Pletismografia dell'intero corpo

Pletismografia del corpo intero - Analisi in vivo della funzione di ventilazione nei roditori

Sfondo

Le malattie metaboliche, soprattutto l'obesità, colpiscono oltre il 30% della popolazione mondiale e sono diventate una grave crisi di salute pubblica negli ultimi decenni (Roger et al., 2020). Nel frattempo, anche l'ipertensione è presente in oltre il 30% della popolazione globale e vi è una significativa sovrapposizione tra questi due gruppi (Virani et al., 2021). Sebbene le malattie cardiovascolari rimangano la principale causa di morte negli Stati Uniti, l'American Heart Association afferma che l'obesità e l'ipertensione sono i principali fattori che portano alle malattie cardiovascolari (Roger et al., 2020; Angel et al., 2020). L'obesità è una malattia complessa caratterizzata da uno squilibrio energetico causato da vari fattori quali la genetica, l'ambiente e il comportamento. Si stima che l'obesità umana derivi da uno squilibrio energetico sostenuto di ≈ 7 kcal/d (equivalente a un tasso di turnover tipico di 2000 kcal/d di ≈ 0,35%) (Hall et al., 2011). Da ciò si può dedurre che uno squilibrio cronico così piccolo può portare all'obesità, indicando che ogni meccanismo di input e output nell'efficienza corporea svolge un ruolo cruciale nel controllo del bilancio energetico e il ruolo potenziale di ogni meccanismo come causa e trattamento dell'obesità. Pertanto, è necessaria una ricerca attenta, rigorosa, riproducibile, completa e sincrona su tutti i meccanismi coinvolti nel flusso energetico per comprendere appieno il loro impatto sulle malattie metaboliche come l'obesità.

Nel 2019, la Wisconsin School of Medicine (MCW) ha istituito il Comprehensive Analysis Center for Rodent Metabolic Phenotypes (CRMPC) per valutare in modo quantitativo e completo l'omeostasi energetica e dei fluidi corporei dei roditori, al fine di contribuire all'analisi dei meccanismi complessi delle malattie metaboliche. Una caratteristica notevole del CRMPC è il suo strumento unico per la dissezione meccanica profonda del tasso metabolico a riposo (RMR) dei roditori, compresi gli aspetti anaerobici che poche strutture di analisi del fenotipo metabolico sono in grado di valutare. La ricerca ha dimostrato che il corpo umano resiste alla perdita di peso principalmente attraverso l'adattamento (cioè l'inibizione) del RMR e che il metabolismo anaerobico dei batteri intestinali svolge un ruolo significativo nel metabolismo energetico nell'uomo e negli animali. Tuttavia, questo effetto scompare in gran parte durante l'obesità. Pertanto, è necessario sviluppare un flusso di lavoro di routine e preciso per valutare lo stato del microbiota intestinale e sviluppare e ottimizzare le tecniche per valutare il metabolismo aerobico e anaerobico nell'organismo. Questo articolo presenta il flusso di lavoro dei laboratori collaborativi del CRMPC e del MCW per l'analisi completa del fenotipo metabolico cardiaco dei roditori e discute i vantaggi e gli svantaggi della progettazione delle apparecchiature correlate per i ricercatori.

Di seguito viene presentata un'introduzione dettagliata alla pletismografia corporea integrale non vincolata e ai relativi strumenti e apparecchiature delle principali tecnologie.

Pletismografia corporea integrale non vincolata

Obiettivo

Gli scambi gassosi e la chimica acido-base del sangue sono strettamente correlati alla fisiologia metabolica. Il controllo della respirazione da parte del mesencefalo è strettamente correlato al controllo autonomo della funzione cardiovascolare da parte del meccanismo del mesencefalo. Si tratta di basi importanti per lo studio di malattie metaboliche come l'obesità. Pertanto, è necessario studiare ulteriormente la funzione di ventilazione quantitativa dei roditori, che può essere effettuata mediante pletismografia corporea integrale non vincolata. Gli animali vengono collocati in una camera simile a una camera di misurazione respiratoria e poi esposti continuamente a una miscela di aria ambiente con livelli alterati e noti di O2 e CO2 per valutare i cambiamenti dei parametri respiratori e dei tassi metabolici in condizioni di ipossia e ipercapnia.

Introduzione

La pletismografia non vincolata su tutto il corpo (WBP) è una tecnica in grado di misurare la frequenza respiratoria e stimare il volume corrente, consentendo di misurare e calcolare vari parametri respiratori, come la ventilazione minuto. Questo metodo è stato inizialmente ideato da Drorbaugh e Fenn (1955) per misurare la deflessione della pressione causata dall'inspirazione e dall'espirazione. In una camera chiusa, il flusso d'aria (in entrata e in uscita) e la temperatura della camera sono costanti. Quando un animale inspira, l'aria che entra nell'animale viene riscaldata e umidificata, causando un'espansione del volume e un aumento della pressione all'interno della camera. La situazione opposta si verifica quando si espira. La misurazione di questa deflessione della pressione può fornire forme d'onda inspiratorie ed espiratorie continue per la successiva analisi e quantificazione della frequenza respiratoria e del volume corrente. Molti team hanno adottato questo metodo per misurare la respirazione in varie specie, tra cui topi coscienti (Hodges et al., 2008; Hodges e Richerson, 2008) e ratti di tutte le età (Mouratian et al., 2012, 2017, 2019). In breve, topi (di tutte le età) e ratti (di età inferiore ai 22 giorni) sono stati collocati in pletismografi personalizzati da 200 ml o 10 litri (come mostrato nella figura precedente). Le velocità di afflusso e deflusso del gas sono bilanciate (150 ml/min) o leggermente sbilanciate verso un maggior numero di deflussi per evitare l'accumulo di CO2. I diversi gas vengono iniettati nella camera utilizzando un collettore di gas collegato alla porta di ingresso del gas. Per riscaldare la camera, utilizzare una fonte di calore a temperatura controllata per garantire che la temperatura della camera raggiunga i 28-30°C. Per misurare la deviazione della pressione, si utilizza un sensore di pressione differenziale (Validyne) in unità di volt prodotte durante l'inspirazione e l'espirazione, misurando continuamente la temperatura e l'umidità relativa (Omega). Collegare il segnale analogico al convertitore A/D e registrarlo con un sistema di acquisizione dati a una frequenza di campionamento di 200 Hz. Dopo ogni esperimento, è stata utilizzata una termocoppia rettale a T per ottenere la temperatura rettale di ogni animale. Eseguire l'analisi offline dei dati raccolti per ogni studio. Il valore di picco in ogni forma d'onda di ventilazione viene identificato utilizzando l'opzione "misurazione del ciclo". Quindi, utilizzare l'opzione "misurazione dell'altezza" per identificare e misurare la deviazione della tensione dal picco di ciascuna forma d'onda del respiro. Utilizzare la calibrazione del volume per convertire i volt in volume (millilitri) e calibrare in base alla temperatura dell'animale e della camera, all'umidità relativa e alla pressione dell'aria ambiente per stimare il volume corrente per respiro. Drorbaugh e Fenn (1955) hanno quantificato la frequenza respiratoria utilizzando l'opzione "misurazione del ciclo" di LabChart. Il volume di ventilazione minuto (VE; ml/min) è il prodotto della frequenza respiratoria (F; respirazione/min) e del volume corrente (VT; ml/respirazione). Tutte le forme d'onda di ventilazione selezionate per la quantificazione sono prive di artefatti respiratori (pause, sospiri e odori) e di movimento. La ventilazione misurata durante qualsiasi stato (ipossia o ipercapnia) viene divisa per la respirazione dell'aria interna e moltiplicata per il 100% per valutare la sensibilità del sistema respiratorio all'ossigeno e all'anidride carbonica.

Vantaggi e svantaggi

La pletismografia del corpo intero può fornire una valutazione minimamente invasiva della respirazione senza bisogno di anestesia e questo metodo può essere riutilizzato con altri metodi. Ad esempio, il sistema è anche multiplexato con antenne per la telemetria wireless della pressione sanguigna o di altri endpoint e per la manipolazione di stimolatori per l'optogenetica. Lo svantaggio di questo metodo è che non può valutare la resistenza e la compliance polmonare.

Soluzioni

Tow-Int Tech-Sistema di pletismografia corporea (WBP)

Il sistema di pletismografia a corpo intero (WBP) sviluppato da Tow-Int Tech è in grado di effettuare misure su animali coscienti e in movimento, come la frequenza respiratoria, il volume tidalico e i test di iperreattività delle vie aeree (AHR). Durante il processo di sperimentazione, gli animali possono essere coscienti e liberi, evitando l'impatto della tracheostomia traumatica e dell'anestesia, rendendo il processo sperimentale più conveniente. Viene utilizzato per studiare la reattività degli animali modello del sistema respiratorio ai farmaci e la farmacologia e tossicologia dei farmaci respiratori. È particolarmente adatto per esperimenti di screening rapido di animali su larga scala, studi di monitoraggio a lungo termine e screening ripetitivi.

Caratteristiche-Tow-Int Tech WBP

Animali applicabili: topi, giovani topi, ratti, maiali con parametri respiratori, conigli, cani, gatti, maiali in miniatura, scimmie e altri animali

Dotato di un dispositivo di alimentazione e di ingresso dell'acqua per facilitare gli esperimenti a lungo termine

Canali di misura: 1-64 canali

Funzione di controllo automatico del bias

Sistema di atomizzazione ad oscillazione ad alta frequenza configurabile per la somministrazione di farmaci

La struttura speciale per la riduzione del rumore può ridurre efficacemente le interferenze causate dai cambiamenti ambientali

Può eseguire la riduzione del rumore nel flussimetro di polarizzazione, migliorando il rapporto segnale/rumore del segnale e riducendo il rumore del sistema

Supporta azoto esterno o altri gas per completare gli esperimenti di ipossia

Dotato di software di analisi, i dati possono essere salvati in formato Excel o txt

Il software può commutare automaticamente fino a quattro diversi canali di gas e può essere gestito tramite un controller esterno

*Varie soluzioni professionali possono essere personalizzate in base alle esigenze sperimentali del cliente

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