Intraperitoneal glukose toleranse Test, måling av lungefunksjonen og fiksering av lungene å studere virkningen av fedme og svekket metabolisme på lunge resultater
Summary
Forekomsten av fedme er stigende og øker risikoen for kroniske lungesykdommer. For å etablere de underliggende mekanismene og forebyggende strategier, veldefinerte dyr modeller er nødvendig. Her gir vi tre metoder (glukose toleranse test, kroppen plethysmography og lunge fiksering) å studere effekten av fedme på lunge resultater i mus.
Abstract
Fedme og respirasjonsproblemer er store helseproblemer. Fedme er blitt en fremvoksende epidemi med forventet antall over 1 milliard overvektige personer over hele verden i 2030, dermed representerer en voksende sosioøkonomiske byrde. Samtidig, er fedme-relaterte samtidige, inkludert diabetes som hjertet og kroniske lungesykdommer, kontinuerlig på vei oppover. Selv om fedme har blitt assosiert med økt risiko for astma eksaserbasjoner, forverring av respiratoriske symptomer og dårlig kontroll, funksjonelle rolle fedme og plaget metabolisme i patogenesen av kronisk lungesykdom er ofte undervurdert, og underliggende molekylære mekanismer forblir unnvikende. Denne artikkelen tar sikte på å presentere metoder for å vurdere effekten av fedme på stoffskiftet, samt lunge struktur og funksjon. Her beskriver vi tre teknikker for mus studier: (1) vurdering av intraperitoneal glukosetoleranse (ipGTT) til å analysere effekten av fedme på glukose metabolisme; (2) måling av luftveiene motstand (Res) og luftveiene samsvar (Cdyn) til å analysere effekten av fedme på lungefunksjonen; og (3) forberedelse og fiksering av lunge for påfølgende kvantitativ histologiske vurdering. Fedme-relaterte lungesykdommer er sannsynligvis multifaktoriell, stammer fra systemisk inflammatorisk og metabolske feilregulering som potensielt negativt påvirke lungefunksjonen og svaret terapi. Derfor er en standardisert metode for å studere molekylære mekanismer og effekten av romanen behandlinger viktig.
Introduction
Ifølge Verdens helseorganisasjon (WHO) i 2008, var mer enn 1,4 milliarder voksne i alderen 20 og eldre, overvektig med en kroppsmasseindeks (BMI) større enn eller lik 25; Videre, over 200 millioner menn og nærmere 300 millioner kvinner ble overvektige (BMI≥30)1. Fedme og Metabolsk syndrom er større risk faktorene for en rekke sykdommer. Mens fedme og samtidig økt hvit fettvev masse har blitt forbundet for å type 2 diabetes2,3, kardiovaskulære sykdommer, inkludert koronar hjertesykdom (CHD), hjertesvikt (HF), atrieflimmer4 og slitasjegikt5, sin funksjonelle rolle i patogenesen av respirasjonsproblemer fortsatt dårlig forstått. Imidlertid har Epidemiologiske studier vist at fedme er sterkt assosiert med kroniske luftveissykdommer forhold, herunder exertional dyspné, obstruktiv søvnapné syndrom (OSAS), fedme hypoventilasjon syndrom (OHS), kronisk hindrende lunge sykdom (COPD), lunge embolism, aspirasjon lungebetennelse og bronkial astma6,7,8,9. Potensielle mekanismer kobler fedme og plaget metabolisme, f.eks, insulinresistens og type II diabetes, til patogenesen av kronisk lungesykdom ikke bare omfatter mekanisk og fysisk konsekvensene av vekt gevinst på ventilasjon men også indusere en kronisk subakutt inflammatorisk stat10,11. Fedme og lungesykdommer i løpet av det siste tiåret, kombinert med mangel på effektive forebyggende strategier og terapeutiske metoder, fremhever behovet for å undersøke molekylære mekanismer for å definere nye veier for å behandle fedme-relaterte lunge sykdommer.
Her beskriver vi tre standard tester, som er viktig grunnleggende undersøke fedme og dens innvirkning på lunge struktur og funksjon i musen modeller: (1) intraperitoneal glukose toleranse (ipGTT) (2) måling av luftveiene motstand (Res) og luftveier systemkompatibiliteten (Cdyn); og (3) forberedelse og fiksering av lunge for påfølgende kvantitativ histologiske vurdering. IpGTT er en robust screening test for å måle glukose opptak, og dermed effekten av fedme på stoffskiftet. Enkelheten av metoden kan godt standardisering, og derfor sammenlignbarheten resultater mellom laboratorier. Mer avanserte metoder, for eksempel hyperglycemic klemmer eller studier på isolerte småøyer, kan brukes for detaljert analyse av metabolske fenotypen12. Her vurderer vi glukosetoleranse for å definere en fedme-assosiert stat systemisk og metabolske lidelse som grunnlag for videre studier på en lunge utfall. For å vurdere effekten av fedme og stoffskiftesykdom på lungefunksjonen, målt vi airway motstand (Res) og luftveiene samsvar (Cdyn). Betegner lungesykdom, er uhemmet samt behersket metoder for vurdering av lungefunksjonen tilgjengelig. Uhemmet plethysmography i fritt flytte dyrene etterligner en naturlig tilstand, reflekterer pusting mønstre; invasive metoder, for eksempel inngangsimpedans måling av Res og cDyn i dypt bedøvet mus å vurdere dynamisk lunge mekanikere, er mer nøyaktig13. Siden kroniske åndedrettsproblemer gjenspeiles ved histologic endringer av lungevev, er riktig lunge fiksering for videre analyse forestående. Valg av vev fiksering og forberedelse avhenger kupé av lungene som vil bli studert, for eksempel gjennomføre luftveiene eller lunge parenchyma14. Her beskriver vi en metode som tillater kvalitativ og kvantitativ vurdering av gjennomfører luftveiene å studere effekten av fedme på astma utvikling.
Protocol
Representative Results
Discussion
Denne rapporten gir tre protokoller for tre forskjellige metoder for å analysere virkningen av fedme på glukose metabolisme og lunge resultater. Først glukose toleranse test tilbyr muligheten til å analysere intracellulær glukose opptak og kan være indikativ av insulinresistens. Andre, hele kroppen plethysmography er en teknikk for å måle lungefunksjonen og dermed nyttig å teste effekten av romanen behandlinger. Tredje er en standardisert fiksering protokoll viktig for kvantitative morphometric analyse for å vu…
Divulgaciones
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Eksperimentene ble støttet av Marga og Walter Boll-Stiftung, Kerpen, Tyskland; Prosjektet 210-02-16 (MAAA), prosjektet 210-03-15 (MAAA) og av tyske Foundation (DFG; AL1632-02; MAAA), Bonn, Tyskland; Senter for molekylær medisin Köln (CMMC; Universitetssykehuset Köln; Karriere fremme Program; MAAA), Köln formue (fakultet, Universitetet i Köln; KD).
Materials
| GlucoMen LX | A.Menarini diagnostics, Firneze, Italy | 38969 | blood glucose meter |
| GlucoMen LX Sensor | A.Menarini diagnostics, Firneze, Italy | 39765 | Test stripes |
| Glucose 20% | B. Braun, Melsung, Germany | 2356746 | |
| FinePointe Software | DSI, MC s´Hertogenbosch, Netherlands | 601-1831-002 | |
| FinePointe RC Single Site Mouse Table | DSI, MC s´Hertogenbosch, Netherlands | 601-1831-001 | |
| FPRC Controller | DSI, MC s´Hertogenbosch, Netherlands | 601-1075-001 | |
| FPRC Aerosol Block | DSI, MC s´Hertogenbosch, Netherlands | 601-1106-001 | |
| Aerogen neb head-5.2-4um | DSI, MC s´Hertogenbosch, Netherlands | 601-2306-001 | |
| Forceps | FST, British Columbia, Canada | 11065-07 | |
| Blunt scissors | FST, British Columbia, Canada | 14105-12 | |
| Micro scissors | FST, British Columbia, Canada | 15000-00 | |
| Perma-Hand 4-0 | Ethicon, Puerto Rico, USA | 736H | Surgical suture |
| Roti-Histofix 4% | Roth | P087.1 | 4% Paraformaldehyd |
| Ketaset | Zoetis, Berlin, Germany | 10013389 | Ketamine |
| Rompun 2% | Bayer, Leverkusen, Germany | 770081 | Xylazine |
Referencias
- Kelly, T., Yang, W., Chen, C. S., Reynolds, K., He, J. Global burden of obesity in 2005 and projections to 2030. Int J Obes (Lond). 32, 1431-1437 (2008).
- Freemantle, N., Holmes, J., Hockey, A., Kumar, S. How strong is the association between abdominal obesity and the incidence of type 2 diabetes?. International journal of clinical practice. 62, 1391-1396 (2008).
- Wassink, A. M. J., et al. Waist circumference and metabolic risk factors have separate and additive effects on the risk of future Type 2 diabetes in patients with vascular diseases. A cohort study. Diabetic Medicine. 28, 932-940 (2011).
- Oktay, A. A., et al. The Interaction of Cardiorespiratory Fitness with Obesity and the Obesity Paradox in Cardiovascular Disease. Progress in cardiovascular diseases. , (2017).
- Azamar-Llamas, D., Hernandez-Molina, G., Ramos-Avalos, B., Furuzawa-Carballeda, J. Adipokine Contribution to the Pathogenesis of Osteoarthritis. Mediators Inflamm. 2017, 5468023 (2017).
- Koenig, S. M. Pulmonary complications of obesity. The American journal of the medical sciences. 321, 249-279 (2001).
- Stunkard, A. J. Current views on obesity. The American journal of medicine. 100, 230-236 (1996).
- Murugan, A. T., Sharma, G. Obesity and respiratory diseases. Chron Respir Dis. 5, 233-242 (2008).
- Zammit, C., Liddicoat, H., Moonsie, I., Makker, H. Obesity and respiratory diseases. International journal of general medicine. 3, 335-343 (2010).
- Ouchi, N., Parker, J. L., Lugus, J. J., Walsh, K. Adipokines in inflammation and metabolic disease. Nat Rev Immunol. 11, 85-97 (2011).
- McArdle, M. A., Finucane, O. M., Connaughton, R. M., McMorrow, A. M., Roche, H. M. Mechanisms of obesity-induced inflammation and insulin resistance: insights into the emerging role of nutritional strategies. Front Endocrinol (Lausanne). 4, 52 (2013).
- Ayala, J. E., et al. Standard operating procedures for describing and performing metabolic tests of glucose homeostasis in mice. Disease models & mechanisms. 3, 525-534 (2010).
- Bates, J. H., Irvin, C. G. Measuring lung function in mice: the phenotyping uncertainty principle. J Appl Physiol. 94 (1985), 1297-1306 (2003).
- Hsia, C. C., Hyde, D. M., Ochs, M., Weibel, E. R. An official research policy statement of the American Thoracic Society/European Respiratory Society: standards for quantitative assessment of lung structure. Am J Respir Crit Care Med. 181, 394-418 (2010).
- Hoogstraten-Miller, S. L., Brown, P. A. Techniques in aseptic rodent surgery. Curr Protoc Immunol. Chapter 1, (2008).
- Heydemann, A. An Overview of Murine High Fat Diet as a Model for Type 2 Diabetes Mellitus. Journal of diabetes research. 2016, 2902351 (2016).
- Asha, G. V., Raja Gopal Reddy, M., Mahesh, M., Vajreswari, A., Jeyakumar, S. M. Male mice are susceptible to high fat diet-induced hyperglycaemia and display increased circulatory retinol binding protein 4 (RBP4) levels and its expression in visceral adipose depots. Archives of physiology and biochemistry. 122, 19-26 (2016).
- Jovicic, N., et al. Differential Immunometabolic Phenotype in Th1 and Th2 Dominant Mouse Strains in Response to High-Fat Feeding. PLoS One. 10, e0134089 (2015).
- Fontaine, D. A., Davis, D. B. Attention to Background Strain Is Essential for Metabolic Research: C57BL/6 and the International Knockout Mouse Consortium. Diabetes. 65, 25-33 (2016).
- Muniyappa, R., Lee, S., Chen, H., Quon, M. J. Current approaches for assessing insulin sensitivity and resistance in vivo: advantages, limitations, and appropriate usage. Am J Physiol Endocrinol Metab. 294, E15-E26 (2008).
- Heijboer, A. C., et al. Sixteen hours of fasting differentially affects hepatic and muscle insulin sensitivity in mice. Journal of lipid research. 46, 582-588 (2005).
- Heikkinen, S., Argmann, C. A., Champy, M. F., Auwerx, J. Evaluation of glucose homeostasis. Current protocols in molecular biology. Chapter 29, (2007).
- McGuinness, O. P., Ayala, J. E., Laughlin, M. R., Wasserman, D. H. NIH experiment in centralized mouse phenotyping: the Vanderbilt experience and recommendations for evaluating glucose homeostasis in the mouse. Am J Physiol Endocrinol Metab. 297, E849-E855 (2009).
- Ayala, J. E., Bracy, D. P., McGuinness, O. P., Wasserman, D. H. Considerations in the design of hyperinsulinemic-euglycemic clamps in the conscious mouse. Diabetes. 55, 390-397 (2006).
- Lodhi, I. J., Semenkovich, C. F. Why we should put clothes on mice. Cell Metab. 9, 111-112 (2009).
- Swoap, S. J., Gutilla, M. J., Liles, L. C., Smith, R. O., Weinshenker, D. The full expression of fasting-induced torpor requires beta 3-adrenergic receptor signaling. J Neurosci. 26, 241-245 (2006).
- Geiser, F. Metabolic rate and body temperature reduction during hibernation and daily torpor. Annu Rev Physiol. 66, 239-274 (2004).
- Mead, J. Mechanical properties of lungs. Physiological reviews. 41, 281-330 (1961).
- Lundblad, L. K., Irvin, C. G., Adler, A., Bates, J. H. A reevaluation of the validity of unrestrained plethysmography in mice. J Appl Physiol. 93, 1198-1207 (2002).
- Lundblad, L. K., et al. Penh is not a measure of airway resistance!. Eur Respir J. 30, 805 (2007).
- Adler, A., Cieslewicz, G., Irvin, C. G. Unrestrained plethysmography is an unreliable measure of airway responsiveness in BALB/c and C57BL/6 mice. J Appl Physiol. 97, 286-292 (2004).
- Fairchild, G. A. Measurement of respiratory volume for virus retention studies in mice. Applied microbiology. 24, 812-818 (1972).
- Brown, R. H., Wagner, E. M. Mechanisms of bronchoprotection by anesthetic induction agents: propofol versus ketamine. Anesthesiology. 90, 822-828 (1999).
- Goyal, S., Agrawal, A. Ketamine in status asthmaticus: A review. Indian journal of critical care medicine: peer-reviewed, official publication of Indian Society of Critical Care Medicine. 17, 154-161 (2013).
- Doi, M., Ikeda, K. Airway irritation produced by volatile anaesthetics during brief inhalation: comparison of halothane, enflurane, isoflurane and sevoflurane. Canadian journal of anaesthesia = Journal canadien d’anesthesie. 40, 122-126 (1993).
- Braber, S., Verheijden, K. A., Henricks, P. A., Kraneveld, A. D., Folkerts, G. A comparison of fixation methods on lung morphology in a murine model of emphysema. Am J Physiol Lung Cell Mol Physiol. 299, L843-L851 (2010).
- Weibel, E. R., Limacher, W., Bachofen, H. Electron microscopy of rapidly frozen lungs: evaluation on the basis of standard criteria. Journal of applied physiology: respiratory, environmental and exercise physiology. 53, 516-527 (1982).
- Rolls, G. . Process of Fixation and the Nature of Fixatives. , (2017).
- Winsor, L., Woods, A., Ellis, R. Tissue processing. Laboratory histopathology. , 4.2-1-4.2-39 (1994).
- Pearse, A. . Histochemistry, theoretical and applied. , (1980).
- Weibel, E. R. Morphological basis of alveolar-capillary gas exchange. Physiological reviews. 53, 419-495 (1973).
- Bur, S., Bachofen, H., Gehr, P., Weibel, E. R. Lung fixation by airway instillation: effects on capillary hematocrit. Experimental lung research. 9, 57-66 (1985).
- Bachofen, H., Ammann, A., Wangensteen, D., Weibel, E. R. Perfusion fixation of lungs for structure-function analysis: credits and limitations. Journal of applied physiology: respiratory, environmental and exercise physiology. 53, 528-533 (1982).
- Balcombe, J. P., Barnard, N. D., Sandusky, C. Laboratory routines cause animal stress. Contemporary topics in laboratory animal science. 43, 42-51 (2004).
