यह प्रोटोकॉल जीवाणु श्वसन रोग की प्रगति की गैर-आक्रामक रूप से निगरानी करने के लिए एक सरलीकृत पूरे शरीर प्लेथिस्मोग्राफी तंत्र के निर्माण और उपयोग को प्रस्तुत करता है।
रोग के सरोगेट पशु मॉडल जिम्मेदार अनुसंधान के 3आर के अधीन हैं। पशु मॉडल में परिशोधन की लगातार समीक्षा की जाती है ताकि यह सुनिश्चित किया जा सके कि पशु कल्याण और वैज्ञानिक अंतर्दृष्टि दोनों नई प्रौद्योगिकियों की उपलब्धता के साथ आगे बढ़ें। यह लेख घातक श्वसन मेलियोइडोसिस के एक मॉडल में श्वसन विफलता का गैर-आक्रामक अध्ययन करने के लिए सरलीकृत पूरे शरीर प्लेथिस्मोग्राफी (एसडब्ल्यूबीपी) के उपयोग को दर्शाता है। एसडब्ल्यूबीपी में बीमारी के पाठ्यक्रम की संपूर्णता के माध्यम से चूहों में श्वास का पता लगाने की संवेदनशीलता होती है, जिससे मृत-संबद्ध लक्षणों (ब्रैडीपेनिया और हाइपोपेनिया) को मापा जा सकता है और संभावित रूप से मानवीय समापन बिंदु मानदंड विकसित करने के लिए उपयोग किया जा सकता है।
श्वसन रोग के संदर्भ में एसडब्ल्यूबीपी के कुछ लाभ यह हैं कि मेजबान सांस की निगरानी प्राथमिक संक्रमित ऊतक, अर्थात् फेफड़े की शिथिलता का आकलन करने में किसी भी शारीरिक माप के सबसे करीब आती है। जैविक महत्व के अलावा, एसडब्ल्यूबीपी का उपयोग तेजी से और गैर-आक्रामक है, जो अनुसंधान जानवरों में तनाव को कम करता है। यह काम श्वसन मेलियोइडोसिस के म्यूरिन मॉडल में श्वसन विफलता के दौरान बीमारी की निगरानी के लिए इन-हाउस एसडब्ल्यूबीपी उपकरण के उपयोग को दर्शाता है।
श्वसन जीवाणु रोगजनकों को अक्सर फेफड़ों में एक भड़काऊ प्रतिक्रिया से जोड़ा जाता है जिससे फेफड़ों की विकृति 1,2 होती है। नैदानिक सेटिंग में, निमोनिया के निदान में आमतौर पर थूक, रक्त-ऑक्सीजन संतृप्ति विश्लेषण और छाती एक्स-रे से संस्कृति तकनीक शामिल होती है। इन तकनीकों को छोटे पशु संक्रमण मॉडल के लिए अनुवादित किया जा सकता है, लेकिन केवल ऑक्सीजन संतृप्ति विश्लेषण रोग की गंभीरता के लिए चूहों में तेजी से, वास्तविक समय विश्लेषण का प्रतिनिधित्व करता है। रक्त ऑक्सीजन संतृप्ति (एसपीओ 2) को पहले श्वसन रोग के अध्ययन में रोग की प्रगति को ट्रैक करने के लिए एक विधि के रूप में जांच की गई थी; हालांकि, मरणासन्न चूहों में स्यूडोमोनास एरुगिनोसा मॉडल3 दोनों में अप्रत्याशित रूप से उच्च एसपीओ 2 रीडिंग होती है, जो भविष्यवाणी या मरणासन्न बीमारी नहीं है, संभवतः क्योंकि चूहे अपनी शारीरिक गतिविधि को संशोधित कर सकते हैं। इस अंत तक, चूहों में जीवाणु श्वसन रोग के लिए एसपीओ 2 के नैदानिक स्तर अब तक नहीं पाए गए थे।
इसलिए, इस काम ने तेजी से शारीरिक माप के रूप में फेफड़ों के कार्य पर फेफड़ों की बीमारी के प्रभावों का पता लगाने के अन्य चिकित्सकीय रूप से प्रासंगिक तरीकों के उपयोग की जांच की। सरलीकृत होल बॉडी प्लेथिस्मोग्राफी (एसडब्ल्यूबीपी) एक तेजी से, गैर-इनवेसिव बायोमेट्रिक विश्लेषण के रूप में सांस की दर और गहराई की जांच करने का अवसर प्रदान करता है। पिछले अध्ययनों से पता चला है कि प्रयोगशाला में डब्ल्यूबीपी तंत्र को कैसे इकट्ठा कियाजाए; हालांकि, ऐसे अध्ययनों में दिखाए गए कई घटक वर्तमान में व्यावसायिक रूप से उपलब्ध नहीं हैं। इसके अलावा, पारंपरिक डब्ल्यूबीपी को आर्द्रता और तापमान 5,6 के आधार पर जटिल डेटा संग्रह और डेटा प्रसंस्करण की आवश्यकता होती है। इसलिए, एक सरलीकृत डब्ल्यूबीपी उपकरण विकसित करने का निर्णय लिया गया था जिसे कमरे के तापमान / आर्द्रता के लिए दैनिक कैलिब्रेट किया जाता है और यह आकलन किया जाता है कि विषय के तापमान / आर्द्रता योगदान का मापा सांस की मात्रा पर कोई प्रभाव पड़ता है या नहीं। इस प्रकार, एक संशोधित एसडब्ल्यूबीपी उपकरण बनाया गया है जो वर्तमान में उपलब्ध सामग्री का स्रोत है। इसके अलावा, यह जांच की गई है कि क्या यह प्रयोगशाला-सोर्स उपकरण चूहों में घातक श्वसन मेलियोइडोसिस के मॉडल के दौरान रोग की प्रगति से जुड़े श्वास में परिवर्तन का पता लगा सकता है।
इस काम के लिए निर्मित एसडब्ल्यूबीपी उपकरण ने एनालॉग प्रेशर सेंसर डेटा को डिजिटल रीडआउट में संसाधित करने के लिए व्यावसायिक रूप से उपलब्ध उपकरणों और सॉफ्टवेयर का उपयोग किया। प्रेशर सेंसर को बल्कहेड कनेक्टर्स के साथ एयरटाइट ग्लास जार में फिट किया गया था। ग्लास जार का लाभ सामग्री की संरचनात्मक कठोरता है, जो जार के आंतरिक दबाव में परिवर्तन का विरोध करेगा, श्वास की निगरानी के दौरान मात्रा परिवर्तन के माप को प्रभावित करेगा। नमूना कक्ष को वर्ग जार की दो सपाट सतहों पर दो बंदरगाहों के लिए इंजीनियर किया गया है, एक अंशांकन के लिए लुएर कनेक्टर द्वारा कक्ष तक पहुंचने के लिए और दूसरा दबाव सेंसर को रखने के लिए। चुने गए दबाव सेंसर में दबाव में छोटे बदलाव (25 एमबार रेंज) के लिए एक सीमा के साथ एक अत्यधिक संवेदनशील गेज दबाव ट्रांसड्यूसर है।
यह प्रोटोकॉल श्वसन मेलियोइडोसिस के एक मुराइन मॉडल का उपयोग करके प्रदर्शित किया जाता है। बर्कहोल्डरिया स्यूडोमल्ली (बीपी) मेलियोइडोसिस का जीवाणु एजेंट है – दुनिया के उष्णकटिबंधीय क्षेत्रों से जुड़ी एक बीमारी7. बीपी पर्यावरण में पाया जाता है, विशेष रूप से खड़े पानी और नम मिट्टी के गीले वातावरण में, जहां से यह आमतौर पर अतिसंवेदनशील मेजबानों के कट / खरोंच के चमड़े के नीचे संक्रमण का कारण बनता है। हालांकि, सांस लेने पर बीपी भी संक्रामक होता है और एरोसोल फैलाव द्वारा जैव आतंकवाद में उपयोग के लिए एक संभावित खतरा है। जबकि पूरी तरह से वायरल बीपी को बीएसएल -3 प्रयोगशाला में हैंडलिंग की आवश्यकता होती है, एक एकैप्सुलर म्यूटेंट स्ट्रेन को पहले इंजीनियर किया गया था, जिसे बीएसएल -2 में सुरक्षित रूप से संभाला जा सकता है और चुनिंदा एजेंट मानदंड8 से बाहर रखा जा सकता है। इसके अलावा, बीपी 5,9 की श्वसन रोग प्रगति का अध्ययन करने के लिए श्वसन मेलियोइडोसिस का एक इंटुबैशन-मध्यस्थता इंट्राट्राचेल (आईएमआईटी) संक्रमण मॉडल विकसित किया गया है। हमने इस संक्रमण मॉडल का उपयोग मृत समापन बिंदु के माध्यम से रोग की प्रगति के दौरान होने वाले श्वास में परिवर्तन को चिह्नित करने के लिए किया है।
एसडब्ल्यूबीपी छोटे पशु मॉडल में श्वसन संक्रमण की समझ को बढ़ाने के लिए एक आकर्षक दृष्टिकोण है। महत्वपूर्ण रूप से, यह एक गैर-आक्रामक दृष्टिकोण है, और इस तरह, यह संक्रमण चुनौती के दौरान जानवरों पर शोध करने के लिए अनुचित तनाव पैदा करने का महत्वपूर्ण जोखिम पैदा नहीं करता है। दरअसल, विषय श्वास की निगरानी की प्रक्रिया एक त्वरित परीक्षण है जिसमें कई मिनट और न्यूनतम विषय हैंडलिंग की आवश्यकता होती है। वैज्ञानिक लाभ इस बात की उच्च-रिज़ॉल्यूशन समझ है कि माइक्रोबियल रोगजनक रोग के दौरान फेफड़ों के कार्य को कैसे प्रभावित करते हैं। यह दृष्टिकोण बुनियादी अनुसंधान के लिए लाभ प्रदान करेगा, यह समझने की सुविधा प्रदान करेगा कि रोगज़नक़ बीमारी का कारण कैसे बनता है, साथ ही यह समझने के लिए एक ट्रांसलेशनल उपयोगिता प्रदान करेगा कि एक नया चिकित्सीय श्वसन स्वास्थ्य की स्थिति के अधीन एक शोध को कैसे पुनर्स्थापित करता है।
इस पांडुलिपि में, रोगज़नक़ बी स्यूडोमल्लेई के लिए प्रतिनिधि परिणाम प्रदान किए जाते हैं, जो प्रारंभिक सुस्त प्रतिक्रिया का कारण बनता है। माउस संक्रमण मॉडल में सभी जीवाणु फेफड़ों के संक्रमण एक ही तरीके से मौजूद नहीं हैं। अन्य संक्रमण मॉडलों के साथ पिछले अनुभव से पता चला है कि जीवाणु रोगज़नक़ क्लेबसिएला निमोनिया उस बिंदु तक एक स्पर्शोन्मुख संक्रमण के रूप में प्रस्तुत होता है जिस पर चूहे संक्रमण के शिकार होते हैं, संक्रमण के बाद लगभग तीसरे दिन भी। यह अनुमान लगाया गया है कि प्रेरित हवा (यानी, मिनट वॉल्यूम) के लिए मेजबान मांग सुस्ती की डिग्री से निकटता से संबंधित हो सकती है जिसके साथ कोई बीमारी प्रस्तुत होती है। भविष्य के अध्ययनों की जांच करने की आवश्यकता होगी कि श्वसन रोग के दौरान विभिन्न जीवाणु रोगजनक फेफड़ों के कार्य को कैसे प्रभावित करते हैं। यह समझा जाता है कि विभिन्न रोगजनकों के पास मेजबान रक्षा से बचने के लिए अद्वितीय दृष्टिकोण हैं, जिनमें अंतर शामिल हैं, (1) इंट्रासेल्युलर या बाह्य रोगजनकों होने की प्रवृत्ति, (2) प्रारंभिक / देर से हाइपोथर्मिक प्रतिक्रिया पैदा करने की क्षमता, और (3) विषाणु निर्धारकों के विभिन्न प्रदर्शनों का उपयोग 3,12,13। इसलिए, यह संभावना है कि विभिन्न रोग रणनीतियों के परिणामस्वरूप संक्रमण के दौरान फेफड़ों के कार्य और श्वास पर अद्वितीय प्रभाव पड़ेगा।
इस प्रोटोकॉल में वर्णित अनुशंसित सेटिंग्स को एसडब्ल्यूबीपी के दौरान मौजूद अद्वितीय चुनौतियों को समायोजित करने के लिए संशोधित किया जा सकता है। एसडब्ल्यूबीपी रिकॉर्डिंग सत्र के दौरान अनुभव किए गए सामान्य मुद्दों में से एक नमूना कक्ष के भीतर विषय का आंदोलन है। जैसा कि उल्लेख किया गया है, यह आंदोलन बेसलाइन को संशोधित करता है और श्वास माप की सटीकता को प्रभावित कर सकता है। शिफ्टिंग बेसलाइन को सामान्य करने के लिए एक डिजिटल फिल्टर का उपयोग किया गया था, जिससे छोटे आंदोलनों के बावजूद व्यवहार्य सांस माप की अनुमति मिलती है। अत्यधिक आंदोलन एक बेसलाइन माप को शून्य इनपुट की सीमा से बाहर धकेल सकता है। रिकॉर्डिंग को 1 एमवी रेंज (चैनल 1 सेटिंग) पर अनुशंसित किया जाता है, जो रेंज के बाहर डेटा के नुकसान से बचते हुए प्लेथिस्मोग्राफी की चोटियों को अभी भी देखने का समझौता प्रदान करता है। असाधारण रूप से सक्रिय विषयों के लिए, लगातार आउट ऑफ रेंज सिग्नल से बचने के लिए रिकॉर्डिंग रेंज >1 एमवी का विस्तार करना आवश्यक हो सकता है।
अनुशंसित प्रक्रिया पर्यावरणीय आर्द्रता / तापमान में उतार-चढ़ाव को समायोजित करने के लिए दैनिक अंशांकन (या प्रत्येक सत्र में) की मांग करती है। पारंपरिक डब्ल्यूबीपी जटिल गणनाओं का उपयोग करता है जो पर्यावरण और विषय 5,6 दोनों के तापमान / आर्द्रता में कारक है। यह प्रदर्शित किया गया है कि वर्तमान एसडब्ल्यूबीपी तंत्र में, मेजबान तापमान / आर्द्रता के प्रभाव अंशांकन स्रोत के मापा सांस की मात्रा में महत्वपूर्ण परिवर्तन नहीं करते हैं। इसलिए, एसडब्ल्यूबीपी में यह दृष्टिकोण मूल रूप से ड्रोरबॉग और फेन के >50 साल पुराने दृष्टिकोण से भिन्न है। यहां, एसडब्ल्यूबीपी सीधे एक मापा सांस की मात्रा में दबाव परिवर्तन से संबंधित है जिसमें मेजबान से कोई और सुधार नहीं होता है।
अनुसंधान पशु डब्ल्यूबीपी को नैदानिक डब्ल्यूबीपी के विपरीत करना आवश्यक है। एसडब्ल्यूबीपी द्वारा एकत्र किए गए बायोमेट्रिक डेटा के प्रकार सांस की मात्रा और आवृत्ति हैं। इस तरह के माप नैदानिक रूप से सरल स्पिरोमेट्री उपकरण का उपयोग करके एकत्र किए जाते हैं जिसमें एक रोगी अपने मुंह पर एक सांस मॉनिटर रखता है और सामान्य रूप से एयरफ्लो की निगरानी करने वाले उपकरण में सांस लेता है। अनुसंधान जानवरों में इसी तरह की स्पिरोमेट्री को संयम की आवश्यकता होती है, इस प्रकार तनाव और सांस लेने में अंतर्निहित व्यवधान में योगदान होता है। इसलिए, सरल स्पिरोमेट्री चिकित्सकीय रूप से कार्यात्मक है लेकिन अनुसंधान जानवरों के लिए नहीं। डब्ल्यूबीपी क्लिनिक में उन्नत डेटा एकत्र करने के लिए एक आवश्यक उद्देश्य प्रदान करता है, जिसमें अवशिष्ट फेफड़ों की मात्रा जैसे माप शामिल हैं। इस तरह के डेटा को केवल एक विषय के संदर्भ में निहित किया जा सकता है कि वे कैसे सांस लेते हैं, जिसमें जबरन समाप्ति (गहरी सांस छोड़ने से उनके फेफड़े को खाली करना) शामिल है। शोधकर्ता से श्वास निर्देशों का पालन करने के लिए अनुसंधान जानवरों पर भरोसा नहीं किया जा सकता है। डब्ल्यूबीपी के दौरान चिकित्सकीय रूप से एकत्र किए गए कई उन्नत मापों को अनुसंधान जानवरों में पुन: पेश नहीं किया जा सकता है। अनुसंधान जानवरों में डब्ल्यूबीपी मौलिक रूप से नैदानिक डब्ल्यूबीपी से अलग है। पशु डब्ल्यूबीपी पशु तनाव और श्वास गड़बड़ी से बचने के लिए एक गैर-संयमित तरीके से सरल वेंटिलेशन डेटा (सांस दर और मात्रा) एकत्र करना चाहता है। इस प्रकार, अनुसंधान जानवरों में डब्ल्यूबीपी का उपयोग नैदानिक डब्ल्यूबीपी में उपयोग की जाने वाली तकनीकों को दोहराने के लिए प्रतीत होता है, जिसमें पर्यावरण और विषय तापमान और आर्द्रता के आधार पर जटिल गणना शामिल है, लेकिन एक विषय से उन्नत डेटा एकत्र करने की क्षमता के बिना जो मजबूर समाप्ति करने के निर्देशों का पालन कर सकता है। इसे ध्यान में रखते हुए, यह प्रदर्शित करने की मांग की गई थी कि क्या डब्ल्यूबीपी का एक सरलीकृत संस्करण श्वसन रोग के अध्ययन के लिए प्रासंगिक श्वास आवृत्ति और मात्रा एकत्र करने के लिए पर्याप्त होगा। एक अंशांकन सत्र नियोजित किया गया था, जिसने पर्यावरणीय तापमान और आर्द्रता में किसी भी भिन्नता के लिए क्षतिपूर्ति की। इसके अलावा, यह एक कृत्रिम माउस के साथ प्रदर्शित किया गया था जो तापमान के अधीन है, और मापा सांस की मात्रा के लिए आर्द्रता का सांस की मात्रा को सटीक रूप से मापने पर कोई महत्वपूर्ण प्रभाव नहीं पड़ता है। यह निष्कर्ष निकाला गया कि एसडब्ल्यूबीपी में पशु अध्ययन पर शोध करने के लिए उत्कृष्ट अनुप्रयोग है, उपयोगकर्ता को डेटा के बोझिल गणितीय उपचार को नियोजित करने की आवश्यकता के बिना।
The authors have nothing to disclose.
इन अध्ययनों को राष्ट्रीय स्वास्थ्य संस्थान COBRE अनुदान P20GM125504-01 उप-परियोजना 8246 द्वारा समर्थित किया गया था।
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 |