Upprepade mätningar av andningsmuskelaktivitet och Ventilation i musmodeller av neuromuskulära sjukdomar
Summary
Detta papper införs en metod för upprepade mätningar av ventilation och andningsmuskelaktivitet i en fritt beter amyotrofisk lateralskleros (ALS) musmodell under hela sjukdomsprogression med hela kroppen pletysmografi och elektromyografi via en implanterad telemetri-enhet.
Abstract
Tillbehör andningsmuskulaturen bidra till att upprätthålla ventilation när funktionen membran är nedsatt. Följande protokoll beskriver en metod för upprepade mätningar över veckor eller månader av tillbehöret respiratorisk muskelaktivitet samtidigt mäter ventilation i ett icke-sövda, fritt beter mus. Tekniken innefattar kirurgisk implantation av en radiosändare och insättning av elektroden leder in i scalene och trapeziusmusklerna att mäta elektromyogrammet aktiviteten hos dessa inspiratoriska muskler. Ventilation mäts genom hela kroppen pletysmografi, och djurförflyttningar bedöms av video och är synkroniserad med elektromyogram aktivitet. Mätningar av muskelaktivitet och ventilation i en musmodell av amyotrofisk lateralskleros presenteras för att visa hur detta verktyg kan användas för att undersöka hur andningsmuskelaktivitet förändras över tiden och att bedöma effekten av muskelaktivitet på ventilation. De beskrivna metoderna kan easily anpassas för att mäta aktiviteten hos andra muskler eller att bedöma tillbehör andningsmuskelaktivitet i ytterligare musmodeller av sjukdom eller skada.
Introduction
Tillbehör andningsmuskulaturen (vapen) öka ventilationen under tider av hög efterfrågan (t.ex. motion) och bidra till att upprätthålla ventilation när funktionen membran äventyras efter skada eller sjukdom 1, 2. Även om förändringar i funktion membranet har väl beskrivits i amyotrofisk lateral skleros (ALS) patienter och musmodeller 3, 4, 5, 6, mycket mindre är känt om aktiviteten eller funktionen av vapen i ALS. Men föreslog en studie som ALS-patienter som rekryterar vapen har en bättre prognos än de med liknande membran dysfunktion som inte gör det 7. Vidare är ARM aktivitet som är tillräcklig för andning i fall av membran förlamning 8. Dessa studier tyder på att strategier för att utökar ARM-funktionen kan förbättra breathing hos patienter som lider neuromuskulär sjukdom, ryggmärgsskada eller andra tillstånd där funktions membran är nedsatt. Men mekanismerna som styr ARM rekrytering andningen är i stort sett okända. Metoder för att mäta lungfunktion och förändringar i ARM aktivitet över tiden i djurmodeller av sjukdom eller skada krävs för att studera hur armarna rekryteras, samt att utvärdera behandlingar för att förbättra ARM rekrytering och ventilation. Dessutom kan den ökade aktiviteten av vapen som sammanfaller med den progressiva förlusten av funktion membran vara en användbar biomarkör för sjukdomsprogression i neuromuskulära sjukdomar som ALS 7, 9, 10.
Detta protokoll beskriver en metod för att icke-invasivt (efter den första operationen) och upprepade gånger mäta aktiviteten av andningsmuskulaturen och ventilation i vaket, beter möss. Synkroniserade inspelningar av elektromyografeny (EMG), hela kroppen pletysmografi (WBP), och video tillåter utredaren att bedöma hur förändringar i ARM aktivitet ventilation effekt och att bestämma när motivet är i vila eller rörelse. En stor fördel med denna metod är att den kan utföras i vaket, beter möss, medan några alternativa metoder för att mäta EMG kräver anestesi och / eller är terminala förfaranden 11, 12, 13. Inspelningen av EMG-aktivitet i vaken möss över tid kan också åstadkommas genom den kroniska implantation av EMG leder, där musen är tjudrad med trådar till förvärvssystemet 14, 15. Eftersom tjudra en mus kan störa normal rörelse eller beteende och kanske inte är kompatibla med ett standard pletysmografi kammare, använder den beskrivna metoden telemetrianordningar att trådlöst överföra EMG-signalen till inhämtningssystemet. Sändaren kanslås på eller av med en magnet för att spara på batteriet och gör upprepade mätningar av EMG-aktivitet under flera månader. Detta protokoll kan lätt anpassas för att mäta aktiviteten av ytterligare respiratoriska eller icke-andningsmuskler genom insättning av EMG leder in olika muskler. Alternativt kan en av de två ledningarna kan användas för att mäta EEG-aktivitet för att bedöma sömntillstånd eller för att identifiera anfallsaktivitet 16. Denna teknik har framgångsrikt använts för att mäta förändringar i ARM-aktivitet i vila under hela sjukdomsprogression i en musmodell av ALS och att identifiera viktiga neuroner drivarm aktivitet i friska möss 10.
Protocol
Representative Results
Discussion
Proceduren visas här möjliggör icke-invasiv (efter initial kirurgisk implantation av sändaren) mätning av andningsmuskelaktivitet och ventilation under många månader i samma djur. Denna teknik har flera fördelar jämfört med vanliga EMG tekniker i sövda möss: 1) experimenten kräver färre möss och ger möjlighet att spela in data från samma plats i ett enda mus över sjukdomsstadier (i stället för att använda flera möss vid olika sjukdomsstadier); 2) analys av data kan utföras med mer kraftfulla stati…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Stöd för detta arbete från en Cincinnati Barnsjukhus Medical Center förvaltaren Award till SAC och en NIH utbildningsbidrag (T32NS007453) till 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).
