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Anwendung des Ganzkörperplethysmographie-Systems (WBP)

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bei der Untersuchung der Lungenfibrose

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Ganzkörper-Plethysmographie-System-WBP

Das Ganzkörper-Plethysmographiesystem kann die Atmungsparameter von bewussten und sich frei bewegenden Tieren messen, wie z. B. die Atemfrequenz, das Atemzugvolumen, die Hyperreaktivität der Atemwege (AHR), usw. Während des Tests kann das Tier bei Bewusstsein und ohne Einschränkungen sein, wodurch die Auswirkungen eines traumatischen Luftröhrenschnittes und einer Anästhesie vermieden werden, was den Versuchsprozess vereinfacht. Er wird verwendet, um die Reaktionsfähigkeit von Atemwegsmodell-Tieren auf Medikamente sowie die Pharmakologie und Toxikologie von Atemwegsmedikamenten zu untersuchen. Sie eignet sich besonders für groß angelegte, schnelle Erstscreening-Tests an Tieren, langfristige Folgestudien und wiederholte Screenings. Ganzkörper-Plethysmographiesysteme werden auch bei der Untersuchung der Lungenfibrose eingesetzt.

Hintergrund

Gegenwärtig nehmen Häufigkeit und Sterblichkeit von Lungenfibrose von Jahr zu Jahr zu. Gleichzeitig mangelt es in der klinischen Praxis noch an wirksamen Behandlungsmethoden. Studien haben gezeigt, dass mesenchymale Stammzellen Lungenentzündungen behandeln und das Fortschreiten der Lungenfibrose durch verschiedene Mechanismen lindern können, darunter parakrine Effekte, mitochondrialer Transfer und Induktion der Makrophagenpolarisierung. Die Stammzelltherapie steht jedoch noch immer vor Problemen wie der schwierigen Überwachung der Stammzellen nach der Transplantation, der kurzen Verweildauer in der Lunge und der geringen Überlebensrate.

Eine neue multifunktionale Sonde zur Unterstützung der Stammzelltherapie

Als Antwort auf die oben genannten Probleme hat das Team um den Forscher Chen Hangrong und den assoziierten Forscher Ma Ming vom Shanghai Institute of Ceramics, Chinese Academy of Sciences, die Strategie der "Metalloporphyrin-induzierten Multiskalen-Selbstmontage" angewandt, um eine neue multifunktionale Sonde zu konstruieren, die bei der Stammzelltherapie hilft. Die Kompositsonde besteht aus drei funktionellen Komponenten mit klinischem Anwendungspotenzial: Kobaltchloridprotoporphyrin (CoPP), Goldnanopartikel und superparamagnetische Fe3O4-Nanopartikel. Sie verwendet kupferfreie Klick-Chemie, um eine effiziente bioorthogonale Markierung von Stammzellen zu erreichen. Diese selbst zusammengesetzte Nanosonde benötigt keine zusätzlichen Träger und Tenside und kann die entsprechenden Funktionen der einzelnen Komponenten mit einer geringeren Dosis effektiv ausüben. Insbesondere die beiden Funktionen der CT-Kontrastdarstellung und der magnetischen Manipulation der Nanosonde lösen die Probleme der schwierigen Überwachung und der kurzen Verweildauer von Stammzellen in der Lunge; die Sonde verbessert effektiv die Überlebensrate und den Reparatureffekt von Stammzellen, indem sie das antioxidative Medikament CoPP langsam in der Mikroumgebung der Stammzellen freisetzt. Durch den weiteren Aufbau eines kleinen Tiermodells der Lungenfibrose wurde bestätigt, dass diese multifunktionale, durch eine selbst zusammengesetzte Nanosonde vermittelte Stammzelltherapie im Vergleich zu einer einzelnen Stammzellenbehandlungsgruppe die Fibrose-Symptome deutlich lindern und die Erholung der Lungenfunktion fördern kann und ein gutes klinisches Anwendungspotenzial hat.

Schematisches Diagramm der Vorbereitung der multifunktionalen Sonde; (b) Schematisches Diagramm der Sonde, die zur Markierung von Stammzellen und zur Behandlung von Lungenfibrose verwendet wird; (c) TEM-Bild der schalenförmigen multifunktionalen Sonde; (d) Hochwinkel-Ring-Dunkelfeldbild und Elementverteilungsbild; (e) Mikroskopisches Bild von Stammzellen, die durch die multifunktionale Sonde markiert wurden, der rote Pfeil zeigt die Sondenpartikel im Inneren der Zelle an.

Bleomycin-induzierte Lungenfibrose Modell

36 männliche C57BL/6-Mäuse wurden 1 Woche lang akklimatisiert und nach dem Zufallsprinzip in 6 Gruppen aufgeteilt: (1) Kontrolle, (2) PF, (3) PF + Kochsalzlösung, (4) PF + MSC, (5) PF + ASCP-BCN-markierte MSC, (6) PF + ASCP-BCN-markierte MSC + Magnet (n = 6). Die Lungenfibrose wurde mit Bleomycin (BLM) induziert. Die Mäuse wurden betäubt, und BLM (5 mg/kg) wurde in 100 μl steriler Kochsalzlösung aufgelöst und langsam über eine Endotrachealkanüle in das Tracheallumen injiziert. Mäusen in der Kochsalzgruppe wurden nur 100 μl sterile Kochsalzlösung verabreicht. Die oben genannten Schritte wurden am 7. Tag nach der Verabreichung wiederholt. Am 10. Tag nach der ersten BLM-Injektion wurden unmarkierte MSC und markierte MSC (1×106 Zellen pro Maus) in 100 μl Kochsalzlösung gegeben und intratracheal in die Mauslunge transplantiert. Tag nach der ersten BLM-Injektion intratracheal in die Lungen der Mäuse transplantiert. In der Gruppe PF + ASCP-BCN-markierte MSC + Magnet wurde ein NdFeB-Magnet an der Brust jeder Maus befestigt. Die Mäuse wurden am 28. Tag nach der ersten BLM-Injektion hingerichtet, und es wurde Lungengewebe gewonnen.

Transplantation von mesenchymalen Stammzellen aus dem Knochenmark

Am 28. Tag nach der ersten BLM-Injektion wurden die Mäuse gewogen und in ein WBP-Ganzkörperplethysmographiesystem gesetzt, um ihre Lungenfunktionsdaten aufzuzeichnen. Die Lungen der Mäuse wurden dann zur weiteren Identifizierung entnommen. Von jeder Maus wurde ein Lungenlappen entnommen, und das Blut auf der Oberfläche wurde vorsichtig abgewischt. Das Lungengewebe wurde gewogen und 72 Stunden lang bei 60 °C gebacken. Das trockene Lungengewebe wurde erneut gewogen, und das Verhältnis von feuchter zu trockener Lunge wurde bestimmt. Die HYP-Konzentration im Lungengewebe wurde mit dem HYP-Detektionskit nachgewiesen.

Therapeutische Wirkungen

Therapeutische Wirkungen von ASCP-BCN-markierten MSCs und magnetischer Manipulation auf PF

(a) Experimentelles Schema der MSC-Behandlung des Bleomycin-induzierten PF-Mausmodells. (b-e) Lungenfunktion von Mäusen ohne Behandlung (Kontrolle) und Knochenmark-induzierte PF-Maus-Modell mit verschiedenen Behandlungen (Kochsalzlösung, MSCs, ASCP-BCN-markierte MSCs und ASCP-BCN-markierte MSCs + magnetische Manipulation) für 28 Tage, dann die erste Injektion von Knochenmark:

(b) Atemzüge pro Minute, (c) 50% Vitalkapazität des exspiratorischen Flusses, (d) Spitzeninspirationsfluss, (e) Spitzenexspirationsfluss.

(f) Gehalt an HYP in der Lunge.

(g) Feucht-Trocken-Verhältnis der Lungen jeder Gruppe.

(h) Repräsentative H&E-Färbungsbilder, Masson-Trichrom-Färbungsbilder und α-SMA immunhistochemische Färbungsbilder von Lungenabschnitten der einzelnen Gruppen.

(i) Der Schweregrad der PF wurde anhand des Ashcroft-Scores bewertet, der der H&E-Färbung entspricht.

(j) Mit der Masson-Trichrom-Färbung wurde der Prozentsatz der Kollagenablagerungen in der Lunge bestimmt.

(k) Die immunhistochemische Färbung zeigt den Prozentsatz der α-SMA-positiven Zellen.

(l) Immunoblot-Analyse von α-SMA und TGF-β in Lungengeweben.

(m) Relative Expressionswerte der entsprechenden α-SMA- und TGF-β-Proteine.

Die therapeutische Wirkung von BMSCs auf PF

Um die Durchführbarkeit von ASCP-BCN-markierten BMSCs bei der Behandlung von PF zu bewerten, wurde ein Bleomycin (BLM)-induziertes Maus-PF-Modell verwendet. Die BLM-Intervention führte zu einer signifikanten Abnahme der Lungenfunktion bei Mäusen, die sich in einem Anstieg des Minutenvolumens (MV), des exspiratorischen Flusses bei 50 % Vitalkapazität (EF50), des Spitzeninspirationsflusses (PIF) und des Spitzenexspirationsflusses (PEF) zeigte. Die BMSC-Transplantation führte zu einer leichten Verringerung der oben genannten Lungenfunktionsparameter. Die ASCP-BCN-markierte BMSC-Transplantation und die magnetische Anziehung führten zu einer weiteren Verbesserung der oben genannten Lungenfunktions-Parameter, was darauf hindeutet, dass es eine wichtige Rolle bei der Förderung der therapeutischen Wirkung von BMSCs spielt. Insbesondere erreichten die Atemfrequenz und der Spitzen-Inspirationsfluss der Mäuse in der ASCP-BCN-markierten MSCs + magnetische Manipulationstransplantations-Gruppe fast die Werte der Kontrollgruppe. Noch wichtiger ist, dass die markierte MSC-Transplantation und die magnetische Manipulation nicht nur die Hydroxyprolin-Konzentration (HYP) in den fibrotischen Lungen verringerten, sondern auch das durch die Entzündung verursachte Verhältnis von feuchter zu trockener Lunge reduzierten.

Verwandte Forschung

Die Ergebnisse wurden kürzlich in der Zeitschrift Bioactive Materials (2023, 21, 129) unter dem Titel "Cobalt protoporphyrin-induced nano-self-assembly for CT imaging, magnetic-guidance, and antioxidative protection of stem cells in pulmonary fibrosis treatment" veröffentlicht.

Verwandte Links

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2452199X22003383

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1748013220300669

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