויה להיות סמן ביולוגי שימושי עבור התקדמות מחלה במחלות עצבות-שריר כגון 7 ALS, 9, 10.
פרוטוקול זה מתאר שיטה הלא פולשני (בעקבות הניתוח הראשוני) שוב ושוב למדוד את הפעילות של שרירי נשימה ואוורור ב ערים, עכברים מתנהגים. הקלטות מסונכרנות של electromyography (EMG), כל הגוף plethysmography (WBP), ווידאו לאפשר לחוקר להעריך כיצד שינויי אוורור השפעת פעילות ARM ולקבוע כאשר הנושא נמצא במנוחה או נע. יתרון עיקרי של שיטה זו הוא שהיא יכולה להתבצע ערים, עכברים מתנהגים, בעוד כמה שיטות חלופיות כדי למדוד EMG דורש הרדמה ו / או הליכים הטרמינל 11, 12, 13. ההקלטה של פעילות EMG בעכברים ערים לאורך הזמן עשויה גם להתבצע באמצעות ההשתלה הכרונית של EMG המוביל, שבו העכבר קשור ידי חוטים למערכת הרכישה 14, 15. בגלל קשירת עכבר יכול להפריע לתנועה נורמלית או התנהגות לא יכולה להיות תואמת עם תא plethysmography סטנדרטי, השיטה המתוארת משתמשת התקנים טלמטריה לשדר אות EMG באופן אלחוטי אל מערכת הרכישה. המשדר יכוללהיות מופעל או כבוי עם מגנט כדי לחסוך בסוללה ומאפשר מדידות חוזרות של פעילות EMG על פני כמה חודשים. פרוטוקול זה ניתן להתאים בקלות למדוד את הפעילות של שרירי נשימה נוספים או אי-נשימה על ידי החדרת EMG מוביל לתוך שרירים שונים. לחלופין, אחד משני המובילות עשוי לשמש למדידת פעילות EEG להעריך מצב שינה או לזהות התקף פעילות 16. טכניקה זו שימשה בהצלחה למדוד שינויים בפעילות ARM במנוחה לאורך התקדמות המחלה במודל של עכברים של ALS ולזהות נוירונים המפתח נהיגה פעילות ARM בעכברים בריאים 10.
Protocol
Representative Results
Discussion
ההליך הפגין כאן מאפשר פולשנית (לאחר השתלה כירורגית ראשונית של המשדר) המדידה של פעילות שריר נשימה ואוורור במשך חודשים רבים באותה החיה. יש טכניקה זו מספר יתרונות על פני שיטות EMG סטנדרטיות בעכברים מורדמים: 1) הניסויים דורשים עכברים פחות ולספק את היכולת להקליט נתונים מאות…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
תמיכה עבור עבודה זו סופקה על ידי פרס נאמן המרכז רפואי בית החולים בסינסינטי ילדים כדי SAC ומענק אימון NIH (T32NS007453) כדי 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).
