חקר מודלים ניסיוניים לתרומת איברים להשתלת ריאות
Summary
המחקר הנוכחי מראה את הקמתם של שלושה מודלים שונים של תרומת ריאות (תרומה לאחר מוות מוחי, תרומת מוות לאחר מחזור הדם ותרומת הלם לאחר דימומים). הוא משווה את התהליכים הדלקתיים וההפרעות הפתולוגיות הקשורות לאירועים אלה.
Abstract
מודלים ניסיוניים הם כלים חשובים להבנת התופעות האטיולוגיות המעורבות באירועים פתופיזיולוגיים שונים. בהקשר זה, מודלים שונים של בעלי חיים משמשים לחקר האלמנטים המפעילים את הפתופיזיולוגיה של תפקוד לקוי של השתל הראשוני לאחר ההשתלה כדי להעריך טיפולים פוטנציאליים. כיום, אנו יכולים לחלק מודלים ניסיוניים של תרומות לשתי קבוצות גדולות: תרומה לאחר מוות מוחי ותרומה לאחר דום דם. בנוסף, יש לשקול את ההשפעות המזיקות הקשורות להלם דימומי כאשר בוחנים מודלים של בעלי חיים של תרומת איברים. במאמר זה נתאר את הקמתם של שלושה מודלים שונים של תרומת ריאות (תרומת לאחר מוות מוחי, תרומת מוות לאחר מחזור הדם ותרומת הלם לאחר דימומים) ונשווה את התהליכים הדלקתיים וההפרעות הפתולוגיות הקשורות לאירועים אלה. המטרה היא לספק לקהילה המדעית מודלים אמינים של בעלי חיים של תרומת ריאות לחקר המנגנונים הפתולוגיים הקשורים וחיפוש מטרות טיפוליות חדשות כדי לייעל את מספר השתלים ברי קיימא להשתלה.
Introduction
רלוונטיות קלינית
השתלת איברים היא אפשרות טיפולית מבוססת היטב למספר פתולוגיות חמורות. בשנים האחרונות הושגו התקדמויות רבות בתחומים הקליניים והניסיוניים של השתלות איברים, כגון ידע רב יותר על הפתופיזיולוגיה של תפקוד לקוי של השתל הראשוני (PGD) והתקדמות בתחומי טיפול נמרץ, אימונולוגיה ופרמקולוגיה 1,2,3. למרות ההישגים והשיפורים באיכות ההליכים הכירורגיים והפרמקולוגיים הקשורים, הקשר בין מספר האיברים הזמינים למספר המושתלים ברשימת ההמתנה נותר אחד האתגרים העיקריים 2,4. בהקשר זה, הספרות המדעית הציעה מודלים של בעלי חיים לחקר טיפולים שניתן ליישם על תורמי איברים לטיפול ו/או שימור האיברים עד למועד ההשתלה 5,6,7,8.
על ידי חיקוי האירועים השונים שנצפו בפרקטיקה הקלינית, מודלים של בעלי חיים מאפשרים לחקור את המנגנונים הפתולוגיים הקשורים ואת הגישות הטיפוליות שלהם. האינדוקציה הניסיונית של אירועים אלה, ברוב המקרים הבודדים, יצרה מודלים ניסיוניים של תרומת איברים ורקמות הנחקרים באופן נרחב בספרות המדעית על השתלות איברים 6,7,8,9. מחקרים אלה משתמשים באסטרטגיות מתודולוגיות שונות, כגון אלה הגורמות למוות מוחי (BD), הלם דימומי (HS) ומוות במחזור הדם (CD), שכן אירועים אלה קשורים לתהליכים מזיקים שונים המסכנים את הפונקציונליות של האיברים והרקמות שנתרמו.
מוות מוחי (BD)
BD קשורה לסדרה של אירועים המובילים להידרדרות פרוגרסיבית של מערכות שונות. זה קורה בדרך כלל כאשר עלייה חריפה או הדרגתית בלחץ תוך גולגולתי (ICP) קורה עקב טראומה מוחית או דימום. עלייה זו ב- ICP מקדמת עלייה בלחץ הדם בניסיון לשמור על זרימת דם מוחית יציבה בתהליך המכונה רפלקסקושינג 10,11. שינויים חריפים אלה עלולים לגרום להפרעות בתפקוד הלב וכלי הדם, האנדוקריניות והנוירולוגיות הפוגעות בכמות ואיכות האיברים הנתרמים, בנוסף להשפעה על התחלואה והתמותה לאחר ההשתלה 10,11,12,13.
הלם דימומי (HS)
HS, בתורו, קשור לעתים קרובות עם תורמי איברים, שכן רובם קורבנות של טראומה עם אובדן משמעותי של נפח הדם. איברים מסוימים, כגון הריאות והלב, פגיעים במיוחד ל- HS עקב היפובולמיה וכתוצאה מכך היפופרפוזיה של רקמות14. HS גורם לפגיעה ריאתית באמצעות חדירות נימים מוגברת, בצקת וחדירה של תאים דלקתיים, מנגנונים שיחד פוגעים בחילוף הגזים ומובילים להידרדרות מתקדמת של איברים, וכתוצאה מכך משבשים את תהליך התרומה 6,14.
מוות במחזור הדם (CD)
השימוש בתרומת תקליטורים לאחר תרומת תקליטורים גדל באופן אקספוננציאלי במרכזים מרכזיים בעולם, ובכך תורם לגידול במספר האיברים שנאספו. איברים שנמצאו מתורמים לאחר CD פגיעים להשפעות של איסכמיה חמה, המתרחשת לאחר מרווח של אספקת דם נמוכה (שלב אגוני) או ללא אספקת דם (שלב אסיסטולי)8,15. Hypoperfusion או היעדר זרימת הדם יוביל היפוקסיה רקמות הקשורים אובדן פתאומי של ATP הצטברות של רעלים מטבוליים ברקמות15. למרות השימוש הנוכחי בו להשתלה בפרקטיקה הקלינית, נותרו ספקות רבים לגבי השפעת השימוש באיברים אלה על איכות השתל שלאחר ההשתלה ועל הישרדות המטופל15. לפיכך, השימוש במודלים ניסיוניים להבנה טובה יותר של הגורמים האטיולוגיים הקשורים לתקליטור גדל גם הוא 8,15,16,17.
מודלים ניסיוניים
ישנם מודלים ניסיוניים שונים לתרומת איברים (BD, HS ו-CD). עם זאת, מחקרים מתמקדים לעתים קרובות רק באסטרטגיה אחת בכל פעם. קיים פער ניכר במחקרים המשלבים או משווים בין שתי אסטרטגיות או יותר. מודלים אלה שימושיים מאוד בפיתוח טיפולים המבקשים להגדיל את מספר התרומות וכתוצאה מכך להקטין את רשימת ההמתנה של מושתלים פוטנציאליים. מיני בעלי החיים המשמשים למטרה זו משתנים ממחקר למחקר, כאשר מודלים חזיריים נבחרים בדרך כלל כאשר המטרה היא תרגום ישיר יותר עם הפיזיולוגיה של מורפו האנושי ופחות קושי טכני בהליך הכירורגי בשל גודל החיה. למרות היתרונות, קשיים לוגיסטיים ועלויות גבוהות קשורים למודל החזירי. מאידך גיסא, העלות הנמוכה והאפשרות למניפולציה ביולוגית מעדיפים את השימוש במודלים של מכרסמים, המאפשרים לחוקר להתחיל ממודל אמין להתרבות ולטפל בנגעים, כמו גם לשלב את הידע שנרכש בתחום השתלות האיברים.
כאן, אנו מציגים מודל מכרסמים של מוות מוחי, מוות במחזור הדם, ותרומת הלם דימומי. אנו מתארים תהליכים דלקתיים ומצבים פתולוגיים הקשורים לכל אחד מהמודלים הללו.
Protocol
Representative Results
Discussion
בשנים האחרונות, המספר ההולך וגדל של אבחונים של מוות מוחי הוביל אותה להיות הספקית הגדולה ביותר של איברים ורקמות המיועדים להשתלה. צמיחה זו, עם זאת, לוותה בגידול מדהים בתרומות לאחר מוות במחזור. למרות אופיו הרב-גורמי, רוב המנגנונים המפעילים של סיבות המוות מתחילים לאחר טראומה או מלווים אותה עם ?…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
אנו מודים ל- FAPESP (Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo) על מתן התמיכה הכספית.
Materials
| 14-gauge angiocath | DB | 38186714 | Orotracheal intubation |
| 2.0-silk | Brasuture | AA553 | Tracheal tube fixation |
| 24-gauge angiocath | DB | 38181214 | Arterial and venous access |
| 4.0-silk | Brasuture | AA551 | Fixation of arterial and venous cannulas |
| Alcoholic chlorhexidine digluconate solution (2%). | Vic Pharma | Y/N | Asepsis |
| Trichotomy apparatus | Oster | Y/N | Clipping device |
| Precision balance | Shimadzu | D314800051 | Analysis of the wet/dry weight ratio |
| Barbiturate (Thiopental) | Cristália | 18080003 | DC induction |
| Balloon catheter (Fogarty-4F) | Edwards Life Since | 120804 | BD induction |
| Neonatal extender | Embramed | 497267 | Used as catheters with the aid of the 24 G angiocath |
| FlexiVent | Scireq | 1142254 | Analysis of ventilatory parameters |
| Heparin | Blau Farmaceutica SA | 7000982-06 | Anticoagulant |
| Isoflurane | Cristália | 10,29,80,130 | Inhalation anesthesia |
| Micropipette (1000 µL) | Eppendorf | 347765Z | Handling of small- volume liquids |
| Micropipette (20 µL) | Eppendorf | H19385F | Handling of small- volume liquids |
| Microscope | Zeiss | 1601004545 | Assistance in the visualization of structures for the surgical procedure |
| Multiparameter monitor | Dixtal | 101503775 | MAP registration |
| Motorized drill | Midetronic | MCA0439 | Used to drill a 1 mm caliber borehole |
| Neubauer chamber | Kasvi | D15-BL | Cell count |
| Pediatric laryngoscope | Oxygel | Y/N | Assistance during tracheal intubation |
| Syringe (3 mL) | SR | 3330N4 | Hydration and exsanguination during HS protocol |
| Pressure transducer | Edwards Life Since | P23XL | MAP registration |
| Metallic tracheal tube | Biomedical | 006316/12 | Rigid cannula for analysis with the FlexiVent ventilator |
| Isoflurane vaporizer | Harvard Bioscience | 1,02,698 | Anesthesia system |
| Mechanical ventilator for small animals (683) | Harvard Apparatus | MA1 55-0000 | Mechanical ventilation |
| xMap methodology | Millipore | RECYTMAG-65K-04 | Analysis of inflammatory markers |
References
- Paterno, F., et al. Clinical implications of donor warm and cold ischemia time in donor after circulatory death liver transplantation. Liver Transplantation. 25 (9), 1342-1352 (2019).
- Yusen, R. D., et al. The registry of the International Society for heart and lung transplantation: thirty-third adult lung and heart-lung transplant report-2016; focus theme: primary diagnostic indications for transplant. The Journal of Heart and Lung Transplantation. 35 (10), 1170-1184 (2016).
- Jung, H. Y., et al. Comparison of transplant outcomes for low-level and standard-level tacrolimus at different time points after kidney transplantation. Journal of Korean Medical Science. 34 (12), e103 (2019).
- Cypel, M., et al. The International Society for heart and lung transplantation donation after circulatory death registry report. The Journal of Heart and Lung Transplantation. 34 (10), 1278-1282 (2015).
- Drake, M., Bernard, A., Hessel, E. Brain death. Surgical Clinics of North America. 97 (6), 1255-1273 (2017).
- Nepomuceno, N. A., et al. Effect of hypertonic saline in the pretreatment of lung donors with hemorrhagic shock. Journal of Surgical Research. 225, 181-188 (2018).
- Menegat, L., et al. Evidence of bone marrow downregulation in brain-dead rats. International Journal of Experimental Pathology. (3), 158-165 (2017).
- Iskender, I., et al. Effects of warm versus cold ischemic donor lung preservation on the underlying mechanisms of injuries during ischemia and reperfusion. Transplantation. (5), 760-768 (2018).
- Cypel, M., et al. Normothermic ex vivo perfusion prevents lung injury compared to extended cold preservation for transplantation. American Journal of Transplantation. 9 (10), 2262-2269 (2009).
- Wauters, S., et al. Evaluating lung injury at increasing time intervals in a murine brain death model. Journal of Surgical Research. 183 (1), 419-426 (2013).
- Smith, M. Physiologic changes during brain stem death–lessons for management of the organ donor. The Journal of Heart and Lung Transplantation. 23 (9), S217-S222 (2004).
- Belhaj, A., et al. Mechanical versus humoral determinants of brain death-induced lung injury. PLoS One. 12 (7), e0181899 (2017).
- Kolkert, J. L., et al. The gradual onset brain death model: a relevant model to study organ donation and its consequences on the outcome after transplantation. Laboratory Animals. 41 (3), 363-371 (2007).
- Rocha-E-Silva, M. Cardiovascular effects of shock and trauma in experimental models: A review. Revista Brasileira de Cirurgia Cardiovascular. 31 (1), 45-51 (2016).
- Manara, A. R., Murphy, P. G., O’Callaghan, G. Donation after circulatory death. British Journal of Anaesthesia. 108, i108-i121 (2012).
- Dhital, K. K., et al. Adult heart transplantation with distant procurement and ex-vivo preservation of donor hearts after circulatory death: a case series. The Lancet. 385 (9987), 2585-2591 (2015).
- Boucek, M. M., et al. Pediatric heart transplantation after declaration of cardiocirculatory death. The New England Journal of Medicine. 359 (7), 709-714 (2008).
- Kramer, A. H., Baht, R., Doig, C. J. Time trends in organ donation after neurologic determination of death: a cohort study. CMAJ Open. 5 (1), E19-E27 (2017).
- Reino, D. C., et al. Trauma hemorrhagic shock-induced lung injury involves a gut-lymph-induced TLR4 pathway in mice. PLoS One. 6 (8), e14829 (2011).
- Pascual, J. L., et al. Hypertonic saline resuscitation of hemorrhagic shock diminishes neutrophil rolling and adherence to endothelium and reduces in vivo vascular leakage. Annals of Surgery. 236 (5), 634-642 (2002).
- Van Zanden, J. E., et al. Rat donor lung quality deteriorates more after fast than slow brain death induction. PLoS One. 15 (11), e0242827 (2020).
- Shivalkar, B., et al. Variable effects of explosive or gradual increase of intracranial pressure on myocardial structure and function. Circulation. 87 (1), 230-239 (1993).
- López-Aguilar, J., et al. Massive brain injury enhances lung damage in an isolated lung model of ventilator-induced lung injury. Critical Care Medicine. 33 (5), 1077-1083 (2005).
- Catania, A., Lonati, C., Sordi, A., Gatti, S. Detrimental consequences of brain injury on peripheral cells. Brain, Behavior, and Immunity. 23 (7), 877-884 (2009).
- McKeating, E. G., Andrews, P. J., Mascia, L. Leukocyte adhesion molecule profiles and outcome after traumatic brain injury. Acta Neurochirurgica Supplement. 71, 200-202 (1998).
- Ott, L., McClain, C. J., Gillespie, M., Young, B. Cytokines and metabolic dysfunction after severe head injury. Journal of Neurotrauma. 11 (5), 447-472 (1994).
- Avlonitis, V. S., Wigfield, C. H., Kirby, J. A., Dark, J. H. The hemodynamic mechanisms of lung injury and systemic inflammatory response following brain death in the transplant donor. American Journal of Transplantation. 5 (4), 684-693 (2005).
- De Jesus Correia, C., et al. Hypertonic saline reduces cell infiltration into the lungs after brain death in rats. Pulmonary Pharmacology & Therapeutics. 61, 101901 (2020).
- Kalsotra, A., Zhao, J., Anakk, S., Dash, P. K., Strobel, H. W. Brain trauma leads to enhanced lung inflammation and injury: evidence for role of P4504Fs in resolution. Journal of Cerebral Blood Flow & Metabolism. 27 (5), 963-974 (2007).
- Simas, R., Zanoni, F. L., Silva, R., Moreira, L. F. P. Brain death effects on lung microvasculature in an experimental model of lung donor. Journal Brasileiro de Pneumologia. 46 (2), e20180299 (2020).
- Moore, K. The physiological response to hemorrhagic shock. Journal of Emergency Nursing. 40 (6), 629-631 (2014).
- Fülöp, A., Turóczi, Z., Garbaisz, D., Harsányi, L., Szijártó, A. Experimental models of hemorrhagic shock: a review. European Surgical Research. 50 (2), 57-70 (2013).
- Hillen, G. P., Gaisford, W. D., Jensen, C. G. Pulmonary changes in treated and untreated hemorrhagic shock. I. Early functional and ultrastructural alterations after moderate shock. The American Journal of Surgery. 122 (5), 639-649 (1971).
- Sprung, J., Mackenzie, C. F., Green, M. D., O’Dwyer, J., Barnas, G. M. Chest wall and lung mechanics during acute hemorrhage in anesthetized dogs. Journal of Cardiothoracic and Vascular Anesthesia. 11 (5), 608-612 (1997).
- Liu, X., et al. Inhibition of BTK protects lungs from trauma-hemorrhagic shock-induced injury in rats. Molecular Medicine Reports. 16 (1), 192-200 (2017).
- Maeshima, K., et al. Prevention of hemorrhagic shock-induced lung injury by heme arginate treatment in rats. Biochemical Pharmacology. 69 (11), 1667-1680 (2005).
- Gao, J., et al. Effects of different resuscitation fluids on acute lung injury in a rat model of uncontrolled hemorrhagic shock and infection. The Journal of Trauma. 67 (6), 1213-1219 (2009).
- Wohlauer, M., et al. Nebulized hypertonic saline attenuates acute lung injury following trauma and hemorrhagic shock via inhibition of matrix metalloproteinase-13. Critical Care Medicine. 40 (9), 2647-2653 (2012).
- Morrissey, P. E., Monaco, A. P. Donation after circulatory death: current practices, ongoing challenges, and potential improvements. Transplantation. 97 (3), 258-264 (2014).
- Snell, G. I., Levvey, B. J., Levin, K., Paraskeva, M., Westall, G. Donation after brain death versus donation after circulatory death: lung donor management issues. Seminars in Respiratory and Critical Care Medicine. 39 (2), 138-147 (2018).
- Iskender, I., et al. Effects of warm versus cold ischemic donor lung preservation on the underlying mechanisms of injuries during ischemia and reperfusion. Transplantation. 102 (5), 760-768 (2018).
- Yamamoto, S., et al. Activations of mitogen-activated protein kinases and regulation of their downstream molecules after rat lung transplantation from donors after cardiac death. Transplantation Proceedings. 43 (10), 3628-3633 (2011).
- Kang, C. H., et al. Transcriptional signatures in donor lungs from donation after cardiac death vs after brain death: a functional pathway analysis. The Journal of Heart and Lung Transplantation. 30 (3), 289-298 (2011).
