JoVE Logo
저자
연락처

로그인

JoVE 비디오를 활용하시려면 도서관을 통한 기관 구독이 필요합니다. 전체 비디오를 보시려면 로그인하거나 무료 트라이얼을 시작하세요.

기사 소개

  • 요약
  • 초록
  • 서문
  • 프로토콜
  • 결과
  • 토론
  • 공개
  • 감사의 말
  • 자료
  • 참고문헌
  • 재인쇄 및 허가

요약

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.

초록

최근 수십 년 동안 마우스가 폐 질환의 다양한 차 동물 모델이되고있다. 폐기종 또는 섬유증의 모델에서, 필수적인 표현형 변화는 가장 폐 탄성 변화의 측정에 의해 평가된다. 마우스에서 가장 이러한 병리를 특정 기본 메커니즘을 이해하기 위해서는 병리 현상을 반영 할 수있는 기능을 측정하는 데 필수적이다. 탄성을 측정하는 방법에는 여러 가지가 있지만, 전형적인 방법은 전체 폐 용적의 압력 (PV)는 폐 곡선 볼륨의 전체 범위에 걸쳐 수행한다는 것이다. 이 측정은 거의 백년 거슬러 거의 모든 포유 동물 종으로부터 성인 폐에서 이루어진 것으로, 이러한 PV 곡선은 태아 폐 개발 폐 계면 활성제의 기능의 발견 및 이해에 중요한 역할을했다. 불행히도, 이러한 전체 PV 곡선들이 널리 macrosc에 유용한 정보를 제공 할 수 있다는 사실에도 불구하고, 마우스에서보고되지 않은폐의 구조적인 변화의 OPIC 효과. 폐 용적의 단지 부분적인 변화를 측정 PV 곡선 때때로보고되어 있지만, 절대 체적의 측정치없이 전체 PV 곡선의 비선형 특성을 해석하는 이러한 부분들 매우 어렵게 만든다. 본 연구에서는 총 PV 곡선을 측정하는 표준화 된 방법을 설명합니다. 우리는 다음 두 가지 일반적인 폐 병변, 폐기종 및 섬유증 마우스 폐 구조의 변화를 감지하는이 곡선의 능력을 시험 하였다. 결과는 이러한 병리와 예상 구조적 변화와 일치하는 여러 변수에 큰 변화를 보였다. 마우스에서 폐 PV 곡선이 측정은 시간이 지남에 따라서, 병태 생리 학적 변화 및 ​​치료 방법의 효과 전위의 진행을 모니터링하는 간단한 수단을 제공한다.

서문

이제 마우스 폐 질환의 다양한 일차 동물 모델이다. 폐기종 또는 섬유증의 모델에서, 필수적인 표현형 변화는 가장 폐 탄성의 변화를 측정함으로써 평가된다. 탄성을 측정하는 방법은 여러 가지가 있겠지만, 고전적인 방법은 그 총 폐 용량 (TLC)에 잔여 볼륨 (RV)에서 측정 된 전체 압력 - 볼륨 (PV) 곡선. 이 측정은 거의 백년 1-3 거슬러 올라가는 거의 모든 포유류에서 성인 폐에 만들어졌다. 이러한 PV 곡선 태아 폐 개발 4-7 폐 계면 활성제의 기능의 발견 및 이해에 중요한 역할을했다. 폐의 표현형의 측정치로 PV 곡선의 중요성에도 불구하고,이 측정을 수행 할 수있는 표준화 된 방법이 없었다. 그것은 팽창 및 이산 단계와 폐 (각 후 평형에 대한 변수 대기 시간)을 배출하기 또는 펌프를 간단하게 수행되었음을지속적으로 팽창하고 폐를 수축 할 수 있습니다. PV 곡선들은 제로 및 일부 사용자 정의 폐활량 사이의 체적 범위에서 수행되지만 다른 실험실에 의해보고 된 각 압력 볼륨 루프의 지속 시간은 5.6 시간 (2)에 몇 초 (8)로부터 변화, 매우 변수였다. 일부 연구자들은 정적 또는 quasistatic 등이 총 폐 PV 곡선을 참조하지만, 이러한 작은 통찰력을 제공 질적이며, 그들은 여기에 사용되지 않습니다. 또한, PV 곡선 널리이 폐에서의 구조적 변화의 거시적 효과에 관한 유용한 정보를 제공 할 수 있다는 사실에도 불구하고, 마우스에서보고되지 않았다.

몇 가지 문제가 포함 PV 곡선 획득의 가변성에 성공 : 인플레이션과 디플레이션 1) 비율; 2) 인플레이션과 디플레이션에 대한 압력 여행; 3) 수단은 절대 폐 량 측정을 결정한다. 여기에 방법 존재에서, 3 ㎖의 속도 / 분 compromis로 선정되었다대규모 코호트 연구 특히, 측정 비실용적로서 전자, 너무 짧게있는 것은 통풍 너무 느린하지와 관련된 동적 탄성을 반영합니다. C57BL / 6 마우스의 건강한 공칭 전체 폐 용량 1.2 ㎖의 9 정도이기 때문에,이 속도는 전형적으로는 두 개의 완전한 PV는 약 1.5 분에서 수행 될 수 있도록 폐쇄 루프.

PV 곡선이보고 된 확장 된 문헌에서 사용 피크 인플레이션 압력은 40 센티미터 H 2 O로 낮은 20에서 다양한 매우 변수왔다 이 변동의 일부는 종에 관련 될 수 있지만, PV 곡선의 상한 압력 한계를 설정하는 기본 목표 총 폐활량 (TLC) 또는 최대 폐 용적 폐 팽창한다. 인간의 TLC는 개인이 만들 수있는 최대한의 자발적인 노력에 의해 정의된다, 그러나 불행하게도이 모든 동물 모델에서 중복 될 수 없다. 따라서, 실험 PV 곡선의 최대 볼륨을 억제하다임의로 연구자가 설정 한 최대 압력에 의해 채굴. 목표는 PV 곡선이 평탄 압력을 설정할 수 있지만, 불행히도 포유류 폐 PV 곡선의 팽창 사지 결코 평탄한. 그래서 대부분의 연구자들은 일반적으로 인플레이션 곡선이 실질적으로 평평하게 시작 압력, 30cm의 H 2 O를 설정 마우스 그러나 PV 곡선은 팽창 사지 이중 혹으로 더 복잡하며,이 팽창 사지 종종 여전히 30cm의 H 2 O (10)에서 급격하게 상승되는 경우, 그래서 30 대 좋은 종점 아니다 PV 곡선. 이러한 이유로, 우리는 우리가 검토 한 모든 균주의 팽창 사지가 평평하게 시작하는 압력이 마우스 PV 곡선의 압력 한계, 같은 35cm의 H 2 O를 사용합니다.

PV 곡선 자체가 매우 비선형이기 때문에, PV 루프의 외관은 곡선이 어디서 시작 부피​​에 의존 할 것이다. 일부 상용 팬은 F에서 시작하여, 사용자가 큰 PV 루프를 수행 할 수RC하지만 FRC 볼륨이 미지 인 경우, 이들 변경 단순히 볼륨 개시까지 변화로부터 발생할 수 있기 때문에, 임의의 병리와 같은 PV 곡선의 변화를 해석하는 것은 불가능하고, 폐하지 구조적 변화. 따라서 절대 볼륨 측정하지 않고, PV 곡선을 해석하고, 따라서 작은 유틸리티가 거의 불가능하다. 폐 볼륨을 측정하는 방법에는 여러 가지가 있습니다,하지만, 이들은 종종 복잡하고 특별한 장비가 필요합니다. 여기에 설명 된 간단한 방법으로, PV 곡선은 생체 내 가스 제거 과정을 거친 후 제로 볼륨에서 시작한다.

요약하면, 본 논문에서는 마우스의 폐에서 폐 PV 곡선 측정을 표준화하기위한 간단한 방법을 설명하고, 폐 구조에 연결되어있는이 곡선으로부터 계산 될 수있는 몇 가지 지표를 정의합니다. PV 곡선 따라서 통신과 마우스에서 표현형의 구조적인 변화를 감지 할 수있는 직접 응용 프로그램이있는 폐 기능 검사를 제공합니다폐기종 및 섬유증과 같은 폐 병리에.

프로토콜

존스 홉킨스 대학 동물 관리 및 사용위원회는 모든 동물 프로토콜을 승인했다.

1. 장비

, PV 곡선을 측정 할 준비가 설정 한 복합 시스템은 그림 1에 표시됩니다.

  1. 볼륨 측정 :
    1. 사용자가 신속하게 압력 한계에 도달 한 후 펌프를 역방향 있도록 스위치 시린지 펌프를 이용하여 팽창과 수축의 일정한 속도를 생성한다. 마우스 PV 곡선의 경우, 공기의 3 ㎖에서 설정 한 초기 볼륨 (이전에 인플레이션)를 매우 가볍게 기름을 바른 5 mL 유리 주사기를 사용합니다. 3 ㎖ 거의 모든 마우스 PV 곡선의 볼륨을 측정 할 수있을만큼 충분히 크다.
    2. 이동 주사기 플런저에 연결된 작은 센서 막대와, 펌프 하우징에 선형 미분 변압기 부착함으로써 펌프에 의해 전달되는 부피를 측정한다.
      주 : 경험적 수단은 시스템의 가스 압축을 보정하기 위해 PV 세제곱에 따라 설명한다RVE 기록부.
  2. 압력 측정 :
    1. 0-60cm H 2 O (0-1 PSI)의 범위와 표준 저렴한 압력 게이지를 사용합니다.
  3. 측정 기록 :
    1. PV 곡선은 XY 기능 (예를 들어, PowerLab의)와 모든 디지털 레코더를 사용하여 기록합니다. 볼륨 보정 신호 및 PV 곡선을 그래프로 위해서는 경폐 압력 (PTP)을 기록하는 또 다른 채널을 녹화하기 위해 하나의 채널을 설정한다. 압력을 측정하는 주 PowerLab의 다리에 연결 전치 증폭기를 사용한다. 00-40 센티미터 H 2 O로부터 압력 채널을 조정하고, 0-3 ml의 부피에서 채널을 조정.

가스 압축 2. 수정

주 :이에 중요한 초기 단계이다 압력 증가, 가스 부피가 감소하고, 마우스로 전달되는 공기의 양으로서 따라서 SYR의 변위보다 더욱 적게되기 때문에, 설정디트로이트 배럴.

  1. 폐에 태양 광 발전 시스템을 연결하는 꼭지를 닫습니다, 그래서 가스 시스템을 떠날 수 있습니다. 주입을 시작하고 레코더의 보정 볼륨 채널은 약 40cm의 H 2 O에 압력이 증가함에 따라 측정 가능한 변화를 보여준다 경우 관찰 다음 단계에서와 같이 그렇다면, 올바른합니다.
    1. 경험적으로 플런저 변위 측정에서 빼서 가스 압축에 대한 올바른 (즉, 보정 볼륨) 인플레이션 압력에 비례하는 용어입니다. 볼륨 신호 마이너스 계수 배의 압력을 표시 할 PowerLab의 채널 (라고 VC)에이 작업을 수행합니다.
    2. 방정식의 계수를 결정합니다. 첫째, 초기 추측에 기록 차트를 켜고 펌프를 시작합니다. 팽창 튜브 밀봉되기 때문에, 압력은 0-40 센티미터 H 2 O.에서 상승 채널 (VC)가 제로 보이게 압력 계수 승산기를 조정 이 위 또는 아래로되면, 단순히까지 보정 계수를 조정이 압력 범위에서 플랫 유지됩니다. 주사기의 체적을 시작 같은 3 ㎖가 변경되지 않은 경우이 보정 계수는 항상 동일하다.

마우스 3. 실험 테스트

  1. 마우스의 PV 곡선의 측정을위한 절차. 모든 동물 프로토콜은 존스 홉킨스 대학 동물 관리 및 사용위원회에 의해 승인되었습니다.
    1. 케타민 (90 ㎎ / ㎏)과 자일 라진 (15 ㎎ / ㎏)와 (나이 6-12 주에 C57BL / 6 마​​우스) 쥐를 마취하고, 반사 운동의 부재로 마취를 확인합니다.
      주 : PV 곡선은 10 분 미만에 마취 된 마우스에서 완료되고 단말 절차 수있다.
    2. 18 G 스텁 바늘 캐 뉼러와 마우스를 Tracheostomize. 다음 스텁 바늘을 삽입 할 수있는 기관, 작은 슬릿을, 기관을 덮는 피부에 작은 절개를 만드는 기관을 배치함으로써이 작업을 수행합니다. 실로 매서 캐 뉼러를 고정합니다.
    3. 호흡 하나에 마우스를 허용적어도 4 분 00 % 산소. 이 가방이나 명목상 150 호흡 / 분에서 0.2 ml의 호흡량 설정 인공 호흡기와자가 호흡을 통해 할 수있다.
    4. 기관 캐뉼라를 종료하고 마우스 3-4 분 모든 산소를 흡수 할 수 있습니다. 이 산소 흡수 과정은 동물의 폐 및 (11)의 거의 전체에서 탈기 죽음을 초래한다. ECG 전극 또는 직접 관찰과 심장 박동의 정지를 측정하여 마우스의 죽음을 확인합니다.
    5. 폐의 탈기가 완료되고 폐 용적이 제로가되면, / 분으로 3 ㎖의 속도로 시린지 펌프에 실내 공기로 폐를 팽창시키기 시작한다. 디지털 레코더에 압접 흔적을 모니터하고 35cm의 H 2 O에 도달 할 때, 펌프를 역방향.
    6. 압력이기도가 더 부피 감소를 방지 폐포에서 공기를 포집, 붕괴되는 시간에 의해 부정적인 10cm의 H 2 O를, 도달 할 때까지 디플레이션 곡선을 따르십시오. 즉시 t 역그는 붕괴기도가 여는 폐 reinflate 할 수 있도록, 다시 펌프. 이 이종 개방이 2 인플레이션의 초기 부분에서 잡음이 찾고 인플레이션 사지에 의해 일반적으로 알 수있다.
    7. 압력이 다시 35cm의 H 2 O에 도달하면, 펌프 방향을 반전하고,이 두번째 디플레이션 사지 0cm의 H 2 O에 도달 할 때까지 폐 수축 계속 그런 다음 펌프를 중지합니다.
    8. 압력 및 흐름과 PV 곡선의 PowerLab의 차트 기록을 볼 수 있습니다. 그런 다음 다른 폐 병리 발생하는 폐 실질 조직의 표현형 변화를 감지하기 위해 PV 곡선을 분석 할 수 있습니다.

결과

PV 곡선에 대한 절차는 전용 제어 건강한 쥐 비디오에서 입증되었지만, 우리는 두 가지 일반적인 병리, 폐기종 및 섬유증 마우스에서 기능적이고 병리 변화를 검출하기 위해 PV 곡선의 능력을 조사 하였다. 이러한 전통적인 모델의 세부 사항은 다른 곳에서 12, 13 설명했다. 아주 간단히, 3 % 이소 플루 란 마취 후 폐기종은 기관지에 주입 3 또는 6 U 돼지의 췌장 엘라 스타 제에 의해 발생 된 3 ?...

토론

본 논문에서는 간단한 재현 방법은 마우스의 표현형 폐 탄성, 전체 폐 PV 곡선의 고전적인 방법을 측정하는 기술되었다. 이러한 곡선은 폐 계면 활성제의 발견과 폐 안정성을 제공의 중요성에 쓸모 있었다. 여기가 PV 곡선 성인 마우스 폐에서 폐 탄성 관련된 여러 변수를 측정하는 수단을 제공하기에 유용한 방법을 도시한다. 마우스 폐의 병리학 적 변화를 생성하기 위해 일반적으로 사용되는 두 ?...

공개

None of the authors have any financial interests that would be in conflict with the material presented in this paper.

감사의 말

This work has been supported by NIH HL-1034.

자료

NameCompanyCatalog NumberComments
Syringe pumpHarvard Apparatus55-2226Infuse/withdraw syringe pump
Pump 22 reversing switchHarvard Apparatus552217Included with pump
Linear displacement transformerTrans-Tek, Inc.0244-0000
5 ml glass syringeBecton DickensonSeveral other possible vendors
Digital recorderADInstrumentsPL3504Several other possible vendors
Bridge amp signal conditionerADInstrumentsFE221
Gas tank, 100% oxygenAirgas, IncAny supplier or hospital source will work
Pressure transducer: 0 - 1 psi mV outputOmega EngineeringPX-137Range ≈ 0 - 60 cm H2O

참고문헌

  1. Neergaard, K. v. Neue Auffasungen über einn Grundbergriff der Atemtechnik. Die Retraktionskraft der unge, abhangig von den Oberflachenspannung in den Alveolen. (New interpretations of basic concepts of respiratory mechanics. Correlation of pulmonary recoil force with surface tension in the alveoli.). Zeitschrift Fur Gesamte Experi Medizin. 66, 373-394 (1929).
  2. Hildebrandt, J. Pressure-volume data of cat lung interpreted by a plastoelastic, linear viscoelastic model. J. Appl. Physiol. 28, 365-372 (1970).
  3. Hoppin, F. G., Hildebrandt, J., West, J. B. . Bioengineering Aspects of the Lung. , 83-162 (1977).
  4. Avery, M. E., Mead, J. Surface properties in relation to atelectasis and hyaline membrane disease). AMA. J. Dis. Child. 97, 517-523 (1959).
  5. Clements, J. A., Hustead, R. F., Johnson, R. P., Gribetz, I. Pulmonary surface tension and alveolar stability. Tech Rep CRDLR US Army Chem. Res. Dev. Lab. 3052, 1-24 (1961).
  6. Radford, E. P., Remington, J. W. . Tissue Elasticity. , 177-190 (1957).
  7. Mitzner, W., Johnson, J. W. C., Scott, R., London, W. T., Palmer, A. E. Effect of betamethasone on the pressure-volume relationship of fetal rhesus monkey lung. Journal of Applied Physiology. 47, 377-382 (1979).
  8. Smaldone, G. C., Mitzner, W., Itoh, H. The role of alveolar recruitment in lung inflation: Influence on pressure-volume hysteresis. Journal of Applied Physiology. 55, 1321-1332 (1983).
  9. Tankersley, C. G., Rabold, R., Mitzner, W. Differential lung mechanics are genetically determined in inbred murine strains. Journal of Applied Physiology. 86, 1764-1769 (1999).
  10. Soutiere, S. E., Mitzner, W. On defining total lung capacity in the mouse. J. Appl. Physiol. 96, 1658-1664 (2004).
  11. Stengel, P. W., Frazer, D. G., Weber, K. C. Lung degassing: an evaluation of two methods. Journal of Applied Physiology: Respiratory, Environmental and Exercise Physiology. 48, 370-375 (1980).
  12. Limjunyawong, N., Mitzner, W., Horton, M. A mouse model of chronic idiopathic pulmonary fibrosis. Physiol Rep. 2, e00249 (2014).
  13. Fallica, J., Das, S., Horton, M. R., Mitzner, W. Application of Carbon Monoxide Diffusing Capacity in the Mouse Lung. J. Appl. Physiol. 110, 1455-1459 (2011).
  14. Brown, R. H., et al. The structural basis of airways hyperresponsiveness in asthma. J. Appl. Physiol. 101 (1), 30-39 (2006).
  15. Smargiassi, A., et al. Ultrasonographic Assessment of the Diaphragm in Chronic Obstructive Pulmonary Disease Patients: Relationships with Pulmonary Function and the Influence of Body Composition - A Pilot Study. Respiration: International Review of Thoracic Diseases. 87 (5), 364-371 (2014).
  16. Mitzner, W. Airway-parenchymal interdependence. Comprehensive Physiol. 2, 1921-1935 (2012).
  17. Johnson, J. W., Permutt, S., Sipple, J. H., Salem, E. S. Effect of Intra-Alveolar Fluid on Pulmonary Surface Tension Properties. J. Appl. Physiol. 19, 769-777 (1964).
  18. Palmer, S., Morgan, T. E., Prueitt, J. L., Murphy, J. H., Hodson, W. A. Lung development in the fetal primate, Macaca nemestrina. II. Pressure-volume and phospholipid changes. Pediatr. Res. 11, 1057-1063 (1977).
  19. Lum, H., Mitzner, W. A species comparisonof alveolar size and surface forces. Journal of Applied Physiology. 62, 1865-1871 (1987).
  20. Faridy, E. E. Effect of distension on release of surfactant in excised dogs' lungs. Respir. Physiol. 27, 99-114 (1976).
  21. Faridy, E. E., Permutt, S., Riley, R. L. Effect of ventilation on surface forces in excised dogs' lungs. J. Appl. Physiol. 21, 1453-1462 (1966).
  22. Comroe, J. H., Forster, R. E., Dubois, A. B., Briscoe, W. A., Carlsen, E. . The Lung: Clinical Physiology and Pulmonary Function Tests. , (1962).
  23. Martinez, F. J., et al. The clinical course of patients with idiopathic pulmonary fibrosis. Ann. Intern. Med. 142, 963-967 (2005).

재인쇄 및 허가

JoVE'article의 텍스트 или 그림을 다시 사용하시려면 허가 살펴보기

허가 살펴보기

더 많은 기사 탐색

95Quasistatic

This article has been published

Video Coming Soon

JoVE Logo

개인 정보 보호

이용 약관

정책

연락처

사서에게 추천하기

JoVE 뉴스레터

연구

교육

저자

사서

JoVE 소개

Copyright © 2025 MyJoVE Corporation. 판권 소유