Intraperitoneale Glucose-Toleranz-Test, Messung der Lungenfunktion und Fixierung der Lunge, um die Auswirkungen von Übergewicht und beeinträchtigter Stoffwechsel auf pulmonale Ergebnisse studieren
15. März 2018
Die Inzidenz der Adipositas steigt und erhöht das Risiko von chronischen Lungenerkrankungen. Die zugrunde liegenden Mechanismen und Präventionsstrategien, wohldefinierte Tier sind Modelle erforderlich. Hier bieten wir drei Methoden (Glukose-Toleranz-Test, Body-Plethysmographie und Lunge Fixierung), um die Wirkung der Fettleibigkeit auf die pulmonale Ergebnisse bei Mäusen untersuchen.
Das übergeordnete Ziel der folgenden drei Methoden ist es, den Einfluss von Fettleibigkeit und Stoffwechselstörungen auf die Lungenstruktur und -funktion zu untersuchen. Diese Methoden können helfen, zentrale Fragen der Atemwegsforschung nach dem Einfluss von Stoffwechselstörungen auf die Lungenstruktur und Lungenfunktion zu beantworten. Der Vorteil dieser Techniken besteht darin, dass sie kombiniert werden können, um die funktionelle Rolle des Stoffwechsels auf die Pathogenese chronischer Lungenerkrankungen zu beurteilen und verschiedene therapeutische Ansätze zu testen.
Die Implikationen dieser Techniken gehen über die Phänotypisierung hinaus und klären die spezifische funktionelle Rolle von metabolischen Zielen bei der Pathogenese von Lungenerkrankungen auf. Diese Methoden können auch auf die Untersuchung von Struktur und Funktion sowohl bei gesunden Tieren mit genetischen Veränderungen als auch in Tiermodellen für COPD und Asthma angewendet werden. Im Allgemeinen werden Personen, die neu in diesen Methoden sind, Schwierigkeiten haben, da das Einführen des Trachealtubus, die Insufflation der Lunge und die Verabreichung der Tiefenanästhesie Erfahrung und Training erfordern.
Die Idee zu diesen Methoden hatten wir, als wir entdeckten, dass früh einsetzende Adipositas bei Mäusen, aber auch beim Menschen eng mit dem Wirkungsstoffwechsel und mit chronischen Lungenerkrankungen über das Säuglingsalter hinaus verbunden ist. Um die intraperitoneale Glukosetoleranz zu messen, fesseln Sie eine 12-stündige nüchterne erwachsene Maus vorsichtig am Schwanz und verwenden Sie eine sterile Schere, um die Schwanzspitze einzuschneiden. Geben Sie sofort einen rieselfähigen Tropfen Blut auf den Teststreifen des Blutzuckermessgeräts, um den nüchternen Blutzuckerspiegel zu messen.
Das Testergebnis wird nach vier Sekunden auf dem Bildschirm des Blutzuckermessgeräts angezeigt. Nachdem Sie die Glukose für jedes Tier gemessen haben, beschriften Sie diese einzeln mit farbigen Markern und wiegen Sie die Tiere. Dann verabreichen Sie jedem Tier mit einer 27-Gauge-Nadel, die an einer Ein-Milliliter-Spritze befestigt ist, 100 Mikroliter Glukose pro Tonne Gramm Körpergewicht per intraperitonealer Injektion und messen die Blutzuckerspiegel 15, 30, 60 und 120 Minuten später mit neuen Teststreifen, wie gerade gezeigt.
Um die Lungenfunktion zu beurteilen, legen Sie eine erwachsene Maus in Rückenlage auf ein Pad und tragen Sie Salbe auf die Augen des Tieres auf. Nachdem Sie bestätigt haben, dass Sie nicht auf das Einklemmen der Zehen reagieren, befeuchten Sie das Fell in der Schilddrüsenregion mit 70%igem Ethanol und verwenden Sie eine Pinzette, um die Haut an der Mittellinie zwischen der Halskerbe am Brustbein und der Knollensymphyse des Mentums anzuheben. Machen Sie mit einer stumpfen Schere vorsichtig einen ein Zentimeter langen Hautschnitt in die Zelthaut, um das darunter liegende subkutane Fettgewebe und die Schilddrüse sichtbar zu machen, und legen Sie die Luftröhre frei, wobei die beiden Schilddrüsenlappen am Isthmus vorsichtig stumpf getrennt und die Sternothyreose und die Sternothyreose dissektioniert wurden.
Führen Sie mit einer scharfen Pinzette eine 4-0 geflochtene chirurgische Naht zwischen Luftröhre und Speiseröhre ein und schneiden Sie die Luftröhre vorsichtig ein, indem Sie den Kehlkopf zwischen den Trachealknorpeln mit einer Mikroschere schließen. Intubieren Sie mit einem Trachealtubus, sichern Sie den Schlauch mit einer chirurgischen Naht und bringen Sie das Tier in das beheizte Bett einer Körperkammer. Verbinden Sie den Trachealtubus mit der Frontplatte und schalten Sie das Beatmungsgerät ein.
Bestätigen Sie die Bewegung des Thorax gleichzeitig mit der Beatmungsrate, um die korrekte Platzierung des Trachealtubus zu bestätigen, und beobachten Sie das Drucksignal auf dem Computerbildschirm. Um Änderungen des transpulmonalen Drucks während der Beatmung zu kontrollieren, führen Sie einen Speiseröhrenschlauch auf Höhe der Lunge ein, die auf den Bildschirm blickt, um die Platzierung des Schlauchs zu erleichtern, wo eine maximale Druckablenkung und minimale Herzartefakte beobachtet werden können. Beginnen Sie die Datenerfassung gemäß den Anweisungen des Herstellers und geben Sie 10 Mikroliter PBS auf den Vernebler.
Beginnen Sie mit der Vernebelung nach fünf Minuten Akklamation, gefolgt von einer Reaktionsphase von drei Minuten, in der der Atemwegswiderstand und die Compliance des Atmungssystems gemessen werden. Lassen Sie das Tier drei Minuten lang genesen, bevor Sie mit der nächsten Vernebelung beginnen, und befolgen Sie die Anweisungen der Software für die schrittweise Anwendung einer Erhöhung der 10-Mikroliter-Methacholin-Konzentrationen auf dem Beatmungsgerät. Für die quantitative histomorphometrische Analyse des Lungengewebes verwenden Sie eine stumpfe Schere, um einen kleinen Schnitt in das Zwerchfell einer erwachsenen Maus zu setzen, und verwenden Sie eine gebogene stumpfe Schere, um einen peristernalen Schnitt über die gesamte Länge des Brustkorbs vorzunehmen, um den Thorax sanft zu öffnen.
Heben Sie den Brustkorb an, um die Pleurahöhle freizulegen und den Thymus zu entfernen. Nach der Entfernung des Herzens verwenden Sie eine scharfe Pinzette, um die Luftröhre vorzubereiten und freizulegen, um eine 4-0 geflochtene chirurgische Naht zwischen der Luftröhre und der Speiseröhre zu führen, gefolgt von einem vorsichtigen Schnitt der Luftröhre in der Nähe des Kehlkopfes zwischen den Trachealknorpeln. Intubieren Sie mit einer intravenösen 26-Gauge-Kanüle und verwenden Sie ein Fixiermittel, um die Lunge durch Druckfixierung bei einem konstanten Druck von 20 Zentimetern Wasser aufzublasen.
Nach 30 Minuten bei Raumtemperatur die Luftröhre ligatisieren und gleichzeitig die Kanüle entfernen. Schneiden Sie dann die Lunge vorsichtig heraus, ohne das Gewebe zu beschädigen, und lagern Sie die Lunge über Nacht in frischem Fixiermittel bei vier Grad Celsius. Übergewichtige Mäuse zeigen einen Anstieg der Serumglukosespiegel 15 und 30 Minuten nach der intraperitonealen Glukoseinjektion, was auf eine gestörte zelluläre Glukoseaufnahme im Vergleich zu Mäusen mit Standardnahrung hinweist.
Die invasive Lungenfunktionsanalyse zeigt eine bis zu 1,5-fache Erhöhung des Atemwegswiderstands bei adipösen, fettreichen Mäusen, die nach Stimulation mit Methacholin gefüttert wurden, im Vergleich zu Kontrolltieren. Die Hämatoxylin- und Eosinfärbung von Lungenparenchymschnitten nach intratrachealer Installation zeigt mehrere nicht aufgeblähte Bereiche, dicke Alveolarsepten und polygonal geformte Alveolen in der Lunge, die mit zu wenig Druck instilliert wurden. Im Gegensatz dazu führt ein zu hoher Instillationsdruck zu übermäßig aufgeblähten Bereichen mit zerstörten Alveolarsepten.
Die Anwendung des entsprechenden Drucks während der Lungenfixation führt jedoch zu einer vollständig aufgeblähten Lunge mit runden Lungenbläschen. Sobald die intraperitonealen Glukosetoleranztests gemeistert sind, können sie in zweieinhalb Stunden abgeschlossen werden. Die Lungenfunktionstests können in einer Stunde abgeschlossen werden, und die Lungeninsufflation kann in weniger als einer Stunde abgeschlossen werden.
Beim Versuch dieses Verfahrens ist es wichtig, sich daran zu erinnern, dass die Anpassung der Mäuse, die Schulung des Untersuchers und die Arbeit in einer ruhigen und stressreduzierten Umgebung für eine optimale Datenerfassung empfohlen werden. Nach ihrer Entwicklung ebnete diese Technik den Weg für Forscher auf dem Gebiet des Stoffwechsels und der Atemwegserkrankungen, um die Mechanismen und die Wirksamkeit von Behandlungsstrategien bei chronischen Lungenerkrankungen anhand von Kleintiermodellen zu erforschen. Nachdem Sie sich dieses Video angesehen haben, sollten Sie ein gutes Verständnis dafür haben, wie Sie die Auswirkungen von Fettleibigkeit und Stoffwechselstörungen auf die Lungenstruktur und -funktion untersuchen können.
Vergessen Sie nicht, dass die Arbeit mit Tieren oder chirurgischen Instrumenten zu Verletzungen oder Hautreaktionen führen kann und dass bei diesen Eingriffen immer Vorsichtsmaßnahmen wie das Tragen der entsprechenden persönlichen Schutzausrüstung getroffen werden sollten.
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Überblick
Dieser Artikel diskutiert Methoden, um die Auswirkungen von Fettleibigkeit auf die Lungenstruktur und -funktion unter Verwendung von Tiermodellen zu untersuchen. Er unterstreicht die Bedeutung dieser Techniken zum Verständnis chronischer Lungenerkrankungen.
Wichtige Studienkomponenten
Wissenschaftsbereich
- Neurowissenschaften
- Atemwegsforschung
- Stoffwechselstörungen
Hintergrund
- Fettleibigkeit ist mit chronischen Lungenerkrankungen verbunden.
- Das Verständnis der Mechanismen erfordert klar definierte Tiermodelle.
- Die Forschung zielt darauf ab, die funktionelle Rolle des Stoffwechsels bei der Lungenpathogenese zu erforschen.
- Techniken können sowohl bei gesunden als auch bei erkrankten Modellen angewendet werden.
Zweck der Studie
- Um die Auswirkungen von Fettleibigkeit auf pulmonale Ergebnisse zu beurteilen.
- Um präventive Strategien für chronische Lungenerkrankungen zu entwickeln.
- Um die funktionelle Rolle von Stoffwechselzielen zu erhellen.
Verwendete Methoden
- Glukosetoleranztest
- Körperplethysmographie
- Lungenfixierung
- Kombination von Techniken für eine umfassende Bewertung
Hauptergebnisse
- Methoden liefern Einblicke in die Lungenstruktur und -funktion.
- Techniken können helfen, therapeutische Ansätze zu testen.
- Ergebnisse erstrecken sich auf das Verständnis von COPD und Asthma.
- Erfahrung ist erforderlich für die korrekte Durchführung der Techniken.
Schlussfolgerungen
- Diese Methoden sind entscheidend für die Untersuchung der Auswirkungen von Fettleibigkeit auf die Lungengesundheit.
- Sie erleichtern die Erforschung von Stoffwechselstörungen bei Atemwegserkrankungen.
- Schulung ist wesentlich für die effektive Anwendung dieser Techniken.
Häufig gestellte Fragen
Executive Industry Relevance
Obesity-related metabolic dysfunction represents a growing risk factor for chronic lung diseases, creating a need for preclinical models that can mechanistically link systemic metabolism to pulmonary outcomes. The integrated assessment of glucose tolerance, lung function, and histological structure enables de-risking of therapeutic hypotheses by providing quantitative, reproducible readouts across metabolic and respiratory domains. This approach supports target validation and predictive confidence in early discovery by elucidating whether metabolic interventions modify lung pathology in disease-relevant systems.
Strategic Applications in Biopharma R&D
Early Discovery & Target Validation
- Scientific Value: Interrogates the functional role of metabolic targets in lung pathogenesis by measuring glucose intolerance as a biomarker of impaired cellular uptake.
- Operational Value: Enables pathway clarification through standardized ipGTT procedures that detect diet-induced metabolic dysregulation in obese models.
- Predictive Value: Supports portfolio triage by linking metabolic impairment to functional lung outcomes via concurrent airway resistance and compliance measurements.
Screening & Assay Development
- Scientific Value: Prepares validated biological systems for downstream workflows by fixing lungs at standardized pressure to ensure reproducible alveolar morphology for histomorphometric analysis.
- Operational Value: Addresses assay standardization through stepwise methacholine challenge protocols that quantify dose-dependent bronchoconstriction in obese versus control animals.
- Scalability: Highlights platform reuse across COPD and asthma models, enabling consistent lung structure-function assessment in genetically modified or diseased cohorts.
Translational & Preclinical Research
- Scientific Value: Discusses disease relevance by connecting systemic inflammatory and metabolic dysregulation to lung structural changes such as thickened septa and polygonal alveoli.
- Operational Value: Describes continuity from discovery through preclinical validation by demonstrating how lung fixation at 20 cm H2O pressure yields round-shaped alveoli, enabling reliable quantitative endpoints.
- Risk-Adjusted Advancement: Addresses mechanistic de-risking by showing that appropriate insufflation pressure prevents overinflation or collapse, reducing artifact-driven variability in histological assessments.
Pipeline & Workflow Integration
The method positions itself within the discovery continuum from hypothesis testing to lead identification, supporting iterative evaluation of metabolic interventions on lung structure and function in preclinical models.
- Discovery Biology: Explains how the method supports hypothesis testing by measuring serum glucose levels at 15 and 30 minutes post-injection to evaluate cellular glucose uptake in obesity models.
- Screening: Describes assay readiness through reproducible airway resistance and compliance measurements following nebulization and methacholine challenge, enabling compound effect comparison.
- Analytics: Highlights quantitative dependent variable measurements such as increased airway resistance (up to 1.5-fold) and altered alveolar morphology that help teams compare metabolic and pulmonary phenotypes.
- Translational Research: Connects the method to preclinical continuity by demonstrating lung preparation and fixation protocols that preserve tissue integrity for histological analysis across study groups.
- Enterprise Reuse: Frames the method as a reusable capability rather than a single-use technique, applicable to both healthy animals with genetic modifications and disease models of COPD and asthma.
Operational & Enterprise Impact
- Scientific Value: Predictive confidence, target validation, reduction of mechanistic ambiguity in obesity-lung disease linkages.
- Operational Value: Standardization, reproducibility, and scalability of metabolic and functional pulmonary assessments.
- Strategic Value: Better go/no-go decisions, capital efficiency, and reduced late-stage biological risk through early metabolic phenotype stratification.
- Portfolio Impact: Risk-adjusted prioritization and advancement decisions based on concordant glucose tolerance, lung function, and histological outcomes.
Implementation Considerations
- Required scientific expertise in surgical procedures including tracheal intubation, lung insufflation, and glucose administration.
- Instrumentation and analytical infrastructure needs such as glucometers, ventilators, pressure monitoring systems, and nebulizers for methacholine delivery.
- Cross-team standardization requirements for consistent animal fasting, injection dosing, and timing of metabolic and functional readouts.
- Adaptation considerations across model systems including healthy, genetically modified, and disease-induced obese mice.
- Practical limitations supported by source material: investigator training and stress-reduced environments are recommended for optimal data acquisition due to technical complexity of surgical steps.
