Vereenvoudigde plethysmografie van het hele lichaam om de longfunctie tijdens respiratoire melioïdose te karakteriseren

SysteemkalibratieDe data-analysesoftware maakt directe kalibratie van een aangepaste flowhead mogelijk, zoals hierin beschreven. Dit wordt uitgevoerd bij het instellen van de spirometriestroom. Zoals beschreven in stap 3.1 bestaat er een optie om het bekende kalibratieluchtvolume in te voeren, waarmee de spanning-volumecorrelatiecoëfficiënt binnen het systeem wordt berekend. Dit genereert echter een correlatiecoëfficiënt op basis van een enkele aflezing, en er is waargenomen dat de inherente variatie van kalibratie van een n = 1-standaard een slecht nut heeft. De huidige aanpak kan deze tekortkoming verhelpen en stelt een gebruiker in staat om een dagelijkse kalibratie uit te voeren met behulp van meerdere metingen gemiddeld om een kalibratiecoëfficiënt te berekenen. Kalibratie met 20 μL geïnjecteerde lucht werd hierin gedemonstreerd, wat een typisch high-end ademvolume vertegenwoordigt bij een typische muis. De software gaat uit van een origin intercept (0,0) en wordt dus gekalibreerd van 0-20 μL met behulp van deze aanpak. De hier voorgestelde methodologie voor sWBP kalibreert dagelijks, waardoor rekening wordt gehouden met eventuele schommelingen in de omgevingsvochtigheid/temperatuur. De oorspronkelijke methoden die voor specifieke WBP werden gebruikt, dateren uit de methodologie van Drorbaugh en Fenn uit 1955, die WBP ontwikkelden voor het meten van ventilatie bij menselijke zuigelingen5. De Drorbaugh- en Fenn-berekeningen houden rekening met variaties in temperatuur en vochtigheid van de omgeving en het onderwerp. De huidige aanpak corrigeert voor omgevingsfluctuaties door elke sWBP-sessie te kalibreren. Toch werd besloten om te onderzoeken of de verwarming en bevochtiging van de ademhaling over de neusholte / long van een muis de meting van een bekend luchtvolume beïnvloeden. Zo werd een kunstmatig apparaat gemaakt om het effect van het onderwerp op het verwarmen en bevochtigen van gekalibreerde luchtmetingen na te bootsen. Luer-connectoren werden bevestigd aan een conische buis van 15 ml en plaatsten deze verzegelde conische in-lijn tussen de monsterkamer en de gasdichte kalibratiespuit. Een kalibratie van 20 μL werd uitgevoerd met behulp van een lege conische buis die bij kamertemperatuur (23 °C) werd gehouden. De conische buis werd vervolgens gedeeltelijk gevuld met gedestilleerd water tot net onder de Luer-connectoren, waardoor er tijd was om de kopruimte van de conische in evenwicht te brengen; het kalibratievolume werd vervolgens opnieuw gemeten om het effect van vochtigheid te onderzoeken. De conische buis werd in een verwarmingsblok geplaatst en in evenwicht gebracht bij 37 °C in een vochtige omgeving, en uiteindelijk in evenwicht gebracht tot 37 °C zonder water om het effect van de verwarming van de proefpersoon te beoordelen en zonder extra bijdrage van de vochtigheid. Figuur 2 toont aan dat alle geteste omstandigheden geen significante invloed hadden op de gekalibreerde 20 μL-meting die door de gasdichte spuit werd geleverd. Uit deze bevinding werd geconcludeerd dat sWBP een toegankelijke benadering biedt om de ademhaling bij proefdieren te volgen zonder de noodzaak van complexe berekeningen op basis van de temperatuur en vochtigheid van de proefpersoon, omdat deze geen significante invloed hebben op het gemeten ademvolume. Monitoring van het onderwerpsWBP werd gebruikt om de ademhaling te controleren tijdens de ziekte van dodelijke luchtweginfecties met de bacteriële ziekteverwekker B. pseudomallei. Een uitdaging bij het monitoren van de ademhaling bij bewuste dieren is de nieuwsgierigheid van normale gezonde dieren die zich binnen de monsterkamer bewegen. De beweging van de muis creëert een constant bewegende basislijn die gedeeltelijk kan worden verzacht door proefpersonen vooraf te conditioneren in de kamer gedurende een periode van enkele dagen voorafgaand aan de meting. Dit probleem beïnvloedt voornamelijk de nulmeting bij gezonde muizen, omdat de proefpersonen lethargisch worden tijdens infectie, waardoor sWBP veel beter beheersbaar wordt met verminderde activiteit van de proefpersoon. Het kan verleidelijk zijn om te proberen een vorm van terughoudendheid te gebruiken, of het nu fysiek of anesthesie is. Het gebruik van fysieke beperkingen kan de natuurlijke ademhaling beïnvloeden door stress te veroorzaken. Verder is bekend dat het gebruik van anesthetica uitgesproken effecten heeft op de ademfrequentie en diepte10; daarom werd besloten om de impact van anesthesie te onderzoeken met het interne sWBP-apparaat. Isofluraan wordt vaak gebruikt om in vivo diagnostische beeldvorming uit te voeren tijdens de infectiemodellen, en daarom werd een C57BL/6-muis verdoofd en de progressie gecontroleerd tot herstel uit de anesthesie met behulp van sWBP. Deze studie werd uitgevoerd met een juveniele 4 weken oude albino C57BL/6J muis om het venster van herstel van anesthesie te verlengen. Figuur 3 toont aan dat de voorkeursverdoving ervoor zorgt dat muizen een langzame ademfrequentie vertonen met een groot getijdenvolume lucht. Naarmate muizen beginnen te herstellen van sedatie, neemt hun ademfrequentie toe en neemt het ademvolume af, met het netto-effect dat de totale geïnspireerde lucht langzaam toeneemt. In deze studie werd vastgesteld dat het ademvolume wordt hersteld naar pre-anesthesieniveaus binnen de eerste 30 s van herstel. De ademfrequentie neemt gestaag toe totdat de basisademhaling is hersteld tot 2-2,5 minuten na verwijdering uit de anesthesie. Het minuutvolume volgde de effecten van de ademfrequentie op de voet en bereikte het baseline minuutvolume 2,5 min na verwijdering uit de anesthesie. Deze bevinding ondersteunt dat anesthesie niet mag worden gebruikt in de sWBP-benadering. Het beïnvloedt de basisademhaling dramatisch, niet verrassend, omdat anesthesie het metabolisme van de gastheer zal vertragen, waardoor een verminderde vraag naar geïnspireerde zuurstof ontstaat. Sanering van de monsterkamer moet ook worden overwogen tussen proefpersonen om studiespecifieke infectiebeheersing aan te pakken, evenals de impact van feromonen uit urine of ontlasting die de stress tussen proefpersonen kunnen beïnvloeden. WBP is een aantrekkelijke strategie voor het monitoren van de longfunctie in modellen voor luchtwegaandoeningen op een niet-invasieve manier. sWBP werd gebruikt om te bestuderen hoe de ademhaling verandert tijdens letale respiratoire melioidose-infecties (figuur 4), waarbij tijdspunten de bioluminescentiemonitoring in de long weerspiegelen. Er werd waargenomen dat dit model geassocieerd is met een vroeg begin van lethargie, dat op een langzaam progressieve manier aanhoudt tot de ontwikkeling van de zieltogende ziekte ongeveer 3 dagen na infectie. Er werd ook waargenomen dat de ademfrequentie en de totale geïnspireerde lucht (miniem volume) van de muizen snel afnemen tijdens de eerste dag van infectie en laag blijven gedurende de rest van het verloop van de infectie (figuur 4A, C). Dit patroon is consistent met de lethargie met vroege aanvang, die de komende 2 dagen van de infectie aanhoudt. Daarentegen daalt het ademvolume niet steil tijdens de eerste 24 uur en heeft het in plaats daarvan een lichte en gestage afname, die een lineaire daling benadert gedurende het 3-daagse verloop van de ziekte (figuur 4B). Figuur 1: sWBP-apparatuur. Een aangepaste monsterkamer werd opgebouwd uit een afsluitbare vierkante glazen pot met schotconnectoren op twee platte vlakken. Eén schot werd gebruikt om een meterdruksensor te monteren die via een 8-pins DIN-verbinding was aangesloten op een brugversterker en een digitizer voor gegevensacquisitie. Het tweede schot was uitgerust met een Luer-connector voor kalibratie door een gasdichte spuit. Het apparaat was aangesloten op een pc waarop de software werd uitgevoerd. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken. Figuur 2: Effect van de temperatuur en vochtigheid van het onderwerp op het ademvolume. Een conische buis van 15 ml met Luer-connectoren werd in lijn geïnstalleerd tussen de 20 μL kalibratiespuit en de monsterkamer. Het systeem werd gekalibreerd tot 20 μL zonder extra temperatuur/vochtigheidsbijdrage van de conische buis. Andere metingen werden verzameld na equilibratie met verzadigde vochtigheid uit gedestilleerd water en/of opwarming van de conische buis van kamertemperatuur (23 °C) tot lichaamstemperatuur (37 °C). Er werd geen significant verschil gedetecteerd van n = 5 metingen van elke toestand door One-way ANOVA met Tukey’s Multiple Comparison post-test. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken. Figuur 3: Effect van gasanesthesie op de ademhaling bij muizen. Representatieve gegevens van een 4 weken oude vrouwelijke albino C57BL/6J muis (8,6 g) werden gedurende 5 minuten verdoofd met 3% isofluraan in zuurstof en overgebracht naar een sWBP-monsterkamer. Pleth-gegevens werden verzameld gedurende 150 s na verwijdering uit de anesthesie. De proefpersoon begon de eerste ambulatie met 100 s na verwijdering uit de anesthesie. (A) Baseline ademhaling vóór anesthesie, met een ademfrequentie van 4,97 Hz, een ademvolume van 9,74 μL en een volume van 2,91 ml per minuut. (B) De eerste 60 s van veranderingen in de ademhaling tijdens herstel van anesthesie. (A-B) Verticale as meting van μL per ademhaling en horizontale as in seconden. (C-E) Beademingsgegevens werden verzameld tijdens de 150 s van herstel van anesthesie, gemiddeld van ≥3 ademcycli per tijdspunt voor (C) ademfrequentie, (D) ademvolume en het (E) berekende minuutvolume. De uitgangswaarden voor pre-anesthesie worden aangegeven met een horizontale stippellijn in elke respectieve grafiek. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken. Figuur 4: Effect van respiratoire melioidose op de ademhaling van de gastheer. Vijf 8 weken durende vrouwelijke C57BL/6 muizen werden geïnfecteerd met 4,9 log CFU van bioluminescente B. pseudomallei stam JW270. sWBP werd uitgevoerd gedurende het 3-daagse infectieverloop, waarbij ademsnelheid (A) en ademvolume (B) werden gemeten. De totale geïnspireerde lucht werd berekend als het Minutenvolume (C). Gegevens voor elk van de vijf proefpersonen worden onafhankelijk uitgezet met polynomiale regressie van de derde orde. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.