חקירת תגובות הרפיית מתח וכישלון בקנה הנשימה
Summary
הפרוטוקול הנוכחי קובע את תכונות הרפיית הלחץ והכשל של קנה הנשימה החזירי. תוצאות משיטות כאלה יכולות לסייע בשיפור ההבנה של ספי הוויסקו-אלסטיות והכשל של קנה הנשימה ולסייע בקידום היכולות של מודלים חישוביים של מערכת הריאה.
Abstract
התכונות הביומכניות של קנה הנשימה משפיעות ישירות על זרימת האוויר ותורמות לתפקוד הביולוגי של מערכת הנשימה. הבנת התכונות האלה היא קריטית להבנת מנגנון הפגיעה ברקמה זו. פרוטוקול זה מתאר גישה ניסיונית לחקר התנהגות הרפיית הלחץ של קנה הנשימה החזירי שנמתחה מראש למתח של 0% או 10% במשך 300 שניות, ולאחר מכן העמסת מתיחה מכנית עד לכישלון. מחקר זה מספק פרטים על תכנון הניסוי, איסוף נתונים, ניתוחים ותוצאות ראשוניות מהבדיקות הביומכניות של קנה הנשימה החזירי. באמצעות השלבים המפורטים המפורטים בפרוטוקול זה ובקוד MATLAB לניתוח נתונים, מחקרים עתידיים יוכלו לחקור את ההתנהגות הוויסקו-אלסטית תלוית הזמן של רקמת קנה הנשימה, שהיא קריטית להבנת התגובות הביומכניות שלה במצבים פיזיולוגיים, פתולוגיים וטראומטיים. יתר על כן, מחקרים מעמיקים על ההתנהגות הביומכנית של קנה הנשימה יסייעו באופן קריטי בשיפור התכנון של מכשירים רפואיים קשורים כגון שתלים אנדוטרכאליים הנמצאים בשימוש נרחב במהלך ניתוחים.
Introduction
למרות תפקידו הקריטי במחלת ריאות, למבנה דרכי הנשימה הגדול ביותר, קנה הנשימה, יש מחקרים מוגבלים המפרטים את תכונותיו הצמיגיות1. הבנה מעמיקה של ההתנהגות הוויסקואלסטית תלוית הזמן של קנה הנשימה היא קריטית למחקר במכניקת הריאה, שכן הבנת תכונות החומר הספציפיות לדרכי הנשימה יכולה לסייע בקידום המדע של מניעת פציעות, אבחון והתערבות קלינית במחלות ריאה, שהן סיבת המוות המובילה השלישית בארצות הברית 2,3,4.
מחקרי אפיון רקמות זמינים דיווחו על תכונות הנוקשות של קנה הנשימה 5,6,7,8. התגובות המכניות התלויות בזמן נחקרו באופן מינימלי למרות חשיבותן בשיפוץ רקמות, אשר משתנה גם על ידי פתולוגיה 9,10. יתר על כן, היעדר נתוני תגובה תלויי זמן מגביל גם את יכולות הניבוי של המודלים החישוביים של מכניקת הריאה, הנוקטים כיום בשימוש בחוקים המכוננים הגנריים. יש צורך לטפל בפער זה על ידי ביצוע מחקרים להרגעת מתח שיכולים לספק את המאפיינים החומריים הנדרשים כדי ליידע מחקרים ביופיזיים על קנה הנשימה. המחקר הנוכחי מציע פרטים על שיטות בדיקה, איסוף נתונים וניתוחי נתונים כדי לחקור את התנהגות הרפיית הלחץ של קנה הנשימה החזירי.
Protocol
Representative Results
Discussion
מעט מאוד מחקרים דיווחו על תכונות הרפיית הלחץ של קנה הנשימה21,23. מחקרים נדרשים כדי לחזק עוד יותר את הבנתנו לגבי התגובות התלויות בזמן של רקמת קנה הנשימה. מחקר זה מציע צעדים מפורטים לביצוע חקירות כאלה; עם זאת, יש להבטיח את השלבים הקריטיים הבאים בפרוטוקול לבדיקה ?…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
המחקר שדווח בפרסום זה נתמך על ידי המכון הלאומי לבריאות הילד והתפתחות האדם של יוניס קנדי שרייבר של המכונים הלאומיים לבריאות תחת פרס מספר R15HD093024 ופרס הקריירה של הקרן הלאומית למדע מספר 1752513.
Materials
| Disposable safety scalpels | Fine Science Tools Inc | 10000-10 | |
| eXpert 7600 | ADMET Inc. | N/A | Norwood, MA |
| Forceps | Fine Science Tools Inc | 11006-12 and 11027-12 or 11506-12 | |
| Gauge Safe | ADMET Inc. | N/A | Free Download |
| Image J | NIH | N/A | Open Source |
| Proramming Software – MATLAB | Mathworks | N/A | version 2018A |
| Scissors | Fine Science Tools Inc | 14094-11 or 14060-09 | |
| Sterile phosphate buffer solution | Millipore, Thomas Scientific | MFCD00131855 |
References
- Brand-Saberi, B. E. M., Schäfer, T. Trachea: Anatomy and physiology. Thoracic Surgery Clinics. 24, 1-5 (2014).
- Barnett, S. B., Nurmagambetov, T. A. Costs of asthma in the United States: 2002-2007. The Journal of Allergy and Clinical Immunology. 127 (1), 145-152 (2011).
- Chronic Obstructive Pulmonary Disease (COPD). Centers for Disease Control and Prevention Available from: https://www.cdc.gov/copd/index.html (2022)
- Wilson, L., Devine, E. B., So, K. Direct medical costs of chronic obstructive pulmonary disease: chronic bronchitis and emphysema). Respiratory Medicine. 94 (3), 204-213 (2000).
- Codd, S. L., Lambert, R. K., Alley, M. R., Pack, R. J. Tensile stiffness of ovine tracheal wall. Journal of Applied Physiology. 76 (6), 2627-2635 (1994).
- Noble, P. B., Sharma, A., McFawn, P. K., Mitchell, H. W. Elastic properties of the bronchial mucosa: epithelial unfolding and stretch in response to airway inflation. Journal of Applied Physiology. 99 (6), 2061-2066 (2005).
- Teng, Z., et al. Anisotropic material behaviours of soft tissues in human trachea: An experimental study. Journal of Biomechanics. 45 (9), 1717-1723 (2012).
- Wang, L., et al. Mechanical properties of the tracheal mucosal membrane in the rabbit. I. steady-state stiffness as a function of age. Journal of Applied Physiology. 88 (3), 1014-1021 (2000).
- Ambrosi, D., et al. Perspectives on biological growth and remodeling. Journal of the Mechanics and Physics of Solids. 59 (4), 863-883 (2011).
- Bai, T. R., Knight, D. A. Structural changes in the airways in asthma: Observations and consequences. Clinical Science. 108 (6), 463-477 (2005).
- Singh, A. Extent of impaired axoplasmic transport and neurofilament compaction in traumatically injured axon at various strains and strain rates. Brain Injury. 31 (10), 1387-1395 (2017).
- Singh, A., Kallakuri, S., Chen, C., Cavanaugh, J. M. Structural and functional changes in nerve roots due to tension at various strains and strain rates: An in-vivo study. Journal of Neurotrauma. 26 (4), 627-640 (2009).
- Singh, A., Lu, Y., Chen, C., Cavanaugh, J. M. Mechanical properties of spinal nerve roots subjected to tension at different strain rates. Journal of Biomechanics. 39 (9), 1669-1676 (2006).
- Singh, A., Lu, Y., Chen, C., Kallakuri, S., Cavanaugh, J. M. A new model of traumatic axonal injury to determine the effects of strain and displacement rates. Stapp Car Crash Journal. 50, 601-623 (2006).
- Singh, A., Magee, R., Balasubramanian, S. Methods for in vivo biomechanical testing on brachial plexus in neonatal piglets. Journal of Visualized Experiments. (154), e59860 (2019).
- Singh, A., Magee, R., Balasubramanian, S. Mechanical properties of cervical spinal cord in neonatal piglet: in vitro. Neurology and Neurobiology. 3 (2), (2020).
- Singh, A., Magee, R., Balasubramanian, S. An in vitro study to investigate biomechanical responses of peripheral nerves in hypoxic neonatal piglets. Journal of Biomechanical Engineering. 143 (11), 114501 (2021).
- Singh, A., Shaji, S., Delivoria-Papadopoulos, M., Balasubramanian, S. Biomechanical responses of neonatal brachial plexus to mechanical stretch. Journal of Brachial Plexus and Peripheral Nerve Injury. 13, 8-14 (2018).
- Singh, A. . The effects of tensile loading on mechanical, neurophysiological and morphological changes in spinal nerve roots. , (2006).
- Schneider, C. A., Rasband, W. S., Eliceiri, K. W. NIH Image to ImageJ: 25 years of image analysis. Nature Methods. 9 (7), 671-675 (2012).
- Eskandari, M., Arvayo, A. L., Levenston, M. E. Mechanical properties of the airway tree: Heterogeneous and anisotropic pseudoelastic and viscoelastic tissue responses. Journal of Applied Physiology. 125 (3), 878-888 (2018).
- Toby, E. B., Rotramel, J., Jayaraman, G., Struthers, A. Changes in the stress relaxation properties of peripheral nerves after transection. Journal of Hand Surgery. 24 (4), 694-699 (1999).
- Safshekan, F., Tafazzoli-Shadpour, M., Abdouss, M., Shadmehr, M. B. Viscoelastic properties of human tracheal tissues. Journal of Biomechanical Engineering. 139 (1), (2017).
- Singh, A. A new approach to teaching biomechanics through active, adaptive, and experiential learning. Journal of Biomechanical Engineering. 139 (7), 0710011-0710017 (2017).
- Singh, A., Ferry, D., Balasubramanian, S. Efficacy of clinical simulation based training in biomedical engineering education. Journal of Biomechanical Engineering. 141 (12), 121011-121017 (2019).
- Singh, A., Ferry, D., Mills, S. Improving biomedical engineering education through continuity in adaptive, experiential, and interdisciplinary learning environments. Journal of Biomechanical Engineering. 140 (8), 0810091-0810098 (2018).
- Singh, A., Ferry, D., Ramakrishnan, A., Balasubramanian, S. Using virtual reality in biomedical engineering education. Journal of Biomechanical Engineering. 142 (11), 111013 (2020).
- Majmudar, T., Balasubramanian, S., Magee, R., Gonik, B., Singh, A. In-vitro stress relaxation response of neonatal peripheral nerves. Journal of Biomechanical Engineering. 128, 110702 (2021).
- Orozco, V., Magee, R., Balasubramanian, S., Singh, A. A systematic review of the tensile biomechanical properties of the neonatal brachial plexus. Journal of Biomechanical Engineering. 143 (11), 110802 (2021).
- Singh, A. M. T., Magee, R., Gonik, B., Balasubramanian, S. Effects of pre-stretch on neonatal peripheral nerve: An in-vitro study. Journal of Brachial Plexus and Peripheral Nerve Injury. 17 (1), 1-9 (2022).
- Balasubramanian, S., D’Andrea, C., Viraraghavan, G., Cahill, P. J. Development of a finite element model of the pediatric thoracic and lumbar spine, ribcage, and pelvis with orthotropic region-specific vertebral growth. Journal of Biomechanical Engineering. 144 (10), 101007 (2022).
- Hadagali, P., Peters, J. R., Balasubramanian, S. Morphing the feature-based multi-blocks of normative/healthy vertebral geometries to scoliosis vertebral geometries: Development of personalized finite element models. Computer Methods in Biomechanics and Biomedical Engineering. 21 (4), 297-324 (2018).
- Singh, A. Available computational and physical models to understand the mechanisms of neonatal brachial plexus injury during shoulder dystocia. Open Access Journal of Neurology and Neurosurgery. 9 (4), 555768 (2019).
