Onderzoek naar stress-ontspanning en faalreacties in de Luchtpijp
Summary
Het huidige protocol bepaalt de trekspannings-ontspannings- en faaleigenschappen van varkenspijp. Resultaten van dergelijke methoden kunnen helpen het begrip van de visco-elastische en faaldrempels van de luchtpijp te verbeteren en de mogelijkheden van computationele modellen van het longsysteem te bevorderen.
Abstract
De biomechanische eigenschappen van de luchtpijp hebben direct invloed op de luchtstroom en dragen bij aan de biologische functie van het ademhalingssysteem. Het begrijpen van deze eigenschappen is van cruciaal belang voor het begrijpen van het letselmechanisme in dit weefsel. Dit protocol beschrijft een experimentele aanpak om het stress-ontspanningsgedrag van varkenspijpen te bestuderen die vooraf werden uitgerekt tot 0% of 10% spanning gedurende 300 s, gevolgd door mechanische trekbelasting tot falen. Deze studie geeft details over het experimentele ontwerp, data-acquisitie, analyses en voorlopige resultaten van de biomechanische testen van varkenstracheae. Met behulp van de gedetailleerde stappen in dit protocol en de MATLAB-code voor gegevensanalyse, kunnen toekomstige studies het tijdsafhankelijke visco-elastische gedrag van luchtpijpweefsel onderzoeken, wat van cruciaal belang is voor het begrijpen van de biomechanische reacties tijdens fysiologische, pathologische en traumatische omstandigheden. Bovendien zullen diepgaande studies van het biomechanische gedrag van de luchtpijp kritisch helpen bij het verbeteren van het ontwerp van gerelateerde medische hulpmiddelen zoals endotracheale implantaten die veel worden gebruikt tijdens operaties.
Introduction
Ondanks zijn cruciale rol bij longziekten, heeft de grootste luchtwegstructuur, de luchtpijp, beperkte studies die de visco-elastische eigenschappen ervan beschrijven1. Een diepgaand begrip van het tijdsafhankelijke, visco-elastische gedrag van de luchtpijp is van cruciaal belang voor longmechanicaonderzoek, omdat het begrijpen van de luchtwegspecifieke materiaaleigenschappen kan helpen de wetenschap van letselpreventie, diagnose en klinische interventie voor longziekten te bevorderen, die de derde belangrijkste doodsoorzaak zijn in de Verenigde Staten 2,3,4.
Beschikbare weefselkarakteriseringsstudies hebben de stijfheidseigenschappen van de luchtpijp 5,6,7,8 gerapporteerd. De tijdsafhankelijke mechanische reacties zijn minimaal onderzocht ondanks hun belang bij weefselremodellering, die ook wordt veranderd door pathologie 9,10. Bovendien beperkt het gebrek aan tijdsafhankelijke responsgegevens ook de voorspellende mogelijkheden van de computationele modellen van de longmechanica die momenteel hun toevlucht nemen tot het gebruik van de generieke constitutieve wetten. Er is behoefte om deze kloof aan te pakken door stress-ontspanningsstudies uit te voeren die de vereiste materiaalkenmerken kunnen bieden om biofysische studies van de luchtpijp te informeren. De huidige studie biedt details van testmethoden, data-acquisitie en data-analyses om het stress-ontspanningsgedrag van de varkenspijp te onderzoeken.
Protocol
Representative Results
Discussion
Zeer weinig studies hebben de stress-relaxatie-eigenschappen van de luchtpijpgemeld 21,23. Studies zijn nodig om ons begrip van de tijdsafhankelijke reacties van het tracheale weefsel verder te versterken. Deze studie biedt gedetailleerde stappen om dergelijke onderzoeken uit te voeren; voor betrouwbare tests moeten echter de volgende kritische stappen binnen het protocol worden gewaarborgd: (1) een goede weefselhydratatie, (2) vergelijkbare weefseltypeverdeling …
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Onderzoek gerapporteerd in deze publicatie werd ondersteund door het Eunice Kennedy Shriver National Institute of Child Health and Human Development van de National Institutes of Health onder awardnummer R15HD093024 en de National Science Foundation CAREER Award Number 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).
