Tutaj prezentujemy protokół do budowy modelu wysięku opłucnowego u szczurów poprzez dotchawcze wkroplenie poliakrylanu/nanokrzemionki.
Artykuł metodologiczny
Tutaj prezentujemy protokół do budowy modelu wysięku opłucnowego u szczurów poprzez dotchawcze wkroplenie poliakrylanu/nanokrzemionki.
Wysięk opłucnowy jest powszechnym objawem klinicznym wielu chorób płuc. Posiadanie użytecznego zwierzęcego modelu wysięku opłucnowego jest bardzo ważne do badania tych chorób płuc. Poprzednie modele wysięku opłucnowego zwracały większą uwagę na czynniki biologiczne niż na nanocząstki w środowisku. W tym miejscu przedstawiamy model wytwarzania wysięku opłucnowego u szczurów poprzez dotchwiarskie wkraplanie poliakrylanu/nanokrzemionki oraz metodę izolacji nanocząstek w wysięku opłucnowym. Po dotchawczym wkropleniu poliakrylanu/nanokrzemionki o stężeniach 3,125, 6,25 i 12,5 mg/kg∙mL, wysięk opłucnowy u szczurów prezentowany w dniu 3 osiągnął szczyt w dniach 7-10 w grupach 6,25 i 12,5 mg / kg∙ml, a następnie powoli zmniejszał się i zniknął w dniu 14. Gdy stężenie poliakrylanu/nanokrzemionki wzrasta, wysięk opłucnowy jest wytwarzany szybciej i szybciej. Ten płyn opłucnowy został wykryty w badaniu ultrasonograficznym lub tomografii komputerowej klatki piersiowej i potwierdzony przez sekcję szczurów. Nanocząstki krzemionki obserwowano w wysięku opłucnowym szczurów za pomocą transmisyjnego mikroskopu elektronowego. Wyniki te wykazały, że narażenie na poliakrylan / nanokrzemionkę prowadzi do indukcji wysięku opłucnowego, co było zgodne z naszym poprzednim raportem u ludzi. Ponadto model ten jest korzystny dla dalszych badań nad nanotoksykologią i chorobami związanymi z wysiękiem opłucnowym.
Wysięk opłucnowy jest bardzo częstym objawem klinicznym chorób płuc o różnych przyczynach. Posiadanie użytecznego zwierzęcego modelu wysięku opłucnowego jest bardzo ważne do badania tych chorób płuc, roli dwóch warstw błony opłucnej, mechanizmów wysięku opłucnowego i jego leczenia. Jednak niektóre zgłoszone modele wysięku opłucnowego koncentrują się głównie na złośliwym wysięku opłucnowym lub czynnikach biologicznych, a nie na nanocząstkach w środowisku1,2. Tutaj wprowadzamy nowy model wysięku opłucnowego, który jest prosty, bezpieczny i skuteczny.
Wraz z rozwojem nanotechnologii i szerokim zastosowaniem nanoproduktów, istnieje obawa o potencjalne zagrożenia nanomateriałów dla środowiska i zdrowia ludzkiego3,4. Nanomateriały wprowadzają czynniki ryzyka i potencjalnie prowadzą do nowych zagrożeń w miejscu pracy lub poprzez zanieczyszczenie środowiska. Badania in vitro i in vivo pokazują, że nanomateriały mogą powodować wielonarządowe uszkodzenia płuc, serca, wątroby, nerek i układu nerwowego, a także układu rozrodczego i odpornościowegos5,6. Ponadto niektóre badania wykazały, że specyficzna toksyczność nanomateriałów wynika z ich unikalnych właściwości fizykochemicznych3,4,7.
Informowaliśmy, że grupa pracowników z zawodowym narażeniem na nanomateriały klinicznie wystąpiła u grupy pracowników z wysiękiem opłucnowym i osierdziowym, zwłóknieniem płuc i ziarniniakiem8,9. Nanocząstki krzemionki wyizolowano w wysięku opłucnowym tych pacjentów9. W celu odtworzenia i zweryfikowania wysięku opłucnowego wywołanego przez wdychane nanocząstki u ludzi, przeprowadziliśmy eksperyment, wkraplając poliakrylan / nanokrzemionkę (PA / NPSi) przez drogi oddechowe u szczurów, które naśladowały oddychanie człowieka w rzeczywistym środowisku i stwierdziliśmy, że dotchawicze wkroplenie PA / NPSi może powodować wysięk opłucnowy u szczurów. Tutaj przedstawiamy, jak wywołać wysięk opłucnowy u szczurów przez dotchawicze wkroplenie PA / NPSi i jak wyizolować nanocząstki w wysięku opłucnowym. Model ten może być przydatny do dalszych badań nad nanotoksykologią i chorobami wysięku opłucnowego.
Badanie było zgodne z wytycznymi Stołecznego Uniwersytetu Medycznego (Pekin, PR Chiny) dotyczącymi opieki i wykorzystania zwierząt doświadczalnych. Wszystkie procedury zostały zatwierdzone przez Komisję Etyki Zwierząt Stołecznego Uniwersytetu Medycznego w Chinach.
1. Przygotowania eksperymentalne
UWAGA: Zaaklimatyzuj samice szczurów Wistar wolne od patogenów (waga: 200 ± 10 g) do środowiska eksperymentalnego na tydzień przed podaniem (Warunki środowiskowe: jasne/ciemne:12h/12h, temperatura 22 ± 2 °C, wilgotność 50 ± 10%).
2. Badanie ultrasonograficzne w kierunku wysięku opłucnowego
3. Tomografia komputerowa klatki piersiowej w kierunku wysięku opłucnowego
4. Zbieranie wysięku opłucnowego i izolacja nanocząstek w wysięku opłucnowym
Za pomocą USG klatki piersiowej stwierdzono brak wysięku opłucnowego w 1. dniu we wszystkich grupach. Jednak w 3. dniu wysięk opłucnowy pojawił się w grupach 6,25 i 12,5 mg/kg∙mL. Wysięk występował głównie w prawym kącie przeponowo-żebrowym, podczas gdy wysięk osierdziowy wystąpił tylko w grupie 12,5 mg/kg∙mL. Ponadto w 7. dniu zarówno wysięk opłucnowy (Video 1), jak i wysięk osierdziowy (Video 2) zostały wykryte w grupie 6,25 mg/kg∙mL (Rycina 1). Wysięk opłucnowy powoli zwiększał się, osiągając największy stopień w dniach 7-10, a następnie stopniowo się zmniejszał. W 14. dniu nie stwierdzono już wysięku opłucnowego, jednak we wszystkich grupach wystąpiły oznaki zrostów opłucnowych.10
W 7. i 14. dniu nie stwierdzono oznak wysięku opłucnowego w grupach 3,125 oraz 6,25 mg/kg∙mL10. Jednak w grupie 12,5 mg/kg∙mL obraz tomografii komputerowej klatki piersiowej był nieprawidłowy, wykazując stępienie tylnego kąta przeponowo-żebrowego, co wskazywało na niewielką ilość wysięku opłucnowego (Rysunek 2a,b). Nie zaobserwowano oznak poziomu płynu, co wyjaśniono niewystarczającą ilością wody.
Podczas sekcji szczurów zaobserwowano bursztynowe lub bezbarwne wysięki w grupach 6,25 mg/kg∙mL oraz 12,5 mg/kg∙mL w 3. i 7. dniu. Objętość wysięku opłucnowego w grupach 6,25 mg/kg∙mL i 12,5 mg/kg∙mL wynosiła od 1-1,8 mL w każdej jamie opłucnowej. W grupie 3,125 mg/kg∙mL w jamach opłucnowych nie pojawił się płyn w całym procesie eksperymentalnym.
W badaniu TEM nanocząstki NPSi w odprowadzonej cieczy opłucnowej występowały pojedynczo oraz w formie skupisk. Średnica (Ø: 20 ± 5 nm) oraz morfologia w cieczy opłucnowej były zgodne z charakterystyką NPSi w przygotowanej zawiesinie. Nanocząstki były w przeważającej mierze sferyczne i dobrze rozproszone, a średnia wielkość pojedynczej nanocząstki wynosiła ~20 ± 5 nm (Rysunek 3a, b).

Rysunek 1: Reprezentatywne obrazy wysięku opłucnowego w badaniu sonograficznym w 7. dniu. (a, b) Obrazy sonograficzne szczura z grupy 3,125 mg/kg∙mL bez obecności płynu w jamie opłucnowej i osierdziowej. (c, d) Obrazy sonograficzne szczura z grupy 6,25 mg/kg∙mL z wyraźnym wysiękiem opłucnowym i wysiękiem w osierdziu. (e, f) Obrazy sonograficzne szczura z grupy 12,5 mg/kg∙mL z znacznie większą ilością płynu w jamach opłucnowej i osierdziowej. Kliknij tutaj, aby wyświetlić większą wersję tego rysunku.

Rycina 2. Reprezentatywne obrazy tomografii komputerowej klatki piersiowej u szczurów. Obraz TK szczura z grupy 3,125 mg/kg∙mL bez wysięku opłucnowego (a) oraz obraz TK szczura z grupy 12,5 mg/kg∙mL z negatywnym wynikiem w kierunku wolnego płynu, ale z tępym kątem przeponowo-żebrowym tylnym w jamie opłucnowej (b). Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tej ryciny.

Rysunek 3. Nanocząsteczki krzemionki w zawiesinie poliakrylan/nanokrzemionka oraz w wysięku opłucnowym szczura. (a) Nanocząsteczki krzemionki w nanokompozycie poliakrylan/krzemionka. (b) Nanocząsteczki krzemionki w wysięku opłucnowym szczura występujące w formie skupisk lub pojedynczych cząstek. Pasek skali: 200 nm. Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tego rysunku.

Wideo 1. Wysięk opłucnowy u szczura w grupie 6,25 mg/kg∙mL. Kliknij tutaj, aby obejrzeć to wideo. (Kliknij prawym przyciskiem myszy, aby pobrać.)

Wideo 2. Wysięk w osierdziu u szczura w grupie 6,25 mg/kg∙mL. Kliknij tutaj, aby obejrzeć to wideo. (Kliknij prawym przyciskiem myszy, aby pobrać.)
Ultrasonografia jest najwygodniejszym narzędziem do określania chorób płuc, ze względu na doskonałą wrażliwość na wolny płyn w jamie opłucnej11. Dzieje się tak, ponieważ ultrasonografia może natychmiast wykryć kontrast impedancji akustycznej powietrza i płynów w płucach12. Poza tym ultrasonografia jest bardziej elastyczna w modelu małego zwierzęcia niż tomografia komputerowa. Niemniej jednak powietrze w płucach odbijało falę dźwiękową i utrudniało obserwację zmian wewnątrzpłucnych po wkropleniu nanocząstek. Dlatego połączyliśmy tomografię komputerową klatki piersiowej i ultrasonografię płuc w celu zbadania zmian wewnątrzpłucnych i płynu opłucnowego.
Po przeanalizowaniu danych obrazowych stwierdziliśmy, że wyniki obrazowania są niezwykłe. Po pierwsze, nasz model wykazał, że PA / NPSi rzeczywiście indukował niezwykłą toksyczność, która objawiała się jako wysięk opłucnowy i osierdziowy na wczesnym etapie w modelu szczurzym. Po drugie, model ten z powodzeniem odtworzył występowanie i rozwój ludzkich wysięków polisurowych; Tymczasem procesy te obserwowano u naszych pacjentów, u których wystąpiła wysięk opłucnowy i osierdziowy, zwłóknienie płuc oraz ziarniniak 8,9. Tak więc fakty te sugerowały, że błona surowicza, taka jak błona opłucnowa lub błona osierdziowa, była jednym z celów uszkodzenia PA/NPSi, które miało podobny charakter do tego spowodowanego przez azbest. Również oś czasu wysięków polisuroczynych była znacząca, jak stwierdzono w naszych ustaleniach.
Jeśli chodzi o projekt naszego modelu, kluczowym krokiem było wkroplenie dotchawicze. Metoda ta zapewniła, że toksyczność nanocząstek dostała się do organizmu przez tchawicę, która różniła się od poprzedniego badania13. Jednak wady tej metody były następujące: PA / NPSi był wkraplany do obustronnego oskrzela przez cienką rurkę, co wymagało wysoce eksperymentalnych umiejętności, aby zapobiec mechanicznemu uszkodzeniu tchawicy i kaszlowi spowodowanemu jej podrażnieniem. Punktem krytycznym była więc odpowiednia głębokość wkraplania dotchawiczego. Tymczasem utrzymanie odpowiedniego znieczulenia miało kluczowe znaczenie dla wykonania wyżej wymienionego kroku.
Wykorzystanie nanocząstek, drobnych cząstek do celów badawczych, cieszy się coraz większym zainteresowaniem. Im mniejsza średnica drobnych cząstek, tym trudniej jest je chronić. Z drugiej strony, nanokrzemionka o średnicy 20 ± 5 nm rzeczywiście wymagała zaawansowanej technologicznie metody przygotowania, aby przygotować się do tego badania, co spowodowało wzrost trudności ze spadkiem średnicy. Tak więc jedną z zalet naszej techniki była średnica nanokrzemionki, która była mniejsza niż w poprzednim badaniu13,14. Kolejną zaletą tego badania było to, że indukowaliśmy nanocząstkę przez tchawicę, a nie przez skórę lub krążenie 13,15,16. Na przykład ekspozycja dożylna utrudniała nam badanie narządu docelowego, który był trudny do odróżnienia uszkodzenia narządu docelowego wywołanego przez pierwotne lub wtórne uszkodzenie. W związku z tym, naszym zdaniem, wkroplenie dotchawicze będzie najlepszym sposobem zbadania toksyczności nanocząstek w płucach w nadchodzącej przyszłości. Poza tym dawka nanocząstek była niższa niż w poprzednim badaniu13, które wykazało wyższy stosunek opłacalności.
Jeśli chodzi o wysięk opłucnowy i osierdziowy wywołany przez PA/NPSi, przyczyną tego byłaby reakcja zapalna i produkcja reaktywnego systemu tlenowego (ROS). Wyjaśniliśmy to w następujący sposób: po pierwsze, nanokrzemionka zwiększała stężenie ROS, indukowała produkcję zapalną, powodowała depolaryzację mitochondriów i obniżała poziom glutationu zarówno in vivo, jak i in vitro 5,6. Po drugie, stan zapalny i produkcja ROS zwiększyły płyn śródmiąższowy w płucach lub przepuszczalność naczyń włosowatych opłucnej, co sprzyjało tworzeniu się wysięku opłucnowego na końcu. Poza tym potencjalne upośledzenie drenażu limfatycznego opłucnej może być również zaangażowane w gromadzenie się płynu opłucnowego. Wraz z większym nagromadzeniem płynu opłucnowego wzrosło ciśnienie onkotyczne, co ostatecznie indukowało odkładanie się PA/NPSi w jamach opłucnowych. Wynik ten był zgodny z naszymi wcześniejszymi eksperymentami na zwierzętach i zgłosił pacjentów 8,10.
Jeśli chodzi o sam wysięk opłucnowy, był on powszechny w klinice. Niemniej jednak wiele chorób układu oddechowego lub ogólnoustrojowego może powodować wysięk opłucnowy. W związku z tym skonstruowanie modelu zwierzęcego przyniosłoby korzyści w badaniu etiologicznym wysięku opłucnowego. Poprzednie badanie wykazało toksyczność nanokrzemionki13,17 dla płuc. Jednak poprzednio opisywane modele wysięku opłucnowego koncentrowały się głównie na czynnikach biologicznych, a nie na nanocząstkach18,19. W związku z tym dawkowanie nanocząstek pozostawało kwestią otwartą. Nasz model wykazał, że wysięk opłucnowy wystąpił w 3 dniu po podaniu stężenia PA / NPSi 6,25 mg / kg∙ml przez wkraplanie dotchawicze i osiągnął szczyt w dniach 7-10. Ponadto, wraz ze wzrostem stężenia PA/NPSi, wysięk opłucnowy wytwarzał się więcej i szybciej. Co więcej, w porównaniu z modelami biologicznymi18,19, nasz model wysięku opłucnowego był dobrze kontrolowany i skuteczny. Podsumowując, nasz model byłby korzystny dla przyszłych badań nad chorobami związanymi z wysiękiem opłucnowym, a w szczególności dla dalszych badań nad nanotoksycznością.
Autorzy nie mają nic do ujawnienia.
Obecne badania i produkcja tego artykułu zostały sfinansowane przez Narodową Fundację Nauk Przyrodniczych Chin (Grant 81773373, 81172614 i Grant 81441089). Dziękujemy Dr. Jin Yan i Dr. Pan Yujie, z Oddziału Ratunkowego Szpitala Beijing Chaoyang oraz Dr. Qu Peng z Oddziału Medycyny Ultrasonograficznej Szpitala Beijing Chaoyang za pomoc w produkcji filmu.
| Nazwa | Firma | Numer katalogowy | Komentarze |
|---|---|---|---|
| System ultrasonograficzny Acuson S2000 z kolorowym dopplerem | Siemens Medical Solutions, Mountain View, CA& | ||
| nbsp; Poliakrylan / nanokrzemionka | Fudan University, Szanghaj, Chiny | wykonane na zamówienie z nanokrzemionki (20± 5) nm | |
| 10% hydrat chloralu | Beijing Chemical Works | 302-17-0 | |
| Prędkość światła 16 spiralna tomografia komputerowa | GE Healthcare, USA | ||
| Specyficzne wolne od patogenów | Centrum Zwierząt Wistar w Lianhelihua (Pekin, Chiny) | Szczury Wistar |