מדידה של עקומת לחץ-נפח ריאות עכבר

Summary

Here we present a protocol to simply and reliably measure the lung pressure-volume curve in mice, showing that it is sufficiently sensitive to detect phenotypic parenchymal changes in two common lung pathologies, pulmonary fibrosis and emphysema. This metric provides a means to quantify the lung’s structural changes with developing pathology.

Abstract

בעשורים האחרונים העכבר הפך מודל החיה העיקרי של מגוון רחב של מחלות ריאה. במודלים של אמפיזמה או סיסטיק, שינויי פנוטיפי החיוניים מוערכים ביותר על ידי מדידה של השינויים בגמישות ריאות. כדי להבין הטוב ביותר מנגנונים מיוחדים המונחים ביסוד פתולוגיות כגון בעכברים, זה חיוני כדי לבצע מדידות פונקציונליות שיכול לשקף את הפתולוגיה הפיתוח. למרות שיש דרכים רבות למדוד גמישות, בשיטה הקלסית היא שמסך ריאות לחץ-נפח העקומה (PV) נעשתה על פני הטווח של כרכי ריאות השלם. מדידה זו נעשתה על ריאות מבוגרות מכמעט כל מיני יונקים שראשיתה כמעט 100 שנים, ועקומות PV כזה גם שיחקו תפקיד מרכזי בגילוי וההבנה של הפונקציה של פעילי שטח ריאתי בהתפתחות ריאות של העובר. לרוע המזל, הכולל עיקולי PV כזה לא דווחו בהרחבה בעכבר, למרות העובדה שהם יכולים לספק מידע שימושי על macroscהשפעות OPIC של שינויים מבניים בריאות. למרות שלפעמים הם דיווחו עקומות PV חלקיות מדידה רק את השינויים בנפח ריאות, בלי מידה של נפח מוחלט, הטבע לא לינארית של כוללת עקומת PV הופך חלקיים אלה אלה קשים מאוד לפרש. במחקר הנוכחי, אנו מתארים את דרך סטנדרטית למדידה הכוללת עקומת PV. אז אנחנו צריכים לבדוק את היכולת של עקומות אלה כדי לזהות שינויים במבנה ריאות עכבר בשתי פתולוגיות ריאה נפוצה, אמפיזמה וסיסטיק. תוצאות הראו שינויים משמעותיים במספר משתנה בקנה אחד עם שינויים מבניים צפויים עם פתולוגיות אלה. מדידה זו של עקומת PV ריאות בעכברים ובכך מספקת אמצעי פשוט לעקוב אחר ההתקדמות של שינויי pathophysiologic לאורך זמן ואת ההשפעה הפוטנציאלית של הליכים טיפוליים.

Introduction

העכבר הוא עכשיו מודל החיה העיקרי של מגוון רחב של מחלות ריאה. במודלים של אמפיזמה או סיסטיק, שינויי פנוטיפי החיוניים מוערכים ביותר על ידי מדידת השינויים בגמישות ריאות. למרות שיש דרכים רבות למדוד גמישות, בשיטה הקלסית היא זה של העקומה כולל לחץ-נפח (PV) הנמדדת מהנפח שיורית (RV) לקיבולת כוללת ריאות (TLC). מדידה זו נעשתה על ריאות מבוגרות מכמעט כל מיני יונקים שראשיתה כמעט 100 שנים ^1-3. עקומות PV כזה גם שיחקו תפקיד מרכזי בגילוי וההבנה של הפונקציה של פעילי שטח ריאתי בהתפתחות ריאות של העובר ^4-7. למרות החשיבות של עקומת PV כמדידה של פנוטיפ של הריאות, לא חל כל אופן תקני לבצע מדידה זו. זה כבר נעשה פשוט על ידי ניפוח וניכוי הריאות בצעדים בדידים (מחכה זמן משתנה לאיזון אחרי כל אחד) או עם משאבות שברציפות יכול לנפח ולהוציא את האוויר מהריאות. עקומת PV נעשה לעתים קרובות על פני טווח נפח בין אפס וכמה קיבולת ריאות למשתמש להגדיר, אבל משך הזמן של כל לולאת לחץ נפח שדווחה על ידי מעבדות שונות הזמן היה משתנה באופן קיצוני, שונה מכמה שניות ⁸ עד שעה ^2. חוקרים מסוימים מתייחסים לעקומת PV הריאות כוללת זה כסטטי או quasistatic, אבל אלה הם תנאים איכותיים המציעים תובנה קטנה, והם לא בשימוש כאן. בנוסף, עקומת PV לא דווחה בהרחבה בעכבר, למרות שזה יכול לספק מידע שימושי על ההשפעות מקרוסקופית של שינויים מבניים בריאות.

כמה בעיות גרמו לשונות ברכישת עקומת PV כולל: 1) את שיעור אינפלציה והדפלציה; 2) טיולי לחץ אינפלציה ודפלציה; ו 3) האמצעים כדי לקבוע מדידת נפח ריאות מוחלטת. בהווה השיטה כאן, בשיעור של 3 מיליליטר / דקה נבחרה כcompromisדואר, להיות לא יותר מדי קצר שישקף את הגמישות הדינמית הקשורים לאוורור תקין ולא איטי מדי כדי לבצע את המדידה מעשית, במיוחד כאשר בודקים קבוצות גדולות. מאז קיבולת ריאות כוללת נומינלית ב/ 6 עכבר בריא C57BL היא בסדר הגודל של 1.2 מיליליטר ^9, שיעור זה בדרך כלל מאפשר לשתי מלאים סגור PV לולאות להיעשות בכ -1.5 דקות.

בספרות המורחבת שבה דווחו עקומות PV, לחץ האינפלציה השיא בשימוש היה מאוד משתנה, משתנה מנמוך כמו 20 ליותר מ 40 סנטימטרים H ₂ O. חלק משונות זו עשויה להיות קשור למין, אבל מטרה העיקרית של קביעת הגבול העליון ללחץ עקומות PV היא לנפח את הריאות לקיבולת כוללת ריאות (TLC), או מקסימאלי נפח ריאות. TLC בבני האדם מוגדר על ידי המאמץ מרצון המקסימאלי אדם יכול לעשות, אבל לצערי זה לא יכול להיות מועתק בכל מודל של בעלי חיים. לפיכך, ההיקף המקסימאלי בעקומות PV ניסיוניות הוא להרתיענכרה על ידי לחץ מקסימאלי שנקבע באופן שרירותי על ידי החוקר. המטרה היא לקבוע את לחץ שבו עקומת PV היא שטוחה, אבל לרוע המזל איבר האינפלציה של עקומת PV ריאות של יונקים הוא לא שטוח. כך שרוב החוקרים להגדיר לחץ שבו עקומת האינפלציה מתחילה לרדד באופן משמעותי, בדרך כלל 30 סנטימטרים H ₂ O. בעכבר, לעומת זאת, העקום PV הוא עוד יותר מורכב עם דבשת כפולה על איבר האינפלציה, ושבו איבר אינפלציה זו הוא לעתים קרובות עדיין עולה בתלילות ב-30 סנטימטרים H ₂ O ^10, כך 30 היא לא נקודת סיום טובה ל עקומת PV. מסיבה זו, אנו משתמשים 35 סנטימטרים H ₂ O כגבול לחץ לעקומת PV העכבר, שהוא לחץ שבו הגפיים האינפלציה של כל הזנים שנבחנו מתחילים לרדד.

מאז עקומת PV עצמו היא מאוד לא קוי, את המראה של לולאת PV יהיה תלוי בנפח מהמקום שבי העקומה מתחילה. כמה מאווררים מסחריים מאפשרים למשתמשים לעשות לולאות PV גדולות, החל מFRC, אבל אם FRC הנפח אינו ידוע אז זה בלתי אפשרי לפרש שינויים בעקומת PV כזה עם כל פתולוגיה, שכן שינויים אלה פשוט יכולים לנבוע שינוי במתחיל נפח, ולא שינויים מבניים בריאות. כך ללא מדידת נפח מוחלטת, עקומות PV הן כמעט בלתי אפשריות לפרש ולכן יש כלי קטן. אמנם, יש כמה דרכים למדוד כרכי ריאות, אלה הם לעתים קרובות מסורבלים ודורשים ציוד מיוחד. בגישה הפשוטה שתוארה כאן, עקומת PV מתחילה באפס הנפח לאחר in vivo הליך סילוק גזים.

לסיכום, מאמר זה מדגים שיטה פשוטה לתקן מדידת עקומת PV ריאות בעכבר הריאות, ומגדיר מספר מדדים שניתן לחשב מעקום זה שצמוד למבנה ריאות. עקומת PV כך מספקת בדיקת תפקוד ריאתי שיש לו תחולה ישירה ביכולת לזהות שינויים מבניים פנוטיפי בעכברים עם commעל פתולוגיות ריאה כגון אמפיזמה וסיסטיק.

Protocol

ועדת בעלי החיים באוניברסיטת ג'ונס הופקינס הטיפול ושימוש בבעלי החיים אושרה בכל הפרוטוקולים.

1. ציוד

מערכת מרוכבים להגדיר, מוכן למדוד את עקומת PV מוצגת באיור 1.

1. מדידת נפח:
   1. צור קצב קבוע של אינפלציה ודפלציה באמצעות משאבת מזרק עם מתג המאפשר למשתמש להפוך במהירות את המשאבה לאחר שהגיע לגבולות הלחץ. לעקומות PV עכבר, להשתמש במזרק זכוכית 5 מיליליטר משומן מאוד קל עם הנפח הראשוני (לפני אינפלציה) נקבע על 3 מיליליטר של אוויר. 3 מיליליטר הוא גדול מספיק כדי למדוד היקפים כמעט בכל עקומות PV העכבר.
   2. מדוד את הנפח נמסר על ידי המשאבה על ידי הצמדת שנאי דיפרנציאלי ליניארי לדיור המשאבה, עם מוט חיישן קטן מחובר לבוכנת המזרק נעה.
      הערה: אמצעי אמפירי לתקן לדחיסת גז במערכת מתוארת תחת מ"ק PVסעיף הקלטת RVE.
2. מדידה לחץ:
   1. השתמש במד לחץ זול סטנדרטי עם מגוון של 0-60 סנטימטר H (PSI 0-1) ₂ O.
3. הקלטת מדידה:
   1. כדי להקליט את עקומת PV להשתמש בכל מכשיר הקלטה דיגיטלית עם יכולות XY (למשל, PowerLab). הגדר ערוץ אחד כדי להקליט את אות הנפח תיקנה וערוץ אחר כדי להקליט את לחץ transpulmonary (PTP), על מנת גרף העקום PV. השתמש במגבר קדם גשר שמתחבר לPowerlab העיקרי למדידת הלחץ. כייל את ערוץ לחץ 0-40 סנטימטר H ₂ O, ולכייל את ערוץ הנפח 0-3 מיליליטר.

2. תיקון לדחיסת גז

שים לב: זהו צעד ראשון קריטי בהגדרה, שכן כפי שמגביר את הלחץ, ירידת נפח גז, ולכן נפח האוויר שנמסר לעכבר יהיה יותר ויותר פחות מעקירתם של SYRחבית אינגה.

1. סגור את השסתום שיחבר מערכת PV לריאות, ולכן אין גז יכול לעזוב את המערכת. התחל העירוי ולבחון אם ערוץ הנפח תיקן את המכשיר מציג לכ -40 סנטימטרים H ₂ O. כל שינויים מדידים כמו העלייה בלחץ אם כן, אז נכון בשלבים הבאים.
   1. נכון לדחיסת גז באופן אמפירי על ידי הפחתה ממדידת תזוזת בוכנה (כלומר, הנפח שלא תוקן) טווח פרופורציונאלי ללחץ האינפלציה. לעשות את זה בערוץ Powerlab (VC נקרא) כדי להראות את אותות נפח מינוס מקדם פעמים הלחץ.
   2. לקבוע את המקדם במשוואה. ראשית, להפוך את הניחוש ראשוני, להפוך את תרשים הקלטה על, ולהתחיל את המשאבה. מאז צינורות האינפלציה אטומים, להתאים את המכפיל מקדם לחץ להפוך את ערוץ Vc לקרוא אפס כלחץ עולה 0-40 סנטימטר H ₂ O. אם זה הולך למעלה או למטה, פשוט להתאים את גורם התיקון עד שנשאר שטוח מעל טווח הלחץ הזה. גורם תיקון זה תמיד יהיה אותו הדבר, אם אותו 3 מיליליטר החל נפח במזרק אינו משתנה.

3. בדיקות ניסויי בעכברים

1. הליך למדידת עקומת PV בעכברים. כל הפרוטוקולים של בעלי החיים אושרו על ידי ועדת בעלי החיים באוניברסיטת ג'ונס הופקינס הטיפול ושימוש.
   1. הרדימי עכברים (C57BL / 6 עכברים ב6-12 שבועות של גיל) עם קטמין (90 מ"ג / קילוגרם) ו xylazine (15 מ"ג / קילוגרם), ולאשר הרדמה על ידי היעדר תנועת רפלקס.
      הערה: עקומת PV יכולה להסתיים בעכברים מורדמים בפחות מ -10 דקות והיא הליך מסוף.
   2. Tracheostomize העכברים עם צינורית מחט בדל 18 G. עושה זאת על ידי ביצוע חתך קטן בעור שמעל קנה הנשימה, איתור קנה הנשימה, ואז עושה חתך קטן בקנה הנשימה, שבו מחט הבדל יכולה להיות מוכנסת. לאבטח את הצינורית על ידי קשירה בחוט.
   3. לאפשר לעכברים לנשימה 1חמצן 00% לפחות 4 דקות. זה יכול להיות באמצעות נשימה ספונטנית משקית או עם מאוורר להלכה שנקבע בנפח של גאות ושפל של 0.2 מיליליטר ב 150 נשימות / דקה.
   4. סגור את הצינורית לקנה הנשימה ומאפשר 3-4 דקות לעכבר כדי לקלוט את כל החמצן. הליך קליטת חמצן תוצאת מותם של בעלי החיים ובסילוק גזים של הריאה ¹¹ כמעט מלאים. לאשר מותו של העכבר על ידי מדידת הפסקת פעימות הלב עם אלקטרודות א.ק.ג. או תצפית ישירה.
   5. ברגע שdegassing של הריאה שלם ונפח הריאות הוא אפס, מתחיל לנפח את הריאות באוויר חדר במשאבת המזרק בשיעור של 3 מיליליטר / דקה. לפקח על עקבות לחץ על המקליט הדיגיטלי, וכאשר הוא מגיע 35 סנטימטרים H ₂ O, להפוך את המשאבה.
   6. בצע את עקומת הדפלציה עד שלחץ מגיע H השלילי 10 סנטימטר ₂ O, ועד אז את דרכי הנשימה קרסו, לכידת אוויר בalveoli מניעת הפחתת נפח נוספת. מייד להפוך tהוא לשאוב שוב, ומאפשר לריאות reinflate כדרך הנשימה קרסה לפתוח. פתיחה הטרוגנית זו היא בדרך כלל לכאורה על ידי איבר האינפלציה מחפש הרועש בחלק הראשוני של אינפלציה 2 זה.
   7. כאשר הלחץ שוב מגיע 35 סנטימטרים H ₂ O, להפוך את כיוון המשאבה, וממשיך להוציא את האוויר הריאות עד איבר דפלציה 2 זה מגיע ל- 0 סנטימטרים H ₂ O. ואז לעצור את המשאבה.
   8. להציג את שיא תרשים PowerLab של לחץ וזרימה ועקומת PV. לאחר מכן לנתח את עקומת PV כדי לזהות שינויי פנוטיפי בparenchyma ריאות המתרחשים עם פתולוגיות שונות ריאות.

תוצאות

למרות ההליך לעקומות PV מודגם בסרטון רק לעכברים בריאים שליטה, בדקנו את היכולת של עקומת PV כדי לזהות שינויים תפקודיים ופתולוגיים בעכברים עם שתי פתולוגיות נפוצות שונות, אמפיזמה וסיסטיק. פרטים של מודלים המסורתיים אלה מתוארים במקומות אחרים ^12,13. לזמן קצר מאוד, לאחר הרד...

Discussion

במאמר זה שיטה לשחזור פשוטה שתוארה למדוד בעכברי שיטה קלסית של גמישות ריאות phenotyping, הכוללת את עקומת PV ריאות. עקומות כזה היו גורם משמעותי בגילוי של פעילי שטח ריאתי וחשיבותה במתן יציבות ריאות. כאן הוא הראה כיצד עקומת PV שימושית גם במתן אמצעים למדידה כמה משתנים הקשורים לגמי...

Materials

Name	Company	Catalog Number	Comments
Syringe pump	Harvard Apparatus	55-2226	Infuse/withdraw syringe pump
Pump 22 reversing switch	Harvard Apparatus	552217	Included with pump
Linear displacement transformer	Trans-Tek, Inc.	0244-0000
5 ml glass syringe	Becton Dickenson		Several other possible vendors
Digital recorder	ADInstruments	PL3504	Several other possible vendors
Bridge amp signal conditioner	ADInstruments	FE221
Gas tank, 100% oxygen	Airgas, Inc		Any supplier or hospital source will work
Pressure transducer: 0 - 1 psi mV output	Omega Engineering	PX-137	Range ≈ 0 - 60 cm H2O