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Ganzkörper-Plethysmographie

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Ganzkörperplethysmographie - In-vivo-Analyse der Beatmungsfunktion bei Nagetieren

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Hintergrund

Stoffwechselkrankheiten, vor allem Fettleibigkeit, betreffen über 30 % der Weltbevölkerung und haben sich in den letzten Jahrzehnten zu einer großen Krise der öffentlichen Gesundheit entwickelt (Roger et al., 2020). Inzwischen leiden auch über 30 % der Weltbevölkerung an Bluthochdruck, und es gibt eine erhebliche Überschneidung zwischen diesen beiden Gruppen (Virani et al., 2021). Obwohl Herz-Kreislauf-Erkrankungen nach wie vor die häufigste Todesursache in den Vereinigten Staaten sind, stellt die American Heart Association fest, dass Fettleibigkeit und Bluthochdruck die wichtigsten Faktoren sind, die zu Herz-Kreislauf-Erkrankungen führen (Roger et al., 2020; Angel et al., 2020). Fettleibigkeit ist eine komplexe Krankheit, die durch ein energetisches Ungleichgewicht gekennzeichnet ist, das durch verschiedene Faktoren wie Genetik, Umwelt und Verhalten verursacht wird. Es wird geschätzt, dass die menschliche Fettleibigkeit aus einem anhaltenden Energieungleichgewicht von ≈ 7 kcal/d resultiert (dies entspricht einer typischen Umsatzrate von 2000 kcal/d von ≈ 0,35 %) (Hall et al., 2011). Daraus lässt sich ableiten, dass ein solch geringes chronisches Ungleichgewicht zu Fettleibigkeit führen kann, was darauf hindeutet, dass jeder Input- und Output-Mechanismus der Körpereffizienz eine entscheidende Rolle bei der Kontrolle des Energiehaushalts spielt und dass jeder Mechanismus eine potenzielle Rolle bei der Ursache und Behandlung von Fettleibigkeit spielt. Daher sind sorgfältige, strenge, reproduzierbare, umfassende und synchrone Forschungen zu allen am Energiefluss beteiligten Mechanismen erforderlich, um ihre Auswirkungen auf Stoffwechselkrankheiten wie Fettleibigkeit vollständig zu verstehen.

Im Jahr 2019 hat die Wisconsin School of Medicine (MCW) das Comprehensive Analysis Center for Rodent Metabolic Phenotypes (CRMPC) eingerichtet, um die Energie- und Flüssigkeitshomöostase von Nagetieren quantitativ und umfassend zu untersuchen und damit die Analyse der umfassenden Mechanismen komplexer Stoffwechselerkrankungen zu unterstützen. Ein bemerkenswertes Merkmal des CRMPC ist sein einzigartiges Instrument zur tiefen mechanischen Zerlegung des Ruhestoffwechsels von Nagetieren, einschließlich anaerober Aspekte, die nur wenige Einrichtungen zur Analyse von Stoffwechselphänotypen auswerten können. Die Forschung hat gezeigt, dass der menschliche Körper einer Gewichtsabnahme in erster Linie durch Anpassung (d. h. Hemmung) des RMR widersteht, und der anaerobe Stoffwechsel der Darmbakterien spielt eine wichtige Rolle im Energiestoffwechsel von Mensch und Tier. Dieser Effekt verschwindet jedoch weitgehend bei Fettleibigkeit. Daher ist es notwendig, einen routinemäßigen und präzisen Arbeitsablauf zur Bewertung des Status der Darmmikrobiota zu entwickeln und Techniken zur Bewertung des aeroben und anaeroben Stoffwechsels im Körper zu entwickeln und zu optimieren. In diesem Artikel wird der Arbeitsablauf in den Kooperationslabors des CRMPC und des MCW für eine umfassende Analyse des kardialen Stoffwechselphänotyps bei Nagetieren vorgestellt und die Vor- und Nachteile der entsprechenden Geräte für Forscher erörtert.

Es folgt eine detaillierte Einführung in die uneingeschränkte Ganzkörperplethysmographie und die damit verbundenen Instrumente und Geräte in den wichtigsten Technologien.

Unbeschränkte Ganzkörperplethysmographie

Objektiv

Der Gasaustausch und der Säure-Basen-Haushalt des Blutes stehen in engem Zusammenhang mit der Stoffwechselphysiologie. Die Kontrolle der Atmung durch das Hinterhirn steht in engem Zusammenhang mit der autonomen Kontrolle der kardiovaskulären Funktion durch den Hinterhirnmechanismus. Dies sind wichtige Grundlagen für die Untersuchung von Stoffwechselkrankheiten wie Fettleibigkeit. Daher müssen wir die quantitative Beatmungsfunktion von Nagetieren weiter untersuchen, was durch eine uneingeschränkte Ganzkörperplethysmographie erfolgen kann. Die Tiere werden in eine Kammer gesetzt, die einer Atemmesskammer ähnelt, und dann kontinuierlich einem Umgebungsluftgemisch mit veränderten und bekannten O2- und CO2-Werten ausgesetzt, um die Veränderungen der Atmungsparameter und Stoffwechselraten unter hypoxischen und hyperkapnischen Bedingungen zu bewerten.

Einführung

Die uneingeschränkte Ganzkörperplethysmographie (WBP) ist eine Technik zur Messung der Atemfrequenz und zur Schätzung des Tidalvolumens, die die Messung und Berechnung verschiedener Atmungsparameter wie der Minutenventilation ermöglicht. Diese Methode wurde ursprünglich von Drorbaugh und Fenn (1955) entwickelt, um die durch Ein- und Ausatmung verursachte Druckauslenkung zu messen. In einer geschlossenen Kammer herrschen ein konstanter Luftstrom (ein und aus) und eine konstante Kammertemperatur. Wenn ein Tier einatmet, wird die eintretende Luft erwärmt und befeuchtet, wodurch sich das Volumen ausdehnt und der Druck im Inneren der Kammer steigt. Die umgekehrte Situation tritt beim Ausatmen ein. Die Messung dieser Druckauslenkung kann kontinuierliche inspiratorische und exspiratorische Wellenformen für die anschließende Analyse und Quantifizierung von Atemfrequenz und Tidalvolumen liefern. Viele Teams haben diese Methode zur Messung der Atmung bei verschiedenen Tierarten angewandt, darunter bei bewussten Mäusen (Hodges et al., 2008; Hodges und Richerson, 2008) und Ratten jeden Alters (Mouratian et al., 2012, 2017, 2019). Kurz gesagt, Mäuse (jeden Alters) und Ratten (<22 Tage alt) wurden in spezielle 200ml- oder 10L-Plethysmographen gesetzt (wie in der obigen Abbildung gezeigt). Die Gaszufuhr- und -abflussraten sind ausgeglichen (150 ml/min) oder leicht in Richtung mehr Abfluss geneigt, um die Ansammlung von CO2 zu verhindern. Verschiedene Gase werden mit Hilfe eines Gasverteilers, der an die Gaseinlassöffnung angeschlossen ist, in die Kammer eingeleitet. Die Kammer wird mit einer temperaturgesteuerten Wärmequelle beheizt, um sicherzustellen, dass die Kammertemperatur 28-30 °C erreicht. Zur Messung der Druckabweichung wird ein Differenzdrucksensor (Validyne) in Volt-Einheiten verwendet, der während der Ein- und Ausatmung erzeugt wird, während die Temperatur und die relative Luftfeuchtigkeit (Omega) kontinuierlich gemessen werden. Das Analogsignal wird an den A/D-Wandler angeschlossen und mit einem Datenerfassungssystem mit einer Abtastrate von 200 Hz aufgezeichnet. Nach jedem Versuch wurde mit einem T-förmigen rektalen Thermoelement die rektale Temperatur jedes Tieres gemessen. Führen Sie eine Offline-Analyse der für jede Studie gesammelten Daten durch. Der Spitzenwert in jeder Beatmungswellenform wird mit der Option "Zyklusmessung" ermittelt. Verwenden Sie dann die Option "Höhenmessung", um die Spannungsabweichung vom Spitzenwert jeder Atemkurvenform zu ermitteln und zu messen. Verwenden Sie die Volumenkalibrierung, um Volt in Volumen (Milliliter) umzurechnen, und kalibrieren Sie auf der Grundlage von Tier- und Kammertemperatur, relativer Luftfeuchtigkeit und Umgebungsluftdruck, um das Tidalvolumen pro Atemzug zu schätzen. Drorbaugh und Fenn (1955) quantifizierten die Atemfrequenz mithilfe der Option "Zyklusmessung" von LabChart. Das Minutenventilationsvolumen (VE; ml/min) ist das Produkt aus Atemfrequenz (F; Atmung/min) und Tidalvolumen (VT; ml/Atmung). Alle für die Quantifizierung ausgewählten Beatmungswellenformen sind frei von Atem- (Pausen, Seufzer und Gerüche) und Bewegungsartefakten. Die gemessene Ventilation in jedem Zustand (Hypoxie oder Hyperkapnie) wird durch die Raumluftatmung geteilt und mit 100 % multipliziert, um die Empfindlichkeit des Atmungssystems gegenüber Sauerstoff und Kohlendioxid zu bewerten.

Vorteile und Nachteile

Die Ganzkörperplethysmographie ermöglicht eine minimalinvasive Beurteilung der Atmung, ohne dass eine Anästhesie erforderlich ist, und diese Methode kann mit anderen Methoden kombiniert werden. So kann das System beispielsweise auch mit Antennen für die drahtlose Telemetrie des Blutdrucks oder anderer Endpunkte und für die Manipulation von Stimulatoren für die Optogenetik ausgestattet werden. Der Nachteil dieser Methode ist, dass sie den Lungenwiderstand und die Compliance nicht bewerten kann.

Lösungen

Tow-Int Tech-Ganzkörper-Plethysmographie-System (WBP)

Das von Tow-Int Tech entwickelte Ganzkörper-Plethysmographiesystem (WBP) kann Messungen an bewussten und sich frei bewegenden Tieren durchführen, wie z. B. Atemfrequenz, Atemzugvolumen und Atemwegshyperreaktivität (AHR). Während des Testprozesses können die Tiere bei Bewusstsein und frei sein, wodurch die Auswirkungen eines traumatischen Luftröhrenschnitts und einer Anästhesie vermieden werden, was den experimentellen Prozess bequemer macht. Es wird verwendet, um die Reaktionsfähigkeit des Atmungssystems von Modelltieren auf Medikamente sowie die Pharmakologie und Toxikologie von Medikamenten für die Atemwege zu untersuchen. Es eignet sich besonders für schnelle Screening-Experimente an Großtieren, langfristige Tracking-Studien und wiederholtes Screening.

Merkmale - Tow-Int Tech WBP

Anwendbare Tiere: Mäuse, junge Mäuse, Ratten, Schweine mit Atemwegsparametern, Kaninchen, Hunde, Katzen, Miniaturschweine, Affen und andere Tiere

Ausgestattet mit einer Fütterungs- und Wasserzufuhrvorrichtung, um Langzeitexperimente zu erleichtern

Messkanäle: 1-64 Kanäle

Automatische Bias-Kontrollfunktion

Konfigurierbares Hochfrequenz-Oszillationszerstäubungssystem zur Medikamentenabgabe

Spezielle Struktur zur Rauschunterdrückung kann Störungen, die durch Umweltveränderungen verursacht werden, wirksam reduzieren

Rauschunterdrückung im Bias-Durchflussmesser, Verbesserung des Signal-Rausch-Verhältnisses und Verringerung des Systemrauschens

Unterstützt externen Stickstoff oder andere Gase, um Hypoxie-Experimente durchzuführen

Ausgestattet mit Analysesoftware, Daten können im Excel- oder txt-Format gespeichert werden

Die Software kann automatisch zwischen bis zu vier verschiedenen Gaskanälen umschalten und kann über einen externen Controller bedient werden

*Verschiedene professionelle Lösungen können je nach den experimentellen Bedürfnissen des Kunden angepasst werden

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