Een gestandaardiseerde methode voor het meten van het interne longoppervlak door middel van muizenpneumonectomy en prothese implantatie
Summary
Interne longoppervlakte (ISA) is een kritisch criterium voor de beoordeling van longmorfologie en fysiologie bij longziekten en schade-geïnduceerde alveolaire regeneratie. We beschrijven hier een gestandaardiseerde methode die de metafora voor ISA kan minimaliseren in zowel longpneumonectomy als protes implantatie muis modellen.
Abstract
Pulmonary morphology, physiology, and respiratory functions change in both physiological and pathological conditions. Internal lung surface area (ISA), representing the gas-exchange capacity of the lung, is a critical criterion to assess respiratory function. However, observer bias can significantly influence measured values for lung morphological parameters. The protocol that we describe here minimizes variations during measurements of two morphological parameters used for ISA calculation: internal lung volume (ILV) and mean linear intercept (MLI). Using ISA as a morphometric and functional parameter to determine the outcome of alveolar regeneration in both pneumonectomy (PNX) and prosthesis implantation mouse models, we found that the increased ISA following PNX treatment was significantly blocked by implantation of a prosthesis into the thoracic cavity1. The ability to accurately quantify ISA is not only expected to improve the reliability and reproducibility of lung function studies in injured-induced alveolar regeneration models, but also to promote mechanistic discoveries of multiple pulmonary diseases.
Introduction
De fundamentele functie van de long is de uitwisseling van zuurstof en kooldioxide tussen bloedvaten en de atmosfeer. Longziekten zoals bronchopulmonale dysplasie (BPD), chronische obstructieve longziekte (COPD) en acute respiratoire infecties resulteren in verminderde ISA 2 . Onderzoekers die longziekte bestuderen hebben verschillende kwantitatieve methoden ontwikkeld om morfologische veranderingen in de longen te evalueren, waaronder MLI, ILV, aantal gasuitwisselingseenheden, ISA en longweefsel compliance 2 , 3 . Baanbrekende studies van Weibel et al. 4 en Duguid et al. 5 samen vastgesteld dat ISA kan worden gebruikt als een directe maatregel van longgasuitwisselingscapaciteit in de menselijke longen en kan gebruikt worden als criterium om de emfysem ernst te bepalen. Een aantal studies gepubliceerd in de afgelopen vijf jaar hebben longmorfologische parameters gebruikt ( bijv. </eM> ISA en MLI) om morfologische en functionele veranderingen in de longen van muizen tijdens ontwikkeling 6 te beoordelen en tijdens herstel van letsel PNX 1 , 7 . ISA wordt berekend aan de hand van vergelijking 1 8 , 9 :
, Waar ILV het interne longvolume is en MLI een tussenliggende parameter is die de pulmonale perifere luchtruim grootte 10 vertegenwoordigt .
PNX, de chirurgische verwijdering van een of meer longlengtes, is algemeen gerapporteerd om alveolaire regeneratie in veel soorten te veroorzaken, waaronder mensen 11 , muizen 1 , honden 12 , ratten 13 en konijnen 14 , 15 . Een stoetY van muizenlongen bij veertien dagen na PNX bleek dat zowel de uitbreiding van reeds bestaande alveoli als de de novo- vorming van alveoli bijdragen aan de restauratie van ISA, ILV en het aantal alveoli in de overige longweefsels 1 . Wij en anderen hebben aangetoond dat het inbrengen van materialen zoals spons, wax of een op maat gemaakte prothese in de lege thoracale holte na PNX (dat wil zeggen implantaatprothese) de alveolaire regeneratie verzwakt. Het is nu duidelijk vast dat mechanische kracht functioneert als een van de belangrijkste factoren voor het initiëren van alveolaire regeneratie 1 , 16 , 17 . Dergelijke studies hebben de effectiviteit van het gebruik van ISA-waarden van PNX-behandelde en Prosthesis-geïmplanteerde longen als criterium benadrukt om alveolaire regeneratie kwantitatief te evalueren.
Observer bias is bekend om de gemeten va significant beïnvloedenLues voor longmorfologische parameters ( bijvoorbeeld MIL en ILV). Gestandaardiseerde protocollen kunnen worden gebruikt om deze vooroordeel te voorkomen bij het bepalen van zowel ILV als MLI, die de twee parameters zijn die bij de berekening van ISA worden gebruikt. Hier bieden wij zeer gedetailleerde, gestandaardiseerde protocollen voor het meten van deze longparameters. Belangrijk is dat het ISA-belofte nauwkeurig kan kwantificeren om de betrouwbaarheid en reproduceerbaarheid van studies van longfunctie bij schade-geïnduceerde alveolaire regeneratiemodellen te verbeteren en mechanistische ontdekkingen bij meerdere longziekten te vergemakkelijken.
Protocol
Representative Results
Discussion
In dit protocol geven we gedetailleerde beschrijvingen over de meting van pulmonale parameters na de linker long PNX en de implantatie van de prothese. ISA wordt nu beschouwd als een belangrijke meetwaarde voor de beoordeling van de ademhalingsfunctie bij veel longziekten en bij schade-geïnduceerde alveolaire regeneratie. Echter, hoewel de pulmonale onderzoeksgemeenschap in overeenstemming is over het nut van ISA als een nuttige metrische tot nu toe, is er weinig aandacht besteed aan de standaardisatie van de meting va…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
De auteurs willen het Nationaal Instituut voor Biologische Wetenschappen, Beijing, voor de hulp erkennen. Dit werk werd ondersteund door de Beijing Municipal Natural Science Foundation (nr. Z17110200040000).
Materials
| Low cost cautery kit | Fine Science Tools | 18010-00 | |
| Noyes scissors | Fine Science Tools | 15012-12 | |
| Standard pattern forceps | Fine Science Tools | 11000-12 | |
| Castroviejo Micro Needle Holders | Fine Science Tools | 12060-01 | |
| Vessel clips | Fine Science Tools | 18374-44 | |
| I. V. Cannula-20 gauge | Jinhuan Medical Product Co., LTD. | 29P0601 | |
| Surgical suture | Jinhuan Medical Product Co., LTD. | F602 | |
| Mouse intubation platform | Penn-Century, Inc | Model MIP | |
| Small Animal Laryngoscope | Penn-Century, Inc | Model LS-2-M | |
| TOPO Small Animal Ventilator | Kent Scientific | RSP1006-05L | |
| Thermal pad | Stuart equipment | SBH130D | |
| Pentobarbital sodium salt | Sigma | P3761 | |
| Heparin sodium salt | Sigma | H3393 | |
| Hematoxylin Solution | Sigma | GHS132 | |
| Eosin Y solution, alcoholic | Sigma | HT110116 | |
| 10 ml Pipette | Thermo Scientific | 170356 | |
| Paraformaldehyde | Sigma | P6148 | |
| O.C.T Compound | Tissue-Tek | 4583 | |
| cryosection machine | Leica | CM1950 | |
| Disposable Base Molds | Fisher HealthCare | 22-363-553 | |
| 18 gauge needle | Becton Dickinson | 305199 | |
| Povidone iodine | Fisher Scientific | 19-027132 | |
| 70% ethanol | Fisher Scientific | BP82011 | |
| Infusion sets for single use | Weigao | SFDA 2012 3661704 | |
| Phosphate buffered saline | Gibco | 10010023 | |
| Tapes | 3M Scotch | 8915 | |
| Cotton pad | Vinda | Dr.P | |
| Silicone prosthesis | Custom made | ||
| Brightfield microscope | Olympus | VS120 | |
| Ruler tool | Adobe Photoshop |
References
- Liu, Z., et al. MAPK-Mediated YAP Activation Controls Mechanical-Tension-Induced Pulmonary Alveolar Regeneration. Cell Rep. 16 (7), 1810-1819 (2016).
- Thurlbeck, W. M. Internal surface area and other measurements in emphysema. Thorax. 22 (6), 483-496 (1967).
- Knudsen, L., Weibel, E. R., Gundersen, H. J. G., Weinstein, F. V., Ochs, M. Assessment of air space size characteristics by intercept (chord) measurement: an accurate and efficient stereological approach. J Appl Physiol. 108 (2), 412-421 (2010).
- Weibel, E. R. . Morphometry of the Human Lung. , (1963).
- Duguid, J. B., Young, A., Cauna, D., Lambert, M. W. The internal surface area of the lung in emphysema. J Pathol Bacteriol. 88, 405-421 (1964).
- Branchfield, K., et al. Pulmonary neuroendocrine cells function as airway sensors to control lung immune response. Science. 351 (6274), 707-710 (2016).
- Ding, B. -. S., et al. Endothelial-derived angiocrine signals induce and sustain regenerative lung alveolarization. Cell. 147 (3), 539-553 (2011).
- Dunnill, M. S. Quantitative methods in the study of pulmonary pathology. Thorax. 17 (4), 320-328 (1962).
- Weibel, E. R., Gomez, M. Architecture of the human lung. Use of quantitative methods establishes fundamental relations between size and number of lung structures. Science. 137 (3530), 577-585 (1962).
- Thurlbeck, W. M. The internal surface area of nonemphysematous lungs. Am Rev Respir Dis. 95 (5), 765-773 (1967).
- Butler, J. P., et al. Evidence for adult lung growth in humans. N Engl J Med. 367 (16), 244-247 (2012).
- Hsia, C. C. W., Herazo, L. F., Fryder-Doffey, F., Weibel, E. R. Compensatory lung growth occurs in adult dogs after right pneumonectomy. J Clin Invest. 94 (1), 405-412 (1994).
- Thurlbeck, S. W. M. Pneumonectomy in Rats at Various Ages. Am Rev Respir Dis. 120 (5), 1125-1136 (1979).
- Cagle, P. T., Langston, C., Thurlbeck, W. M. The Effect of Age on Postpneumonectomy Growth in Rabbits. Pediatr Pulmonol. 5 (2), 92-95 (1988).
- Langston, C., et al. Alveolar multiplication in the contralateral lung after unilateral pneumonectomy in the rabbit. Am Rev Respir Dis. 115 (1), 7-13 (1977).
- Cohn, R. Factors Affecting The Postnatal Growth of The Lung. Anatomical Record. 75 (2), 195-205 (1939).
- Hsia, C. C., Wu, E. Y., Wagner, E., Weibel, E. R. Preventing mediastinal shift after pneumonectomy impairs regenerative alveolar tissue growth. Am J Physiol Lung Cell Mol Physiol. 281 (5), L1279-L1287 (2001).
- Das, S., MacDonald, K., Chang, H. -. Y. S., Mitzner, W. A simple method of mouse lung intubation. J Vis Exp. (73), e50318 (2013).
- Liu, S., Cimprich, J., Varisco, B. M. Mouse pneumonectomy model of compensatory lung growth. J Vis Exp. (94), (2014).
- Silva, M. F. R., Zin, W. A., Saldiva, P. H. N. Airspace configuration at different transpulmonary pressures in normal and paraquat-induced lung injury in rats. Am J Respir Crit Care Med. 158 (4), 1230-1234 (1998).
- Yilmaz, C., et al. Noninvasive quantification of heterogeneous lung growth following extensive lung resection by high-resolution computed tomography. J Appl Physiol. 107 (5), 1569-1578 (2009).
- Voswinckel, R., et al. Characterisation of post-pneumonectomy lung growth in adult mice. Eur Respir J. 24 (4), 524-532 (2004).
- Ravikumar, P., et al. Regional Lung Growth and Repair Regional lung growth following pneumonectomy assessed by computed tomography. J Appl Physiol. 97, 1567-1574 (2004).
- Gibney, B. C., et al. Detection of murine post-pneumonectomy lung regeneration by 18FDG PET imaging. EJNMMI Res. 2 (1), (2012).
- Muñoz-Barrutia, A., Ceresa, M., Artaechevarria, X., Montuenga, L. M., Ortiz-De-Solorzano, C. Quantification of lung damage in an elastase-induced mouse model of emphysema. Int J Biomed Imaging. 2012, (2012).
