Intravenous administration of endotoxin reliably elicits dose-dependent physiological and immunological alterations consistent with several pathological states. This reductionist approach permits the investigation, modeling and experimental modification of systemic inflammation and its downstream effects in man.
L'activation des voies de l'inflammation est un mécanisme central dans plusieurs états pathologiques aigus et chroniques. Déclenchée par l'intermédiaire d'une ou l'autre agent pathogène ou des motifs moléculaires des lésions tissulaires associées, les voies biochimiques communes conduisent à des altérations conservées physiologiques et immunologiques encore variables. devrait Dissection et la délimitation des déterminants et des mécanismes sous-jacents variance phénotypique en réponse à donner de nouvelles avancées thérapeutiques.
Intraveineux (IV) l' administration d'endotoxine (lipopolysaccharide bactérienne Gram négatif), un récepteur spécifique 4 agoniste de type Toll, représente un modèle d'inflammation systémique in vivo chez l' homme. National Institutes pour la santé clinique Centre endotoxine de référence (CCRE, Escherichia coli O 113: H10: K négatif) est utilisé pour générer de manière fiable et reproductible vasculaire, hématologiques, endocriniens, effets fonctionnels et immunologiques spécifiques d'organes de ce parallèle, à des degrés divers,celles observées dans les premiers stades d'états pathologiques. Altération de la dose (0,06 à 4 ng / kg) et de l' échelle de temps d'exposition (bolus vs perfusion) permet la réplication de l' une inflammation aiguë ou chronique et une gamme de gravité pour être obtenue, avec des doses plus élevées (2-4 ng / kg ) étant fréquemment utilisé pour créer un état 'sepsis-like'. Créé et composés médicinaux nouveaux peuvent en outre être administrés avant ou après l'endotoxine exposition à apprécier leur effet sur la cascade inflammatoire. Malgré les limites de périmètre et généralisables, défi IV de l'endotoxine humaine offre une plate-forme unique pour mieux comprendre mécanistes dans les réponses physiologiques inductibles et les voies inflammatoires. Rationnellement employé, il peut aider la traduction de ces connaissances en innovations thérapeutiques.
L'inflammation des différentes étiologie, la gravité et la durée constitue un élément central dans la pathologie des maladies multiples. Allant des états de maladie grave comme la septicémie ou d'un traumatisme où sévère, l'inflammation relativement courte durée prédomine, aux maladies chroniques, y compris diabète de type 2, l'athérosclérose et la maladie d'Alzheimer où le tonus inflammatoire de bas niveau persistant est considéré comme un facteur pathologique, les voies inflammatoires dérégulés sont un facteur clé de la morbidité et de la mortalité globale de 1,2.
L' inflammation est déclenchée par la présence de motifs moléculaires associés à des pathogènes (PAMP) ou des motifs de danger associé moléculaire (amortit) – composants couramment intracellulaires libérés par une lésion tissulaire 3-5. Ces motifs moléculaires lient les récepteurs de reconnaissance des formes conservées (PRR), tels que Toll-like récepteurs (TLR) trouvés sur les cellules épithéliales, les cellules endothéliales et celles des sys immunitaires innéestem, pour déclencher la signalisation intracellulaire en aval des filières communes 6. L' activation du facteur de transcription nucléaire du facteur nucléaire kB, entre autres, conduit à la transcription des gènes codant pour des cytokines pro-inflammatoires qui établissent la cascade inflammatoire 7.
Inflammation induit deux effets locaux et systémiques visant à isoler et éliminer l'insulte primaire. modifications locales comprennent la régulation des marqueurs d'adhésion, chimiokine libération, la vasodilatation et une perméabilité vasculaire accrue pour faciliter innée transmigration des cellules immunitaires. Le système du complément et de la coagulation sont également activés. Systémique, de multiples changements physiologiques spécifiques d'organes sont observés, orchestrée par le réseau neuroendocrine. Des augmentations significatives des médiateurs humoraux se produisent et le profil de cellule de circulation change radicalement. L'échec de l'inflammation de cesser et de l'homéostasie être rétablie peuvent être dues à la persistance des stimuli déclenchant ouun échec de la résolution dédiée pathways 8. Ces mécanismes puissants, souvent coordonnés par des médiateurs lipidiques peuvent être eux – mêmes pathogènes 9,10.
Etude de la réponse inflammatoire et ces étapes clés de réglementation dans la population clinique est difficile. Démographique (âge, sexe, origine ethnique), temporel (temps d'apparition, la durée d'exposition) et la variance clinique (type de stimuli initiateurs, la gravité de l'insulte, la charge de co-morbidité, intervention thérapeutique) empêcher l'accès à des voies biologiques clés. La solution traditionnelle a été d'utiliser des modèles animaux. Malgré offrant de multiples avantages, leur similitude fondamentale pour physiopathologie humaine 11,12 et la pertinence de leur production, est venu sous une surveillance accrue 13-15. Une alternative est d'employer des modèles humains réductionnistes.
Développé à la fin des années 1960, par voie intraveineuse (IV) l'administration d'endotoxine à l'homme offre une plate-forme vitale à travers laquelleà découvrir, délimiter et voies inflammatoires potentiellement médicaments 16-19. Endotoxine (lipopolysaccharide utilisé comme synonyme de [LPS] dans cet article) est un puissant agoniste de TLR4 qui déclenche la cascade inflammatoire d'une manière dépendant de la dose. Injecté soit comme un bolus ou une perfusion, il peut donc être utilisé pour modéliser à la fois de bas niveau et de l'inflammation systémique modérée de durée variable. La réponse inflammatoire courte durée résultante évaluation d'une seule composante de la très complexe interaction hôte-pathogène qui se développe pendant une infection bactérienne permet. Bien que non un modèle de choc, IV défis d'endotoxine provoque des réponses qui semblent reproduire les premiers stades de l'infection. L'élimination des obstacles traductionnelles inter-espèces et en imitant précisément le phénotype clinique qualitativement sinon quantitativement, il offre une interprétation en temps réel des influences inflammatoires, les conséquences et la possibilité de tester des interventions. Endotoxine peut également être administré endobronchially 20, intradermique 21 ou en combinaison avec 22 le LPS IV pour explorer les réponses inflammatoires locales dans les différents compartiments. D' autres méthodes moins largement utilisés comprennent la perfusion de cytokines pro-inflammatoires proximales telles que le facteur de nécrose tumorale α (TNF) et l' interleukine (IL) 6 19. Ceux – ci ne seront pas discutées davantage ici.
Comme l'a démontré ici et amplement décrit dans les articles de revue récents, défi IV de l'endotoxine humaine est une plate-forme expérimentale unique, offrant un aperçu des voies inflammatoires qui sous-tendent une vaste gamme de maladies humaines. Permettre au contrôle, l'induction reproductible de l'inflammation systémique, le modèle permet d'accéder aux phases initiales de la cascade inflammatoire, éliminant les facteurs de confusion potentiels.
Les réponses des participants peuvent être modulées par rapport à la gravité et de la durée, et l'influence génomique sur leur présentation phénotypique évalué. En outre, le modèle peut servir de banc d'essai pour la thérapeutique, non seulement ceux contre le ligand LPS lui-même, mais induite par le LPS des voies et des médiateurs des deux phases aiguës et de résolution de l'inflammation de signalisation. Cela peut inclure des agents ciblés à la restauration de la tolérance à l'endotoxine, un état hyporéactivité du système immunitaire qui porte des similitudes avec la maladie critique-induced immunoparalysie 33,34 Capable de reproduire les caractéristiques clés des deux aiguës 16 et 27 l' inflammation chronique non seulement à un niveau physiologique / fonctionnel , mais aussi un transcriptomique un 35, le défi de l' endotoxine IV a apparemment un rôle clé à jouer dans la traduction des découvertes scientifiques de base à la pratique clinique. Lorsqu'il est couplé à une enquête dirigée dans des modèles animaux appropriés capables de reproduire plus étroitement les réponses physiopathologiques des états pathologiques spécifiques (par exemple, la ligature du caecum murin et à la perforation et la septicémie) ce paradigme expérimental peut être particulièrement puissant.
Sécurité des participants dans tout modèle sain volontaire humain est primordial. Défi IV de l' endotoxine a été administré dans la gamme de dose plus élevée de 2 – 4 ng / kg à des milliers de personnes avec, à notre connaissance et d' autres auteurs, aucun événement indésirable grave ou permanents (communication personnelle, le Dr Anthony Suffredini) 19. de ne pase compte cependant isolés de réactions vagales sévères ont été rapportés 36,37. L'étiologie représente vraisemblablement haute repos vagal ton, hypovolémie après une nuit de jeûne, et la libération de catécholamines avec l'apparition de la fièvre, des frissons et des symptômes, aboutissant à une exagération réflexe Bezold-Jarisch. Ce risque peut être améliorée en excluant les individus avec syncope vaso – vagale précédente ou d' une épreuve d' inclinaison positif, et le volume de chargement avec des fluides par voie intraveineuse avant et pendant le défi de l' endotoxine 37. Les chercheurs qui emploient à haute dose défi d'endotoxines (en particulier 4 ng / kg) doit être forte du risque de bradycardie et / ou pauses cardiaques, avertir les participants de leur présence rare, mais le potentiel, surveillance appropriée, et disposer d'un équipement de réanimation facilement disponibles. D'autres critères d'exclusion, en plus de celles qui sont décrites dans le protocole, peuvent être nécessaires dépend de la question expérimentale. Par exemple, alors qu'il est prudent d'exclure ceux qui ont participated dans d'autres essais cliniques ou expérimenté la chirurgie / traumatologie au cours des trois derniers mois, la restriction d'entrée (ou l'utilisation d'un convertisseur parallèle-groupes pas un cross-over dans les études interventionnelles) à ceux qui ont déjà pris part à défi essais IV d'endotoxines peuvent également être nécessaire si la réponse immunologique doit être évaluée: la tolérance endotoxine persistant pendant une durée inconnue in vivo 38,39.
Plusieurs limites sont évidentes avec le modèle. Il est traditionnellement réalisée en bonne santé, les jeunes volontaires de sexe masculin non représentatif de la population clinique. Aucune intervention sont nécessaires pour les conséquences phénotypiques de l'administration de l'endotoxine à résoudre. l'injection de LPS purifiée fournit une exposition à un seul ligand de TLR, par opposition à plusieurs fragments immunogènes d'un agent pathogène vivant. Par nécessité éthique seulement une réponse inflammatoire relativement modeste peut être obtenue. Mimétisme de chaque caractéristique physiopathologique de papillease est pas atteint 40. Ainsi , «toute attente que le modèle reproduit parfaitement l'état clinique de l' infection sévère, localisée ou systémique Gram négatif est non justifiée» 18.
Nous soutenons toutefois que la force du modèle ne réside pas dans l'extrapolation inappropriée à la clinique, mais en interrogeant le physiologique, hématologique, immunologique, neuroendocrinien et la réponse métabolique des cellules compétentes et les systèmes d'organes à un stimulus inflammatoire clé. interprétation Réfléchi des modifications transitoires provoquée par l'administration d'endotoxines et leur modulation par provocation pharmacologique a été et continuera d'être, instructif dans la conception de nouvelles thérapies et de prédire leur efficacité.
The authors have nothing to disclose.
The authors would like to thank Dr. Anthony Suffredini (Critical Care Medicine Department, National Institutes for Health Clinical Center, Bethesda, USA) for his careful review of the manuscript and many thoughtful suggestions. We would also like to thank the National Institutes of Health for making freely available the Clinical Center Reference Endotoxin employed within this study.
JNF and DWG are funded by the Wellcome Trust, which supported the generation of the described data and the publication of this article.
Clinical Center Reference Endotoxin (CCRE, Escherichia coli O:113:H10:K negative) | National Institutes for Health | n/a | GMP Manufactured Endotoxin |
Syringes (1ml, 5ml) | |||
Water for injection | |||
0.9% sodium chloide (sterile, clinical grade) | |||
Intravenous cannulae | Miminum 20G French | ||
Sphygmomanometer | If intraarterial line placed, transduction equipment for invasive blood pressure monitoring | ||
Pulse oximeter | |||
Thermometer | Typmanic, oral or core (rectal, oropharyngeal) | ||
Electrocardiograph machine | |||
Sample collection tubes | As utilized by local clinical laboratory |