Airway mechanics of mice and men

Abstract

In this thesis we explore and further develop several techniques used in the animal laboratory as well as in the clinical setting. In particular, we expand the understanding and usefulness of plethysmographic techniques in small rodents. Study I shows that the pressure signal from an un-restrained plethysmograph (UP) depends largely on heating and humidification of the inhaled air. This brings into question the utility of a popular application of UP known as enhanced pause (Penh) as a measure of lung mechanical function. We also developed a mathematical model of UP, that links plethysmograph pressure to respiratory resistance, showing that unless lung volume is either measure or controlled, UP cannot be used to infer changes in airway resistance. In Study II a novel plethysmographic technique was developed to measure lung volume in paralyzed mice. The approach was to gently squeeze the chest of the mouse while recording pressure changes in the plethysmograph and the lungs. A thermal artifact inside the plethysmograph was discovered and we developed a numerical method to correct for it. The values for lung volumes obtained in non-paralyzed mice were similar to those obtained with our new technique. This technique was then used in Study III together with measurements of lung impedance and micro-CT to phenotype a transgenic mouse over-expressing TNF-alpha in alveolar type II cells. The lungs of this mouse showed features commonly seen in COPD, including increased lung volume and loss of alveolar septa. However, the lung also showed features of fibrosis with changes in intrinsic tissue properties. We conclude that over-expression of TNF-alpha leads to a phenotype that shares features of several diseases. Finally, in Study IV, the forced oscillation technique previously used in animals was adapted for use in humans. We made the novel finding that smokers have significantly increased expiratory airway resistance. The forced oscillation technique may provide the only way to measure this resistive abnormality as conventional forced expiratory maneuvers did not reveal any changes.

Abstract (Swedish)

Popular Abstract in Swedish

I den här avhandlingen beskrivs några nyutvecklade tekniker för att mäta lungfunktion på såväl möss som människor. Varför behöver vi fler sätt att mäta hur lungorna fungerar? En anledning är att ju tidigare man upptäcker att något är fel med luftvägarna eller lungorna desto större är chansen att en behandling eller livsstilsförändring ska vara effektiv. Ett exempel är sjukdomen kronisk obstruktiv lungsjukdom (KOL), som är en av de vanligaste orsakerna till för tidig död. Detta är desto mera tragiskt eftersom den i de flesta fall är undvikbar; den orsakas till övervägande del av tobaksrökning. En tidig varningssignal till rökaren om att negativa förändringar av lungfunktionen har skett skulle kunna motivera både patienten och behandlande läkare att ta tag i problemen innan de blir för stora. För att göra detta behövs tekniker som med stor precision mäter t ex luftvägsmotstånd och lungvolym. Oscillationstekniken är ett sätt att mäta lungmekanik med en hittills oöverträffad precision och det är en teknik som blivit vanlig på senare år i djurlaboratorier. Vid en sådan mätning skickar man ner luftvågor av olika frekvens ner i luftvägarna medan tryck, flöde och volym mäts. Mätningen är helt oberoende av djurets eller människans egen andning. De lovande resultaten på djur har ännu inte överförts till människa med full framgång. Även om oscillationstekniken använts på människa under ett antal år så har den inte lyckats etablera sig och visat sig ge så mycket mera information till läkaren än redan etablerade tekniker.



För att kunna förstå de processer som leder fram till sjukdom hos människor utvecklar forskare modeller som så nära som möjligt försöker efterlikna den mänskliga situationen. I den här avhandlingen beskrivs ett antal modeller. I Studie I skärskådas en metod som används på många laboratorier för att mäta luftvägsreaktivitet hos bl a möss, den är känd under beteckningen förlängd paus (enhanced pause (Penh)). Tekniken är enkel att använda, man sätter ner en vaken mus i en plexiglasburk (pletysmograf) och mäter hur musens andning ger upphov till tryckförändringarna i pletysmografen. Utseendet på tryckförändringarna har påståtts vara ett mått på luftvägsmotståndet hos musen. Det har på senare år riktats kritik mot Penh i den vetenskapliga litteraturen och i Studie I så visar vi att pletysmograftrycket, och därmed Penh, beror till största delen på att luften som musen andas in befuktas och värms upp när djuret andas in. Detta leder till att svängningar av pletysmograftrycket inte har mycket att göra med luftvägsmotståndet. Endast om luftvägarna är kraftigt kontraherade bidrar luftvägsmotståndet till Penh. Detta betyder att om Penh mätt under en luftvägskontraktion relateras till Penh mätt under normaltillstånd så blir resultatet nonsens. Vi utvecklade också en matematisk modell som länkar pletysmograftrycket och luftvägsmotståndet till varandra. Vi fann att vi kan relatera tryckförändringarna i pletysmografen till luftvägsmotståndet förutsatt att vi samtidigt känner till volymen av pletysmografen, lungvolymen hos musen samt andningsvolymen hos musen. Vår modell skulle alltså fungera bra om vi visste att lungvolymen och andningsvolymen inte ändrar sig under mätningens gång. Det visade sig dock att lungvolymen ändrade sig markant när musen fick ett astmaliknande anfall.



I Studie II beskrivs ett nytt sätt att mäta lungvolym på sövda och paralyserade möss. Den vanligaste parametern som mäts i lungfunktionslaboratoriet är luftvägsmotstånd. Det har visat sig att lungvolymen har väldigt stor betydelse för hur stort luftvägsmotståndet är. Det finns också sjukdomsmodeller t ex av KOL där lungvolymsförändringar utgör en del av sjukdomsbilden eller patologin och då måste forskaren också kunna mäta lungvolymen på ett tillfredsställande sätt. Eftersom mössen i den här typen av försök vanligen är sövda och paralyserade så ventileras de av en ventilator. Detta omöjliggör användandet av den annars klassiska metoden som använts på människa sedan 1950-talet, nämnligen att man sitter i en pletysmograf och gör andningsrörelser medan trycket i luftvägarna och i pletysmografen mäts. Vi uppfann en metod där vi ersätter djurets egna muskelrörelser genom att lätt komprimera bröstkorgen med en mekanisk anordning och därigenom så genererar vi de nödvändiga tryckföränringarna i lungorna och pletysmografen. Det verkar trivialt, men vi fann att när man trycker på musens bröstkorg så släpper musens päls ut uppvärmd luft vilket ger upphov till värmefenomen i pletysmografen som ger utslag på pletysmograftrycket. Vi utvecklade en matematisk model som korrigerar för detta fenomen och gör det möjligt att mäta ett korrekt värde på musens lungvolym.



I Studie III sattes metoden från Studie II på prov i en sk sjukdomsmodell. Det är numera vanligt att forskare utvecklar djur som är transgena. Med detta menas att man har inplanterat en gen hos en stam av t ex möss. Denna gen kan sedan producera ett visst ämne inuti kroppen på djuren. Den nya genen blir en del av djurens arvsmassa och går vidare till avkomman. Vanligt är att man på detta sätt introducerar en gen som uttrycker något som man tror kan framkalla eller bidra till sjukdom. Här studerade vi hur en sådan inflammatorisk gen, tumor necrosis factor alpha (TNF-alfa), påverkar lungorna hos möss. I den här musen produceras TNF-alfa i stort överskott i en viss typ av lungceller som sitter i lungblåsorna. Detta leder till en lunginflammation. Andra forskare har hävdat att denna transgena musstam antingen är en modell av fibrotisk lungsjukdom eller att den är en modell av KOL. Vi fann att TNF-alfa orsakar fibros i lungorna men också lungemfysem (förstorade lungblåsor) och en kraftig inflammation. Vi baserar dessa slutsatser på resultat från oscillationsmekaniska mätningar som visar att lungans mekaniska egenskaper har försämrats signifikant men vi fann också i mikroskopiska preparat från lungorna att de hade signifikant fibros. Lungvolymen ökade kraftigt hos TNF-alfa mössen och de t.o.m. utvecklade en förstorad bröstkorg precis som en del KOL patienter gör. Det är kanske inte så konstigt att TNF-alfa orsakar en räcka olika effekter på lungorna hos mössen. Det har i andra studier visats att TNF-alfa ökar hos rökare och man har också funnit förhöjda nivåer av TNF-alfa hos patienter med lungfibros.



I Studie IV studerades effekten av rökning på lungfunktionen mätt med oscillationsteknik. Här modifierades den teknik som utvecklats för användning på djur för användning på människa. En fördel med den här tekniken är att patienten slipper göra några speciella andningsmanövrar utan kan sitta och andas normalt genom ett munstycke medan mätningen görs. Vi fann, som väntat, att patienter med KOL hade ett förhöjt luftvägsmotstånd. I förstone trodde vi inte att rökarna hade några mätbara förändringar, men när vi studerade luftvägsmotståndet separat vid inandning respektive utandning så visade det sig att rökarna har ett förhöjt luftvägsmotstånd vid utandning. Slutsatsen är att oscillationstekniken kan, till skillnad från traditionella metoder, upptäcka förändringar hos rökare som annars är helt symtomfria.



Slutligen utgör avhandlingen ett exempel på gränsöverskridande forskning både mellan möss och människor men också mellan länder och institutioner.

• author: Lundblad, Lennart
• supervisor: Per Wollmer
• opponent: Professor Hantos, Zoltan, University of Szeged, Hungary
• organization: Clinical Physiology and Nuclear Medicine, Malmö (research group)
• publishing date: 2005
• type: Thesis
• publication status: published
• subject: Radiology, Nuclear Medicine and Medical Imaging
• keywords: Fysiologi, radiologi, tomografi, tomography, medical instrumentation, Clinical physics, Medicin (människa och djur), Medicine (human and vertebrates), Penh, emphysema, airway resistance, gas conditioning, plethysmography, lung mechanics, Boyle's law, Physiology, medicinsk instrumentering, Klinisk fysiologi, radiology, enhanced pause, pulmonary fibrosis, micro computed tomography, forced oscillation technique, COPD
• in: Lund University Faculty of Medicine Doctoral Dissertation Series
• volume: 2005:56
• pages: 124 pages
• defense location: Malmö Universitets Sjukhus Diagnostiska Center, Entré 44, room 2005
• defense date: 2005-06-10 13:15:00
• ISSN: 1652-8220
• ISBN: 91-85439-61-4
• language: English
• LU publication?: yes
• additional info: Lennart K. A. Lundblad, C. G. Irvin, A Adler and J. H. T. Bates. 2002. A reevaluation of the validity of unrestrained plethysmography in mice. J. Appl. Physiol., vol 93 pp 1198-1207.; Lennart K.A. Lundblad, John Thompson-Figueroa, Timothy Leclair, Charles G. Irvin and Jason HT Bates. 2004. Thoracic gas volume measurements in paralyzed mice. Ann. Biomed. Eng., vol 32 pp 1420-1427.; Lennart K. A. Lundblad, John Thompson-Figueroa, Timothy Leclair, Charles G. Irvin and Jason H. T. Bates. 2005. TNF-alpha over-expression in lung disease: a single cause behind a complex phenotype AJRCCM Articles in Press., (inpress); Lennart K. A. Lundblad, Sophia Hansson, Ulf Nihlén, Claes-Göran Löfdahl, Charles G Irvin, Jason Bates and Per Wollmer. . Forced oscillation resistance: Effects of smoking and COPD on lung physiology. (manuscript) The information about affiliations in this record was updated in December 2015. The record was previously connected to the following departments: Clinical Physiology (013242300), Clinical Physiology and Nuclear Medicine Unit (013242320)
• id: 8927dc72-7ed2-439c-8eac-eeaf6eb9365f (old id 544750)
• date added to LUP: 2016-04-01 15:42:03
• date last changed: 2023-04-18 19:52:58