Summary
Dit protocol presenteert de constructie en het gebruik van een vereenvoudigd plethysmografie-apparaat voor het hele lichaam om de progressie van bacteriële respiratoire aandoeningen niet-invasief te volgen.
Abstract
Surrogaatdiermodellen van ziekten zijn onderworpen aan de 3V's van Verantwoord Onderzoek. Er is een frequente herziening van verfijningen van diermodellen om ervoor te zorgen dat zowel dierenwelzijn als wetenschappelijke inzichten vooruitgang boeken met de beschikbaarheid van nieuwe technologieën. Dit artikel demonstreert het gebruik van Simplified Whole Body Plethysmography (sWBP) om respiratoire insufficiëntie niet-invasief te bestuderen in een model van letale respiratoire melioidose. sWBP heeft de gevoeligheid om ademhaling bij muizen gedurende het hele verloop van de ziekte te detecteren, waardoor de moribel-geassocieerde symptomen (bradypneu en hypopneu) kunnen worden gemeten en mogelijk kunnen worden gebruikt om humane eindpuntcriteria te ontwikkelen.
Enkele van de voordelen van sWBP in de context van ademhalingsaandoeningen zijn dat ademmonitoring van de gastheer het dichtst in de buurt komt van elke fysiologische meting bij het beoordelen van disfunctie van het primaire geïnfecteerde weefsel, namelijk de long. Naast biologische betekenis is het gebruik van sWBP snel en niet-invasief, waardoor stress bij proefdieren wordt geminimaliseerd. Dit werk demonstreert het gebruik van interne sWBP-apparatuur om ziekten te monitoren gedurende het verloop van respiratoire insufficiëntie in het muizenmodel van respiratoire melioidose.
Introduction
Respiratoire bacteriële pathogenen worden vaak geassocieerd met een ontstekingsreactie in de longen die leidt tot longpathologie 1,2. In de klinische setting omvat de diagnose van pneumonie meestal kweektechnieken van sputum, bloed-zuurstofverzadigingsanalyse en röntgenfoto's van de borst. Deze technieken kunnen worden vertaald voor infectiemodellen bij kleine dieren, maar alleen zuurstofverzadigingsanalyse vertegenwoordigt een snelle, realtime analyse bij muizen voor de ernst van de ziekte. De bloedzuurstofverzadiging (SpO2) werd eerder onderzocht als een methode om de progressie van de ziekte te volgen in studies naar luchtwegaandoeningen; zieltogende muizen hebben echter onverwacht hoge SpO2-waarden, zowel in een Pseudomonas aeruginosa-model 3, die niet de voorspellende of zieltogende ziekte zijn, waarschijnlijk omdat muizen hun fysiologische activiteit kunnen moduleren. Hiertoe werden tot nu toe geen diagnostische niveaus van SpO2 gevonden voor bacteriële respiratoire aandoeningen bij muizen.
Daarom onderzocht dit werk het gebruik van andere klinisch relevante methoden om de effecten van longziekte op de longfunctie te detecteren als een snelle fysiologische meting. Simplified Whole Body Plethysmography (sWBP) biedt de mogelijkheid om ademfrequentie en diepte te onderzoeken als een snelle, niet-invasieve biometrische analyse. Eerdere studies hebben aangetoond hoe WBP-apparatuur in een laboratorium kan worden geassembleerd4; verschillende van de componenten die in dergelijke studies zijn aangetoond, zijn momenteel echter niet in de handel verkrijgbaar. Verder vereist traditionele WBP complexe gegevensverzameling en gegevensverwerking op basis van vochtigheid en temperatuur 5,6. Daarom werd besloten om een vereenvoudigd WBP-apparaat te ontwikkelen dat dagelijks wordt gekalibreerd op kamertemperatuur / vochtigheid en te beoordelen of de temperatuur / vochtigheidsbijdrage van de proefpersoon zelf al dan niet enig effect heeft op het gemeten ademvolume. Zo is er een aangepast sWBP-apparaat gemaakt dat de momenteel beschikbare materialen inkoopt. Verder is onderzocht of dit in het laboratorium afkomstige apparaat veranderingen in de ademhaling kan detecteren die verband houden met ziekteprogressie tijdens het model van dodelijke respiratoire melioidose bij muizen.
Het sWBP-apparaat dat voor dit werk werd gebouwd, gebruikte in de handel verkrijgbare apparatuur en software om analoge druksensorgegevens te verwerken tot een digitale uitlezing. De druksensor werd gemonteerd op een luchtdichte glazen pot met schotconnectoren. Het voordeel van een glazen pot is de structurele stijfheid van het materiaal, dat bestand is tegen veranderingen in de interne druk van de pot, waardoor de metingen van volumeveranderingen tijdens de bewaking van de ademhaling worden beïnvloed. De bemonsteringskamer is ontworpen om twee poorten op de twee vlakke oppervlakken van de vierkante pot te hebben, één om toegang te krijgen tot de kamer via een Luer-connector voor kalibratie en de andere om de druksensor te huisvesten. De geselecteerde druksensor heeft een zeer gevoelige manometerdrukomvormer met een bereik voor kleine drukveranderingen (bereik van 25 mbar).
Dit protocol wordt gedemonstreerd met behulp van een muizenmodel van respiratoire melioïdose. Burkholderia pseudomallei (Bp) is het bacteriële agens van melioidosis - een ziekte geassocieerd met tropische gebieden van de wereld7. Bp wordt aangetroffen in het milieu, met name in natte omgevingen van stilstaand water en vochtige grond, waaruit het meestal onderhuidse infecties van snijwonden / krassen van vatbare gastheren veroorzaakt. Bp is echter ook besmettelijk bij inademing en is een potentiële bedreiging voor gebruik bij bioterrorisme door aerosolverspreiding. Terwijl volledig virulente Bp moet worden behandeld in een BSL-3-laboratorium, is eerder een acapsulaire mutante stam ontworpen, die veilig kan worden behandeld bij BSL-2 en uitgesloten van de select agent-criteria8. Verder is een intubatie-gemedieerd intratracheaal (IMIT) infectiemodel van respiratoire melioïdose ontwikkeld om de progressie van respiratoire aandoeningen van Bp 5,9 te bestuderen. We hebben dit infectiemodel gebruikt om de verandering in ademhaling te karakteriseren die optreedt tijdens ziekteprogressie door het zieltogende eindpunt.
Protocol
De hier beschreven procedures werden beoordeeld en goedgekeurd door de University of Louisville Institutional Biosafety Committee (protocol # 14-038) en Institutional Animal Care and Use Committee (protocol # 19567).
1. Montage van de bemonsteringskamer
- Maak twee gaten met behulp van een 3/4 "diamantboor op een boorpers op de vlakke oppervlakken van een 600 ml vierkante glazen brede mond Mason inmaakpot met 95 mm pakking en luchtdichte deksels, met bail en trigger clamp deksels (figuur 1).
OPMERKING: Een bemonsteringskamer is niet in de handel verkrijgbaar en moet worden gebouwd. - Monteer een messing schot (1/4" NPT interne schroefdraad, 3/4-16 UNF buitendraad) door beide gaten in de Mason jar met behulp van rubberen ringen (3/4" binnendiameter, 1" buitendiameter) op beide vlakken van contact tussen het schot en glas om een luchtdichte afdichting te garanderen.
- Gebruik één schotassemblage voor een druksensor terwijl u het andere schot bevestigt met een met Luer verbonden spuit voor kalibratiedoeleinden.
- Voor de druksensor wikkelt u de 1/4" NPT-draden van een hoogwaardige drukomvormer met teflontape en rijgt u ze in het schot. Gebruik een soldeerbout om de bedrading van de druksensor aan te sluiten op een 8-pins mannelijke DIN-connector, met behulp van de bedradingsinstructies van de fabrikant voor de interface met een in de handel verkrijgbaar hoogwaardig gegevensverzamelingsapparaat (zie Materiaaltabel).
OPMERKING: Dit vereist het gebruik van een 150 K ohm 1/8 watt 1% metalen filmweerstand in de DIN-connectorbedrading. - Gebruik voor de kalibratiepoort een 1/4" mannelijke NPT tot 1/8" vrouwelijke NPT-adapter om een 1/8" mannelijke NPT aan te sluiten op een vrouwelijke Luer lock vernikkelde connector op het messing schot dat schroefdraadverbindingen met teflontape omwikkelt. Gebruik een polypropyleen male Luer-dop met schroefdraad om de Luer-connector af te dichten wanneer deze niet in gebruik is.
OPMERKING: Zet de schotconnectoren niet te strak op de glazen pot, omdat dit scheuren zal ontwikkelen. Indien gewenst kan siliconen aan de rubberen pakkingen worden toegevoegd om een luchtdichte afdichting van de schotten naar de glazen pot te garanderen.
- Voor de druksensor wikkelt u de 1/4" NPT-draden van een hoogwaardige drukomvormer met teflontape en rijgt u ze in het schot. Gebruik een soldeerbout om de bedrading van de druksensor aan te sluiten op een 8-pins mannelijke DIN-connector, met behulp van de bedradingsinstructies van de fabrikant voor de interface met een in de handel verkrijgbaar hoogwaardig gegevensverzamelingsapparaat (zie Materiaaltabel).
2. Systeeminstellingen
- Sluit de bemonsteringskamer aan op een brugversterker met behulp van een 8-pins DIN-connector en de brugversterker op het data-acquisitieapparaat, volgens de instructies van de fabrikant.
- Sluit het data-acquisitieapparaat aan op een voeding en een computer met fysiologische data-analysesoftware met behulp van de kabels van de fabrikant.
OPMERKING: Zorg ervoor dat het data-acquisitieapparaat is ingeschakeld en gedurende ten minste 5 minuten voor gebruik is opgewarmd om ervoor te zorgen dat de sensor zijn metingen stabiliseert. - Start de software om te communiceren met het data-acquisitiesysteem.
- Download de optionele Spirometriemodule in de software en wijzig de standaardinstellingen van de eenheid van L/s naar μL/s in het venster Spirometrie > Instellingen .
3. Systeemkalibratie
- Maak binnen de software een 4-kanaals venster met de volgende gegevensvensters: Kanaal 1: Brongegevens met een samplefrequentie van 4 k/s en een bereik van 1 mV ; Kanaal 2: Digitaal filter van kanaal 1 met behulp van een high pass 1 Hz automatisch aanpassingsfilter ; Kanaal 3: Afvlakking van kanaal 2-gegevens door gemiddeld 100 monsters; Kanaal 4: Spirometriestroom van kanaal 3-gegevens (aangepaste stroomkop, gekalibreerd volgens formule (μL /s) = 120.000 x spanning).
OPMERKING: 120.000 is een tijdelijke aanduidingscorrelatiecoëfficiënt die tijdens de kalibratie wordt gewijzigd. - DataPad-analyse van kanaal 4 instellen met de volgende kolommen: Kolom 1: Kanaal 4-gegevens, opmerkingen > volledige commentaartekst; Kolom 2: Kanaal 4-gegevens, cyclische metingen > gemiddelde cyclische frequentie; Kolom 3: Kanaal 4-gegevens, cyclische metingen > gemiddelde cyclische hoogte.
- Stel de framesnelheid in op 100:1 in de rechterbenedenhoek van het grafiekscherm. Sla deze vensterconfiguratie op als sjabloon voor alle toekomstige studies.
- Sluit het deksel van de monsterkamer en bevestig een gasdichte spuit van 25 μL aan de Luer-schotconnector. Monteer de spuit met een Chaney-adapter die is ingesteld om herhaaldelijk een volume van 20 μL af te leveren.
OPMERKING: Een optioneel kort stukje 1/16"-buis en Luer/weerhaakconnectoren kan worden gebruikt om de spuit op de monsterkamer aan te sluiten. Lange buizen moeten echter worden vermeden om significante veranderingen in het totale luchtvolume van de monsterkamer te voorkomen. - Zuig 20 μL lucht in de spuit met behulp van de dieptestop van de Chaney-adapter.
- Nul de pleth in de software (Setup > Zero All Inputs (Alt-Z)) en start een opname.
- Tijdens het opnemen, en met een stabiele basislijn, drukt u de spuitzuiger snel in of trekt u deze op gedurende ongeveer 10 herhalingen om de ademhaling van de proefpersoon te repliceren met een gemeten adem van 20 μL. Stop de opname.
OPMERKING: De frequentie van de kunstmatige ademhalingen moet hoger zijn dan 2 Hz om de reproduceerbaarheid van de kalibratie te maximaliseren. - Label de identiteit van het gemeten monster door met de rechtermuisknop op het begin van de genummerde pleth-opname te klikken en klik op Opmerking toevoegen.
- Reset de spuit, nul de invoer en herhaal de opnamemetingen van 20 μL pulsen twee keer extra (drie totale opnamesessies).
- Nadat u alle metingen hebt voltooid, gebruikt u de computermuis om een deel van het ademhalingsplet te selecteren dat de kunstmatige ademhalingen van 20 μL nauwkeurig weergeeft.
OPMERKING: Binnen de DataPad-module verschijnen gegevens in de voorbeeldkoptekst met een tijdelijke uitlezing van de ademfrequentie (gemiddelde cyclische frequentie, Hz) en ademdiepte (gemiddelde cyclische hoogte, μL). Het gegevensvoorbeeld kan worden opgenomen in DataPad met behulp van het pictogram Toevoegen aan DataPad . - Bekijk de kolom 3-gegevens (gemiddelde cyclische hoogte) en bereken het gemiddelde gemeten ademvolume van de drie opnames. Voer de volgende berekening uit van het gemiddelde gemeten ademvolume: Kalibratiecoëfficiënt = geleverd volume / gemeten volume x 120.000.
OPMERKING: 120.000 was de tijdelijke aanduiding Flow Head Calibration-coëfficiënt die werd gebruikt in stap 3.1, nu gewijzigd op basis van gemeten gegevens. Het systeem is nu gekalibreerd voor typische muisademhaling met behulp van de huidige omgevingstemperatuur en vochtigheid. Het systeem kan nu de ademhaling van de proefpersoon controleren en de kalibratie kan dagelijks opnieuw worden uitgevoerd om rekening te houden met eventuele schommelingen in temperatuur / vochtigheid.
4. Toezicht op het onderwerp
- Open een hoofdsjabloon zoals beschreven in stap 3.4 of voer stap 4.2 tot en met 4.3 uit.
- Maak binnen de software een 4-kanaals venster met de volgende gegevensverwerking: Kanaal 1: Brongegevens met een samplefrequentie van 4 k/s en een bereik van 1 mV ; Kanaal 2: Digitaal filter van kanaal 1 met behulp van een High Pass 1 Hz Auto Adjust-filter; Kanaal 3: Afvlakking van kanaal 2-gegevens door middeling van 100 monsters; Kanaal 4: Spirometriestroom van kanaal 3-gegevens (aangepaste stroomkop, gekalibreerd volgens formule (μL /s) = 120.000 x spanning).
OPMERKING: 120.000 is de correlatiecoëfficiënt berekend voor de huidige druksensor; de gebruiker moet echter de in stap 3 beschreven systeemkalibratie uitvoeren en in plaats daarvan deze door de gebruiker gedefinieerde correlatiecoëfficiënt gebruiken. - DataPad-analyse van kanaal 4 instellen met de volgende kolommen: Kolom 1: Kanaal 4-gegevens, opmerkingen > volledige commentaartekst; Kolom 2: Kanaal 4-gegevens, cyclische metingen > gemiddelde cyclische frequentie; Kolom 3: Kanaal 4-gegevens, cyclische metingen > gemiddelde cyclische hoogte.
- Plaats het onderwerp in de bemonsteringskamer en sluit het deksel. Voor dit experiment werd een bewuste 4-12 weken vrouwelijke albino C57BL/6J muis (B6(Cg)-Tyrc-2J/J) gebruikt.
- Egaliseer de atmosferische druk in de kamer (van het afdichten van het deksel) door de Luer-schotdop kort los te maken en opnieuw vast te zetten.
- Merk op dat het onderwerp niet actief beweegt in de bemonsteringskamer voordat alle ingangen op nul worden gezet (alt-z-snelkoppeling) en een opname wordt gestart.
OPMERKING: Als het onderwerp in de bemonsteringskamer begint te bewegen, kan de basislijn van de schaal afgaan, wat kan worden aangepakt door alle ingangen in het midden van een opname opnieuw op nul te zetten, waardoor een nieuwe opname op de schaal ontstaat. Stel dat het onderwerp zich bezighoudt met verkenning of verzorging tijdens de opname; merk op welk deel van de plethysmografie-opname het meest nauwkeurig de normale ademhaling weerspiegelt. - Label de identiteit van het onderwerp door met de rechtermuisknop op het begin van de genummerde pleth-opname te klikken en klik op Opmerking toevoegen.
- Breng het onderwerp terug naar zijn kooi. Beperk de tijd die in de verzegelde bemonsteringskamer wordt doorgebracht tot 5 minuten om verstikking en stress te voorkomen.
OPMERKING: Het risico op verstikking is laag, aangezien het luchtvolume van 600 ml van de monsterkamer niet snel zal worden besteed door een gezonde muis die met <15 ml / min ademt. - Gebruik de computermuis om een deel van het ademhalingsplet te selecteren dat de ademhaling van het onderwerp nauwkeurig weergeeft.
OPMERKING: Binnen de DataPad-module verschijnen gegevens in de voorbeeldkoptekst met een tijdelijke uitlezing van de ademfrequentie (gemiddelde cyclische frequentie, Hz) en het ademvolume (gemiddelde cyclische hoogte, μL). Het gegevensvoorbeeld kan worden opgenomen in DataPad met behulp van het pictogram Toevoegen aan DataPad . - Ga door met het één voor één meten van de proefpersoonmuizen en registreer representatieve delen van de ademhalingsplet op DataPad.
- Exporteer na het opnemen van gegevens DataPad-gegevens naar Excel. Bereken het minuutvolume als volgt: Minuutvolume (ml/min) = Ademfrequentie (Hz) x Ademvolume (μl) x 0,06.
Representative Results
Systeemkalibratie
De data-analysesoftware maakt directe kalibratie van een aangepaste flowhead mogelijk, zoals hierin beschreven. Dit wordt uitgevoerd bij het instellen van de spirometriestroom. Zoals beschreven in stap 3.1 bestaat er een optie om het bekende kalibratieluchtvolume in te voeren, waarmee de spanning-volumecorrelatiecoëfficiënt binnen het systeem wordt berekend. Dit genereert echter een correlatiecoëfficiënt op basis van een enkele aflezing, en er is waargenomen dat de inherente variatie van kalibratie van een n = 1-standaard een slecht nut heeft. De huidige aanpak kan deze tekortkoming verhelpen en stelt een gebruiker in staat om een dagelijkse kalibratie uit te voeren met behulp van meerdere metingen gemiddeld om een kalibratiecoëfficiënt te berekenen. Kalibratie met 20 μL geïnjecteerde lucht werd hierin gedemonstreerd, wat een typisch high-end ademvolume vertegenwoordigt bij een typische muis. De software gaat uit van een origin intercept (0,0) en wordt dus gekalibreerd van 0-20 μL met behulp van deze aanpak.
De hier voorgestelde methodologie voor sWBP kalibreert dagelijks, waardoor rekening wordt gehouden met eventuele schommelingen in de omgevingsvochtigheid/temperatuur. De oorspronkelijke methoden die voor specifieke WBP werden gebruikt, dateren uit de methodologie van Drorbaugh en Fenn uit 1955, die WBP ontwikkelden voor het meten van ventilatie bij menselijke zuigelingen5. De Drorbaugh- en Fenn-berekeningen houden rekening met variaties in temperatuur en vochtigheid van de omgeving en het onderwerp. De huidige aanpak corrigeert voor omgevingsfluctuaties door elke sWBP-sessie te kalibreren. Toch werd besloten om te onderzoeken of de verwarming en bevochtiging van de ademhaling over de neusholte / long van een muis de meting van een bekend luchtvolume beïnvloeden. Zo werd een kunstmatig apparaat gemaakt om het effect van het onderwerp op het verwarmen en bevochtigen van gekalibreerde luchtmetingen na te bootsen. Luer-connectoren werden bevestigd aan een conische buis van 15 ml en plaatsten deze verzegelde conische in-lijn tussen de monsterkamer en de gasdichte kalibratiespuit. Een kalibratie van 20 μL werd uitgevoerd met behulp van een lege conische buis die bij kamertemperatuur (23 °C) werd gehouden. De conische buis werd vervolgens gedeeltelijk gevuld met gedestilleerd water tot net onder de Luer-connectoren, waardoor er tijd was om de kopruimte van de conische in evenwicht te brengen; het kalibratievolume werd vervolgens opnieuw gemeten om het effect van vochtigheid te onderzoeken. De conische buis werd in een verwarmingsblok geplaatst en in evenwicht gebracht bij 37 °C in een vochtige omgeving, en uiteindelijk in evenwicht gebracht tot 37 °C zonder water om het effect van de verwarming van de proefpersoon te beoordelen en zonder extra bijdrage van de vochtigheid. Figuur 2 toont aan dat alle geteste omstandigheden geen significante invloed hadden op de gekalibreerde 20 μL-meting die door de gasdichte spuit werd geleverd. Uit deze bevinding werd geconcludeerd dat sWBP een toegankelijke benadering biedt om de ademhaling bij proefdieren te volgen zonder de noodzaak van complexe berekeningen op basis van de temperatuur en vochtigheid van de proefpersoon, omdat deze geen significante invloed hebben op het gemeten ademvolume.
Monitoring van het onderwerp
sWBP werd gebruikt om de ademhaling te controleren tijdens de ziekte van dodelijke luchtweginfecties met de bacteriële ziekteverwekker B. pseudomallei. Een uitdaging bij het monitoren van de ademhaling bij bewuste dieren is de nieuwsgierigheid van normale gezonde dieren die zich binnen de monsterkamer bewegen. De beweging van de muis creëert een constant bewegende basislijn die gedeeltelijk kan worden verzacht door proefpersonen vooraf te conditioneren in de kamer gedurende een periode van enkele dagen voorafgaand aan de meting. Dit probleem beïnvloedt voornamelijk de nulmeting bij gezonde muizen, omdat de proefpersonen lethargisch worden tijdens infectie, waardoor sWBP veel beter beheersbaar wordt met verminderde activiteit van de proefpersoon. Het kan verleidelijk zijn om te proberen een vorm van terughoudendheid te gebruiken, of het nu fysiek of anesthesie is. Het gebruik van fysieke beperkingen kan de natuurlijke ademhaling beïnvloeden door stress te veroorzaken. Verder is bekend dat het gebruik van anesthetica uitgesproken effecten heeft op de ademfrequentie en diepte10; daarom werd besloten om de impact van anesthesie te onderzoeken met het interne sWBP-apparaat. Isofluraan wordt vaak gebruikt om in vivo diagnostische beeldvorming uit te voeren tijdens de infectiemodellen, en daarom werd een C57BL/6-muis verdoofd en de progressie gecontroleerd tot herstel uit de anesthesie met behulp van sWBP. Deze studie werd uitgevoerd met een juveniele 4 weken oude albino C57BL/6J muis om het venster van herstel van anesthesie te verlengen. Figuur 3 toont aan dat de voorkeursverdoving ervoor zorgt dat muizen een langzame ademfrequentie vertonen met een groot getijdenvolume lucht. Naarmate muizen beginnen te herstellen van sedatie, neemt hun ademfrequentie toe en neemt het ademvolume af, met het netto-effect dat de totale geïnspireerde lucht langzaam toeneemt. In deze studie werd vastgesteld dat het ademvolume wordt hersteld naar pre-anesthesieniveaus binnen de eerste 30 s van herstel. De ademfrequentie neemt gestaag toe totdat de basisademhaling is hersteld tot 2-2,5 minuten na verwijdering uit de anesthesie. Het minuutvolume volgde de effecten van de ademfrequentie op de voet en bereikte het baseline minuutvolume 2,5 min na verwijdering uit de anesthesie. Deze bevinding ondersteunt dat anesthesie niet mag worden gebruikt in de sWBP-benadering. Het beïnvloedt de basisademhaling dramatisch, niet verrassend, omdat anesthesie het metabolisme van de gastheer zal vertragen, waardoor een verminderde vraag naar geïnspireerde zuurstof ontstaat. Sanering van de monsterkamer moet ook worden overwogen tussen proefpersonen om studiespecifieke infectiebeheersing aan te pakken, evenals de impact van feromonen uit urine of ontlasting die de stress tussen proefpersonen kunnen beïnvloeden.
WBP is een aantrekkelijke strategie voor het monitoren van de longfunctie in modellen voor luchtwegaandoeningen op een niet-invasieve manier. sWBP werd gebruikt om te bestuderen hoe de ademhaling verandert tijdens letale respiratoire melioidose-infecties (figuur 4), waarbij tijdspunten de bioluminescentiemonitoring in de long weerspiegelen. Er werd waargenomen dat dit model geassocieerd is met een vroeg begin van lethargie, dat op een langzaam progressieve manier aanhoudt tot de ontwikkeling van de zieltogende ziekte ongeveer 3 dagen na infectie. Er werd ook waargenomen dat de ademfrequentie en de totale geïnspireerde lucht (miniem volume) van de muizen snel afnemen tijdens de eerste dag van infectie en laag blijven gedurende de rest van het verloop van de infectie (figuur 4A, C). Dit patroon is consistent met de lethargie met vroege aanvang, die de komende 2 dagen van de infectie aanhoudt. Daarentegen daalt het ademvolume niet steil tijdens de eerste 24 uur en heeft het in plaats daarvan een lichte en gestage afname, die een lineaire daling benadert gedurende het 3-daagse verloop van de ziekte (figuur 4B).
Figuur 1: sWBP-apparatuur. Een aangepaste monsterkamer werd opgebouwd uit een afsluitbare vierkante glazen pot met schotconnectoren op twee platte vlakken. Eén schot werd gebruikt om een meterdruksensor te monteren die via een 8-pins DIN-verbinding was aangesloten op een brugversterker en een digitizer voor gegevensacquisitie. Het tweede schot was uitgerust met een Luer-connector voor kalibratie door een gasdichte spuit. Het apparaat was aangesloten op een pc waarop de software werd uitgevoerd. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.
Figuur 2: Effect van de temperatuur en vochtigheid van het onderwerp op het ademvolume. Een conische buis van 15 ml met Luer-connectoren werd in lijn geïnstalleerd tussen de 20 μL kalibratiespuit en de monsterkamer. Het systeem werd gekalibreerd tot 20 μL zonder extra temperatuur/vochtigheidsbijdrage van de conische buis. Andere metingen werden verzameld na equilibratie met verzadigde vochtigheid uit gedestilleerd water en/of opwarming van de conische buis van kamertemperatuur (23 °C) tot lichaamstemperatuur (37 °C). Er werd geen significant verschil gedetecteerd van n = 5 metingen van elke toestand door One-way ANOVA met Tukey's Multiple Comparison post-test. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.
Figuur 3: Effect van gasanesthesie op de ademhaling bij muizen. Representatieve gegevens van een 4 weken oude vrouwelijke albino C57BL/6J muis (8,6 g) werden gedurende 5 minuten verdoofd met 3% isofluraan in zuurstof en overgebracht naar een sWBP-monsterkamer. Pleth-gegevens werden verzameld gedurende 150 s na verwijdering uit de anesthesie. De proefpersoon begon de eerste ambulatie met 100 s na verwijdering uit de anesthesie. (A) Baseline ademhaling vóór anesthesie, met een ademfrequentie van 4,97 Hz, een ademvolume van 9,74 μL en een volume van 2,91 ml per minuut. (B) De eerste 60 s van veranderingen in de ademhaling tijdens herstel van anesthesie. (A-B) Verticale as meting van μL per ademhaling en horizontale as in seconden. (C-E) Beademingsgegevens werden verzameld tijdens de 150 s van herstel van anesthesie, gemiddeld van ≥3 ademcycli per tijdspunt voor (C) ademfrequentie, (D) ademvolume en het (E) berekende minuutvolume. De uitgangswaarden voor pre-anesthesie worden aangegeven met een horizontale stippellijn in elke respectieve grafiek. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.
Figuur 4: Effect van respiratoire melioidose op de ademhaling van de gastheer. Vijf 8 weken durende vrouwelijke C57BL/6 muizen werden geïnfecteerd met 4,9 log CFU van bioluminescente B. pseudomallei stam JW270. sWBP werd uitgevoerd gedurende het 3-daagse infectieverloop, waarbij ademsnelheid (A) en ademvolume (B) werden gemeten. De totale geïnspireerde lucht werd berekend als het Minutenvolume (C). Gegevens voor elk van de vijf proefpersonen worden onafhankelijk uitgezet met polynomiale regressie van de derde orde. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.
Discussion
sWBP is een aantrekkelijke aanpak voor het verbeteren van het begrip van luchtweginfectie in modellen met kleine dieren. Belangrijk is dat het een niet-invasieve benadering is en als zodanig vormt het geen significant risico op het veroorzaken van onnodige stress voor onderzoeksdieren tijdens een infectie-uitdaging. Inderdaad, de procedure voor het controleren van de ademhaling van de proefpersoon is een sneltest die enkele minuten en minimale behandeling van het onderwerp vereist. Het wetenschappelijke voordeel is het inzicht in hoge resolutie van hoe microbiële pathogenen de longfunctie tijdens ziekte beïnvloeden. Deze aanpak zal voordeel opleveren voor fundamenteel onderzoek, het begrip vergemakkelijken van hoe een pathogeen ziekte veroorzaakt, en een translationeel nut bieden om te begrijpen hoe een nieuw therapeutisch middel een onderzoeksonderwerp herstelt tot een toestand van respiratoire gezondheid.
In dit manuscript worden representatieve resultaten gegeven voor de ziekteverwekker B. pseudomallei, die een vroege lethargische respons veroorzaakt. Niet alle bacteriële longinfecties presenteren zich op dezelfde manier in muisinfectiemodellen. Eerdere ervaring met andere infectiemodellen heeft aangetoond dat de bacteriële ziekteverwekker Klebsiella pneumoniae zich presenteert als een asymptomatische infectie tot het punt waarop muizen bezwijken aan infectie, ook op ongeveer dag 3 na infectie11. Er wordt verondersteld dat de vraag van de gastheer naar geïnspireerde lucht (d.w.z. miniem volume) nauw verband kan houden met de mate van lethargie waarmee een bepaalde ziekte zich presenteert. Toekomstige studies zullen nodig zijn om te onderzoeken hoe verschillende bacteriële pathogenen de longfunctie beïnvloeden tijdens ademhalingsaandoeningen. Het is duidelijk dat verschillende pathogenen unieke benaderingen hebben om de verdediging van de gastheer te ontwijken, waaronder verschillen in, (1) neiging om intracellulaire of extracellulaire pathogenen te zijn, (2) het vermogen om vroege / late hypothermische respons te veroorzaken en (3) gebruik van verschillende repertoires van virulentiedeterminanten 3,12,13. Daarom is het waarschijnlijk dat verschillende ziektestrategieën zullen resulteren in unieke effecten op de longfunctie en ademhaling tijdens infectie.
De aanbevolen instellingen die in dit protocol worden beschreven, kunnen worden aangepast aan unieke uitdagingen tijdens sWBP. Een van de meest voorkomende problemen tijdens een sWBP-opnamesessie is de beweging van het onderwerp binnen de sample chamber. Zoals gezegd wijzigt deze beweging de basislijn en kan deze de nauwkeurigheid van ademhalingsmetingen beïnvloeden. Een digitaal filter werd gebruikt om de verschuivende basislijn te normaliseren, waardoor haalbare ademmetingen ondanks kleine bewegingen mogelijk waren. Overmatige beweging kan een nulmeting buiten het bereik van een nulmeting duwen. Opnames worden aanbevolen bij een bereik van 1 mV (kanaal 1-instelling), wat een compromis biedt om nog steeds de pieken van de plethysmografie te observeren en tegelijkertijd verlies van gegevens buiten het bereik te voorkomen. Voor uitzonderlijk actieve proefpersonen kan het nodig zijn om het opnamebereik uit te breiden >1 mV om aanhoudende signalen buiten bereik te voorkomen.
De aanbevolen procedure vereist dagelijkse kalibratie (of bij elke sessie) om rekening te houden met schommelingen in de omgevingsvochtigheid/temperatuur. Traditionele WBP maakt gebruik van complexe berekeningen die rekening houden met de temperatuur / vochtigheid van zowel de omgeving als onderwerp 5,6. Het is aangetoond dat in het huidige sWBP-apparaat de effecten van de gastheertemperatuur/vochtigheid het gemeten ademvolume van een kalibratiebron niet significant veranderen. Daarom verschilt deze benadering in sWBP fundamenteel van de >50 jaar oude benadering van Drorbaugh en Fenn. Hier relateert sWBP drukveranderingen direct aan een gemeten ademvolume zonder verdere correctie van de gastheer.
Het is essentieel om onderzoeksdier WBP te contrasteren met die van klinische WBP. De soorten biometrische gegevens die door sWBP werden geprobeerd te verzamelen, zijn ademvolume en frequentie. Dergelijke metingen worden klinisch verzameld met behulp van eenvoudige spirometrieapparatuur waarbij een patiënt een ademmonitor voor zijn mond houdt en normaal ademt in een apparaat dat de luchtstroom bewaakt. Vergelijkbare spirometrie bij proefdieren vereist terughoudendheid, wat bijdraagt aan stress en een inherente verstoring van de ademhaling. Daarom is eenvoudige spirometrie klinisch functioneel, maar niet voor onderzoeksdieren. WBP dient een essentieel doel in de kliniek om geavanceerde gegevens te verzamelen, waaronder metingen zoals restlongvolume. Dergelijke gegevens kunnen alleen worden opgenomen in de context van een proefpersoon die instructies kan volgen over hoe ze ademen, inclusief gedwongen expiratie (lediging van hun long door een diepe uitademing). Op proefdieren kan niet worden vertrouwd om ademhalingsinstructies van een onderzoeker op te volgen. Veel van de geavanceerde metingen die klinisch tijdens WBP zijn verzameld, kunnen niet worden gereproduceerd bij proefdieren. WBP bij proefdieren is fundamenteel anders dan klinische WBP. Animal WBP probeert eenvoudige ventilatiegegevens (ademfrequentie en volume) op een niet-terughoudende manier te verzamelen om stress bij dieren en verstoring van de ademhaling te voorkomen. Tot nu toe lijkt het gebruik van WBP bij onderzoeksdieren de technieken te repliceren die worden gebruikt in klinische WBP, inclusief complexe berekeningen op basis van omgevings- en onderwerptemperatuur en vochtigheid, maar zonder de mogelijkheid om de geavanceerde gegevens te verzamelen van een proefpersoon die instructies kan volgen over hoe een geforceerde expiratie uit te voeren. Met dit in gedachten werd gezocht om aan te tonen of een vereenvoudigde versie van WBP voldoende zou zijn om de relevante ademhalingsfrequentie en het relevante volume te verzamelen die relevant zijn voor studies naar luchtwegaandoeningen. Er werd een kalibratiesessie gebruikt, die elke variatie in omgevingstemperatuur en vochtigheid compenseerde. Verder werd met een kunstmuis aangetoond dat het onderwerpen van temperatuur en vochtigheid aan een gemeten ademvolume geen significant effect hebben op het nauwkeurig meten van ademvolume. Er werd geconcludeerd dat sWBP een uitstekende toepassing heeft op dierproeven, zonder de vereiste van de gebruiker om omslachtige wiskundige behandeling van gegevens te gebruiken.
Disclosures
De auteurs hebben geen belangenconflicten.
Acknowledgments
Deze studies werden ondersteund door de National Institutes of Health COBRE-subsidie P20GM125504-01 Sub-Project 8246.
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| 1/8" NPT Luer adaptor | Amazon | B07DH9MY8W | Calibration port |
| 1/8" NPT to 1/4" NPT adaptor | Amazon | B07T6CR6FS | Bulkhead to luer adaptor |
| 150 kohm resistor | Amazon | B07GPRYL81 | Pressure transducer excitation voltage selection |
| 3/4" diamond drill bit | Drilax | DRILAX100425 | To drill bulkhead mounts in glass jar |
| Bridge Amp | AD Instruments | FE221 | One channel option |
| Bulkhead fitting | Legines | 3000L-B | 1/4" NPT, 3/4-16 UNF brass bulkhead coupling |
| Chaney adaptor | Hamilton | 14725 | Gas tight syringe adaptor for set volume |
| DIN connector | AD Instruments | SP0104 | To connect pressure sensor to Bridge Amp |
| Gastight syringe, 25 uL | Hamilton | 80201 | Calibration syringe |
| LabChart | AD Instruments | Life Science Data Acquisition Software | |
| Luer plug | Cole Parmer | 45513-56 | Calibration port closure |
| PowerLab 4/26 | AD Instruments | PL2604 | Digital interface to computer |
| Pressure transducer | Omega Engineering | PX409-10WGV | High accuracy oil filed gage pressure sensor |
| Rubber gasket | Amazon | B07LH4C8LS | To mount bulkheads (4 required per chamber) |
| Square glass jar | Amazon | B07VNSPR8P | 600 ml with 95 mm silicone gasket |
References
- Warawa, J. M., Long, D., Rosenke, R., Gardner, D., Gherardini, F. C. Role for the Burkholderia pseudomallei capsular polysaccharide encoded by the wcb operon in acute disseminated melioidosis. Infection and Immunity. 77 (12), 5252-5261 (2009).
- West, T. E., Myers, N. D., Liggitt, H. D., Skerrett, S. J. Murine pulmonary infection and inflammation induced by inhalation of Burkholderia pseudomallei. International Journal of Experimental Pathology. 93 (6), 421-428 (2012).
- Lawrenz, M. B., et al. Development and evaluation of murine lung-specific disease models for Pseudomonas aeruginosa applicable to therapeutic testing. Pathogens and Disease. 73 (5), (2015).
- Lim, R., et al. Measuring respiratory function in mice using unrestrained whole-body plethysmography. Journal of Visualized Experiments: JoVE. (90), e51755 (2014).
- Drorbaugh, J. E., Fenn, W. O. A barometric method for measuring ventilation in newborn infants. Pediatrics. 16 (1), 81-87 (1955).
- Simon, G., Pride, N. B., Jones, N. L., Raimondi, A. C. Relation between abnormalities in the chest radiograph and changes in pulmonary function in chronic bronchitis and emphysema. Thorax. 28 (1), 15-23 (1973).
- Gassiep, I., Armstrong, M., Norton, R. Human melioidosis. Clinical Microbiology Reviews. 33 (2), 06-19 (2020).
- Gutierrez, M. G., Warawa, J. M. Attenuation of a select agent-excluded Burkholderia pseudomallei capsule mutant in hamsters. Acta Tropica. 157, 68-72 (2016).
- Gutierrez, M. G., Pfeffer, T. L., Warawa, J. M. Type 3 secretion system cluster 3 is a critical virulence determinant for lung-specific melioidosis. PLoS Neglected Tropical Diseases. 9 (1), 3441 (2015).
- Rocco, P. R. M., Zin, W. A. Anaesthesia, Pain, Intensive Care and Emergency Medicine. Gullo, A. , Springer. (2002).
- Fodah, R. A., et al. Correlation of Klebsiella pneumoniae comparative genetic analyses with virulence profiles in a murine respiratory disease model. PLoS One. 9 (9), 107394 (2014).
- Gotts, J. E., et al. Clinically relevant model of pneumococcal pneumonia, ARDS, and nonpulmonary organ dysfunction in mice. American Journal of Physiology-Lung Cellular and Molecular Physiology. 317 (5), 717-736 (2019).
- Galan, J. E. Common themes in the design and function of bacterial effectors. Cell Host & Microbe. 5 (6), 571-579 (2009).
