ラット Ex Vivo 肺灌流モデルの設計と実装
Summary
ex vivo 肺は、 in vivo 実験の交絡変数を除外しながら生理学的データを収集するためのさまざまな実験に役立ちます。商用セットアップは、多くの場合、高価で、収集できるデータの種類が限られています。ここでは、さまざまな研究デザインに適応できる、完全にモジュール化されたセットアップを構築する方法について説明します。
Abstract
ex vivo 肺製剤は、多くの異なる研究分野に翻訳できる有用なモデルであり、対応する in vivo および in vitro モデルを補完します。孤立した肺を使用したい研究室は、手頃な価格で信頼性が高く、関心のあるトピックに簡単に適応できるセットアップを確立するための重要なステップと固有の課題を認識する必要があります。この論文では、心拍出量の変化とは無関係に、肺血管緊張に対する薬物およびガスの影響を研究するための 、ex vivo ラット肺換気および灌流のDIY(Do It Yourself)モデルについて説明します。このモデルの作成には、a) 装置の設計と構築、b) 肺の隔離手順が含まれます。このモデルにより、商用の代替手段よりも費用対効果が高く、特定の研究課題の変化に適応するのに十分なモジュール化されたセットアップが得られます。さまざまな研究トピックに使用できる一貫したモデルを確保するためには、さまざまな障害を解決する必要がありました。このモデルが確立されると、さまざまな問題に非常に適応性が高く、さまざまな研究分野に合わせて簡単に変更できることが証明されています。
Introduction
Ex vivo 肺灌流(EVLP)技術1 は、肺移植2、虚血/再灌流3、肺代謝4、免疫応答5を研究する手段として、過去10年間で使用が増加しています。孤立しているが無傷の人工呼吸器および灌流肺は、ニューロンやホルモンの入力や in vivoでの血行動態の変化などの潜在的な交絡因子なしに、潜在的な介入および/または治療に対する肺血管系を含む肺の反応を直接評価する非常に重要な能力を提供します。同時に、 in vitro 条件とは対照的に、換気と灌流の生理学的相互作用を維持します。例えば、肺の免疫応答5を調べる提案では、肺移植のためのドナープールサイズ6 の増加に焦点を当てた研究と同じ品質のデータが必要である。EVLPは、マウス3、ラット7、8、9、10、11、12、ブタ13、ヒト2など、さまざまな種で使用できます。そのため、さまざまな実験パラメータから信頼性の高いデータを生成できるモデルを確立する必要があります。臨床的関連性は、EVLP モデルをツールとして使用して、その後の研究で生成されます。
ほとんどの種で商用セットアップが購入できますが、多くの場合、コストがかかり、研究者は特定のブランドの機器や独自のソフトウェアに縛られることがあります。既成概念にとらわれないセットアップからの逸脱(例えば、ある種から別の種への移動)には、先見の明と提供されたセットアップを回避する必要がありますが、これは困難または不可能であることが判明する可能性があります。以下では、モジュール式で費用対効果の高いラット隔離肺のDIY(Do It Yourself)セットアップと、肺を隔離するための外科的処置について説明します。
Protocol
Representative Results
Discussion
私たちの研究室では、このセットアップを使用して100以上の実験が成功しています。このカスタマイズされたセットアップのモジュール設計により、実験要件の潜在的な変更に大きな柔軟性がもたらされました。他のセットアップでは、終末器官による一定の酸素消費とCO2産生を模倣するために脱酸素器18を利用しているが、この簡略化されたモデルは、肺血管緊張…
Divulgaciones
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
支援の一部は、米国退役軍人省生物医学研究所R&Dサービスからのメリットレビュー賞(101 BX003482)、NIH助成金(5R01 HL123227)、米国心臓協会からの変革プロジェクト賞(962204)、およびリース博士に授与された機関資金によって提供されました。バルツァー博士は、ドイツ研究財団(DFG)のプロジェクト番号BA 6287/1-1から、無関係の資金提供を受けました。著者らは、この研究に貴重な貢献をしてくれたMatthew D. Olsen氏、Chun Zhou氏、Zhu Li氏、Rebecca C. Riess氏に感謝します。
Materials
| 1,000 mL Glass Beaker | Pyrex, Chicago, IL | ||
| 1,500 mL Glass Beaker | Pyrex, Chicago, IL | ||
| Air Trap Compliance Chamber | Radnoti | 130149 | |
| Bioamplifiers | CWE Inc | BPM-832 | |
| Clamps | Fisher Scientific | S02626 | |
| DAQ (Data Acquisition) | National Instruments, Austin, TX | NI USB-6343 | |
| Gas Mixer | CWE Inc, Ardmore, PA | GSM-4 | |
| Heating Coil | Radnoti, Covina, CA | 158822 | |
| Heating Plate | Thermo Fisher Scientific, Waltham, MA | 11-100-49SH | |
| Heparin | Pfizer | W63422 | |
| LabVIEW Full Development System 2014 | National Instruments | ||
| Pentobarbital | Diamondback Drugs | G2270-0235-50 | |
| pH700 Probe | OAKTON, Vernon Hills, IL | EW-35419-10 | |
| Polystat Water Bath | Cole-Parmer | EW-12121-02 | |
| Rodent Ventilator | Harvard Apparatus, Holliston, MA | Model 683 | |
| Roller Pump | Cole-Parmer, Wertheim, Germany | Ismatec REGLO Digital MS 2/8 | |
| Sprague Dawley Rat | Charles River, Wilmington, MA | Strain code 001 | |
| VetScan i-STAT | Abraxis, Chicago, IL | i-STAT 1 |
Referencias
- Uhlig, S., Taylor, A. E. . Methods in Pulmonary Research. , (1998).
- Ghaidan, H., et al. Ten year follow-up of lung transplantations using initially rejected donor lungs after reconditioning using ex vivo lung perfusion. Journal of Cardiothoracic Surgery. 14 (1), 125 (2019).
- Stone, M. L., et al. Ex vivo perfusion with adenosine A2A receptor agonist enhances rehabilitation of murine donor lungs after circulatory death. Transplantation. 99 (12), 2494-2503 (2015).
- Valenza, F., et al. The consumption of glucose during ex vivo lung perfusion correlates with lung edema. Transplantation Proceedings. 43 (4), 993-996 (2011).
- Sayner, S. L., et al. Paradoxical cAMP-induced lung endothelial hyperpermeability revealed by Pseudomonas aeruginosa ExoY. Circulation Research. 95 (2), 196-203 (2004).
- McAuley, D. F., et al. Clinical grade allogeneic human mesenchymal stem cells restore alveolar fluid clearance in human lungs rejected for transplantation. American Journal of Physiology. Lung Cellular and Molecular Physiology. 306 (9), L809-L815 (2014).
- Pego-Fernandes, P. M., et al. Experimental model of isolated lung perfusion in rats: first Brazilian experience using the IL-2 isolated perfused rat or guinea pig lung system. Transplantation Proceedings. 42 (2), 444-447 (2010).
- Noda, K., et al. Successful prolonged ex vivo lung perfusion for graft preservation in rats. European Journal of Cardio-Thoracic Surgery. 45 (3), e54-e60 (2014).
- Nelson, K., et al. Method of isolated ex vivo lung perfusion in a rat model: lessons learned from developing a rat EVLP program. Journal of Visualized Experiments. (96), e52309 (2015).
- Bassani, G. A., et al. Ex vivo lung perfusion in the rat: detailed procedure and videos. PLoS One. 11 (12), e0167898 (2016).
- Watson, K. E., Segal, G. S., Conhaim, R. L. Negative pressure ventilation enhances acinar perfusion in isolated rat lungs. Pulmonary Circulation. 8 (1), 2045893217753596 (2018).
- Ohsumi, A., et al. A method for translational rat ex vivo lung perfusion experimentation. American Journal of Physiology. Lung Cellular and Molecular Physiology. 319 (1), L61-L70 (2020).
- Hozain, A. E., et al. Multiday maintenance of extracorporeal lungs using cross-circulation with conscious swine. The Journal of Thoracic and Cardiovascular Surgery. 159 (4), 1640-1653 (2020).
- Kilkenny, C., Browne, W. J., Cuthill, I. C., Emerson, M., Altman, D. G. Improving bioscience research reporting: the ARRIVE guidelines for reporting animal research. PLoS Biology. 8 (6), e1000412 (2010).
- van Zanden, J. E., Leuvenink, H. G. D., Verschuuren, E. A. M., Erasmus, M. E., Hottenrott, M. C. A translational rat model for ex vivo lung perfusion of pre-injured lungs after brain death. PLoS One. 16 (12), e0260705 (2021).
- Cleveland, W. J., et al. Implementation of LabVIEW as a virtual instrument in a cost-effective isolated lung setup. The FASEB Journal. 33 (1), 846 (2019).
- Jamieson, S. W., Stinson, E. B., Oyer, P. E., Baldwin, J. C., Shumway, N. E. Operative technique for heart-lung transplantation. The Journal of Thoracic and Cardiovascular Surgery. 87 (6), 930-935 (1984).
- Liu, M., et al. Alterations of nitric oxide synthase expression and activity during rat lung transplantation. American Journal of Physiology. Lung Cellular and Molecular Physiology. 278 (5), L1071-L1081 (2000).
- Riess, M. L., et al. Glucose measurements in blood-free balanced salt solutions with three devices (i-STAT®, glucose test strips and ACCU-CHEK® Aviva). Anesthesia and Analgesia. 128 (5), 924 (2019).
- Menezes, A. Q., et al. Comparison of Celsior and Perfadex lung preservation solutions in rat lungs subjected to 6 and 12 hours of ischemia using an ex-vivo lung perfusion system. Clinics. 67 (11), 1309-1314 (2012).
- Riess, M. L., et al. Electrolyte measurements in blood-free balanced salt solutions – comparison of i-STAT® with ABL80. Anesthesia and Analgesia. 130 (5), 984 (2020).
.