Methode om het patroon van de ademhaling in senescente muizen te verkrijgen door ongebreidelde barometrische plethysmografie
Summary
Ongebreidelde luchtdruk wordt gebruikt om het patroon van het inademen van wakkere muizen te kwantificeren. We laten zien dat 15 s segmenten onder een gestandaardiseerd protocol vergelijkbare waarden weergeven als een langere duur van stille ademhaling. Deze methodologie maakt het ook mogelijk voor de kwantificering van apneu en verhoogde ademhalingen tijdens het eerste uur in de kamer.
Abstract
Ongebreidelde barometerplethysmografie (UBP) is een methode voor het kwantificeren van het patroon van de ademhaling in muizen, waar ademhalingsfrequentie, getijdenvolume en minieme ventilatie routinematig worden gerapporteerd. Bovendien kan informatie worden verzameld over de neurale output van de ademhaling, met inbegrip van het bestaan van centrale apneu en verhoogde ademhalingen. Een belangrijke overweging voor UBP is het verkrijgen van een ademhalingssegment met een minimale impact van angstig of actief gedrag, om de reactie op ademhalingsuitdagingen op te helderen. Hier presenteren we een protocol dat het mogelijk maakt voor korte, rustige basislijnen worden verkregen in oude muizen, vergelijkbaar met wachten op langere periodes van stille ademhaling. Het gebruik van kortere tijdsegmenten is waardevol, omdat sommige muizenstammen in toenemende mate prikkelbaar of angstig kunnen zijn, en langere perioden van stille ademhaling mogelijk niet binnen een redelijke termijn worden bereikt. We plaatsten 22 maanden oude muizen in een UBP-kamer en vergeleken vier 15 s stille ademhaling segmenten tussen minuten 60-120 tot een langere 10 minuten rustige ademperiode die 2-3 uur duurde om te verwerven. We verkregen ook tellingen van centrale apneu en verhoogde ademhalingen voorafgaand aan de stille ademhaling segmenten, na een 30 minuten vertrouwdheid periode. We laten zien dat 10 min stille ademhaling vergelijkbaar is met het gebruik van een veel kortere duur van 15 s. Bovendien kan de tijd die leidt tot deze 15 s stille ademhaling segmenten worden gebruikt om gegevens te verzamelen over apneu van centrale oorsprong. Dit protocol stelt onderzoekers in staat om patroon-van-ademende gegevens te verzamelen in een bepaalde hoeveelheid tijd en maakt stille basislijnmaatregelen haalbaar voor muizen die verhoogde hoeveelheden prikkelbaar gedrag kunnen vertonen. De UBP-methodologie zelf biedt een nuttige en niet-invasieve manier om patroon-van-ademhaling gegevens te verzamelen en maakt het mogelijk voor muizen worden getest over verschillende tijdspunten.
Introduction
UBP is een veel voorkomende techniek voor de beoordeling van ademhalingspatronen1,2,3,4. Bij deze methode worden muizen in een gesloten kamer geplaatst waar drukverschillen tussen de hoofdkamer (waar het dier is gehuisvest) en een referentiekamer door een pneumotachograaf worden gefilterd om waarden te verkrijgen. De resulterende UBP setup is niet-invasief en ongebreideld en maakt het mogelijk voor ademhalingsmaatregelen worden beoordeeld zonder de eis van anesthesie of chirurgie. Bovendien is deze techniek geschikt voor studies die meerdere metingen in dezelfde muis in de loop van de tijd vereisen. Variabelen zoals ademhalingsfrequentie, getijdenvolume en minutenventilatie kunnen met deze methode worden gekwantificeerd, tijdens een enkele proef of over meerdere proeven. Whole-body UBP biedt ook maatregelen van piekstromen en ademhalingscyclus duur. Samen kwantificeren deze parameters het ademhalingspatroon. De opgenomen ademhalingssporen maken het ook mogelijk om de gegevens te bekijken en het aantal centrale apneu dat binnen een bepaalde periode wordt weergegeven, te tellen. Deze telling kan worden gebruikt naast een analyse van het getijdenvolume en inspiratoire tijden om andere veranderingen in het ademhalingspatroon te meten.
Terwijl verschillende niet-invasieve plethysmografie technieken bestaan voor de directe beoordeling van longfysiologische parameters, hele lichaam UBP zorgt voor een manier om te screenen op de functie van de luchtwegen met minimale onnodige stress aan de muis. Head-out plethysmografie, die gebruik maakt van getijdenmidexpiratoire stroommaatregelen en is ook niet-invasief, is gebaseerd op terughoudendheid, net als vele andere vormen van plethysmografie (bijvoorbeeld, dubbele kamer plethysmografie). Hoewel deze methoden zijn gebruikt in knaagdiermodellen om de responsiviteit van de luchtwegen te meten5,kan het gebruik van halsbanden of kleine bevestigingsbuizen muizen (versus andere soorten) langer duren om te acclimatiseren aan en hun ademhaling terug te brengen naar rustniveaus.
Het verkrijgen van een optimaal luchtademend segment is een belangrijke overweging voor vergelijkingen bij de basislijn. Het toegenomen gebruik van commercieel beschikbare plethysmografiesystemen maakt het verzamelen van gegevens over ademhalingspatronen in veel laboratoria mogelijk. Belangrijk is dat het ademhalingspatroon variabel is gedurende de gehele inzamelingsperiode, met name voor muizen. Met dat gezegd, is het noodzakelijk om basisanalyse te standaardiseren als een middel om ervoor te zorgen dat het opleidingsniveau van onderzoekers de resultaten niet vervormt. Er zijn tal van manieren om een luchtademend segment te verzamelen, dat dient als een gebied van variatie tussen experimentele ontwerpen. Een voorbeeld omvat het gemiddelde van de laatste 10-30 min van gegevens na een eerder gedefinieerde set van tijd in de kamer1, terwijl een andere methode gaat wachten tot de muis zichtbaar kalm is voor 5-10 min6. De laatste kan 2-3 uur duren om te bereiken en in sommige gevallen kan het nodig zijn om een proef te verlaten als de muis niet lang genoeg rustig is. Deze zorg is een bijzonder belangrijke overweging voor stammen van muizen waar waargenomen gedrag angstiger en prikkelbaaris 7. Deze muizen kunnen langer duren om zich aan te passen aan de kamer omgeving en alleen kalm blijven voor korte uitbarstingen van tijd. Het beperken van de tijd die wordt besteed aan basislijnverzameling standaardiseert de kamertijd voor elke muis.
Het is van cruciaal belang dat onderzoekers een geschikte basislijn verkrijgen die waarden van rustgedrag in de muis omvat, maar ook tijdig voorkomt. Daarom is het doel van dit rapport om een beschrijving te geven van methoden die worden gebruikt om korte stille basislijnwaarden voor ademhalingsparameters bij muizen te verkrijgen. Bovendien melden we dat apneu en verhoogde ademhalingen kunnen worden gekwantificeerd tijdens het eerste uur in de kamer.
Protocol
Representative Results
Discussion
Het protocol biedt informatie over een stille ademhaling baseline bij muizen, evenals het verzamelen van gegevens over centrale apneu en verhoogde ademhalingen. De representatieve resultaten tonen aan dat een 10 min stille baseline een vergelijkbaar patroon van ademhaling heeft in vergelijking met een gemiddelde van vier 15 s aanvallen voor een cohort van oude muizen. Belangrijk is dat de 15 s aanvallen zijn niet statistisch verschillend, noch hebben deze groepen verschillen in variatie van elkaar met behulp van Levene’s…
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
De auteurs willen Angela Le, Sarah Ruby en Marisa Mickey bedanken voor hun werk voor het behoud van de dierenkolonies. Dit werk werd gefinancierd door 1R15 HD076379 (L.R.D.), 3R15 HD076379 (L.R.D. ter ondersteuning van CNR) en de McDevitt Undergraduate Research Fellowship in Natural Sciences (BEE).
Materials
| Carbon Dioxide Analyzer | AEI Technologies | CD-3A | |
| Carbon Dioxide Sensor | AEI Technologies | P-61B | |
| Computer | must be compliant with Ponemah requirements | ||
| Drierite beads | PermaPure LLC | DM-AR | |
| Flow Control | AEI Technologies | R-1 | vacuum |
| Flowmeter | TSI | 4100 | need one per chamber and one for vacuum |
| Gas Mixer | MCQ Instruments | GB-103 | |
| Gas Tanks | Haun | 100% oxygen, 100% carbon dioxide, 100% nitrogen – food grade, or pre-mixed tanks for nomal room air and gas challenges | |
| Oxygen Analyzer | AEI Technologies | S-3A | |
| Oxygen Sensor | AEI Technologies | N-22M | |
| Polyurethane Tubing | SMC | TUS 0604 Y-20 | |
| Ponemah Software | DSI | ||
| Small Rodent Chamber | Buxco/DSI | ||
| Thermometer (LifeChip System) | Destron-Fearing | any type of thermometer to take accurate body temperatures is appropriate, but the use of implantable chips allows for minimal disturbance to animal for taking several body temperature measurements while the animal is still in the UBP chamber | |
| Transducers | Validyne | DP45 | need one per chamber |
| Whole Body Plethysmography System | Data Science International (DSI) | Includes ACQ-7700, pressure/temperature probes, etc. |
Riferimenti
- DeRuisseau, L. R., et al. Neural deficits contribute to respiratory insufficiency in Pompe disease. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 106 (23), 9419-9424 (2009).
- Ogier, M., et al. Brain-derived neurotrophic factor expression and respiratory function improve after ampakine treatment in a mouse model of Rett syndrome. Journal of Neuroscience. 27 (40), 10912-10917 (2007).
- Ohshima, Y., et al. Hypoxic ventilatory response during light and dark periods and the involvement of histamine H1 receptor in mice. American Journal of Physiology-Regulatory Integrative and Comparative Physiology. 293 (3), 1350-1356 (2007).
- van Schaik, S. M., Enhorning, G., Vargas, I., Welliver, R. C. Respiratory syncytial virus affects pulmonary function in BALB/c mice. Journal of Infectious Diseases. 177 (2), 269-276 (1998).
- Glaab, T., Taube, C., Braun, A., Mitzner, W. Invasive and noninvasive methods for studying pulmonary function in mice. Respiratory Research. 8, (2007).
- Loeven, A. M., Receno, C. N., Cunningham, C. M., DeRuisseau, L. R. Arterial Blood Sampling in Male CD-1 and C57BL/6J Mice with 1% Isoflurane is Similar to Awake Mice. Journal of Applied Physiology. , (2018).
- Receno, C. N., Eassa, B. E., Reilly, D. P., Cunningham, C., DeRuisseau, L. R. The pattern of breathing in young wild type and Ts65Dn mice during the dark and light cycle. FASEB Journal. 32 (1), (2018).
- Committee for the Update of the Guide for the Care and Use of Laboratory Animals, Inistitute fpr Laboratory Animal Research, Division on Earth and Life Studies, National Research Council of the National Academies. . Guide for the Care and Use of Laboratory Animals, 8th edition. , (2011).
- Receno, C. N., Glausen, T. G., DeRuisseau, L. R. Saline as a vehicle control does not alter ventilation in male CD-1 mice. Physiological Reports. 6 (10), (2018).
- Shanksy, R. M. Sex differences in behavioral strategies: Avoiding interpretational pitfalls. Current Opinion in Neurobiology. 49, 95-98 (2018).
- Kopp, C. Locomotor activity rhythm in inbred strains of mice: implications for behavioural studies. Behavioural Brain Research. 125 (1-2), 93-96 (2001).
- Teske, J. A., Perez-Leighton, C. E., Billington, C. J., Kotz, C. M. Methodological considerations for measuring spontaneous physical activity in rodents. American Journal of Physiology-Regulatory Integrative and Comparative Physiology. 306 (10), 714-721 (2014).
- Kabir, M. M., et al. Respiratory pattern in awake rats: Effects of motor activity and of alerting stimuli. Physiology & Behavior. 101 (1), 22-31 (2010).
- Terada, J., et al. Ventilatory long-term facilitation in mice can be observed during both sleep and wake periods and depends on orexin. Journal of Applied Physiology. 104 (2), 499-507 (2008).
- Friedman, L., et al. Ventilatory behavior during sleep among A/J and C57BL/6J mouse strains. Journal of Applied Physiology. 97 (5), 1787-1795 (2004).
- Drorbaugh, J. E., Fenn, W. O. A barometric method for measuring ventilation in newborn infants. Pediatrics. 16 (1), 81-87 (1955).
- Seifert, E. L., Mortola, J. P. The circadian pattern of breathing in conscious adult rats. Respiration Physiology. 129 (3), 297-305 (2002).
- Receno, C. N., Roffo, K. E., Mickey, M. C., DeRuisseau, K. C., DeRuisseau, L. R. Quiet breathing in hindlimb casted mice. Respiratory Physiology & Neurobiology. , 10 (2018).
