Abstract
Мышь теперь основной животных используются для моделирования различных легочных заболеваний. Для изучения механизмов, лежащих в основе таких патологий, фенотипические методы необходимы, которые могут количественно патологические изменения. Кроме того, чтобы обеспечить поступательное отношение к модели мыши, такие измерения должны быть тесты, которые можно легко сделать у людей и мышей. К сожалению, в данном литературе несколько фенотипических измерения легочной функции имеют непосредственное применение в организме человека. Одним из исключений является диффузионная емкость для монооксида углерода, который является измерение, которое обычно делается в организме человека. В настоящем докладе мы описываем средства, чтобы быстро и просто измерить этот диффузионной способности у мышей. Процедура включает в себя краткое легких с инфляцией измеряемых газов в наркозом мыши, а затем на время газового анализа 1 мин. Мы протестировали способность этого метода обнаруживать несколько патологий легких, включая эмфизему, фиброз, острого повреждения легких и гриппа игрибковые инфекции легких, а также мониторинг развития легких у молодых щенков. Результаты показывают, значительное снижение всех патологий легких, а также увеличение пропускной способности рассеивающего с легких созревания. Это измерение диффузионной способности легких, таким образом, обеспечивает испытание функции легких, который имеет широкое применение с его способностью обнаруживать структурные изменения фенотипических с большинством существующих патологических моделей легких.
Introduction
Мышь теперь основной животных используются для моделирования различных легочных заболеваний. Для изучения механизмов, которые underly такие патологии, фенотипические методы необходимы, которые могут количественно это патологические изменения. Хотя есть много исследований на мышах, где механики вентиляции оцениваются эти измерения, как правило, не связаны со стандартными оценками легочной функции обычно делается в организме человека. Это печально, так как способность выполнять эквивалентные измерения в мышей и человека в качестве субъекта может способствовать перевод результатов в мышиных моделях человеческой болезни.
Одним из наиболее распространенных и легко из измерений в человеческих субъектов является диффузионная емкость для монооксида углерода (DLCO) 1,2, но это измерение очень редко было сделано на мышах. В тех исследованиях, где было сообщено, 3-7, там не было никаких последующие исследования, в частности, потому, что процедуры часто громоздки или может REquire сложного оборудования. Другой подход заключается в использовании метода CO передыханию в стационарном системы, которая имеет преимущество, которое позволяет измерять CO диффузии в сознании мышей. Однако этот метод является очень громоздким, и результаты могут меняться в зависимости от уровня вентиляции мыши, а также O 2 и CO 2 концентрации 8,9. Эти трудности, кажется, исключает рутинное использование диффузионной способности обнаруживать патологии легких у мышей, несмотря на его несколько преимуществ.
Чтобы обойти проблемы с измерением диффузионной способности у мышей, детали простого способа измерить его у мышей были недавно сообщил 10. Процедура устраняет трудную проблему отбора незагрязненных альвеолярного газа, быстро выборки объем, равный всего вдохновенного газа. Эта процедура приводит к очень воспроизводимого измерения, называемая фактор диффузии для окиси углерода (DFCO), который чувствителен к целому ряду годовыхthologic изменения в фенотипе легких. DFCO, таким образом, рассчитывается как 1 - (CO 9 / CO C) / (Ne 9 / Ne С), где С и 9 индексы относятся к концентрации калибровочных газов Литьевая и газов, удаленных после 9 сек времени задержку дыхания, соответственно. DFCO безразмерная переменная, которая изменяется между 0 и 1, где 1 отражает полное поглощение всего CO и 0 не отражающие поглощение CO.
В этой презентации мы покажем, как сделать это измерение мощности распространении, и как он может быть использован для документирования изменений в почти всех существующих моделях болезни Мышь легких, в том числе эмфиземы, фиброза, острого повреждения легких, вирусные и грибковые инфекции.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
ПРИМЕЧАНИЕ: Все протоколы животных были одобрены Комитетом Университета Джонса Хопкинса уходу и использованию животных мимо.
1. Подготовка животных
- Подготовка мышей 6 C57BL / 6 управления для измерения DFCO, посредством анестезии кетамином их и ксилазина, как описано в стадии 2.3 ниже.
- Подготовьте все другие мышей с различных патологий легких, показанных в таблице 1, с использованием той же процедуры, что и для контрольной группы. Конкретные детали, необходимые для установления каждой из этих моделей можно найти в соответствующих справочниках. Контрольные мыши и тех, и в других патологических когорт все 6-12-недельного возраста.
2. Измерение диффузионной фактором для угарного газа (DFCO)
- Настройка модуля газового хроматографа в комплект поставки машины для измерения пики азота, кислорода, неона и моноксида углерода. Для этого используют приложение только неоновые и CO данные.
ПРИМЕЧАНИЕ: Этот прибор использует молекулярные Sieve колонка с гелием в качестве газа-носителя, с 12.00 мкм пленки, 320,00 мкм ID и 10 м длиной. В столбце хроматограф имеет объем 0,8 мл, а мы использовали 2 мл, чтобы обеспечить адекватную очистку соединительной трубки с образцом. - В начале каждой экспериментальной день, до проведения измерений образцов у мышей, принимают образец 2 мл непосредственно из газовой смеси мешка, содержащего приблизительно 0,5% Ne, 0,5% CO, и баланс воздуха, и использовать этот образец для калибровки газовый хроматограф.
- Обезболить мышей с кетамином (90 мг / кг) и ксилазина (15 мг / кг), и подтвердить анестезии отсутствием рефлекторной движения. Применить ветеринарной мазь для глаз, чтобы предотвратить сухость. Tracheostomize мышей с заглушкой канюли иглы (18 G у взрослых или 20 G в очень молодых мышей).
ПРИМЕЧАНИЕ: DFCO завершены менее чем за 10 минут после анестезии, и перед каждой искусственной вентиляции легких или других процедур. - У мышей больше, чем 6 недель возраста, используют 3 мл шприц тO вывести 0,8 мл газа из газовой смеси мешка. Соедините шприц с трахеи канюли и быстро надуть легких. Использование метронома, рассчитывать 9 сек, а затем быстро вывести 0,8 мл (выдыхаемый воздух).
- Развести этот изъятые 0,8 мл выдыхаемого воздуха до 2 мл с комнатным воздухом, дайте ему отдохнуть в течение по крайней мере 15 сек. Затем вводят весь образец в газовый хроматограф для анализа.
- При анализе этого первый образец DFCO, раздувать легкие мыши со вторым 0,8 мл из газовой смеси мешок, а затем обработать этот образец, идентичный первого образца. Нормальное два измерения DFCO.
ПРИМЕЧАНИЕ: Для измерений в мышей, молодых, как 2-недельного возраста, используйте объем 0,4 мл, с 0,8 мл слишком большой объем для выполнения измерений в легких очень молодых мышей. Лучше использовать объем 0,8 мл для мышей в возрасте старше 6 недель, и что, если объем 0,4 мл необходим для некоторых мышей, он должен быть использован последовательно для всех мышей в группе изучается. - Рассчитать DFCOкак 1 - (CO 9 / CO C) / (Ne 9 / Ne С), где С и 9 индексы относятся к концентрации калибровочных газов Литьевая и газов, удаленных после 9 сек времени задержку дыхания, соответственно.
- Анализ и сравнения различий с односторонним ANOVA и оценить уровень значимости с коррекцией Тьюки для множественных сравнений во всех групповых мышей. Рассмотрим р <0,05, как значительную ценность.
ПРИМЕЧАНИЕ: Все мыши, используемые здесь, являются частью экспериментальных исследований с участием нескольких последующих измерений вентиляции легких, механики, легких промывания или гистологии, которые здесь не приводятся. Кроме того, поскольку этот метод является одинаковым во всех экспериментальных моделях, как это было сделано выше в контрольных мышей, только результаты из различных патологических моделей представлены. Дополнительную информацию об этих моделей представлена в дополнительном таблице. - Усыпить животных от глубокой anestheкрестики передозировки с последующим смещением шейных позвонков или обезглавливание. В случае необходимости, удалите клетки легких и / или тканей от мертвых мышей для дальнейшего биологических или гистологического обработки и анализа.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
На рисунке 1 показаны измерения DFCO от взрослых мышей в группах А, В, С, D, E и F. Были значительное снижение с обеих инфекций Aspergillus и гриппа, а также значительное снижение фиброзной, эмфизематозных и острый Модели повреждения легких. Рисунок 2 показывает изменения группы G развития в DFCO течением времени, как мышей в возрасте от 2-6 недель. Был небольшое, но достоверное увеличение с развития легких за это время, конечно. Эффект от использования меньший объем инфляции был также довольно очевидно, на 6 неделе момент времени. Был тенденция для самки имеют несколько более высокую DFCO, но это было значительным только в 5 недель момент времени.
| Группа | Патология или состояние | Комментарии |
| C57BL / 6 управления (8-10 недель), N = 6 | Здоровые мыши </ TD> | |
| В | C57BL / 6 мышей, получавших 25 TCID50 вируса гриппа А (PR8) интраназально, N = 10 | Грипп модель, учился 6 и 8 дней после заражения |
| C | C57BL / 6 мышей, получавших 5,4 U панкреатической эластазы внутритрахеально, N = 6 | Эмфизема модель 10,13 учился 21 дней после эластазы вызов |
| D | C57BL / 6 мышей, получавших 0,05 U блеомицин внутритрахеально, N = 6 | Фиброз модель 14 учился 14 дней после блеомицин вызов |
| Е | CFTR нулевые управления и лиц, инфицированных аэрозолей при вдыхании Аспергилл дымящийся (штамм AF293), N = 6 | Грибковые инфекции модель 11,17 учился 12 дней после грибковой инфекции |
| F | C57BL / 6 мышей, получавших 3 мкг / г BW ЛПС (кишечной палочки) внутритрахеально, N = 6 | Острой легочной травмы (ALI) модель 15 училсяна после инсульта LPS и 4 дней 1 |
| G | C57BL / 6 мышей-самцов в 2-х до 6-недельного возраста, п = 5 для каждого возраста | Модель развития легких |
Таблица 1: Перечень различных мышиных моделях, где DFCO измерялась.
Рисунок 1:. Измерение DFCO в управления C57BL / 6 мышей (группа А) и в каждой из 5 различных патологических моделей Показаны результаты 6 и 8 дней после гриппа PR8 (Группа B), 21 дней после интратрахеального эластазы (Группа С), через 14 дней после интратрахеального блеомицин (группа D), через 12 дней после инфекции Aspergillus в CFTR нулевых мышей (группа Е), и один, и 4 суток после инстилляции ЛПС (группа F). * Указывает р <0,01 по сравнению с контролем, # указывает P <0,01 между 6 и8 мышей день грипп и 1 и 4 день LPS мыши, и + указывает р <0,05 по сравнению с контролем.
Рисунок 2: Измерение DFCO в мужской C57BL / 6 мышей с 2 по 6-недельного возраста (группа G) Измерения проводились у всех мышей с объемом инфляции 0,4 мл, а в 6-недельных мышей Второе измерение проводилось. сделаны с 0,8 мл. При объеме 0,4 мл, произошло значительное увеличение в DFCO между 2-недельного мужчин и тех, на 4, 5 и 6 недель (р <0,05).
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
В настоящей работе мы определили новую метрику для количественной оценки газового обмена способность легких мышей. Этот показатель аналогичен диффузионной способности, общей клинической оценки, который измеряет основную функцию легких, то есть его способности газообмена. Диффузионная емкость является единственным функциональным легких измерений, которые могут быть легко и быстро сделать в обоих мыши и человека. Для выявления заболевания легких у мышей, важной задачей является количественной оценки изменений в функции легких между контрольной и экспериментальной когорт. Для достижения этой цели, мы определили и использовали DFCO продемонстрировать свою способность quanitfying фенотипические изменения в большинстве из наиболее распространенных моделей заболеваний легких у мышей, в том числе функциональных изменений с развитием легких.
Один предположение, присущие подходу, что упрощает измерение DFCO у мышей является то, что эффект от несмешанного вдыхаемого газа в анатомической и оборудования мертвого пространства является IGNORed. Тем не менее, как описано выше, 10, использование объема инфляции 0,8 мл вводит небольшое, но последовательное ошибку во всех измерений. Величина этой ошибки является функцией относительных размеров инфляции и мертвых объемов пространства. В настоящем подходе, эта ошибка будет сведена к минимуму за счет устранения мертвого пространства в кранами или Т-соединителей, как показано на видео, просто использует пальца, чтобы запечатать шприц и облегчения передачи газа. Эта процедура приводит к высокой воспроизводимости между измерениями. Эффект меньшего объема, необходимого инфляции в молодых мышей становится ясным в 6-недельных мышей, показанных на фиг.2, где начальное 0,4 мл тест немедленно следуют с тестом 0,8 мл в каждой мыши. С 0,8 мл значение DFCO в был в диапазоне для C57BL / 6 мышей в других группах, но измерение с 0,4 мл последовательно меньше. Это прямое проявление в том, что с меньшим объемом, recovered 9 сек образец имеет большую долю Dead Space воздуха, который как раз и состоит концентраций Газ-контроль. Этот факт проявляется в виде меньшего относительного изменения концентрации СО, который приближает его изменение концентрации Ne. С увеличением соотношении CO / Ne, рассчитанное DFCO (1 - это отношение), таким образом, меньше.
Во многих моделях легких патологии, показанных на рисунке 1, там было значительное снижение наблюдается в DFCO. Тем не менее, существует несколько различных причин, по которым DFCO уменьшается в этих различных моделей. В фиброза, вызванного однократной дозы блеомицина, возникает воспаление и утолщение диффузионного барьера, что приводит к уменьшению диффузионной способности 16. В эмфиземы, есть потеря площади поверхности действует непосредственно уменьшают как площадь поверхности для диффузии и объема крови в капиллярах, что было в разрушенных стен. Нет доза-реакция отношения с elastasе представлены здесь, но неопубликованные данные показывает хорошую корреляцию DFCO с уровнем эмфизематозного повреждений. С гриппозной инфекции, есть снижается диффузионной способности может в результате обоих утолщением диффузионного барьера и повышению консолидированной невентилируемые областей легких. В модели гриппа PR8 используемой здесь, это ухудшает течение долгого времени (как это отражено в дальнейшем значительному снижению DFCO на 8-й день), а мышей обычно умирают около 10-й день В нулевых мышей CFTR, было меньше DFCO исходно , но эти мыши сделаны на смешанной генетического фона 17, так что может быть структурные различия с контрольной C57BL6. Тем не менее, инфекция Aspergillus вызвало более существенное значительное снижение DFCO, и причины этого снижения с грибковой инфекцией, будет похож на те, с гриппом. Результаты LPS при остром воспалении, что вызывает значительно снизилась DFCO, вероятно из отечной утолщение диffusion барьер и невентилируемые участки легких, заполненные жидкостью. С дозы LPS, используемого, уменьшение DFCO наибольшая в день 4 или 5, а затем восстанавливает обратно в контроле на 10 день (данные не показаны).
Для анализа изменений в DFCO с развитием легких у молодых мышей, объем 0,4 мл инфляция явно разрешено воспроизводимые измерения, и был в состоянии показать медленное увеличение диффузионной способности в качестве легкого достигли взрослого зрелости (рис 2). Эффект с использованием меньшего объема 0,4 мл инфляция в уменьшении вычисленное DFCO также то, что ожидалось, но чем больше объем 0,8 мл, не могут быть использованы в небольших мышей. Но изменения с развитием или патологии должны все еще быть воспроизводимо обнаружить даже с объемом 0,4 мл.
В заключение, этот ролик и сопровождение рукопись показывает, как получить функциональную измерение у мышей, который похож на то, что может быть измерено в организме человека. Метрика отражает Аность легкого обмена газа с различными легких структурных изменений, вызванных наиболее часто исследуемых патологий. Этот фактор диффузии для окиси углерода (DFCO) хорошо воспроизводим, и достаточно чувствительным, чтобы обнаружить функциональные и структурные изменения с наиболее экспериментально индуцированных патологий у молодых или старых мышей. Дело в том, что она имеет прямую аналогию с подобными измерениями, произведенными на людях, чтобы оценить болезни легких, делает его простой способ получить весьма актуальной метрику phenytype мыши патологии легких.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
Нет конфликта интересов, и ничего не раскрывать.
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| Gas Chromatograph | Inficon | Micro GC Model 3000A | Agilent makes a comparable model |
| 18 G Luer stub needle | Becton Dickenson | Several other possible vendors | |
| 3 ml plastic syringe | Becton Dickenson | Several other possible vendors | |
| Polypropylene gas sample bags | SKC | 1 or 2 L capacity works well | Other gas tight bags will work well |
| Gas tank, 0.3% Ne, 0.3% CO, balance air; (size ME) | Airgas, Inc | Z04 NI785ME3012 | This is the standard mixture used for DLCO in humans |
| 25 TCID50/mouse of influenza virus A/PR8 diluted in phosphate buffered saline. | |||
| Porcine pancreatic elastase | Elastin Products, Owensville, MO | 5.4 U | |
| Bleomycin | APP Pharmaceuticals, Schaumburg, IL | 0.25 U | |
| Escherichia coli LPS | Sigma L2880 | 3 μg/g body weight; O55:B5 | |
| Aspergillus fumigatus (isolate Af293) conidia were collected from mature colonies grown on potato dextrose agar. |
References
- Ogilvie, C. M., Forster, R. E., Blakemore, W. S., Morton, J. W. A standardized breath holding technique for the clinical measurement of the diffusing capacity of the lung for carbon monoxide. J Clin Invest. 36 (1 Pt 1), 1-17 (1957).
- Miller, A., Warshaw, R., Nezamis, J. Diffusing capacity and forced vital capacity in 5,003 asbestos-exposed workers: Relationships to interstitial fibrosis (ILO profusion score) and pleural thickening. Am J Ind Med. 56 (12), 1383-1393 (2013).
- Enelow, R. I., et al. Structural and functional consequences of alveolar cell recognition by CD8(+) T lymphocytes in experimental lung disease. J Clin Invest. 102 (9), 1653-1661 (1998).
- Hartsfield, C. L., Lipke, D., Lai, Y. L., Cohen, D. A., Gillespie, M. N. Pulmonary mechanical and immunologic dysfunction in a murine model of AIDS. Am J Physiol. 272 (4 Pt 1), 699-706 (1997).
- Wegner, C. D., et al. Intercellular adhesion molecule-1 contributes to pulmonary oxygen toxicity in mice: role of leukocytes revised. Lung. 170 (5), 267-279 (1992).
- Reinhard, C., et al.
- Sabo, J. P., Kimmel, E. C., Diamond, L. Effects of the Clara cell toxin, 4-ipomeanol, on pulmonary function in rats. J Appl Physiol. 54 (2), 337-344 (1983).
- Depledge, M. H. Respiration and lung function in the mouse, Mus musculus (with a note on mass exponents and respiratory variables). Respir Physiol. 60 (1), 83-94 (1985).
- Depledge, M. H., Collis, C. H., Barrett, A. A technique for measuring carbon monoxide uptake in mice. Int J Radiat Oncol Biol Phys. 7 (4), 485-489 (1981).
- Fallica, J., Das, S., Horton, M. R., Mitzner, W. Application of Carbon Monoxide Diffusing Capacity in the Mouse Lung. J Appl Physiol. 110 (5), 1455-1459 (2011).
- Chaudhary, N., Datta, K., Askin, F. B., Staab, J. F., Marr, K. A. Cystic fibrosis transmembrane conductance regulator regulates epithelial cell response to Aspergillus and resultant pulmonary inflammation. Am J Respir Crit Care Med. 185 (3), 301-310 (2012).
- Foster, W. M., Walters, D. M., Longphre, M., Macri, K., Miller, L. M. Methodology for the measurement of mucociliary function in the mouse by scintigraphy. J Appl Physiol. 90 (3), 1111-1117 (2001).
- Yildirim, A. O., et al. Palifermin induces alveolar maintenance programs in emphysematous mice. Am J Respir Crit Care Med. 181 (7), 705-717 (2010).
- Collins, S. L., Chan-Li, Y., Hallowell, R. W., Powell, J. D., Horton, M. R. Pulmonary vaccination as a novel treatment for lung fibrosis. PLoS One. 7 (2), e31299 (2012).
- Alessio, F. R., et al. CD4+CD25+Foxp3+ Tregs resolve experimental lung injury in mice and are present in humans with acute lung injury. J Clin Invest. 119 (10), 2898-2913 (2009).
- Martinez, F. J., et al. The clinical course of patients with idiopathic pulmonary fibrosis. Ann Intern Med. 142 (12 Pt 1), 963-967 (2005).
- Zhou, L., et al. Correction of lethal intestinal defect in a mouse model of cystic fibrosis by human CFTR. Science. 266 (5191), 1705-1708 (1994).
