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Method Article
このプロトコルは、マウスおよびラットの連続経口喉頭鏡検査アプローチについて説明しており、最適化された麻酔レジメンと微調整された内視鏡操作技術を使用して、呼吸および嚥下中の喉頭のクローズアップ、遮るもののないビデオイメージングを可能にします。
喉頭は、呼吸、嚥下、発声の3つの主要な機能を持つ哺乳類の必須臓器です。喉頭機能を損なうさまざまな障害が知られており、呼吸困難(呼吸困難)、嚥下障害(嚥下障害)、および/または音声障害(発声障害)を引き起こします。特に嚥下障害は、誤嚥性肺炎およびそれに伴う罹患率、再発性入院、早期死亡につながる可能性があります。これらの深刻な結果にもかかわらず、喉頭機能障害に対する既存の治療法は、残念ながら通常は正常な喉頭機能を回復させない外科的および行動的介入を主に目的としているため、革新的な解決策が緊急に必要であることが浮き彫りになっています。
このギャップを埋めるために、マウス(マウスおよびラット)モデルにおける喉頭機能障害を調査するための実験的内視鏡的アプローチを開発しています。しかし、げっ歯類の内視鏡検査は、現在の内視鏡技術に比べてサイズが小さいこと、上気道の解剖学的違い、および喉頭に最適にアクセスするための麻酔の必要性のために、非常に困難です。ここでは、マウスとラットの喉頭運動のクローズアップで遮るもののないビデオイメージングを可能にする新しい経口喉頭鏡検査アプローチについて説明します。プロトコルの重要なステップには、正確な麻酔管理(嚥下を廃止する過剰摂取や呼吸困難関連の死亡リスクを防ぐため)と内視鏡のマイクロマニピュレーター制御(その後の定量化のために1人の研究者による喉頭運動の安定したビデオ記録)が含まれます。
重要なことに、このプロトコルは、特に喉頭機能に対するさまざまな病理学的状態の影響を研究するために、同じ動物で経時的に実施できます。このプロトコルの新たな利点は、嚥下中の気道保護を視覚化する能力ですが、これは喉頭入口の喉頭蓋の逆転により声門が視界から閉まるため、人間では不可能です。したがって、げっ歯類は、正常な喉頭機能を効果的に回復するための治療法を発見するという究極の目的のために、正常な喉頭気道保護と病的な喉頭気道保護のメカニズムを具体的に調査するユニークな機会を提供します。
喉頭は、喉の気道と消化管の交点に位置する軟骨器官であり、呼吸や発声中(呼吸中)と食物や液体(嚥下中)に対する空気の流れと方向を正確に制御する弁膜機構として機能しています。先天性(例:.、喉頭軟化症、声門下狭窄症)、腫瘍性(例:.、喉頭乳頭腫症、扁平上皮癌)、神経学的(例:.、特発性喉頭麻痺、脳卒中、パーキンソン病、筋萎縮性側索硬化症)、医原性(例:.、頭頸部手術中の不注意による損傷)。.病因に関係なく、喉頭機能障害は通常、呼吸困難(呼吸困難)、発声障害(音声障害)、および嚥下障害(嚥下障害)の症状の三重になり、人の経済的および社会的福祉に悪影響を及ぼします1,2,3,4。
さらに、特に医学的に脆弱な個人の嚥下障害は、誤嚥性肺炎(食物や液体が不完全に閉じた喉頭から肺に漏れることによる)とそれに関連する罹患率、再発性入院、および早期死亡につながる可能性があります5,6。これらの深刻な結果にもかかわらず、喉頭機能障害に対する既存の治療法は、主に正常な喉頭機能を回復させない外科的および行動的介入を対象としており、1,2,7,8,9,10 したがって、革新的な解決策の緊急の必要性が浮き彫りになっています。この目標に向けて、マウス(マウスやラット)モデルにおける喉頭機能障害の実験的内視鏡的アプローチを開発しています。
人間の医学では、喉頭機能障害の評価のゴールドスタンダードは、喉頭鏡検査11,12と呼ばれる内視鏡的視覚化です。通常、軟性内視鏡を鼻に通して、喉頭、特に声帯、および隣接する声門上および声門下喉頭の構造を検査します。硬性内視鏡を使用して、口腔を介して喉頭を視覚化することもできます。どちらのアプローチも、喉頭の解剖学的構造の肉眼的検査を可能にし、呼吸、発声、および咳や喉頭内転筋反射などのさまざまな気道保護反射中の喉頭の可動性と機能を評価するために使用できます13、14、15、16。ただし、嚥下中、喉頭は喉頭蓋によって完全に隠され、喉頭蓋が反転して喉頭の入り口を覆い、飲み込まれる食物/液体ボーラスの経路から喉頭を保護します。その結果、嚥下中の喉頭運動を直接視覚化することはヒトでは不可能であり、したがって、他の診断アプローチ (透視法、筋電図法、声門法など) を使用して間接的に推測する必要があります。
この論文では、マウスとラットの革新的な喉頭鏡検査プロトコルについて説明し、光麻酔下での嚥下での呼吸と気道保護のクローズアップ、遮るもののないイメージングを可能にします。このプロトコルは、さまざまな市販の内視鏡システムと互換性があり、カスタムプラットフォームと組み合わせて、処置中に麻酔をかけたげっ歯類を固定します。重要なことは、内視鏡検査プラットフォームの多数の設計/構成が、各ラボの利用可能なリソースと研究課題に応じて、実際に可能であるということです。ここでの私たちの意図は、研究者が研究の文脈で考えるためのガイダンスを提供することです。さらに、この喉頭鏡検査プロトコルが、喉頭の機能障害と再生の理解に新たな洞察をもたらす可能性のある豊富な客観的データにどのようにつながるかを示すことを目指しています。
このマウス喉頭鏡検査プロトコルで概説されているすべてのステップの複合効果により、成体マウス喉頭の低侵襲検査が可能となり、同じ動物で繰り返すことができ、医原性損傷、疾患の進行、および/または気道保護に対する治療介入に応答して、時間の経過とともに喉頭機能障害を検出し、特徴付けることができます。注目すべきは、このプロトコルは発声関連の喉頭機能を評価しないことです。
マウス喉頭鏡検査のプロトコルは、承認された動物管理委員会(IACUC)のプロトコルと国立衛生研究所(NIH)のガイドラインに従っています。これは、100匹以上の成体C57BL/6Jマウスと50匹以上の成体Sprague Dawleyラット、ほぼ等しい性別、両方の種で6週間から12ヶ月齢で使用するために開発されました。より若い/より小さなげっ歯類への適応のためには、追加のプロトコル開発が必要です。動物はグループで飼育されました(性別と同腹仔に基づいて、ケージあたり最大4匹のマウスまたは2匹のラット)。標準的なビバリウム条件には、周囲温度(20-26°C)、湿度(30%-70%)、および標準的な12時間の光サイクルを厳密に制御する静的ケージが含まれていました。すべての動物は、毎週のケージ交換時に新鮮な濃縮材料(小屋/パイプ、歯科用治療薬、雛など)を受け取りました。以下に説明するように、麻酔前の短い(最大4〜6時間)食事制限中を除いて、食物と水への無制限のアクセスが提供されました。獣医と研究スタッフは毎日動物を監視しました。
1.嚥下を廃止しない動物麻酔
2.喉頭を視覚化するための内視鏡の経経口通路
3.呼吸中の喉頭運動のクローズアップ、遮るもののないビデオ録画、および誘発された嚥下
注:呼吸、嚥下、および嚥下-呼吸の調整の同期電気生理学的記録もオプションです。
4.麻酔の回復
5. 呼吸時と嚥下時の喉頭運動の客観的な定量化
このマウス喉頭鏡検査プロトコルをうまく使用すると、図6に示すように、健康および疾患条件下での自発呼吸および誘発された嚥下時の喉頭のクローズアップ視覚化が得られます。さらに、このプロトコルを同じげっ歯類で複数回繰り返すことで、喉頭の機能/機能障害を経時的に調査することができます。図7に示すよう...
私たちは、呼吸中および嚥下中の喉頭運動のクローズアップ視覚化を可能にする、複製可能なマウス特異的喉頭鏡検査プロトコルの開発に成功しました。重要なことに、このプロトコルは、特に喉頭機能に対するさまざまな病理学的状態の影響を研究するために、同じ動物で経時的に実施できます。このプロトコルは過去10年間に開発され、その過程で大幅な変更と?...
著者は、宣言する利益相反を持っていません。
この研究は、1)National Heart, Lung, and Blood Institute(NHLBI)からのMulti-PI(TLおよびNN)R01助成金(HL153612)、および2)National Institute on Deafness and Other Communication Disorders(NIDCD)からのR03助成金(TL、DC0110895)の2つのNIH助成金によって部分的に資金提供されました。当社のカスタム喉頭運動追跡ソフトウェア開発は、コールター財団の助成金(TL & Filiz Bunyak)によって部分的に資金提供されました。Kate Osman、Chloe Baker、Kennedy Hoelscher、Zola Stephensonには、研究室のげっ歯類の優れたケアを提供していただいたことに感謝します。また、MU Physics Machine ShopのRoderic Schlotzhauer氏とCheston Callais氏には、カスタム内視鏡プラットフォームの設計と製造、および当社の研究ニーズを満たすための商用内視鏡とマイクロマニピュレーターの戦略的な変更に感謝します。当社のカスタム喉頭モーショントラッキングソフトウェアは、Filiz Bunyak博士とAli Hamad博士(MU電気工学およびコンピュータサイエンス学部)と共同で開発されました。また、耳鏡の選択に関するガイダンスを提供してくださったカールストルツ内視鏡検査のジム・マルナッティ氏にも感謝します。最後に、現在のマウス喉頭鏡検査プロトコルの開発に貢献したLever Labの多数の以前の学生/研修生に感謝したいと思います:Marlena Szewczyk、Cameron Hinkel、Abigail Rovnak、Bridget Hopewell、Leslie Shock、Ian Deninger、Chandler Haxton、Murphy Mastin、Daniel Shu。
Name | Company | Catalog Number | Comments |
Atipamezole | Zoetis | Antisedan; 5 mg/mL | Parsippany-Troy Hills, NJ |
Bioamplifier | Warner Instrument Corp. | DP-304 | Hamden, CT |
Concentric EMG needle electrode | Chalgren Enterprises, Inc. | 231-025-24TP; 25 mm x 0.3 mm/30 G | Gilroy, CA |
Cotton tipped applicator (tapered) | Puritan Medical Products | REF 25-826 5W | Guilford, ME |
Data Acquisition System | ADInstruments | PowerLab 8/30 | Colorado Springs, CO |
DC Temperature Control System - for endoscopy platform | FHC, Inc. | 40-90-8D | Bowdoin, ME |
Electrophysiology recording software | ADInstruments | LabChart 8 with video capture module | Colorado Springs, CO |
Endoscope monitor | Karl Storz Endoscopy-America | Storz Tele Pack X monitor | El Segundo, CA |
Glycopyrrolate | Piramal Critical Care | NDC 66794-204-02; 0.2 mg/mL | Bethlehem, PA |
Ground electrode | Consolidated Neuro Supply, Inc. | 27 gauge stainless steel, #S43-438 | Loveland, OH |
Isoflurane induction chamber | Braintree Scientific, Inc. | Gas Anesthetizing Box - Red | Braintree, MA |
Ketamine hydrochloride | Covetrus North America | NDC 11695-0703-1, 100 mg/mL | Dublin, OH |
Metal spatula to decouple epiglottis and velum | Fine Science Tools | Item No. 10091-12; | Foster City, CA |
Micro-brush to remove food/secretions from oral cavity | Safeco Dental Supply | REF 285-0023, 1.5 mm | Buffalo Grove, IL |
Mouse-size heating pad for endoscopy platform | FHC, Inc. | 40-90-2-07 – 5 x 12.5 cm Heating Pad | Bowdoin, ME |
Ophthalmic ointment (sterile) | Allergan, Inc. | Refresh Lacri-lube | Irvine, CA |
Otoscope | Karl Storz | REF 1232AA | El Segundo, CA |
Pneumogram Sensor | BIOPAC Systems, Inc. | RX110 | Goleta, CA |
Pulse oximetry - Vetcorder Pro Veterinary Monitor | Sentier HC, LLC | Part No. 710-1750 | Waukesha, WI |
Rat-size heating pad for endoscopy platform | FHC, Inc. | 40-90-2 – 12.5X25cm Heating Pad | Bowdoin, ME |
Sterile needles for drug injections | Becton, Dickinson and Company | REF 305110, 26 G x 3/8 inch, PrecisionGlide | Franklin Lakes, NJ |
Sterile syringes for drug injections | Becton, Dickinson and Company | REF 309628; 1 mL, Luer-Lok tip | Franklin Lakes, NJ |
Surgical drape to cover induction cage for dark environment | Covidien LP | Argyle Surgical Drape Material, Single Ply | Minneapolis, MN |
Surgical tape to secure pneumograph sensor to abdomen | 3M Health Care | #1527-0, 1/2 inch | St. Paul, MN |
Transparent blanket for thermoregulation | The Glad Products Company | Press’n Seal Cling Film | Oakland, CA |
Video editing software | Pinnacle Systems, Inc. | Pinnacle Studio, v24 | Mountain View, CA |
Water circulating heating pad - for anesthesia induction/recovery station | Adroit Medical Systems | HTP-1500 Heat Therapy Pump | Loudon, TN |
Xylazine | Vet One | NDC 13985-701-10; Anased, 100 mg/mL | Boise, ID |
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