マウス肺における圧力 - 容積曲線の測定

要約

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.

要約

ここ数十年では、マウスは、肺疾患の様々な主要な動物モデルとなっています。肺気腫または線維症のモデルでは、本質的な表現型の変化は、最高の肺の弾性の変化を測定することによって評価される。最高のマウスにおけるそのような病理の根底にある特異的なメカニズムを理解するためには、現像病理を反映することができる機能的な測定を行うことが不可欠である。弾力性を測定するための多くの方法がありますが、古典的な方法は、肺容積の全範囲にわたって行われ、総肺の圧力 - 容積（PV）曲線のことである。この測定は、ほぼ100年さかのぼるほぼすべての哺乳動物種由来の成人の肺になされたものであり、そのようなPV曲線はまた、胎児の肺の開発における肺サーファクタントの機能の発見と理解に大きな役割を果たした。残念ながら、このような総PV曲線が広く、それらがmacroscに関する有用な情報を提供することができるという事実にもかかわらず、マウスにおいて報告されていない肺の構造変化のOPIC影響。肺容量でちょうど変化を測定する部分的なPV曲線が時々報告されていますが、絶対容積の測定値なしに、総PV曲線の非線形性の解釈は、これらの部分的なものは非常に困難にする。本研究では、我々は全体のPV曲線を測定するための標準化された方法について説明します。我々は、2つの一般的な肺の病状、気腫および線維症におけるマウス肺構造の変化を検出するために、これらの曲線の能力を試験した。結果は、これらの病理との期待の構造変化と一致して、いくつかの変数の有意な変化を示した。マウスにおける肺のPV曲線のこの測定は、このように時間的および治療的処置の潜在的効果以上の病態生理学的変化の進行をモニターするための簡単​​な手段を提供する。

概要

マウスは、現在の肺疾患の様々な主要な動物モデルである。肺気腫または線維症のモデルでは、本質的な表現型の変化は、最高の肺の弾力性の変化を測定することによって評価される。弾力性を測定するための多くの方法がありますが、古典的な方法は、全肺気量（TLC）に残存量（RV）から測定された全圧 - 容積（PV）曲線のことである。この測定は、ほぼ100年^1-3さかのぼるほぼすべての哺乳動物種から大人の肺に行われている。このようなPV曲線はまた、胎児の肺の開発^4-7の肺サーファクタントの機能の発見と理解に大きな役割を果たした。肺の表現型の測定などのPV曲線の重要性にもかかわらず、この測定を実行するには、全く標準化された方法がなかった。これは、膨張及び離散ステップと肺（各後の平衡可変待ち時間）を収縮させることにより、またはポンプを簡単に行われていること継続的に肺を膨らませると収縮することができます。 PV曲線は、多くの場合、ゼロといくつかのユーザ定義肺容量との容量範囲にわたって行われるが、異なる研究室により報告各圧力容量ループの持続時間は、時間^2、数秒⁸で変化する、非常に可変であった。一部の研究者は、静的または準静的としてこの総肺のPV曲線を参照しますが、これらは少し洞察力を提供する定性的な用語であり、それらは、ここで使用されていません。また、PV曲線が広く、それが肺の構造変化の巨視的効果に関する有用な情報を提供することができるという事実にもかかわらず、マウスにおいて報告されていない。

いくつかの問題が含むPV曲線取得の変動をもたらした：インフレとデフレの1）速度; 2）インフレとデフレ圧力の脱線。 3）絶対的肺容量測定値を決定するための手段。ここで本方法では、3ミリリットルのレートは、/分コンプロミとして選ばれましたE、大規模なコホートを勉強場合は特に、測定は非現実的にするよう遅すぎて通常の換気に関連した動的な弾力性を反映しないように短すぎないという。 C57BL / 6健常マウスにおける公称全肺気量は1.2ミリリットル⁹のオーダーであるので、この速度は、通常、2つの完全にPVは約1.5分で実行するループを閉じを可能にする。

PV曲線が報告されている拡張された文献で ​​は、使用されるピークインフレ圧力は40以上のセンチH ₂ Oに20程度の低いまで変化する、非常に可変されているこの変動の一部は、種に関連してもよいが、PV曲線のための圧力上限を設定する主な目的は、全肺気量（TLC）、または最大の肺容量の肺を膨らませることである。ヒトでのTLCは、個人が行うことができます最大の自主的な努力によって定義されているが、残念ながらこれは、任意の動物モデルで重複することはできません。このように、実験的なPV曲線における最大のボリュームが阻止される任意に研究者によって設定された最大圧力によって決定。目標は、PV曲線が平坦な圧力を設定することであるが、残念ながら、哺乳類の肺のPV曲線のインフレ手足は決して平坦である。だから、ほとんどの研究者はインフレ曲線が実質的に平坦化することから始まり、圧力、典型的には30センチH ₂ Oを設定するマウスでは、しかし、PV曲線がインフレ四肢をダブルこぶでさらに複雑であり、このインフレ四肢が頻繁には30センチH ₂ O ¹⁰で急激に上昇しているところなので、30こだわりのエンドポイントではありませんPVカーブ。このような理由から、私たちが調べた全ての株のインフレ手足が平らにし始める圧力であるマウスのPV曲線、圧力限界として35センチメートルのH ₂ Oを使用します。

PV曲線自体は非常に非線形であるため、PVループの外観は、曲線の開始位置からのボリュームに依存するであろう。いくつかの商用人工呼吸器は、Fから始まる、ユーザーが大規模なPVループを行うことができRCが、FRC容積が未知の場合、これらの変更は、単に開始容量の変化から生じる可能性があるので、それは、任意の病状を有するこのようなP-V曲線の変化を解釈することは不可能ではなく、肺の構造の変化。したがって、絶対容量測定せず、PV曲線が解釈し、従ってほとんど有用性を有することはほとんど不可能である。 、肺容量を測定するいくつかの方法があるが、これらはしばしば厄介であり、特別な装置を必要とする。ここで説明する単純なアプローチでは、PV曲線は、生体内の脱気手順の後にゼロ音量で始まります。

要約すると、本論文では、マウスの肺における肺のPVカーブ測定を標準化する簡単な方法を実証し、肺の構造にリンクされているこの曲線から計算することができるいくつかの指標を定義します。 PV曲線は、このようにコムを有するマウスにおける表現型の構造変化を検出することができるでの直接適用を有する肺機能検査を提供そのような気腫および線維症などの肺の病理に。

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

プロトコル

ジョンズ·ホプキンス大学動物実験委員会は、すべての動物プロトコールを承認した。

1.機器

PV曲線を測定する準備ができて設定複合システムは、 図1に示されている。

1. 体積測定：
   1. ユーザが迅速に圧力限界に到達した後に、ポンプを逆転することができるスイッチでシリンジポンプを用いて、膨張および収縮の一定の割合を生成する。マウスのPV曲線の場合は、空気の3ミリリットルに設定された初期の体積（膨張前に）非常に軽く油を塗った5ミリリットルのガラス製の注射器を使用しています。 3mlのほぼすべてのマウスPV曲線のボリュームを測定するのに十分な大きさである。
   2. 移動シリンジのプランジャーに接続された小型のセンサロッドと、ポンプハウジングに線形差動変圧器を取り付けることによって、ポンプによって送達される体積を測定する。
      注：経験的な手段は、システム内のガス圧縮を補正するためにPVの立方で説明されているRVE記録部。
2. 圧力測定：
   1. 0〜60センチメートルH ₂ O（0-1 PSI）の範囲で標準の安価な圧力計を使用してください。
3. 測定の記録：
   1. PV曲線を記録するには、XY機能（ 例えば、PowerLabの）を持つデジタルレコーダーを使用しています。 PV曲線をグラフ化するために、経肺圧力（PTP）を記録するために修正さ容積信号と他のチャンネルを記録するために、1つのチャネルを設定する。圧力を測定するためにメインをPowerlabに接続するブリッジプリアンプを使用してください。 0-40センチH ₂ Oからの圧力チャンネルを校正し、0〜3ミリリットルボリュームチャネルを校正。

ガス圧縮2.訂正

注：このセットアップにおける重要な最初のステップで、圧力が増加するにつれて、ガス量が減少するため、マウスに送達される空気の体積は、SYRの変位よりもますます少なくなるのでインゲバレル。

1. 肺に太陽光発電システムを接続するバルブを閉めるので、NOガスは、システムを残すことはできません。注入を開始し、レコーダーの補正されたボリューム·チャネルは、約40センチのH ₂ Oに圧力が上昇するなどの任意の測定可能な変化を示しているかどうかを観察もしそうであれば、次のステップのように訂正します。
   1. プランジャ変位測定（ すなわち、未補正体積）から膨張圧力に比例する項を減算することにより経験的にガス圧縮のための正しい。容積信号を表示するために（VCと呼ばれる）をPowerlabチャネルでこれを行い、マイナス係数倍の圧力。
   2. 式の係数を決定します。まず、上の記録のグラフを回し、初期推定を行い、ポンプを起動します。インフレチューブは密閉されているので、Vcのチャネルは0-40センチH ₂ Oからの圧力が上昇としてゼロを読み取るために、圧力係数乗算器を調整それがアップまたはダウンした場合、単にそれまでの補正係数を調整この圧力範囲にわたって平坦なままである。シリンジ内の容積を開始同じ3mlを変更されない場合には、この補正係数は、常に同じである。

マウスの3.実験テスト

1. マウスでのP-V曲線を測定するための手順。全ての動物プロトコルは、ジョンズホプキンス大学動物実験委員会によって承認された。
   1. ケタミン（90ミリグラム/ kg）およびキシラジン（15ミリグラム/ kg）でマウス（生後6-12週でのC57BL / 6マウス）を麻酔し、反射運動の欠如によって麻酔を確認する。
      注：PV曲線は10分未満で麻酔したマウスに完成し、端子手順であることができる。
   2. 18 Gスタブ針カニューレをマウスにTracheostomize。スタブ針を挿入することができる気管、小さなスリットを作った後、気管を覆う皮膚に小さな切開を作る気管を配置することによってこれを行います。糸で結びつけることによってカニューレを固定します。
   3. 息1匹のマウスを許可する少なくとも4分間、00％の酸素。これは袋から、または名目上150呼吸/分で0.2ミリリットルの一回換気量で設定した人工呼吸器で自発呼吸を介し​​て行うことができる。
   4. 気管カニューレを閉じて、マウス用の3-4分では、すべての酸素を吸収することができます。この酸素吸収手順は、動物の肺¹¹のほぼ完全な脱ガスで死をもたらす。 ECG電極または直接観察とのハートビートの停止を測定することにより、マウスの死を確認してください。
   5. 肺の脱気が完了し、肺容量がゼロになると、/分で3分の速度でシリンジポンプで室内空気との肺を膨張し始める。デジタルレコーダーの圧力トレースを監視し、それを35センチメートルH ₂ Oに到達したときに、ポンプを逆転させる。
   6. 圧力は気道がさらにボリューム低下を防止する肺胞の空気を閉じ込め、崩壊している時間によって負10cmのH ₂ Oを、到達するまでデフレ曲線に従ってください。すぐにTリバース彼は肺が崩壊気道オープンとして再インフレートすることができ、再びポンプ。この不均一開口部は、この第二インフレの最初の部分で騒々しい見てインフレ肢によって通常は明らかである。
   7. 圧力が再び35センチメートルのH ₂ Oに到達すると、ポンプ方向を逆転し、この第二デフレ肢が0センチH ₂ Oに到達するまで、肺を収縮していきその後、ポンプを停止する。
   8. 圧力と流量とPV曲線のPowerLabのチャート記録を表示します。その後、別の肺病変を生じる肺実質における表現型の変化を検出するためにPV曲線を分析する。

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

結果

PV曲線のための手順は、制御のみ健康なマウス用のビデオで実証されているが、我々は2つ​​の異なる一般的な病状、気腫および線維症を有するマウスにおける機能的および病理学的変化を検出するPV曲線の能力を調べた。これらの伝統的なモデルの詳細については、別の場所で^12,13で説明。非常に簡単に、3％イソフルランで麻酔した後に肺気腫が気管に注入3または6 Uブタ膵臓エラ?...

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

ディスカッション

本論文では簡単な再現性のある方法は、マウスにおける表現型肺の弾力性、総肺のPV曲線の古典的な方法を測定するために記載されている。このような曲線は、肺サーファクタントの発見と肺の安定性を提供する上で、その重要性に尽力しました。ここでは、PV曲線はまた、成体マウスの肺における肺の弾力性に関連するいくつかの変数を測定する手段を提供するのに有用であるかを示してい...

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

資料

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