Повторные измерения респираторной мышечной активности и вентиляции в мышиных моделях нервно-мышечных заболеваний
Summary
В работе вводится метод для повторных измерений вентиляции и активности дыхательных мышц в свободно ведет себя амиотрофический боковой склероз (БАС) модели мыши в течение прогрессирования заболевания с плетизмографии всего тела и электромиографии через имплантированный устройства телеметрии.
Abstract
Вспомогательные дыхательные мышцы помогают поддерживать вентиляцию при включении функции диафрагмы нарушается. Следующий протокол описан способ повторных измерений в течение нескольких недель или месяцев вспомогательной активности дыхательных мышц при одновременном измерения вентиляции в не наркоз, свободно ведет себя мыши. Методика включает в себя хирургическую имплантацию радиопередатчика и введение электрода приводит в разносторонних и трапециевидных мышцы для измерения электромиограммы активности этих мышц вдоха. Вентиляционный измеряются с помощью плетизмографии всего тела, а движение животных оцениваются видео и синхронизирован с электромиограммой активностью. Измерение активности мышц и вентиляции в мышиной модели бокового амиотрофического склероза представлено, чтобы показать, как этот инструмент может быть использован чтобы исследовать, как дыхательные изменения мышечной активности с течением времени и оценить влияние мышечной активности на вентиляции. Описанные методы могут еasily быть адаптировано для измерения активности других мышц или оценить принадлежность дыхательной активности мышц в дополнительных мышиных моделях болезни или травмы.
Introduction
Вспомогательные дыхательные мышцы (ИПС) увеличить вентиляцию во время повышенного спроса (например, упражнение) и помогают поддерживать вентиляцию при включении функции диафрагмы скомпрометирована после травмы или болезни 1, 2. Хотя изменения в функции диафрагмы были хорошо описаны в боковой амиотрофический склероз (БАС) больных и модели мыши 3, 4, 5, 6, гораздо меньше известно о деятельности или функции ARMs в АЛС. Тем не менее, один исследование показало, что у больных БАС , которые вербуют ОРУЖИЕ имеют лучший прогноз , чем те , с подобной дисфункции диафрагмы , которые не 7. Кроме того, АРМ активность является достаточным для дыхания в случаях паралича диафрагмы 8. Эти исследования указывают на то, что стратегии расширяющие функции ARM может улучшить breathiнг у пациентов, страдающих от нервно-мышечных заболеваний, травмы спинного мозга или других условий, в которых функция диафрагмы обесцененным. Тем не менее, механизмы, контролирующие набор ARM для дыхания в значительной степени неизвестны. Методы измерения функции дыхания и изменения в ARM активности в течение долгого времени в животных моделях болезни или травмы, которые необходимы для изучения того, как набираются ИПС, а также для оценки терапии для улучшения набора ARM и вентиляции. Кроме того, повышенная активность ARMs , совпадающей с прогрессирующей потерей функции диафрагмы может быть полезным биомаркером прогрессирования заболевания в нервно – мышечных заболеваний , таких как ALS 7, 9, 10.
Этот протокол описан способ неинвазивного (после начальной операции) и неоднократно измерения активности дыхательных мышц и вентиляции у бодрствующих, ведущих себя мышей. Синхронные записи электромиографу (ЭМГ), всего тела плетизмографии (ФСФ), и видео позволяют исследователю оценить, как изменения в ARM активности воздействия вентиляции и определить, когда объект находится в состоянии покоя или движения. Основное преимущество этого способа состоит в том , что она может быть выполнена в бодрствующем, ведущих себя мышее, тогда как некоторые альтернативных методы для измерения ЭМГА требует анестезии и / или терминальные процедуры 11, 12, 13. Запись ЭМГ активности у бодрствующих мышей с течением времени также может быть достигнуто за счет хронической имплантации ЭМГ приводит, где мышь привязаны проводами к системе сбора данных 14, 15. Поскольку привязывать мышь может мешать нормальному движению или поведения и не могут быть совместимы со стандартной плетизмографии камеры, описанный метод использует телеметрические устройства для беспроводной передачи сигнала ЭМГ к системе сбора данных. Передатчик можетбыть включен или выключен с магнитом для экономии заряда аккумулятора и позволяет провести повторные измерения ЭМГ активности в течение нескольких месяцев. Этот протокол может быть легко адаптирован для измерения активности дополнительной дыхательной или не дыхательной мускулатуры, вставив ЭМГ приводит в различные мышцы. В качестве альтернативы, один из двух проводов может быть использован для измерения активности ЭЭГ для оценки состояния сна или для выявления судорожной активности 16. Этот метод успешно использовались для измерения изменений в ARM активности в состоянии покоя на протяжении прогрессирования заболевания в мышиной модели ALS и определить ключевые нейроны поводковых активности у здорового мышея 10.
Protocol
Representative Results
Discussion
Процедура продемонстрирована здесь позволяет неинвазивным (после первоначальной хирургической имплантации передатчика) измерения активности дыхательных мышц и вентиляции в течение многих месяцев в том же животном. Этот метод имеет ряд преимуществ по сравнению со стандартными мето?…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Поддержка этой работы была предоставлена премия Доверительного больница Медицинского центра Цинциннати Детская с САК и грант NIH обучения (T32NS007453) до 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).
