Name: rapid viscoelastic characterization of airway mucus using a benchtop rheometer
Uploaded: 2022-04-21T14:30:00
Description: Watch this Scientific Journal Video about Rapid Viscoelastic Characterization of Airway Mucus Using a Benchtop Rheometer at JoVE.com

هذه الورقة مدعومة بمنح من Vertex Pharmaceuticals (جائزة Ehre RIA) والأبحاث المدعومة من CFF EHRE20XX0.

في هذه الدراسة ، تم جمع عينات أثناء تنظير القصبات المشار إليه سريريا بعد الحصول على موافقة مستنيرة بموجب بروتوكول معتمد من قبل مجلس المراجعة المؤسسية التابع للأمم المتحدة.
1. جمع البلغم / المخاط وتخزينه
<ol><li>جمع مخاط مجرى الهواء عن طريق جمع البلغم أو شفط تنظير ...

<ol>
	<li>Button, B., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=A+periciliary+brush+promotes+the+lung+health+by+separating+the+mucus+layer+from+airway+epithelia.">A periciliary brush promotes the lung health by separating the mucus layer from airway epithelia.</a> Science. 337 (6097), 937-941 (2012).</li><li>Boucher, R. C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Muco-obstructive+lung+diseases.">Muco-obstructive lung diseases.</a> New England Journal of Medicine. 380 (20), 1941-1953 (2019).</li><li>Rose, M. C., Voynow, J. A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Respiratory+tract+mucin+genes+and+mucin+glycoproteins+in+health+and+disease.">Respiratory tract mucin genes and mucin glycoproteins in health and disease.</a> Physiological Reviews. 86 (1), 245-278 (2006).</li><li>Ehre, C., Ridley, C., Thornton, D. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Cystic+fibrosis:+An+inherited+disease+affecting+mucin-producing+organs.">Cystic fibrosis: An inherited disease affecting mucin-producing organs.</a> The International Journal of Biochemistry &amp; Cell Biology. 52, 136-145 (2014).</li><li>Morrison, C. B., Markovetz, M. R., Ehre, C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Mucus,+mucins,+and+cystic+fibrosis.">Mucus, mucins, and cystic fibrosis.</a> Pediatric Pulmonology. 54, 84-96 (2019).</li><li>Hill, D. B., Button, B., Rubinstein, M., Boucher, R. C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Physiology+and+Pathophysiology+of+Human+Airway+Mucus.">Physiology and Pathophysiology of Human Airway Mucus.</a> Physiological Reviews. , (2022).</li><li>Lin, V. Y., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Excess+mucus+viscosity+and+airway+dehydration+impact+COPD+airway+clearance.">Excess mucus viscosity and airway dehydration impact COPD airway clearance.</a> European Respiratory Journal. 55 (1), 1900419 (2020).</li><li>Fahy, J. V., Dickey, B. F. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Airway+mucus+function+and+dysfunction.">Airway mucus function and dysfunction.</a> The New England Journal of Medicine. 363 (23), 2233-2247 (2010).</li><li>Tomaiuolo, G., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=A+new+method+to+improve+the+clinical+evaluation+of+cystic+fibrosis+patients+by+mucus+viscoelastic+properties.">A new method to improve the clinical evaluation of cystic fibrosis patients by mucus viscoelastic properties.</a> PloS One. 9 (1), 82297 (2014).</li><li>Shak, S., Capon, D. J., Hellmiss, R., Marsters, S. A., Baker, C. L. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Recombinant+human+DNase+I+reduces+the+viscosity+of+cystic+fibrosis+sputum.">Recombinant human DNase I reduces the viscosity of cystic fibrosis sputum.</a> Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 87 (23), 9188-9192 (1990).</li><li>Zahm, J. M., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Dose-dependent+in+vitro+effect+of+recombinant+human+DNase+on+rheological+and+transport+properties+of+cystic+fibrosis+respiratory+mucus.">Dose-dependent in vitro effect of recombinant human DNase on rheological and transport properties of cystic fibrosis respiratory mucus.</a> The European Respiratory Journal. 8 (3), 381-386 (1995).</li><li>Fuchs, H. J., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Effect+of+aerosolized+recombinant+human+DNase+on+exacerbations+of+respiratory+symptoms+and+on+pulmonary+function+in+patients+with+cystic+fibrosis.+The+Pulmozyme+Study+Group.">Effect of aerosolized recombinant human DNase on exacerbations of respiratory symptoms and on pulmonary function in patients with cystic fibrosis. The Pulmozyme Study Group.</a> The New England Journal of Medicine. 331 (10), 637-642 (1994).</li><li>Hubbard, R. C., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=A+preliminary+study+of+aerosolized+recombinant+human+deoxyribonuclease+I+in+the+treatment+of+cystic+fibrosis.">A preliminary study of aerosolized recombinant human deoxyribonuclease I in the treatment of cystic fibrosis.</a> The New England Journal of Medicine. 326 (12), 812-815 (1992).</li><li>Shak, S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Aerosolized+recombinant+human+DNase+I+for+the+treatment+of+cystic+fibrosis.">Aerosolized recombinant human DNase I for the treatment of cystic fibrosis.</a> Chest. 107, 65-70 (1995).</li><li>Ma, J. T., Tang, C., Kang, L., Voynow, J. A., Rubin, B. K. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Cystic+fibrosis+sputum+rheology+correlates+with+both+acute+and+longitudinal+changes+in+lung+function.">Cystic fibrosis sputum rheology correlates with both acute and longitudinal changes in lung function.</a> Chest. 154 (2), 370-377 (2018).</li><li>Donaldson, S. H., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Mucus+clearance+and+lung+function+in+cystic+fibrosis+with+hypertonic+saline.">Mucus clearance and lung function in cystic fibrosis with hypertonic saline.</a> The New England Journal of Medicine. 354 (3), 241-250 (2006).</li><li>Patarin, J., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Rheological+analysis+of+sputum+from+patients+with+chronic+bronchial+diseases.">Rheological analysis of sputum from patients with chronic bronchial diseases.</a> Scientific Reports. 10 (1), 15685 (2020).</li><li>Markovetz, M. R., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Endotracheal+tube+mucus+as+a+source+of+airway+mucus+for+rheological+study.">Endotracheal tube mucus as a source of airway mucus for rheological study.</a> American Journal of Physiology. Lung Cellular and Molecular Physiology. 317 (4), 498-509 (2019).</li><li>Ramsey, K. A., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Airway+mucus+hyperconcentration+in+non-cystic+fibrosis+bronchiectasis.">Airway mucus hyperconcentration in non-cystic fibrosis bronchiectasis.</a> American Journal of Respiratory and Critical Care Medicine. 201 (6), 661-670 (2020).</li><li>Dunican, E. M., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Mucus+plugs+in+patients+with+asthma+linked+to+eosinophilia+and+airflow+obstruction.">Mucus plugs in patients with asthma linked to eosinophilia and airflow obstruction.</a> The Journal of Clinical Investigation. 128 (3), 997-1009 (2018).</li><li>Ehre, C., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=An+improved+inhaled+mucolytic+to+treat+airway+muco-obstructive+diseases.">An improved inhaled mucolytic to treat airway muco-obstructive diseases.</a> American Journal of Respiratory and Critical Care Medicine. 199 (2), 171-180 (2019).</li><li>Morrison, C. B., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Treatment+of+cystic+fibrosis+airway+cells+with+CFTR+modulators+reverses+aberrant+mucus+properties+via+hydration.">Treatment of cystic fibrosis airway cells with CFTR modulators reverses aberrant mucus properties via hydration.</a> The European Respiratory Journal. 59 (2), 2100185 (2021).</li><li>Puchelle, E., Jacquot, J., Beck, G., Zahm, J. M., Galabert, C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Rheological+and+transport+properties+of+airway+secretions+in+cystic+fibrosis-relationships+with+the+degree+of+infection+and+severity+of+the+disease.">Rheological and transport properties of airway secretions in cystic fibrosis-relationships with the degree of infection and severity of the disease.</a> European Journal of Clinical Investigation. 15 (6), 389-394 (1985).</li><li>Puchelle, E., Zahm, J. M., Quemada, D. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Rheological+properties+controlling+mucociliary+frequency+and+respiratory+mucus+transport.">Rheological properties controlling mucociliary frequency and respiratory mucus transport.</a> Biorheology. 24 (6), 557-563 (1987).</li><li>Cardinaels, R., Reddy, N. K., Clasen, C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Quantifying+the+errors+due+to+overfilling+for+Newtonian+fluids+in+rotational+rheometry.">Quantifying the errors due to overfilling for Newtonian fluids in rotational rheometry.</a> Rheologica Acta. 58 (8), 525-538 (2019).</li><li>Hancock, L. A., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Muc5b+overexpression+causes+mucociliary+dysfunction+and+enhances+lung+fibrosis+in+mice.">Muc5b overexpression causes mucociliary dysfunction and enhances lung fibrosis in mice.</a> Nature Communications. 9 (1), 5363 (2018).</li><li>Adewale, A. T., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Novel+therapy+of+bicarbonate,+glutathione,+and+ascorbic+acid+improves+cystic+fibrosis+mucus+transport.">Novel therapy of bicarbonate, glutathione, and ascorbic acid improves cystic fibrosis mucus transport.</a> American Journal of Respiratory Cell and Molecular Biology. 63 (3), 362-373 (2020).</li><li>Fernandez-Petty, C. M., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=A+glycopolymer+improves+vascoelasticity+and+mucociliary+transport+of+abnormal+cystic+fibrosis+mucus.">A glycopolymer improves vascoelasticity and mucociliary transport of abnormal cystic fibrosis mucus.</a> JCI Insight. 4 (8), 125954 (2019).</li></ol>

الخصائص اللزجة المرنة الفريدة للمخاط ضرورية للحفاظ على صحة الشعب الهوائية. يمكن للعوامل الداخلية والخارجية تغيير الخصائص الفيزيائية الحيوية لمخاط مجرى الهواء ، مما يسبب مضاعفات سريرية مميزة لأمراض الانسداد المخاطي. وبالتالي ، يمكن النظر في مراقبة التغيرات في مرونة لزوجة المخاط أثناء ت?...

أمراض انسداد مجرى الهواء المخاطي، بما في ذلك الربو ومرض الانسداد الرئوي المزمن (COPD) والتليف الكيسي (CF)، وغيرها من أمراض الجهاز التنفسي، مثل الالتهاب الرئوي الفيروسي والبكتيري، هي المخاوف الصحية السائدة في جميع أنحاء العالم. في حين أن الفيزيولوجيا المرضية تختلف اختلافا كبيرا بين كل حالة ، فإن السمة الرئيسية الشائعة هي إزالة الغشاء المخاطي الهدبي غير الطبيعي. في الرئتين السليمتين، يبطن المخاط ظهارة مجرى الهواء لحبس الجسيمات المستنشقة وتوفير حاجز مادي ضد مسببات الأمراض. بمجرد إفرازه ، يتم نقل مخاط مجرى الهواء ، الذي يتكون من ~ 97.5٪ ماء ، و 0.9٪ ملح ، و ~ 1.1٪ بروتينات كروية ، و ~ 0.5٪ mucins ، تدريجيا نحو المزمار عن طريق الضرب المنسق للأهداب 1,2. Mucins هي بروتينات سكرية كبيرة مرتبطة ب O تتفاعل عبر روابط غير تساهمية وتساهمية لتوفير الخصائص اللزجة المرنة المميزة للمخاط ، وهو أمر مطلوب للنقل الفعال3. التغيرات في البنية الفائقة لشبكة المخاط الناجمة عن تغيير نقل الأيونات ، أو تكشف الميوسين ، أو التفاعلات الكهروستاتيكية ، أو الربط المتقاطع ، أو التغيرات في التركيب يمكن أن تؤثر بشكل كبير على مرونة لزوجة المخاط وتضعف إزالة الغشاء المخاطي الهدبي 4,5. وبالتالي ، فإن تحديد التغيرات في الخصائص الفيزيائية الحيوية لمخاط مجرى الهواء أمر ضروري لفهم التسبب في المرض واختبار المركبات المخاطية النشطةالجديدة 6.
عوامل مختلفة يمكن أن تؤدي إلى إنتاج مخاط شاذ في الرئتين. في مرض الانسداد الرئوي المزمن ، يؤدي الاستنشاق المزمن لدخان السجائر إلى فرط إفراز المخاط نتيجة لاحتقان الخلايا الكأسية ، وكذلك جفاف مجرى الهواء عن طريق خفض تنظيم قناة منظم التوصيل عبر الغشاء للتليف الكيسي (CFTR) ، مما يسبب فرط تركيز المخاط وانسداد مجرى الهواء الصغير 7,8. وبالمثل ، يتميز CF ، وهو اضطراب وراثي مرتبط بالطفرات في جين CFTR ، بإنتاج مخاط لزج ملتصق غير كاف للنقل 8,9. باختصار ، يؤدي خلل CFTR إلى استنفاد سائل سطح مجرى الهواء ، وتشابك الميوسين البوليمري ، وزيادة التفاعلات الكيميائية الحيوية ، مما يؤدي إلى التهاب مزمن والتهابات بكتيرية. بالإضافة إلى ذلك ، تزيد الخلايا الالتهابية المحاصرة في المخاط الثابت من تفاقم مرونة لزوجة المخاط عن طريق إضافة جزيء كبير آخر ، الحمض النووي ، إلى مصفوفة الجل ، مما يؤدي إلى تفاقم انسداد مجرى الهواء5. يتم توفير أحد أفضل الأمثلة على أهمية ريولوجيا المخاط على الصحة العامة للرئتين من خلال مثال DNFase البشري المؤتلف (rhDNase) في علاج مرضى التليف الكيسي. تم إثبات آثار rhDNase لأول مرة خارج الجسم الحي على البلغم المتوقع ، والذي أظهر انتقالا من المخاط اللزج إلى سائل متدفق في غضون دقائق10,11. أظهرت التجارب السريرية على مرضى التليف الكيسي أن تقليل مرونة لزوجة مخاط مجرى الهواء مع استنشاق الحمض النووي الريبوزي منقوص من معدل التفاقم الرئوي ، وتحسين وظائف الرئة ورفاهية المريض بشكل عام12،13،14. ونتيجة لذلك ، أصبح استنشاق الحمض النووي الريبوزي منقوص الأكسجين الذي يهدف إلى تسهيل الإزالة هو معيار الرعاية لمرضى التليف الكيسي لأكثر من عقدين. لوحظت فوائد سريرية مماثلة مع استخدام محلول ملحي مفرط التوتر مستنشق لترطيب المخاط في التليف الكيسي ، والذي ارتبط بالتغيرات في الخصائص الريولوجية وأدى إلى تسريع إزالة الغشاء المخاطي الهدبي وتحسين وظائف الرئة15,16. وبالتالي ، فإن وجود بروتوكول سريع وموثوق به لقياس خصائص المخاط اللزجة المرنة في الإعدادات السريرية أمر مهم لتحسين النهج العلاجية.
يوفر مقياس الريومتر الموجود على الطاولة والذي تم اختباره هنا بديلا سريعا ومريحا لإجراء قياسات لزجة مرنة شاملة لعينات المخاط / البلغم. باستخدام التذبذبات الديناميكية مع الإزاحة الزاوية التي يتم التحكم فيها ، توفر الأداة تشوها عبر زوج من الألواح المتوازية القابلة للتعديل (على سبيل المثال ، الهندسة الخشنة أو الملساء) لقياس عزم الدوران والإزاحة بدقة 15 nN. م و 150 نانومتر ، على التوالي17. تسمح المعايرة الموحدة الافتراضية جنبا إلى جنب مع إرشادات المستخدم المكيفة للمتخصصين غير الريولوجيا بإجراء قياسات مباشرة وتقليل مخاطر أخطاء المشغل. ينتج الجهاز منحنى كنس الإجهاد الذي تتم معالجته وتحليله في الوقت الفعلي (في غضون 5 دقائق تقريبا) ويوفر تلقائيا خصائص المرونة اللزجة الخطية (G و G و G * و tan δ) ونقطة الهلام (γ c و σc) (انظر الجدول 1). يصف معامل المرونة أو التخزين (G') كيفية استجابة العينة للإجهاد (أي القدرة على العودة إلى شكلها الأصلي) ، بينما يصف معامل اللزوجة أو الخسارة (G") الطاقة المتبددة لكل دورة من التشوه الجيبي (أي الطاقة المفقودة بسبب احتكاك الجزيئات). المعامل المعقد أو الديناميكي (G*) هو نسبة الإجهاد إلى الإجهاد، والذي يصف مقدار تراكم القوة الداخلية استجابة لإزاحة القص (أي الخصائص اللزجة المرنة الإجمالية). عامل التخميد (تان δ) هو نسبة معامل اللزج إلى معامل المرونة ، مما يشير إلى قدرة العينة على تبديد الطاقة (أي أن δ تان المنخفض يشير إلى سلوك مرن مهيمن / صلب ، في حين أن δ التان العالي يشير إلى سلوك لزج مهيمن / يشبه السائل). بالنسبة لخصائص نقطة الهلام ، فإن سلالة التقاطع (γc) هي مقياس إجهاد القص ، محسوبة بنسبة مسار الانحراف إلى ارتفاع فجوة القص ، حيث تنتقل العينة من سلوك يشبه الصلبة إلى سلوك يشبه السائل ويحدث ، بحكم تعريفه ، عند سلالة التذبذب حيث G ' = G " أو تان δ = 1. إجهاد العائد المتقاطع (σc) هو مقياس لمقدار الإجهاد الذي يطبقه الجهاز الذي يتقاطع فيه المعامل المرن واللزج. في البلغم الصحي ، تهيمن المرونة على الاستجابة الميكانيكية للإجهاد (G' > G"). في أمراض الانسداد المخاطي ، يزداد كل من G' و G" نتيجة للتغيرات المخاطية المرضية 17،18،19. وتسهل البساطة التشغيلية للجهاز إجراء القياسات في الموقع وتتحايل على الحاجة إلى تخزين العينات/نقلها/شحنها إلى مرفق خارج الموقع لتحليلها وبالتالي تجنب آثار الوقت والتجميد والذوبان على خصائص هذه العينات البيولوجية.
في هذه الدراسة ، تم استخدام 8 محاليل من أكسيد البولي إيثيلين MDa (PEO) بتركيزات مختلفة (1٪ -3٪) للتحقق من نطاق قياس مقياس الريومتر التجاري على الطاولة (جدول المواد) وتم مقارنة المنحنى المعتمد على التركيز الذي تم الحصول عليه مباشرة بالقياسات التي تم الحصول عليها باستخدام مقياس الريومتر السائب التقليدي (جدول المواد) ). ثم تم تقييم تكرار القياسات الريولوجية باستخدام مخاط تم حصاده بالمنظار القصبي من مريض منتنبيب يعاني من حالة الربو (SA) ، وهو شكل متطرف من تفاقم الربو يتميز بتشنج قصبي ، التهاب يوزيني ، وفرط إنتاج المخاط استجابة لعامل بيئي أو معدي 8,20 . في هذه الحالة ، تم تنبيب مريض SA بسبب فشل تنفسي حاد واحتاج إلى ECMO (الأكسجة الغشائية خارج الجسم) بسبب عدم القدرة على دعم المريض بفعالية وأمان من خلال التهوية الميكانيكية وحدها ، على الرغم من علاجات الربو القياسية العدوانية. أثناء تنظير القصبات المشار إليه سريريا لانهيار الفص ، لوحظ أن الإفرازات السميكة والواضحة والعنيدة تعيق الشعب الهوائية الفصية وتم شفطها باستخدام الغسيل الملحي. مباشرة بعد الجمع ، تمت إزالة المياه المالحة الزائدة من الشفط وتم تحليل الخصائص اللزجة المرنة لعينة SA المتبقية باستخدام جهاز الطاولة. تمت معالجة عينات إضافية من الأليكوت بعامل مختزل ، تريس (2-كربوكسيل إيثيل) فوسفين هيدروكلوريد (TCEP) ، لتحديد ما إذا كان يمكن استخدام هذا البروتوكول لتوصيف فعالية المركب العلاجي خارج الجسم الحي.
أظهرت النتائج أنه يمكن استخدام هذا البروتوكول وجهاز الطاولة بشكل فعال في بيئة سريرية. كانت الخصائص الريولوجية المحددة من المنحنيات المعتمدة على تركيز PEO (الشكل 1A) لا يمكن تمييزها بين جهاز سطح الطاولة الذي تم اختباره ومقياس الريومتر التقليدي المتوازي (الشكل 1B). كانت القياسات الثلاثية لمخاط SA قابلة للتكرار ، مع معامل تباين بنسبة 10٪ لنقاط النهاية G * و G و G و G" وعكست التشوهات الكبيرة في مرونة لزوجة المخاط التي كانت واضحة سريريا في حالة هذا المريض (الشكل 1D). وأخيرا، أدى العلاج خارج الجسم الحي باستخدام TCEP إلى انخفاض كبير في G' و G"، وزيادة في δ السمرة، مما يدل على الاستجابة للعلاج عن طريق التغييرات في شبكة الميوسين (الشكل 2). في الختام ، يوفر هذا البروتوكول باستخدام مقياس الريومتر على الطاولة نهجا بسيطا وفعالا لتقييم الخصائص اللزجة المرنة لعينات المخاط التي تم الحصول عليها من العيادة. ويمكن استخدام هذه القدرة لتسهيل نهج الطب الدقيق للرعاية، حيث يمكن للأطباء اختبار فعالية الأدوية المخاطية المعتمدة في الموقع، والتي يمكن أن تساعد في تحديد خيارات العلاج البديلة. بالإضافة إلى ذلك ، يمكن استخدام هذا النهج في التجارب السريرية لدراسة آثار الأدوية الاستقصائية.

<table border="1" fo:keep-together.within-page="1" fo:keep-with-next.within-page="always">
	<tbody>
		<tr>
			<td>Capillary Pistons Tips</td>
			<td>Gilson</td>
			<td>CP1000</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Discovery Hybrid Rheometer-3</td>
			<td>TA Instruments</td>
			<td></td>
			<td>DHR-3 Bulk Rheometer manufactured 
			by TA Instruments in New Castle, DE: Used to preform rheological tests.</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Graphing Software</td>
			<td>GraphPad Prism</td>
			<td></td>
			<td>GraphPad Software (San Diego, CA) used for data analysis</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Microcentrifuge Tube</td>
			<td>Costar</td>
			<td>3621</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Peltier plate</td>
			<td>TA Instruments</td>
			<td></td>
			<td>Temperature control system manufactured 
			by TA Instruments in New Castle, DE</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Polyethylene oxide</td>
			<td>Sigma</td>
			<td>372838</td>
			<td>8 MDa polymer used as mucus simulant</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Positive Displacement Pipette</td>
			<td>Gilson</td>
			<td>M1000</td>
			<td>Pipette used for handling viscous solutions</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Rheomuco</td>
			<td>Rheonova</td>
			<td></td>
			<td>Benchtop Rheometer manufactured by Rheonova in France: Used to preform rheological tests.</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Rough Lower Geometries</td>
			<td>Rheonova</td>
			<td>D-1811-007</td>
			<td>25mm Diameter</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Rough Upper Geometries</td>
			<td>Rheonova</td>
			<td>U-1811-007</td>
			<td>25mm Diameter</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Smooth Upper Parallel Plate</td>
			<td>TA Instruments</td>
			<td></td>
			<td>20mm Diameter</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>tris(2-carboxyethyl)phosphine</td>
			<td>Sigma</td>
			<td>646547-10X1ML</td>
			<td>TCEP: Potent reducing agent.</td>
		</tr>
	</tbody>
</table>

rapid viscoelastic characterization of airway mucus using a benchtop rheometer

في أمراض الرئة المخاطية الانسدادية (مثل الربو ومرض الانسداد الرئوي المزمن والتليف الكيسي) وأمراض الجهاز التنفسي الأخرى (مثل الالتهابات الفيروسية / البكتيرية) ، يتم تغيير الخصائص الفيزيائية الحيوية للمخاطس عن طريق فرط إفراز الخلايا الكأسية ، وجفاف مجرى الهواء ، والإجهاد التأكسدي ، ووجود الحمض النووي خارج الخلية. أظهرت الدراسات السابقة أن مرونة لزوجة البلغم ترتبط بوظيفة الرئة وأن العلاجات التي تؤثر على ريولوجيا البلغم (على سبيل المثال ، حال للبلغم) يمكن أن تؤدي إلى فوائد سريرية ملحوظة. بشكل عام، تستخدم القياسات الريولوجية للسوائل غير النيوتونية مناهج مفصلة تستغرق وقتا طويلا (على سبيل المثال، مقاييس الريومتر المتوازية/المخروطية و/أو تتبع الجسيمات الميكروبية) التي تتطلب تدريبا مكثفا لإجراء الفحص وتفسير البيانات. اختبرت هذه الدراسة موثوقية وقابلية التكرار والحساسية ل Rheomuco ، وهو جهاز سهل الاستخدام على الطاولة مصمم لإجراء قياسات سريعة باستخدام التذبذب الديناميكي مع مسح إجهاد القص لتوفير وحدات مرنة لزجة خطية (G و G و G * و tan δ) وخصائص نقطة الهلام (γ c و σc) للعينات السريرية في غضون 5 دقائق. تم التحقق من أداء الجهاز باستخدام تركيزات مختلفة من محاكي المخاط ، و 8 MDa أكسيد البولي إيثيلين (PEO) ، وضد قياسات الريولوجيا السائبة التقليدية. ثم تم تقييم العزل السريري الذي تم حصاده من مريض بالتنبيب مصاب بحالة الربو (SA) في قياسات ثلاثية ومعامل التباين بين القياسات هو <10٪. أدى الاستخدام خارج الجسم الحي لعامل قوي للحد من المخاط ، TCEP ، على مخاط SA إلى انخفاض خمسة أضعاف في معامل المرونة وتغيير نحو سلوك أكثر "شبها بالسائل" بشكل عام (على سبيل المثال ، ارتفاع δ السمرة). تظهر هذه النتائج مجتمعة أن مقياس الريومتر الذي تم اختباره على الطاولة يمكن أن يجعل مقاييس موثوقة لمرونة لزوجة المخاط في الإعدادات السريرية والبحثية. باختصار ، يمكن استخدام البروتوكول الموصوف لاستكشاف آثار الأدوية المخاطية (على سبيل المثال ، rhDNase ، N-acetyl cysteine) في الموقع لتكييف العلاج على أساس كل حالة على حدة ، أو في الدراسات قبل السريرية للمركبات الجديدة.

ويبين الشكل 1 دقة القياسات الريولوجية وقابليتها للتكرار باستخدام منحنيات تعتمد على التركيز للتحكم اللزج المرن، أي محلول أكسيد البولي إيثيلين (PEO)، ومخاط الربو (SA). تمت مقارنة قياسات الخصائص المرنة اللزجة ل 8 MDa PEO بخمسة تركيزات مختلفة (1٪ و 1.5٪ و 2٪ و 2.5٪ و 3٪) مباشرة بين مقياس ال?...

Watch this Scientific Journal Video about Rapid Viscoelastic Characterization of Airway Mucus Using a Benchtop Rheometer at JoVE.com

Rapid Viscoelastic Characterization of Airway Mucus Using a Benchtop Rheometer

تلعب الخصائص اللزجة المرنة للمخاط دورا حاسما في إزالة الغشاء المخاطي الهدبي. ومع ذلك ، تتطلب تقنيات ريولوجية المخاط التقليدية مناهج معقدة وتستغرق وقتا طويلا. توفر هذه الدراسة بروتوكولا مفصلا لاستخدام مقياس الريومتر الموجود على الطاولة والذي يمكنه إجراء قياسات مرنة لزجة بسرعة وموثوقية.

توصيف سريع للمرونة اللزجة لمخاط مجرى الهواء باستخدام مقياس الريومتر على الطاولة

In muco-obstructive lung diseases (e.g., asthma, chronic obstructive pulmonary disease, cystic fibrosis) and other respiratory conditions (e.g., ...

تتميز أمراض الانسداد المخاطي بلزوجة غير طبيعية لمخاط مجرى الهواء. يوضح البروتوكول كيفية استخدام الريولوجيا لقياس لزوجة المخاط وتحليل البيانات لاختبار العلاجات التي تستهدف المخاط. يوفر ريولوجيا المخاط مؤشرات حيوية كمية محددة.إن استخدام جهاز على الطاولة يبسط إلى حد كبير الخدمات اللوجستية لقياس هذه المؤشرات الحيوية في العينات السريرية مثل عينات البلغم البشري. لا يزال استخدام ريولوجيا المخاط كأداة تشخيص لأمراض الانسداد يمثل تحديا. تظهر مجموعة متزايدة من الأدلة وجود علاقة قوية بين خصائص الريولوجيا والالتهابات والعدوى البكتيرية.المخاط موجود دائما في واجهة الجسم حيث يقوم بتليين ويلعب دورا وقائيا. يمكن تطبيق ريولوجيا المخاط على أنظمة أخرى مثل مسارات الجهاز الهضمي والأعضاء التناسلية. للحصول على قياسات دقيقة ، يعد التعامل الصحيح مع العينة ووضعها أمرا بالغ الأهمية.يمكن أن يعزز العرض المرئي دقة هذا الاختبار. سيوضح هذا الإجراء كيندال شافر ، فني أبحاث من مختبر الهواء. ابدأ بفرز بلغم مجرى الهواء الذي تم جمعه أو المخاط في أكواب عينات معقمة.في حالة البلغم ، قم بإزالة اللعاب الزائد من العينة فور جمعها. ضع العينات على الجليد لنقلها. الحد من وقت النقل إلى أقل من أربع ساعات.تحليل العينات في وقت الجمع. قم بتجانس المخاط عن طريق السحب بلطف لأعلى ولأسفل ثلاث إلى خمس مرات باستخدام ماصة إزاحة إيجابية. أو ماصة مباشرة في أنابيب الطرد المركزي الدقيقة.تخزين العينات في 80 درجة مئوية حتى معالجتها. Aliquot العينات للتخزين في أحجام أكبر من أو تساوي 500 ميكرولتر لضمان حجم كاف للتجارب. قبل الاقتباس ، ماصة البلغم الطازج والمجمد أو المخاط مباشرة أو تجانس العينات.إصلاح الأليكوتات المطلوبة لتكرار القياسات والعلاجات. احتضان الأليكوتات ليتم اختبارها عند 37 درجة مئوية لمدة خمس دقائق على الأقل قبل القياس. لاختبار العوامل الدوائية ، استخدم تركيزات عالية من محاليل المخزون لمنع تخفيف العينة.أضف ما بين 1٪ إلى 10٪ من حجم الكاشف المطلوب مباشرة على العينة. تأكد من عدم بقاء أي قطرة من المركب على جانب الأنبوب. احتضان العينات عند 37 درجة مئوية لطول الفترة الزمنية المطلوبة، للسماح بتفاعل كيميائي.امزج عينة المخاط والكاشف عن طريق النقر على الجزء السفلي من أنبوب الطرد المركزي الدقيق كل دقيقتين للسماح بالاختراق التدريجي للكاشف في عينة المخاط دون المساس بشبكة المخاط. عند مقارنة كواشف دوائية متعددة ، تأكد من أن وقت الحضانة متشابه. قم بتشغيل الجهاز وتهيئة البرنامج.حدد قياسا جديدا. أدخل رقم تعريف العينة ضمن معرف القياس واسم المشغل ضمن المشغل للمتابعة. أدخل معلومات أو تعليقات إضافية ضمن التعليقات.حدد مجموعة هندسية وافحص الألواح الكبيرة والصغيرة بعناية ، للتأكد من أن الألواح نظيفة وفي حالة ممتازة. أدخل اللوحة الكبيرة بإحكام على المنبر السفلي. أدخل اللوحة الصغيرة بلطف على المنبر العلوي وقم بقفل اللوحة عن طريق الدوران قليلا حتى سماع نقرة ، مما يشير إلى أن اللوحة مثبتة بشكل صحيح.لاحظ أن التذبذب الحر للوحة العلوية أمر طبيعي. انتظر حتى تصل درجة الحرارة إلى 37 درجة مئوية القيمة المستهدفة. ثم ابدأ المعايرة التلقائية، كما هو مطلوب من قبل البرنامج.باستخدام ماصة إزاحة إيجابية ، ماصة ببطء بين 250 و 500 ميكرولتر من العينة في وسط اللوحة السفلية الكبيرة. بمجرد إيداعها على اللوحة ، ستعتمد العينات اللزجة شكل قبة ، في حين أن العينات عالية المرونة قد تتطلب قطعا ماديا. اخفض رأس القياس الذي يحمل اللوحة الصغيرة عبر البرنامج وراقب العينة.إذا تم تحميلها بشكل صحيح على اللوحة السفلية ، فستقوم العينة بإجراء اتصال وسيتم تمركزها بين اللوحتين. للتأكد من أن العينة تملأ الفجوة، استخدم دالة الفجوة المخفضة حتى لا تعود العينة في شكل مقعر ثنائي المقعر أو محاذاة مع حافة اللوحة. تعمل وظيفة الفجوة المنخفضة على خفض حافة القياس بزيادات قدرها 0.1 ملليمتر وتقتصر على 7 زيادات.إذا بقيت فجوة بعد الزيادات 7 ، فانقر فوق إعادة التثبيت للعودة إلى الموضع الأولي وضبط موضع العينة وحجمها. إذا تم تقليل الفجوة بشكل كبير ، فقم بإزالة العينة الزائدة باستخدام ملعقة بحركة دائرية على طول حافة اللوحة العلوية. قم بقص العينة الزائدة بلطف لتجنب إجهاد القص.اخفض الغطاء الواقي لتجنب أي إسقاط عرضي للسوائل الملوثة أثناء التذبذب. لبدء القياس ، انقر فوق بدء التحليل. ستستغرق الدورة بأكملها من أربع إلى سبع دقائق.تجنب التحدث بصوت عال ولمس الجهاز أو المقعد طوال مدة الدورة. البيئة الهادئة أمر بالغ الأهمية في الدقيقتين الأوليين. بمجرد اكتمال الدورة ، انقر فوق التالي لرفع رأس القياس وإنشاء تقرير تحليل العينة.بمجرد سحب رأس القياس بالكامل ، ارفع الغطاء الواقي. تخلص من العينة وقم بإزالة الألواح بعناية. تنظيف وتطهير الأطباق باستخدام الماء الدافئ والصابون.تم قياس الخصائص المرنة اللزجة لثمانية ميغادالتون PEO بخمسة تركيزات وتمت مقارنتها مباشرة بين مقياس الريومتر الموجود على الطاولة والذي تم تقييمه ومقياس الريومتر السائب التقليدي. على النقيض من حلول PEO ، يمثل مخاط الربو الحالة سلوكا مرنا صلبا يهيمن عليه عند سلالة منخفضة ويتميز بتقاطع عند سلالة عالية. بالإضافة إلى ذلك ، أكدت القياسات الثلاثية التي أجريت في محلول PEO بنسبة 1.5٪ وعينة مخاط الفحص السريري ، أن الخصائص اللزجة المرنة الخطية كانت قابلة للتكرار بدرجة كبيرة للقيم التي تم الحصول عليها من العينة البيولوجية.تم قياس التغيرات في الخصائص اللزجة المرنة للمخاط بعد العلاج بعامل حال للبلغم. تم اختبار تأثيرات TCEP على مرونة لزوجة المخاط المقايسة في بيئة سريرية باستخدام مقياس الريومتر الموجود على الطاولة. أسفرت معالجة حال للبلغم عن عينة أكثر شبها بالسوائل مع انخفاض في المعامل المعقد بمقدار 4.6 أضعاف ، ومعامل المرونة بمقدار 5.1 أضعاف ، ومعامل اللزج بمقدار 1.9 ضعف ، وإجهاد كروس أوفر بمقدار 3.3 أضعاف ، وإجهاد العائد المتقاطع بمقدار 5.7 أضعاف ، وزيادة في نسبة التخميد بمقدار 2.8 ضعف.يمكن أن يساعد قياس مرونة لزوجة مخاط مجرى الهواء في بيئة سريرية سريعة الخطى في تخصيص علاج المرضى على أساس كل حالة على حدة ، بالإضافة إلى توفير بروتوكول موحد لاختبار المركبات الدوائية الجديدة. تستخدم هذه التقنية حاليا لفحص آثار معدلات CFTR الفعالة للغاية على بلغم التليف الكيسي واختبار فعالية الأدوية المختلفة التي تهدف إلى تغيير خصائص المخاط.

Research

JoVE Journal

Medicine

Rapid Point-of-Care Assay of Enoxaparin Anticoagulant Efficacy in Whole Blood

السريع في نقاط الفحص من كفاءة الرعاية تخثر الدم الكامل في Enoxaparin

There is the need for a clinical assay to determine the extent to which a patient's blood is effectively anticoagulated by the ...

The &alpha;-test: Rapid Cell-free CD4 Enumeration Using Whole Saliva

The ÃƒÅ½Ã‚Â±-test: Rapid Cell-free CD4 Enumeration Using Whole Saliva

وα الاختبار: رابيد تعداد CD4 خالية من الخلايا عن طريق اللعاب الجامعة

There is an urgent need for affordable CD4 enumeration to monitor HIV disease. CD4 enumeration is out of reach in resource-limited regions due to the time ...

Automated Measurement of Pulmonary Emphysema and Small Airway Remodeling in Cigarette Smoke-exposed Mice

القياس الآلي للالرئوي وانتفاخ الرئة ومجرى الهواء الصغيرة في إعادة عرض السجائر الفئران المعرضة للدخان

COPD is projected to be the third most common cause of mortality world-wide by 2020(1).  Animal models of COPD are used to identify molecules that ...

Topical Airway Anesthesia for Awake-endoscopic Intubation Using the Spray-as-you-go Technique with High Oxygen Flow

موضعي مجرى الهواء التخدير للتنبيب استيقظ-بالمنظار عن طريق الرذاذ وأولا بأول تقنية مع تدفق الأوكسجين عالية

A patient&#39;s willingness to cooperate is an absolute precondition for successful awake intubation of the trachea. Whilst drug-sedation of patients can ...

In Vivo Evaluation of the Mechanical and Viscoelastic Properties of the Rat Tongue

In Vivo Evaluation of the Mechanical and Viscoelastic Properties of the Rat Tongue

في فيفو تقييم الخصائص الميكانيكية و اللزجة من اللسان الجرذ

The tongue is a highly innervated and vascularized muscle hydrostat on the floor of the mouth of most vertebrates. Its primary functions include ...

Rapid Evaluation of Toxicity of Chemical Compounds Using Zebrafish Embryos

التقييم السريع لسمية المركبات الكيميائية باستخدام أجنة سمك الحمار الوحشي

The zebrafish is a widely used vertebrate model organism for the disease and phenotype-based drug discovery. The zebrafish generates many offspring, has ...

Characterization of Sickling During Controlled Automated Deoxygenation with Oxygen Gradient Ektacytometry

توصيف المرض اثناء التحكم الألى بالأوكسجين مع تدرج الأكسجين

In sickle cell disease (SCD), a single point mutation in the gene coding for beta-globin causes the production of abnormal hemoglobin S (HbS). When ...

The Rigid Tube as an Alternative in Controlling the Problematic Airway

أنبوب جامدة كبديل في السيطرة على الهواء المسالك الإشكالية

The unexpected problematic airway represents a large proportion of anesthesia-related morbidity and mortality. The retromolar or paraglossal approach is ...

Characterization of a Novel Human Organotypic Retinal Culture Technique

توصيف رواية الإنسان Organotypic تقنية ثقافة الشبكية

Previous human organotypic retinal culture (HORC) models have utilized detached retinas; however, without the structural support conferred by retinal ...

Design and Development of a Model to Study the Effect of Supplemental Oxygen on the Cystic Fibrosis Airway Microbiome

تصميم وتطوير نموذج لدراسة تأثير الأكسجين التكميلي على ميكروبيوم مجرى الهواء التليف الكيسي

Airway microbial communities are thought to play an important role in the progression of cystic fibrosis (CF) and other chronic pulmonary diseases. ...