Pneumographie d’impedance pour la mesure mini-invasive de la fréquence cardiaque dans les invertébrés de stade avancé
Summary
La mesure de la fréquence cardiaque lors d’un défi thermique donne un aperçu des réponses physiologiques des organismes à la suite d’un changement environnemental aigu. Utilisant le homard américain (Homarus americanus) comme organisme modèle, ce protocole décrit l’utilisation de la pneumographie d’impedance comme approche relativement non invasive et non létale pour mesurer la fréquence cardiaque dans les invertébrés à un stade avancé.
Abstract
Les températures dans les océans augmentent rapidement en raison des changements généralisés des climats mondiaux. Comme la physiologie organisationnelle est fortement influencée par la température environnementale, cela a le potentiel de modifier les performances physiologiques thermiques dans une variété d’organismes marins. Utilisant le homard américain (Homarus americanus) comme organisme modèle, ce protocole décrit l’utilisation de la pneumographie d’impedance pour comprendre comment la performance cardiaque dans les invertébrés de stade avancé change sous le stress thermique aigu. Le protocole présente une technique mini-invasive qui permet la collecte en temps réel de la fréquence cardiaque au cours d’une expérience de montée en puissance de la température. Les données sont facilement manipulées pour générer une parcelle arrhenius qui est utilisé pour calculer la température de rupture Arrhenius (ABT), la température à laquelle la fréquence cardiaque commence à diminuer avec des températures croissantes. Cette technique peut être utilisée dans une variété d’invertébrés à un stade avancé (c.-à-d. crabes, moules ou crevettes). Bien que le protocole se concentre uniquement sur l’impact de la température sur la performance cardiaque, il peut être modifié pour comprendre le potentiel pour les facteurs de stress supplémentaires (par exemple, l’hypoxie ou l’hypercapnie) d’interagir avec la température pour influencer les performances physiologiques. Ainsi, la méthode a le potentiel pour des applications de grande envergure pour mieux comprendre comment les invertébrés marins réagissent aux changements aigus dans l’environnement.
Introduction
Au cours des dernières décennies, l’augmentation de l’apport de gaz à effet de serre (c.-à-d. le dioxyde de carbone, le méthane et l’oxyde nitreux) dans l’atmosphère a entraîné des tendances généralisées de changement environnemental1. Les océans du monde se réchauffent rapidement2,3,une tendance qui peut avoir de graves impacts sur la physiologie organisationnelle. La température influence fortement les taux physiologiques, et les organismes ont une plage de température optimale pour la performance4,5,6. En tant que tel, les individus peuvent rencontrer des difficultés à maintenir la livraison appropriée d’oxygène aux tissus pendant que les températures s’éloignent en dehors de cette gamme. Cela a le potentiel de conduire à des baisses de la performance aérobique face au réchauffement des températures océaniques5,7.
En laboratoire, une méthode pour comprendre les impacts physiologiques du changement environnemental consiste à examiner la performance cardiaque dans le contexte du stress thermique. Ceci fournit un aperçu de la façon dont l’exposition aux conditions de réchauffement prévues peut modifier les courbes de performance5,6 ainsi que le potentiel de plasticité d’acclimation8. Diverses méthodes ont été mises en œuvre avec succès pour mesurer la fréquence cardiaque dans les invertébrés marins. Cependant, beaucoup de ces techniques impliquent l’ablation chirurgicale ou la manipulation majeure de l’exosquelette et l’implantation prolongée des dispositifs de mesure9,10,11, qui introduit le stress supplémentaire au sujet de test et augmente le temps nécessaire pour une récupération réussie avant l’expérimentation. De plus, les techniques moins invasives (p. ex., observation visuelle, vidéographie) peuvent être limitées aux stades de l’histoire de la vie précoce lorsque les organismes peuvent être entièrement ou semi-transparents12. En outre, d’autres défis peuvent être présentés aux chercheurs qui ne connaissent pas bien les méthodologies plus avancées sur le plan technologique (p. ex., observations par transducteurs infrarouges ou perfusion Doppler8,11).
Ce protocole utilise le homard américain (Homarus americanus) comme modèle d’invertébrés marins à un stade avancé pour démontrer l’utilisation de la pneumographie d’obstacle pour évaluer les changements de fréquence cardiaque au cours d’une expérience de montée en puissance de la température. La pneumographie d’impedance implique le passage d’un courant électrique oscillant (AC) sur deux électrodes placées de chaque côté du péricarde pour mesurer les changements de tension pendant que le coeur se contracte et détend13,14. Cette technique est peu invasive, car elle utilise de petites électrodes (c.-à-d., 0,10-0,12 mm de diamètre) qui sont doucement implantées juste sous l’exosquelette. Enfin, il fournit des évaluations en temps réel de la fréquence cardiaque et de la température de l’eau pendant la rampe grâce à l’utilisation d’un enregistreur de données.
Le protocole fournit également des instructions pour calculer la température de rupture arrhenius (ABT), la température à laquelle la fréquence cardiaque commence à diminuer avec des températures croissantes13,15. L’ABT sert d’indicateur non létal de la limite thermique de capacité dans les sujets d’essai qui peuvent être favorisés sur la mesure du maximum thermique critique (CTmax, la limite supérieure de la fonction cardiaque5,6), que les limites mortelles sont souvent extrêmes et rarement rencontrés dans l’environnement naturel5.
Protocol
Representative Results
Discussion
Ce protocole décrit l’utilisation de la pneumographie d’obstacle pour mesurer les changements dans la fréquence cardiaque des invertébrés de stade avancé pendant une expérience de montée en puissance de la température. L’avantage principal de cette technique par rapport à d’autres approches en laboratoire9,10,11 est qu’elle est mini-invasive et n’implique pas une manipulation chirurgicale majeure de l’exos…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Les auteurs remercient Paul Rawson pour l’aide en laboratoire et le prix IIA-1355457 de la National Science Foundation à l’EPSCoR du Maine de l’Université du Maine pour les fonds destinés à l’achat d’équipement. Ce projet a été soutenu par l’USDA National Institute of Food and Agriculture, hatch numéro du projet MEO-21811 par l’intermédiaire de la station d’expérimentation agricole et forestière du Maine, ainsi que par le Service national des pêches marines de la NOAA Saltonstall Kennedy Grant #18GAR039-136. Les auteurs remercient également trois critiques anonymes pour leurs commentaires sur une version précédente de ce manuscrit. Maine Agricultural and Forest Experiment Station Publication Numéro 3733.
Materials
| 1.6 mm (1/16 in) drill bit | Milwaukee Tool at Home Depot | 1001294900 | This is for a 1.6 mm (1/16 in) diameter drill bit. This item can be found at most home-improvement stores. |
| 38 AWG Copper Magnet Wire | TEMCo | MW0093 | This wire is used to make the wire electrode leads that are implanted into the test subjects. This listing is for a 4 oz coil of 38-gauge magnetic wire. TemCo also has 36-gauge magnetic wire that is also suitable for use in constructing wire electrodes. |
| Cyanoacrylate glue | Loctite | 852882 | This item includes a brush tip, which makes it easier to control the amount of glue used to secure electrodes to the carapace. |
| Ethanol, 70% Solution, Molecular Biology Grade | Fisher BioReagents | BP82931GAL | This reagent is used in combination with the sterile cotton balls to disinfect the carapace prior to electrode implantation. |
| Excel | Microsoft | N/A | This program is used in the protocol for organizing, manipulating, and analyzing data. It is compatible with both PC and Mac operating systems. |
| Fisherbrand 8-Piece Dissection Kit | Fisher Scientific | 08-855 | This kit includes the forceps, scissors, dissecting knife (and blades), and dissecting needle needed to accomplish the electrode implantation steps in the protocol. |
| Fisherbrand Isotemp Refrigerated/Heated Bath Circulators: 5.4-6.5L, 115V/60Hz | Fisher Scientific | 13-874-180 | This is a complete system that consists of an immersion circulator and a bath. It can be used as a temperature controlled bath or to circulate fluid externally to an application. Temperature range of this water bath is -20 to +100 °C, and the unit heats/cools rapidly and is easy to drain upon conclusion of use. |
| Fisherbrand Sterile Cotton Balls | Fisher Scientific | 22-456-885 | These swabs should be soaked in 70% ethanol before being used to disinfect the carapace prior to electrode implantation. |
| Fork Terminal, Red Vinyl, Butted Seam, 22 to 16 AWG, 100 PK | Grainger | 5WHE6 | Terminals are soldered to the magnetic wire to construct the wire electrodes. These can be purchased from a variety of home-improvement vendors. |
| Impedance converter | UFI | Model 2991 | Measures impedance changes correlated with very small voltage changes, ranging from 0.2 ohm to over 5 ohms. This model can convert impedance changes that stem from resistance, capacitance, or inductance variations, as well as a combination of all three. |
| LabChart software | ADInstruments | N/A | Purchase of the PowerLab datalogger includes the LabChart software, but a license for the software can also be directly downloaded online. LabChart allows the user to record data, open and read LabChart files, analyze data, as well as save and export files. There is a free version of the software, LabChart Reader, but users can only open and read LabChart files and analyze them (i.e., it cannot be used to record, save, or export data files). One also has the option of selecting LabChart Pro, which includes LabChart teaching modules that can be used for educational purposes. |
| LED Soldering Iron | Grainger | 28EA35 | This is a generic soldering iron that can be used to solder the magnetic wire to the fork terminals to create the wire electrodes. |
| PowerLab datalogger | ADInstruments | ML826 | There are a variety of models of the PowerLab. This catalog number is for the 2/26 model that is a 2 channel, 16 bit resolution recorder with two analog input channels, independently selectable input sensitivities, two independent analog outputs for stimulation or pulse generation and a trigger input. The PowerLab features a wide range of low-pass filters, AC or DC coupling and adaptive mains filter. This unit has a USB interface for connection to Windows or Mac OS computers and a sampling rate of 100,000 samples/s per channel. |
| Prism8 | GraphPad | N/A | This program provides an additional option for calculating the Arrhenius Break Temperature through its “Segmental linear regression” data analysis option. This program does not require any programming and is compatible with both Mac and Windows operating systems. |
| R | R Project | N/A | This is free software for statistical computing that is compatible with UNIX platforms, as well as Windows and Mac operating systems. This program can also be used to calculate the Arrhenius Break Temperature using the “segmented” package. There are a number of tutorials and user guides available online through the r-project.org website. |
| Rosin Core Solder | Grainger | 331856 | This product has a diameter of 0.031 in (0.76 mm) and is ideal for use in soldering speaker wire (similar gauge as magnetic wire used for electrodes). |
| SAS | SAS Institute | N/A | This program provides an additional option for calculating the Arrhenius Break Temperature. However, it does require programming and is not compatible with Mac operating systems. |
| SigmaPlot | Systat Software, Inc. | N/A | This is the authors’ preferred program for statistical determination of the Arrhenius Break Temperature. The “Regression Wizard” is easy to use and does not require any programming. One can obtain a free 30-day trial license before purchase. However, it is compatible only with PC computers. |
| T-type Pod | ADInstruments | ML312 | Suitable for measurement of temperatures from 0-50 °C using T-type thermocouples. |
| T-type Thermocouple Probe | ADInstruments | MLT1401 | Compatible with the T-type Pod for connection. Measures temperature up to 150 °C, and is suitable for immersion in various solutions, semi-solids, and tissue (includes a needle for implantation). This product is a 0.6 mm diameter isolated probe that is sheathed in chemical-resistant Teflon and a lead length of 1.0 m. |
| UV Cable Tie, Black | Home Depot | 295813 | This is for a 100-pack of 8-inch (20.32 cm), black cable ties. However, based on the size of test subjects, smaller or larger cable ties may be needed. This item, and others like it, can be purchased at any home-improvement store. |
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