التحقيق في استجابات الإجهاد والاسترخاء والفشل في القصبة الهوائية
Summary
يحدد هذا البروتوكول خصائص الإجهاد والاسترخاء والفشل في الشد للقصبة الهوائية الخنزيرية. يمكن أن تساعد نتائج هذه الأساليب في تحسين فهم عتبات المرونة اللزجة والفشل في القصبة الهوائية والمساعدة في تطوير قدرات النماذج الحسابية للجهاز الرئوي.
Abstract
تؤثر الخصائص الميكانيكية الحيوية للقصبة الهوائية بشكل مباشر على تدفق الهواء وتساهم في الوظيفة البيولوجية للجهاز التنفسي. فهم هذه الخصائص أمر بالغ الأهمية لفهم آلية الإصابة في هذا الأنسجة. يصف هذا البروتوكول نهجا تجريبيا لدراسة سلوك الإجهاد والاسترخاء للقصبة الهوائية الخنازير التي تم تمديدها مسبقا إلى إجهاد 0٪ أو 10٪ لمدة 300 ثانية ، تليها تحميل الشد الميكانيكي حتى الفشل. تقدم هذه الدراسة تفاصيل التصميم التجريبي والحصول على البيانات والتحليلات والنتائج الأولية من الاختبارات الميكانيكية الحيوية للقصبة الهوائية الخنزيرية. باستخدام الخطوات التفصيلية المقدمة في هذا البروتوكول ورمز تحليل البيانات MATLAB ، يمكن للدراسات المستقبلية التحقيق في السلوك اللزج المرن المعتمد على الوقت لأنسجة القصبة الهوائية ، وهو أمر بالغ الأهمية لفهم استجاباتها الميكانيكية الحيوية خلال الظروف الفسيولوجية والمرضية والصدمة. علاوة على ذلك ، فإن الدراسات المتعمقة للسلوك الميكانيكي الحيوي للقصبة الهوائية ستساعد بشكل حاسم في تحسين تصميم الأجهزة الطبية ذات الصلة مثل غرسات القصبة الهوائية التي تستخدم على نطاق واسع أثناء العمليات الجراحية.
Introduction
على الرغم من دورها الحاسم في الأمراض الرئوية ، فإن أكبر بنية مجرى هوائي ، القصبة الهوائية ، لديها دراسات محدودة تفصل خصائصها المرنة اللزجة1. يعد الفهم المتعمق للسلوك اللزج المرن المعتمد على الوقت للقصبة الهوائية أمرا بالغ الأهمية لأبحاث ميكانيكا الرئة لأن فهم خصائص المواد الخاصة بمجرى الهواء يمكن أن يساعد في تطوير علم الوقاية من الإصابات والتشخيص والتدخل السريري للأمراض الرئوية ، والتي تعد السبب الرئيسي الثالث للوفاة في الولايات المتحدة2،3،4.
وقد أبلغت دراسات توصيف الأنسجة المتاحة عن خصائص صلابة القصبة الهوائية5،6،7،8. تم التحقيق في الاستجابات الميكانيكية المعتمدة على الوقت إلى الحد الأدنى على الرغم من أهميتها في إعادة تشكيل الأنسجة ، والتي يتم تغييرها أيضا بواسطة علم الأمراض 9,10. وعلاوة على ذلك، فإن الافتقار إلى بيانات الاستجابة المعتمدة على الوقت يحد أيضا من القدرات التنبؤية للنماذج الحسابية للميكانيكا الرئوية التي تلجأ حاليا إلى استخدام القوانين التأسيسية العامة. هناك حاجة إلى معالجة هذه الفجوة عن طريق إجراء دراسات الإجهاد والاسترخاء التي يمكن أن توفر الخصائص المادية المطلوبة لإثراء الدراسات الفيزيائية الحيوية للقصبة الهوائية. تقدم الدراسة الحالية تفاصيل طرق الاختبار والحصول على البيانات وتحليل البيانات للتحقيق في سلوك الإجهاد والاسترخاء في القصبة الهوائية الخنزيرية.
Protocol
Representative Results
Discussion
وقد أبلغ عدد قليل جدا من الدراسات عن خصائص الإجهاد والاسترخاء في القصبة الهوائية21,23. هناك حاجة إلى دراسات لزيادة تعزيز فهمنا للاستجابات المعتمدة على الوقت لأنسجة القصبة الهوائية. وتقدم هذه الدراسة خطوات مفصلة لإجراء مثل هذه التحقيقات؛ ومع ذلك ، يجب ضمان ال…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
تم دعم الأبحاث الواردة في هذا المنشور من قبل معهد يونيس كينيدي شرايفر الوطني لصحة الطفل والتنمية البشرية التابع للمعاهد الوطنية للصحة تحت رقم الجائزة R15HD093024 وجائزة CAREER Award من المؤسسة الوطنية للعلوم رقم 1752513.
Materials
| Disposable safety scalpels | Fine Science Tools Inc | 10000-10 | |
| eXpert 7600 | ADMET Inc. | N/A | Norwood, MA |
| Forceps | Fine Science Tools Inc | 11006-12 and 11027-12 or 11506-12 | |
| Gauge Safe | ADMET Inc. | N/A | Free Download |
| Image J | NIH | N/A | Open Source |
| Proramming Software – MATLAB | Mathworks | N/A | version 2018A |
| Scissors | Fine Science Tools Inc | 14094-11 or 14060-09 | |
| Sterile phosphate buffer solution | Millipore, Thomas Scientific | MFCD00131855 |
References
- Brand-Saberi, B. E. M., Schäfer, T. Trachea: Anatomy and physiology. Thoracic Surgery Clinics. 24, 1-5 (2014).
- Barnett, S. B., Nurmagambetov, T. A. Costs of asthma in the United States: 2002-2007. The Journal of Allergy and Clinical Immunology. 127 (1), 145-152 (2011).
- Chronic Obstructive Pulmonary Disease (COPD). Centers for Disease Control and Prevention Available from: https://www.cdc.gov/copd/index.html (2022)
- Wilson, L., Devine, E. B., So, K. Direct medical costs of chronic obstructive pulmonary disease: chronic bronchitis and emphysema). Respiratory Medicine. 94 (3), 204-213 (2000).
- Codd, S. L., Lambert, R. K., Alley, M. R., Pack, R. J. Tensile stiffness of ovine tracheal wall. Journal of Applied Physiology. 76 (6), 2627-2635 (1994).
- Noble, P. B., Sharma, A., McFawn, P. K., Mitchell, H. W. Elastic properties of the bronchial mucosa: epithelial unfolding and stretch in response to airway inflation. Journal of Applied Physiology. 99 (6), 2061-2066 (2005).
- Teng, Z., et al. Anisotropic material behaviours of soft tissues in human trachea: An experimental study. Journal of Biomechanics. 45 (9), 1717-1723 (2012).
- Wang, L., et al. Mechanical properties of the tracheal mucosal membrane in the rabbit. I. steady-state stiffness as a function of age. Journal of Applied Physiology. 88 (3), 1014-1021 (2000).
- Ambrosi, D., et al. Perspectives on biological growth and remodeling. Journal of the Mechanics and Physics of Solids. 59 (4), 863-883 (2011).
- Bai, T. R., Knight, D. A. Structural changes in the airways in asthma: Observations and consequences. Clinical Science. 108 (6), 463-477 (2005).
- Singh, A. Extent of impaired axoplasmic transport and neurofilament compaction in traumatically injured axon at various strains and strain rates. Brain Injury. 31 (10), 1387-1395 (2017).
- Singh, A., Kallakuri, S., Chen, C., Cavanaugh, J. M. Structural and functional changes in nerve roots due to tension at various strains and strain rates: An in-vivo study. Journal of Neurotrauma. 26 (4), 627-640 (2009).
- Singh, A., Lu, Y., Chen, C., Cavanaugh, J. M. Mechanical properties of spinal nerve roots subjected to tension at different strain rates. Journal of Biomechanics. 39 (9), 1669-1676 (2006).
- Singh, A., Lu, Y., Chen, C., Kallakuri, S., Cavanaugh, J. M. A new model of traumatic axonal injury to determine the effects of strain and displacement rates. Stapp Car Crash Journal. 50, 601-623 (2006).
- Singh, A., Magee, R., Balasubramanian, S. Methods for in vivo biomechanical testing on brachial plexus in neonatal piglets. Journal of Visualized Experiments. (154), e59860 (2019).
- Singh, A., Magee, R., Balasubramanian, S. Mechanical properties of cervical spinal cord in neonatal piglet: in vitro. Neurology and Neurobiology. 3 (2), (2020).
- Singh, A., Magee, R., Balasubramanian, S. An in vitro study to investigate biomechanical responses of peripheral nerves in hypoxic neonatal piglets. Journal of Biomechanical Engineering. 143 (11), 114501 (2021).
- Singh, A., Shaji, S., Delivoria-Papadopoulos, M., Balasubramanian, S. Biomechanical responses of neonatal brachial plexus to mechanical stretch. Journal of Brachial Plexus and Peripheral Nerve Injury. 13, 8-14 (2018).
- Singh, A. . The effects of tensile loading on mechanical, neurophysiological and morphological changes in spinal nerve roots. , (2006).
- Schneider, C. A., Rasband, W. S., Eliceiri, K. W. NIH Image to ImageJ: 25 years of image analysis. Nature Methods. 9 (7), 671-675 (2012).
- Eskandari, M., Arvayo, A. L., Levenston, M. E. Mechanical properties of the airway tree: Heterogeneous and anisotropic pseudoelastic and viscoelastic tissue responses. Journal of Applied Physiology. 125 (3), 878-888 (2018).
- Toby, E. B., Rotramel, J., Jayaraman, G., Struthers, A. Changes in the stress relaxation properties of peripheral nerves after transection. Journal of Hand Surgery. 24 (4), 694-699 (1999).
- Safshekan, F., Tafazzoli-Shadpour, M., Abdouss, M., Shadmehr, M. B. Viscoelastic properties of human tracheal tissues. Journal of Biomechanical Engineering. 139 (1), (2017).
- Singh, A. A new approach to teaching biomechanics through active, adaptive, and experiential learning. Journal of Biomechanical Engineering. 139 (7), 0710011-0710017 (2017).
- Singh, A., Ferry, D., Balasubramanian, S. Efficacy of clinical simulation based training in biomedical engineering education. Journal of Biomechanical Engineering. 141 (12), 121011-121017 (2019).
- Singh, A., Ferry, D., Mills, S. Improving biomedical engineering education through continuity in adaptive, experiential, and interdisciplinary learning environments. Journal of Biomechanical Engineering. 140 (8), 0810091-0810098 (2018).
- Singh, A., Ferry, D., Ramakrishnan, A., Balasubramanian, S. Using virtual reality in biomedical engineering education. Journal of Biomechanical Engineering. 142 (11), 111013 (2020).
- Majmudar, T., Balasubramanian, S., Magee, R., Gonik, B., Singh, A. In-vitro stress relaxation response of neonatal peripheral nerves. Journal of Biomechanical Engineering. 128, 110702 (2021).
- Orozco, V., Magee, R., Balasubramanian, S., Singh, A. A systematic review of the tensile biomechanical properties of the neonatal brachial plexus. Journal of Biomechanical Engineering. 143 (11), 110802 (2021).
- Singh, A. M. T., Magee, R., Gonik, B., Balasubramanian, S. Effects of pre-stretch on neonatal peripheral nerve: An in-vitro study. Journal of Brachial Plexus and Peripheral Nerve Injury. 17 (1), 1-9 (2022).
- Balasubramanian, S., D’Andrea, C., Viraraghavan, G., Cahill, P. J. Development of a finite element model of the pediatric thoracic and lumbar spine, ribcage, and pelvis with orthotropic region-specific vertebral growth. Journal of Biomechanical Engineering. 144 (10), 101007 (2022).
- Hadagali, P., Peters, J. R., Balasubramanian, S. Morphing the feature-based multi-blocks of normative/healthy vertebral geometries to scoliosis vertebral geometries: Development of personalized finite element models. Computer Methods in Biomechanics and Biomedical Engineering. 21 (4), 297-324 (2018).
- Singh, A. Available computational and physical models to understand the mechanisms of neonatal brachial plexus injury during shoulder dystocia. Open Access Journal of Neurology and Neurosurgery. 9 (4), 555768 (2019).
