Solunum fonksiyon çift-odası pletismografisi tarafından bilinçli farelerde değerlendirilmesi
Summary
Çift-odası pletismografisi tarafından bilinçli farelerde solunum işlevin sonucunu önerilen yordamları ayrıntılı bir açıklama sağlamak için mevcut makale hedefidir.
Abstract
Hava birimi değişiklikleri kendiliğinden bir vücut kutusu içinde nefes bilinçli bir konuya göre oluşturulan pletismografisi, invaziv olmayan bazı özellikler de Laboratuvar hayvanlarının olduğu gibi insanlarda solunum fonksiyon değerlendirmek için kullanılan bir teknik temeli altındadır. Mevcut makale küçük hayvanlarda çift-odası pletismografisi (DCP) uygulanması üzerinde duruluyor. Arka plan bilgi metodoloji yanı sıra başarılı bir şekilde kendiliğinden hayvanlar non-invaziv bir şekilde nefes bilinçli, solunum fonksiyon değerlendirmek için ayrıntılı adım adım yönerge sağlar. DCP seçtiğiniz zaman sürecinde aerosolize maddeler tarafından indüklenen değişiklikleri tanımlamak için de paralel ve tekrarlanan bir şekilde birden fazla hayvanların solunum fonksiyon izlemek için kullanılabilir. Denetim ve alerjik fareler üzerinde deneyler burada tartışın ilgili avantajları ve eksiklikleri olarak ilişkili sonuç parametreleri açıklamak, belgili tanımlık yarar tekniği göstermek için kullanılır. Genel olarak, DCP temel hem de zorlukları aerosolize maddeler ile sonra bilinçli küçük hayvanların solunum fonksiyon değerlendirmek için güvenilir olabilir geçerli ve teorik olarak ses okumayı sağlar.
Introduction
Küçük hayvan modeli insan solunum hastalıkları için artan kullanımı kantitatif bu hayvanlarda solunum sisteminin işlevleri değerlendirmek için yöntemlerin geliştirilmesi sayesinde çağırdı. Şu anda, zorla salınım tekniği (FOT) küçük hayvan1,2solunum mekaniği değerlendirmek için en doğru yaklaşım kabul edilmektedir. Ancak, fenotipleme belirsizlik ilkesi tarafından belirtildiği gibi ne FOT hassasiyetle ölçüm içinde kazandı kapalı noninvasiveness3kaybına karşı işlem görmektedir. Nitekim, FOT ölçümleri anestezi, boğaz veya sözlü entübasyon yanı sıra mekanik havalandırma gerektiren son derece kontrollü deneysel koşullar altında elde edilir; gerçek hayattan uzak bir senaryo.
Burada deneysel gereksinimleri anestezik ajanların kullanımı yasak veya hayvanın doğal fizyolojik devlet az veya hiç sapma için ara durumlarda, Çift-odası pletismografisi (DCP) kabul edilebilir. Onun adından da anlaşılacağı gibi bir DCP mümkün olduğunca hermetik hayvanın kafası (veya burun),–dan onun göğüs ön odasında yalıtmak için inşa bağlı iki katı odalarının arka odasında oluşur. Belgili tanımlık tertibat içinde hayvan bilinçli ve kendiliğinden ölçülü sırasında nefes. Odaların duvarlarında genişletmek veya geri çekmek için bir sonucu olarak çevreleyen hava sıkıştırma/açma arka odası içinde ters dalga formu ama karşılık gelen hava hayvan girip hareket oluştur. Dalga biçimi nedeniyle açık odası ve arka odasında torasik hareket ile ilgili bir burun akış böylece ayrılmış ve aynı anda ele geçirdi. DCP Kur tasarımına bağlı olarak, bu dalga biçimleri sırasıyla değişiklikleri odası basınç ve hava akımı odaları girip bir fonksiyonu olarak kaydetmek için bir dizi basınç güç çeviriciler veya pneumotachographs kullanarak elde edilebilir. İkinci yaklaşımı günümüzde daha yaygındır.
Hayvanın solunum frekansı doğru pletismografisi teknikleri her türlü tarafından belirlenebilir, durum tidal hacim ve ilgili havalandırma parametreleri (Örneğin, dakika havalandırma, belirlenmesi için aynı değil iken ekspiratuar hacim, vb). Nerede hayvanın deprem ses kutusu sinyal4,5dan tahmin edilmektedir, tüm vücut Pletismograf (WBP) tekniği olarak karşı DCP teknik deprem biriminin doğru değerlendirmeler sağlar. Bu sırasında nefes akciğer hacmi değişimler ile orantılı olan hayvanın göğüs hareketi arka odasında doğrudan edinimi ile ilgilidir.
Bu doğru solunum parametreleri ek olarak (Örneğin, tidal hacim, nefes alma sıklığı ve dakika havalandırma), solunum döngüsü şeklinde bazı karışıklıklar yönetir nöronal yönleri araştırmak için de kullanılabilir solunum sürücü veya solunum refleksleri. Bu uygulamanın belirli bir örnek üst solunum yolu duyusal sinir hücreleri6inhale maddeler irritasyon potansiyelinin değerlendirilmesi olacaktır. Burada, süre sonu başlangıcı adlı bir duraklama süresi sonunda inspiratory Duraklat (EIP),6frenleme süresi olarak da denilen bir parametresi kullanılarak belirlenir. Bu duraklama tahriş edici bir madde tarafından uzaması hayvanın glottis, süre sonu6,7ilk bölümünde frenleme ölçülebilir bir süre kapatılması ile ilişkilidir.
Bir diğer önemli avantajı DCP hava akımı tıkanıklığı için hassas iki doğrulanmış ve tartışmasız parametre sağlamasıdır. Bir akış-gelgit ekspiratuar ses seviyesinde denir ve kısaltılmış EF508,9,10. Bu sona erme sırasında gelgit her nefes midway ses seviyesinde hava akımı var. EF50 göğüs akışını izleme elde edilir ve böylece açık odası (yani, bir baş-out yapılandırmasında) olmadan ölçülebilir. Diğer bir özel havayolu direnci denir ve kısaltılmış sRaw11,12,13. Bu ayrı solunum izler sıfır akışı ilham sonundaki noktasında arasındaki gecikme süresi üzerinden hesaplanan gibi sRaw belirlenmesi hayvanın burun ve göğüs akışı aynı anda kayıt gerektirir. Tarafından bu gecikme ilgili olduğu için sRaw temel açıklar mantığı expatiated daha önce11. Basitçe söylemek gerekirse, basınç gradyan Sürücü hava akımı amacıyla geliştirmek gerekir bu yana akciğer hacmi değişimler hava hareketi koyun. Bir sağlıklı hayvan sessizce nefes, bu gecikme genellikle çok küçüktür. Ancak, belirli bir akış (Örneğin, bir akış yeterli havalandırma sağlamak için yeterli) karşılamak için gerekli basınç gradyan havayolu direnci derecesi tarafından etkilenir. Bronchoconstriction sırasında Örneğin, belirli bir akış karşılamak için gerekli basınç gradyan hangi hayvan daha fazla nefes çalışması gerektiğini ima, büyüktür. Arka odası girip akışı daha büyük bir kısmını dekompresyon/sıkıştırma hava toplam torasik genişleme/olan geri çekme bölümü olan toraks içinde kaynaklanmaktadır hayvanın göğüs basıncı büyük bir degrade de anlaşılacağı burun akışı ile faz dışı. Bronchoconstriction nedeniyle artan direnç böylece arka ve ön chambers arasındaki gecikme artacaktır ve böylece sRaw artırır. Hava akımı akciğerin girip sürücüler basınç gradyan ilk torasik gaz birim (TGV) tarafından da etkilenir. Daha büyük bir TGV adlı Örneğin, genişleme/retraksiyon toraks basınç belirli bir degrade oluşturmak için gerekli ve büyüktür (sadece basınç belirli bir degrade oluşturmak için gereken birim yer değiştirme büyük olduğu için), hangi de anlaşılacağı hayvan daha fazla nefes çalışması gerekiyor. Yine, bu ekstra torasik talebiyle toraks havada decompress/sıkıştırmak için gerekli olanlar ve böylece burun akışı ile faz dışı vardır. Bu yüzden, artan bir TGV de odaları arasında gecikme artacaktır ve böylece sRaw artırır. Görüldüğü gibi bronchoconstriction ve artan TGV hava akciğer girip çizmek için daha önemli bir çaba sonucu. Bu, esas olarak, fizyolojik sRaw anlamı. 5,14solunum için gerekli iş temsil eder.
Böylece iki farklı faktörler sRaw etkiler anlaşılması önemlidir: havayolu direnci ve TGV. Aslında, sRaw havayolu direnci ve TGV11ürün olarak ifade edilebilir. Bilinçli hayvanlar onların TGV diledikleri, onların havalandırma belirli bir ortama adapte olarak değiştirebilirsiniz. Hayvanın doğal fizyolojik devlet değiştirilmemiş nerede, bu koşullar altında böylece bir değişiklik sRaw havayolu direnci bir değişiklik, TGV bir değişiklik veya ikisinin bir karışımı kaynaklanıyor ayırt etmek imkansız. Bu nedenle, bu solunum mekaniği ve/veya FOT1,15tarafından sağlananlar gibi akciğer birimleri daha invaziv ölçümleri ile DCP değerlendirilmesi tamamlayacak tavsiye edilir.
Bugüne kadar DCP çeşitli araştırma uygulamalarında kullanılmıştır. Tekniği ile veya olmadan kafa odasına kantitatif kullanılabilir ve doğru ilaç ajanlar, alerjenler, tahriş edici veya diğer aracılar gibi çeşitli maddelerin etkisi solunum fonksiyon bilinçli küçük hayvanlarda değerlendirmek 16,17,18. Açık odası aerosolize maddeler veya değişen gaz konsantrasyonları (hipoksi, hypercapnia, vb)19göstererek bir odasına olarak da kullanılabilir. Elverişli bir konuma sahip, bir kullanılazlar bu Etkilenmeler akut etkileri ölçmek sağlar. Aslında, DCP yaygın kullanımlarından biri solunum yolu hastalıkları20,21,22,23, farklı modellerde aerosolize methacholine duyarlılık derecesini değerlendirmek etmektir 24 , 25.
DCP teknik görünüşte basit olsa da, bazı pratik zorlukları deneyimsiz kullanıcılar vazgeçirmek veya hassasiyet ve tekrarlanabilirlik sonuçlarından zarar ihtimali. Mevcut kağıt bilinçli, ölçülü, kendiliğinden nefes farelerde DCP tarafından başarılı bir şekilde kayıt solunum fonksiyon için önerilen yordamları ayrıntılı bir açıklamasını sağlar. Açıklama belirtilen aygıta belirli ( Malzemeler tabloiçin bakınız). Yardımcı programı DCP değerini da gösterdi ve pulmoner Alerjik iltihabı temel test fareler iki soyu ve yanıt olarak spreyli methacholine, ortak bir modeli.
Protocol
Representative Results
Discussion
Akciğer işlev bilinçli hayvanlarda ölçmek için yeteneği açıkça solunum araştırmada garanti kapsamındadır. Genel olarak, DCP bilinçli ve kendiliğinden hayvanlar26nefes solunum sisteminin havalandırma işlevi değerlendirmek için ilginç bir yaklaşımdır. Daha ayrıntılı olarak, DCP veya onun baş-out değişik kez sağlanan bilgilerin kalitesi ve invasiveness3 (Tablo 2) istenen seviyeye arasında doğru dengeyi sağladığına. Teknik çeşitli türler (Örneğin, fare, sıçan, eskiden şiling şimdi domuz) veya hayvan boyutları için adapte edilebilir ve birçok araştırma uygulamalarda kullanılabilir. Çok sayıda hayvanlarda aynı anda paralel çalışma tasarım, solunum fonksiyon yinelenen şekilde izlemek ve zaman içinde bir yanıt kinetik yakalamak için değerlendirmek özellikle yararlıdır. Buna ek olarak, tekniği basittir ve nispeten zamanında öğrenilebilir. Bu uygulamalı yönleri tanımlamak için bir örnek kritik adımları tartışmak olarak pletismografisi tekniği de ölçülü ve ilgili olarak mevcut yazıda, DCP ölçümleri farelerde istihdam bir protokolün kullanılmış olduğunu sonuçlar.
Bilinçli hayvanlar ile çalışırken, bu tekrarlanabilir sonuçlar üretmek için (Örneğin, sessiz oda sınırlı sayıda kişi veya aktivite ile) çevre çevrenin koşulları kontrol etmek için esastır. Restrainers çeşitli boyutlarda gel beri nefes hareketleri soğukkanlı olması uygun boyutu ile başlamak önemlidir. Yasaklama nefes sıklığı12etkiler de farelerde oluşturulduktan de yararlı ve sık sık deneysel kurulum ve yordamlar, hayvanlara alışmana için gerekli gibi. Deneysel tasarım veya koşullara bağlı olarak, birden çok oturum artımlı süreleri, gerekli olabilir. Son olarak, izin süresi bir denemenin başlangıcında Oda değişikliği ve gerekli işleme için ayarlamak hayvanlar için nefes desen sürekli olarak düzenli ve satır taban çizgisi, rahat olması etkili bir basit unsurlardan biridir. Hayvanların rahat, iyi adapte ve sakin olduğu koşullarda çalışma da sonuç değişkenliği ve kalite açısından yararlı olacaktır. Hava yolu kalibre artırmak ve azaltmak indüklenen bir bronchoconstriction katekoiamin, stres kaynaklı herhangi bir sürümünü de sınırlandırır.
Mümkün olduğu kadar sıkıca burun ve göğüs akışı ayırmak için bir ihtiyaç olduğunu anlamak önemlidir. Sistem veya okudu tür bağlı olarak, sızdırmazlık mekanizması şekli de olduğu gibi etkinliğini değişebilir. Biz burada açıklanan DCP içinde hayvanın burun yasaklama aygıt arasında mühür oluşturulur. Gibi bir düşüş oksijen için hayvan mevcut düzeyi önemli etkileri sonuçlanır DCP solunum işleviyle değerlendirirken, bu da yeterli ve sürekli bir önyargı akışı sağlamak için esastır. Restrainer hayvan refahı dikkate alarak ajitasyon tarafından oluşturulan hava kaçağı için eğilimi sınırlar ve böylece verilerin kalitesini en üst düzeye çıkarır. Contrastingly, en son mühür reddedilen veri kümeleri veya bazı parametreler bir küçümseme neden olur.
Ayrıca burun akışı sinyal ayrı kaydını etkinleştirmek için baş odası genellikle hayvan aerosolize maddeler ortaya çıkarmak için kullanılır. Bu makalede gösterildiği, bu yanıt farklı derecelerde göstermek için bronchoprovocation testi gerçekleştirmek için yararlı olabilir. Bu tür deneyler, test konsantrasyonları Aralık ayarlamak türler, zorlanma veya hayvanların seks bağlı olarak gerekli olabilir okudu. Daha önce gösterdiği8,9,10,27, mevcut sonuçlar sRaw methacholine kaynaklı değişimler de invazif FOT ölçümleri havayolu direnci ile korelasyon gösterir. Sonuçları da DCP teknik FOT solunum fonksiyon bozukluğu algılamak ve akciğer (akciğer doku ve/veya küçük periferik airways) alt bölmeleri içinde lokalize bir değişmiş yanıt tanımlamak için onun yetenek gibi duyarlı değildir göstermektedir . Hayvan airways sağlam olduğundan, hava akımı28toplam solunum direnci en büyük bölümü için hesapları, üst solunum yolları, varlığı ifade ek katkı azaltacak ve aerosol dağıtımı etkileyebilir alt solunum yolları için bir ölçüm. Tablo 3 DCP tekniği ve FOT arasındaki diğer farklar özetlenmektedir. Bu hayvanın toplam havayolu direnci (üst havayolları da dahil olmak üzere) bir ölçüm sRaw tahmin etmek teorik olarak mümkün olsa da, son olarak, genellikle DCP değerlendirme gibi invaziv ölçüm tekniği ile tamamlamak için önerilir Detaylı solunum mekaniğinin doğrudan ölçümler elde FOT-29 . Çalışma hedefleri bağlı olarak, üst solunum yolu direnci ölçümleri30,31,32düşünülebilir.
Sonuç
Sınırlı invasiveness derecesini sayesinde DCP solunum araştırma önemli bir ihtiyaç yerine getirebilecek bir tekniktir. Hava akımı tıkanıklığının tartışmasız bazı dizinleri ile aynı anda bilinçli hayvanlarda havalandırma deseninin doğru sonuçlar verebilmektedir. Elde ettiği bilgileri de gerçekten bu daha invaziv yaklaşımlardan tamamlar.
Divulgaciones
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
SML bir öğrencilik Kanada Sağlık Araştırma Enstitüleri tarafından desteklenmektedir, MG bir burs FRQS solunum sağlık ağdan tarafından desteklenmektedir (Fonds de recherche du Québec-Santé) ve YB FRQS gelen bir araştırma bilim adamı.
YAZARLARIN KATKI
Tüm yazarlar el yazması ve/veya video anlayışına katkıda bulunmuştur. Toplanan verileri SML ve LD. SML, LD, YB, DM, DB ve AR veri analizi, rakamlar ve el yazması yazma nesil katkıda bulunmuştur. YB, AR, KL ve MG video script hazırlanmasında tutulmuştu. Oyun YB, KL ve MG tarafından gerçekleştirildi.
Materials
| Acetyl-β-methylcholine chloride | Sigma-Aldrich | A-2251 | Methacholine |
| Phosphate buffered saline | Multicell | 311-506-CL | PBS 10X |
| House dust mite extract | GREER | 290902 | HDM |
| DCP complete system | SCIREQ Inc. /emka TECHNOLOGIES | ||
| iox software | SCIREQ Inc. /emka TECHNOLOGIES | ||
| Aerogen Aeroneb nebulizer | SCIREQ Inc. /emka TECHNOLOGIES | ||
| flexiVent FX complete system | SCIREQ Inc. /emka TECHNOLOGIES |
Referencias
- McGovern, T. K., Robichaud, A., Fereydoonzad, L., Schuessler, T. F., Martin, J. G. Evaluation of respiratory system mechanics in mice using the forced oscillation technique. J Vis Exp. (75), e50172 (2013).
- Bates, J. H. T. CORP: Measurement of lung function in small animals. J Appl Physiol (1985). 123 (5), 1039-1046 (2017).
- Bates, J. H., Irvin, C. G. Measuring lung function in mice: the phenotyping uncertainty principle. J Appl Physiol. 94 (4), 1297-1306 (2003).
- Lim, R., et al. Measuring respiratory function in mice using unrestrained whole-body plethysmography. J Vis Exp. (90), e51755 (2014).
- Enhorning, G., van Schaik, S., Lundgren, C., Vargas, I. Whole-body plethysmography, does it measure tidal volume of small animals?. Can J Physiol Pharmacol. 76 (10-11), 945-951 (1998).
- Vijayaraghavan, R., Schaper, M., Thompson, R., Stock, M. F., Alarie, Y. Characteristic modifications of the breathing pattern of mice to evaluate the effects of airborne chemicals on the respiratory tract. Arch Toxicol. 67 (7), 478-490 (1993).
- Willis, D. N., Liu, B., Ha, M. A., Jordt, S. E., Morris, J. B. Menthol attenuates respiratory irritation responses to multiple cigarette smoke irritants. FASEB J. 25 (12), 4434-4444 (2011).
- Neuhaus-Steinmetz, U., et al. Sequential development of airway hyperresponsiveness and acute airway obstruction in a mouse model of allergic inflammation. Int Arch Allergy Immunol. 121 (1), 57-67 (2000).
- Glaab, T., et al. Tidal midexpiratory flow as a measure of airway hyperresponsiveness in allergic mice. Am J Physiol Lung Cell Mol Physiol. 280 (3), L565-L573 (2001).
- Glaab, T., et al. Noninvasive measurement of midexpiratory flow indicates bronchoconstriction in allergic rats. J Appl Physiol (1985). 93 (4), 1208-1214 (2002).
- Pennock, B. E., Cox, C. P., Rogers, R. M., Cain, W. A., Wells, J. H. A noninvasive technique for measurement of changes in specific airway resistance. J Appl Physiol Respir Environ Exerc Physiol. 46 (2), 399-406 (1979).
- DeLorme, M. P., Moss, O. R. Pulmonary function assessment by whole-body plethysmography in restrained versus unrestrained mice. J Pharmacol Toxicol Methods. 47 (1), 1-10 (2002).
- Flandre, T. D., Leroy, P. L., Desmecht, D. J. Effect of somatic growth, strain, and sex on double-chamber plethysmographic respiratory function values in healthy mice. J Appl Physiol (1985). 94 (3), 1129-1136 (2003).
- Criee, C. P., et al. Body plethysmography–its principles and clinical use. Respir Med. 105 (7), 959-971 (2011).
- Robichaud, A., et al. Automated full-range pressure-volume curves in mice and rats. J Appl Physiol (1985). 123 (4), 746-756 (2017).
- Mizutani, N., Goshima, H., Nabe, T., Yoshino, S. Complement C3a-induced IL-17 plays a critical role in an IgE-mediated late-phase asthmatic response and airway hyperresponsiveness via neutrophilic inflammation in mice. J Immunol. 188 (11), 5694-5705 (2012).
- Nabe, T., et al. Roles of basophils and mast cells infiltrating the lung by multiple antigen challenges in asthmatic responses of mice. Br J Pharmacol. 169 (2), 462-476 (2013).
- Morris, J. B., et al. Immediate sensory nerve-mediated respiratory responses to irritants in healthy and allergic airway-diseased mice. J Appl Physiol (1985). 94 (4), 1563-1571 (2003).
- Merazzi, D., Mortola, J. P. Effects of changes in ambient temperature on the Hering-Breuer reflex of the conscious newborn rat. Pediatr Res. 45 (3), 370-376 (1999).
- Rao, R., Nagarkatti, P. S., Nagarkatti, M. Delta(9) Tetrahydrocannabinol attenuates Staphylococcal enterotoxin B-induced inflammatory lung injury and prevents mortality in mice by modulation of miR-17-92 cluster and induction of T-regulatory cells. Br J Pharmacol. 172 (7), 1792-1806 (2015).
- Agrawal, A., et al. Inhibition of mucin secretion with MARCKS-related peptide improves airway obstruction in a mouse model of asthma. J Appl Physiol (1985). 102 (1), 399-405 (2007).
- Mabalirajan, U., Aich, J., Agrawal, A., Ghosh, B. Mepacrine inhibits subepithelial fibrosis by reducing the expression of arginase and TGF-beta1 in an extended subacute mouse model of allergic asthma. Am J Physiol Lung Cell Mol Physiol. 297 (3), L411-L419 (2009).
- Desmet, C., et al. Treatment of experimental asthma by decoy-mediated local inhibition of activator protein-1. Am J Respir Crit Care Med. 172 (6), 671-678 (2005).
- Zang, N., et al. Pulmonary C Fibers Modulate MMP-12 Production via PAR2 and Are Involved in the Long-Term Airway Inflammation and Airway Hyperresponsiveness Induced by Respiratory Syncytial Virus Infection. J Virol. 90 (5), 2536-2543 (2015).
- Shukla, M., et al. Carryover of cigarette smoke effects on hematopoietic cytokines to F1 mouse litters. Mol Immunol. 48 (15-16), 1809-1817 (2011).
- Murphy, D. J. Respiratory function assessment in safety pharmacology. Curr Protoc Pharmacol. , (2003).
- Lofgren, J. L., et al. Restrained whole body plethysmography for measure of strain-specific and allergen-induced airway responsiveness in conscious mice. J Appl Physiol (1985). 101 (5), 1495-1505 (2006).
- DiMaria, G. U., Wang, C. G., Bates, J. H., Guttmann, R., Martin, J. G. Partitioning of airway responses to inhaled methacholine in the rat. J Appl Physiol (1985). 62 (3), 1317-1323 (1987).
- Hoymann, H. G. Lung function measurements in rodents in safety pharmacology studies. Front Pharmacol. 3, 156 (2012).
- Agrawal, A., Singh, S. K., Singh, V. P., Murphy, E., Parikh, I. Partitioning of nasal and pulmonary resistance changes during noninvasive plethysmography in mice. J Appl Physiol (1985). 105 (6), 1975-1979 (2008).
- McLeod, R. L., Young, S. S., Erickson, C. H., Parra, L. E., Hey, J. A. Characterization of nasal obstruction in the allergic guinea pig using the forced oscillation method. J Pharmacol Toxicol Methods. 48 (3), 153-159 (2002).
- Miyahara, S., Miyahara, N., Takeda, K., Joetham, A., Gelfand, E. W. Physiologic assessment of allergic rhinitis in mice: role of the high-affinity IgE receptor (FcepsilonRI). J Allergy Clin Immunol. 116 (5), 1020-1027 (2005).
