Schnelle viskoelastische Charakterisierung von Atemwegsschleim mit einem Tischrheometer

Jason A. Wykoff; Kendall M. Shaffer; Kenza C. Araba; Matthew R. Markovetz; Jérémy Patarin; Matthieu Robert de Saint Vincent; Scott H. Donaldson; Camille Ehre

doi:10.3791/63876

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Methodenartikel

Schnelle viskoelastische Charakterisierung von Atemwegsschleim mit einem Tischrheometer

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DOI:

10.3791/63876

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21. April 2022

Jason A. Wykoff¹ , Kendall M. Shaffer¹ , Kenza C. Araba¹ , Matthew R. Markovetz¹ , Jérémy Patarin² , Matthieu Robert de Saint Vincent² , Scott H. Donaldson¹^,³ , Camille Ehre¹^,⁴

¹Marsico Lung Institute / CF Center, The University of North Carolina at Chapel Hill, ²Rheonova, ³Department of Pulmonary and Critical Care Medicine, The University of North Carolina at Chapel Hill, ⁴Department of Pediatric, Pediatric Pulmonology Division, The University of North Carolina at Chapel Hill

In diesem Artikel

Zusammenfassung

Die viskoelastischen Eigenschaften des Schleims spielen eine entscheidende Rolle bei der schleimhäutigen Clearance. Traditionelle rheologische Schleimtechniken erfordern jedoch komplexe und zeitaufwändige Ansätze. Diese Studie liefert ein detailliertes Protokoll für die Verwendung eines Tischrheometers, das schnell und zuverlässig viskoelastische Messungen durchführen kann.

Zusammenfassung

Bei muko-obstruktiven Lungenerkrankungen (z. B. Asthma, chronisch obstruktive Lungenerkrankung, Mukoviszidose) und anderen Atemwegserkrankungen (z. B. virale / bakterielle Infektionen) werden die biophysikalischen Eigenschaften des Schleims durch Becherzellhypersekretion, Atemwegsdehydrierung, oxidativen Stress und das Vorhandensein von extrazellulärer DNA verändert. Frühere Studien zeigten, dass die Viskoelastizität des Sputums mit der Lungenfunktion korrelierte und dass Behandlungen, die die Sputumrheologie beeinflussen (z. B. Mukolytika), zu bemerkenswerten klinischen Vorteilen führen können. Im Allgemeinen verwenden rheologische Messungen von nicht-newtonschen Flüssigkeiten ausgefeilte, zeitaufwändige Ansätze (z. B. parallele / Kegelplatten-Rheometer und / oder Mikroperlenpartikel-Tracking), die ein umfangreiches Training erfordern, um den Assay durchzuführen und die Daten zu interpretieren. Diese Studie testete die Zuverlässigkeit, Reproduzierbarkeit und Empfindlichkeit von Rheomuco, einem benutzerfreundlichen Tischgerät, das entwickelt wurde, um schnelle Messungen mit dynamischer Oszillation mit einem Scher-Dehnungs-Sweep durchzuführen, um lineare viskoelastische Moduli (G', G^{", G*} und tan δ) und Gelpunkteigenschaften (γ c und σ_c) für klinische Proben innerhalb von 5 Minuten bereitzustellen. Die Geräteleistung wurde unter Verwendung verschiedener Konzentrationen eines Schleimsimulans, 8 MDa Polyethylenoxid (PEO), und anhand herkömmlicher Bulk-Rheologiemessungen validiert. Ein klinisches Isolat, das von einem intubierten Patienten mit Status asthmaticus (SA) entnommen wurde, wurde dann in dreifachen Messungen bewertet und der Variationskoeffizient zwischen den Messungen beträgt <10%. Die Ex-vivo-Anwendung eines starken Schleimreduktionsmittels, TCEP, auf SA-Schleim führte zu einer fünffachen Abnahme des Elastizitätsmoduls und einer Veränderung hin zu einem insgesamt "flüssigkeitsähnlicheren" Verhalten (z. B. höhere Bräunung δ). Zusammen zeigen diese Ergebnisse, dass das getestete Tischrheometer zuverlässige Messungen der Schleimviskoelastizität in klinischen und Forschungsumgebungen durchführen kann. Zusammenfassend könnte das beschriebene Protokoll verwendet werden, um die Wirkungen von mukoaktiven Arzneimitteln (z. B. rhDNase, N-Acetylcystein) vor Ort zu untersuchen, um die Behandlung von Fall zu Fall oder in präklinischen Studien mit neuartigen Verbindungen anzupassen.

Einleitung

Muko-obstruktive Atemwegserkrankungen, einschließlich Asthma, chronisch obstruktive Lungenerkrankung (COPD), Mukoviszidose (CF) und andere Atemwegserkrankungen wie virale und bakterielle Lungenentzündung, sind weltweit weit verbreitete Gesundheitsprobleme. Während die Pathophysiologie zwischen den einzelnen Erkrankungen stark variiert, ist ein gemeinsames Schlüsselmerkmal eine abnormale mukoziliäre Clearance. In gesunden Lungen kleidet Schleim das Atemwegsepithel aus, um eingeatmete Partikel einzufangen und eine physikalische Barriere gegen Krankheitserreger zu schaffen. Nach der Sekretion wird der Atemwegsschleim, der aus ~ 97,5% Wasser, 0,9% Salz, ~ 1,1% Kugelprotei....