Measuring Breathing Patterns in Mice Using Whole-body Plethysmography

Abstract

Respiratory dysfunction is among the main cause of severe and fatal pathologies worldwide. The use of effective experimental models and methodologies for the study of the pulmonary pathophysiology is necessary to prevent, control and cure these diseases. Plethysmography, a technique for the assessment of lung function, has been widely applied in mice for the characterization of respiratory physiology. However, classical plethysmography methods present technical limitations such as the use of anesthesia and animal immobilization. Whole-body plethysmography (WBP) avoids these issues providing a non-invasive approach for the assessment of the respiratory function in conscious animals. WBP relies on the recording of pressure changes that are produced by the spontaneous breathing activity of an animal placed inside an airtight chamber. During normal respiration, pressure variation is directly proportional to the respiratory pattern of the animal allowing the measurement of the respiratory rate and tidal volume. These parameters are commonly used to evaluate pulmonary function in different physiological and disease models. In contrast to classical plethysmography methods, WBP technique allows reproducible serial measurements as it avoids animal restraint or the use of anesthesia. These key features rend WBP a suitable approach for longitudinal studies allowing the assessment of progressive respiratory alterations in physiological and pathological conditions. This protocol describes the procedures for the measurement of the breathing patterns in mice using the WBP method, the data analysis and results interpretation., [摘要] 呼吸功能障碍是全世界严重和致命病理的主要原因之一。为了预防，控制和治愈这些疾病，必须使用有效的实验模型和方法来研究肺部病理生理。脉搏描记术是一种评估肺功能的技术，已广泛应用于小鼠，以表征呼吸生理。但是，传统的容积描记法存在技术限制，例如使用麻醉和固定动物。全身体积描记法（WBP）避免了这些问题，从而为评估清醒动物的呼吸功能提供了一种非侵入性方法。WBP依靠记录气密性室内放置的动物的自发呼吸活动所产生的压力变化。在正常呼吸过程中，压力变化与动物的呼吸模式成正比，从而可以测量呼吸频率和潮气量。这些参数通常用于评估不同生理和生理状况下的肺功能sease模型。与传统的体积描记法相比，WBP技术可避免动物束缚或使用麻醉，因此可重复进行系列测量。这些关键特征使WBP成为进行纵向研究的合适方法，从而可以评估生理和病理状况下进行性呼吸改变。该协议描述了使用WBP方法测量小鼠呼吸模式的程序，数据分析和结果解释。[背景] 呼吸系统疾病是导致残疾的主要原因，也是全球范围内的第三大死亡原因。为了应对这些疾病的预防，控制和治疗，需要在该领域进行基础研究（国际呼吸学会论坛，2017）。动物模型，例如鼠模型，由于其特征明确的基因组，改良的基因工程动物，繁殖周期短，成本效益高以及众所周知的免疫系统而在研究中非常有用（Gelfand，2002；Persson， 2002； Irvin 和Bates ，2003）。尽管小鼠很小，但他们对肺力学和在正常状况以及疾病中的功能的理解产生了冲突（Bates，2017）。 全身体积描记法（WBP）是一项可以分析呼吸功能的技术。这是一种无创，精确的方法，不需要麻醉，因为鼠标不受约束且意识清醒。因此，由于未应用仪器约束和/或麻醉，因此用WBP在小鼠中获得的呼吸参数反映了基础生理值（Lim 等，2014 ；Quindry 等，2016）。值得注意的是，这些实验条件是在纵向研究中使用WBP的关键（Cramer 等，2015; Flanagan 等，2019）。此外，小鼠中的WBP是一项行之有效的技术，已被用于研究呼吸功能的广泛生物学方面，从而为控制与睡眠有关的神经元网络控制呼吸节律提供了新见解（Crone 等人，2012）。呼吸障碍（Bastianini 等，2017）或炎症在呼吸控制中的作用（Giannakopoulou 等，2019）。 在WBP期间，将鼠标放置在密闭的房间中，在其中它可以自由移动并自发呼吸。吸气和呼气周期会由于肺部气体压缩和膨胀以及进入呼吸道的空气温度和湿度变化而改变腔室压力（Lundblad 等，2002； Lim 等，2014）。 ；贝茨（Bates），2017年）。呼吸频率和潮气量可根据腔室压力参数（周期和大小）的变化进行测量（Lundblad 等，2002; Adler 等，2004; Bates，2017）。 其他传统的体积描记法要求将动物固定（双腔室体积描记法，DCP），或在无意识的小鼠中进行侵入性手术（强迫振荡技术，FOT），这不允许动物康复。D CP由两个腔室组成，在两个腔室中将动物的头部和胸部分开（Mailhot-Larouche et al。，2018）。由于约束引起的压力，需要在习得数据之前进行习性。约束是众所周知的主要压力源，它会改变呼吸参数（Buynitsky 和Mostofsky ，2009年），这可能会混淆结果的解释。肺力学中另一种广泛使用的方法是FOT，它要求受试者的呼吸系统在机械通气期间保持被动（McGovern 等，2013）。这是通过麻醉药和气管切开术实现的。由于受控的实验条件，强迫振荡技术可提供可重复且详细的数据，尽管这些条件远离生理状态（Mailhot-Larouche 等人，2018）。 与传统的体积描记技术相比，WBP为评估呼吸功能提供了更加通用和可重现的工具。此外，人体体积描记术是一种确定人类肺功能的成熟技术（Criée 等，2011）。因此，人类的呼吸系统疾病，例如哮喘和肺纤维化，可以通过小鼠全身体积描记法进行建模（Finkelman，2008；Vaickus 等，2010；Milton 等，2012）。WBP还可以通过低氧和高氧模型进行肺力学研究，测量感染因子，过敏原致敏研究和麻醉功能（Detweiler 等人，2018; Hill 等人，2018;Ortega-Sáenz 等人，2018; Receno 等人。，2019），其可逐步监控。此外，WBP可用于研究呼吸功能的变化，这可能是继发性呼吸障碍疾病（例如Leigh综合征）的关键临床体征（Quintana 等人，2012; Bolea 等人，2019）。

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