Kirurgisk angiogenese i svin Tibial Allotransplantation: en ny stor animalsk knogle vaskulariserede sammensatte Allotransplantation Model
Summary
I øjeblikket afhænger alle slags vaskulariserede sammensatte allotransplantation lang-sigt-immunosuppression, svært ved at støtte for ikke-liv-kritiske indikationer. Vi præsenterer en ny svin tibial VCA model, der kan bruges til at studere knogle VCA og demonstrere brugen af kirurgiske angiogenese at opretholde knogle levedygtighed uden brug af langsigtede immun-graduering.
Abstract
Segmental knogletab som følge af traumer, infektion malignitet og medfødt anomali er fortsat en stor rekonstruktiv udfordring. Nuværende terapeutiske muligheder har betydelig risiko for svigt og betydelig sygelighed.
Brug af knogle vaskulariserede sammensatte allotransplantation (VCA) ville tilbyde både en tæt match af resektion knogle størrelse og form og den helbredende og remodellering potentialet i levende knogle. I øjeblikket er livslang drug immunosuppression (IS) påkrævet. Orgel toksicitet, opportunistisk infektion og svulster risici vedrører at behandle sådanne ikke-dødelige angivelser:
Vi har tidligere vist, at knogle og fælles VCA levedygtighed kan opretholdes i rotter og kaniner uden brug af lang sigt immunosuppression af implantation af modtagerens afledte fartøjer inden for VCA. Det genererer en autogen, neoangiogenic omsætning med målelige flow og aktive knogle remodellering, der kræver kun 2 uger af IS. Da små dyr adskiller sig fra mand betydeligt i anatomi, knogle fysiologi og Immunologi, har vi udviklet et svin knogle VCA model til at vurdere denne teknik før kliniske anvendelse er gennemført. Miniature svin er i øjeblikket meget udbredt for allotransplantation forskning, givet deres immunologiske, anatomiske, fysiologiske og størrelse ligheder til mand. Her, beskriver vi en ny svin orthotopic tibial ben VCA model at teste rollen som autogen kirurgisk angiogenese at opretholde VCA levedygtighed.
Modellen rekonstruerer segmental tibial ben defekter ved hjælp af størrelse – og figur-matchede allogene tibial ben segmenter, transplanteret på tværs af en større svin leukocyt antigen (SLA) uoverensstemmelse i Yucatan miniature svin. Næringsstof fartøj reparation og implantation af modtagerens afledte autogen skibe ind i medullær kanalen af allogene tibial ben segmenter er udført i kombination med samtidige kortsigtede IS. Dette tillader en neoangiogenic autogen omsætning til at udvikle sig fra den indopererede væv, opretholde strømmen gennem de allogene næringsstof fartøjer i kort tid. Når der oprettet, fastholder den nye autogen omsætning knogle levedygtighed efter ophør med medicinsk behandling og efterfølgende næringsstof fartøj trombose.
Introduction
Store segmental ossøse defekter skyldes traumer, infektion eller lemmer besparende kirurgi efter malignitet. Nuværende rekonstruktiv muligheder såsom vaskulariserede autogen knoglegraft, knogle transport, proteser udskiftning og befrugtede nekrotiske allografts, anvendt alene eller i kombination, er forbundet med betydelig morbiditet og har høje komplikationer1,2,3.
Tilstedeværelsen af en mikrovaskulære netværk er afgørende for dannelsen og homeostase af knoglen, støtte osteogenic, chondrogenic og mesenkymale stamceller kræves for knogle reparation4.
Transplantation af levende allogene knogle, en form for vaskulariserede sammensatte væv allotransplantation (knogle VCA), udføres med microsurgical anastomose af sin næringsstoffer pedicle, kan udgøre en fremtidig rekonstruktiv alternativ. Ligesom befrugtede allogene knogle, er øjeblikkelig stabilitet fastsat af tæt matchende knogle defekt morfologi. Ligesom autogen vaskulariserede graft, det giver øget helbredelse og remodellering af levende knoglevæv. Hindring i enhver allotransplant procedure er stadig behov for lang-sigt-immunosuppression (IS). Problemet er mere akut i bevægeapparatet væv, som kræver medicin doser 2 – 3 gange større end organtransplantation5. Dermed forbundne risici, herunder orgel toksicitet, malignitet, infektion eller udvikling af graft – versus – host sygdom er vanskeligt at retfærdiggøre i disse ordning-kritisk-programmer6. Episoder af akut og kronisk afvisning er dog stadig et stort problem med nuværende langsigtede er7. Løbende indsats nøje matche histocompatibility antigener, fremkalde donor-specifikke tolerance og/eller forbedre drug immunterapi er endnu ikke rutinemæssigt lykkedes i tillader kliniske stoffri væv overlevelse8,9.
Vi har tidligere vist midler til at opretholde knogle VCA levedygtighed og forbedre knogle remodellering i små dyremodeller af fremme af en ny autogen omsætning inden for transplanterede knogle. Dette gøres ved ekstra brugen af kirurgiske angiogenese fra implanterede autogen væv10,11,12. Allogen knogle segmenter kan transplanteres microsurgically med anastomose af næringsstof knogle segment pedicle. Desuden er vært-afledte fartøjer implanteret i medullær kanalen af allogene vaskulariserede knogle segment. I løbet af 2-ugers processen bevares passage af allogene næringsstof fartøjet med narkotika immunosuppression. Efter IS-tilbagetrækning, næringsstof pedicle vil i sidste ende thrombose13. Den nye kapillær seng, baseret på de vært-afledte fartøjer giver tilstrækkelig omsætning for at bevare væv levedygtighed. Knogle heling og remodellering er forbedret siden osteogenesis og angiogenese er koblet10,11,12. Der kræves ingen yderligere immunterapi og knogle levedygtighed er opretholdt langsigtede trods en immunologisk kompetente vært og fravær af donor-specifikke tolerance.
Oversættelse af denne nye metode af ben allotransplantation i klinisk praksis bør bedst forud for yderligere undersøgelse af healing, mekaniske egenskaber og Immunologi i en stor animalsk model. Svin-modellen er ideel for sådanne VCA forskning14,15,16. Miniature svin er sammenlignelige i størrelse og anatomi til mand, så skelet genopbygning ved hjælp af identisk kirurgiske implantater og teknikker. Svin immunologi er veldefineret, herunder svin leukocyt antigen (SLA) haplotypes og blodtyper, nødvendige for hårtransplantation kirurgi. Celle lineage undersøgelser er muligt med sex-uoverensstemmende transplantation, som er detaljerede analyser af immunrespons17,18,19,20,21.
Her, beskriver vi en knogle VCA allotransplantation model i Yucatan miniature svin, egnet til undersøgelse af segmental knogletab og genopbygning. Denne model kan bruges til at undersøge samspillet mellem kirurgisk angiogenese og kortsigtede IS på knogle VCA overlevelse og funktion, herunder osteocyte afstamning, bone blodgennemstrømning, healing og remodellering kapacitet, alloresponsiveness og biomekanik såvel som til teste andre innovative immun modulerende strategier.
Protocol
Representative Results
Discussion
Transplantation af vaskulariserede allogene knogle (bone VCA) kan udgøre en fremtidig rekonstruktiv mulighed for store segmental ossøse defekter. Brug af lang-sigt-immunosuppression (IS) og dens væsentlige bivirkninger kræves for knogle VCA overlevelse er imidlertid vanskeligt at berettige i disse ordning-kritisk-programmer6.
Selvom indavlede stammer af laboratorium rotte har været udbredt i allotransplantation forskning til at afprøve forskellige tilgange til und…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Forfatterne vil gerne takke den Division af medier Support Services, Mayo Clinic Rochester, MN til videoproduktion samt Georgios Kotsougianis til redigering af video. Den fremragende illustrationer blev gennemført af Jim Postier, Rochester, MN. Derudover, forfatterne vil gerne takke den tyske Forskningsfonds (Deutsche Forschungsgemeinschaft) for at yde løn support for Dr. Dimitra Kotsougiani (DFG grant: KO 4903/1-1). Dette arbejde blev støttet af en generøs gave fra Tarek E. Obaid. Dette arbejde blev udført i mikrovaskulære forskningslaboratorium, Institut for ortopædisk kirurgi Mayo Clinic Rochester, MN.
Materials
| Xylazine | VetTek, Bluesprings, MO | N/A | 2mg/kg |
| Telazol | Pfizer Inc., NY, NY | 2103 | 5mg/kg |
| Buprenorphine | Zoo Pharm, Windsor, CO | N/A | 0.18mg/kg |
| Cefazoline | Hospira, Lake Forest, IL | RL-4539 | 1g |
| Ethilon sutures | Ethicon, Sommerville, NJ | BV 130-5 | 9-0 |
| Locking plate | DePuy Synthes Vet, West Chester, PA | VP4041.09 | 9-hole 3.5mm locking plate |
| Vicryl sutures | Ethicon, Sommerville, NJ | J808T | 2-0, 3-0 |
| Tegaderm | 3M Health Care, St. Paul, MN | 16006 | 15x10cm |
| Hickman catheter | Bard Access System Inc., Salt Lake City, UT | 600560 | 9.6 French |
| Carprofen | Zoetis Inc., Kalamazoo, MI | 1760R-60-06-759 | 4mg/kg |
| Tacrolimus | Sandoz Inc., Princeton, NJ | 973975 | (0.8-1.5mg/kg/day) |
| Mycophenolate Mofetil | Sandoz Inc., Princeton, NJ | 772212 | (50-70mg/kg/day) |
| Methylprednisolone sodium succinate | Pfizer Inc., NY, NY | 2375-03-0 | 500 mg |
| Gentamicin | Sparhawk Laboratories, Lenexa, KS | 1405-41-0 | 3mg/kg |
| Dermabond Prineo | Ethicon, San Lorenzo, Puerto Rico | 6510-01-6140050 | |
| Isoflurane 99.9% 250 ml | Abbott Animal Health | 05260-5 | |
| Lactated Ringer's 1L | Baxter Corporation | JB1064 | |
| Saline 0.9%, 1 L | Baxter Corporation | 60208 | |
| Ceftiofur | Pfizer Canada Inc. | 11103 | 5mg/kg |
| Microfil | Flow Tech Inc, Carver, MA | MV-122 | 125 ml |
| Decalcifying Solution | Thermo Fisher Scientific, Chesire, WA, UK | 8340-1 |
References
- Ham, S. J., et al. Limb salvage surgery for primary bone sarcoma of the lower extremities: long-term consequences of endoprosthetic reconstructions. Ann Surg Oncol. 5, 423-436 (1998).
- Niimi, R., et al. Usefulness of limb salvage surgery for bone and soft tissue sarcomas of the distal lower leg. J Cancer Res Clin Oncol. 134, 1087-1095 (2008).
- Tukiainen, E., Asko-Seljavaara, S. Use of the Ilizarov technique after a free microvascular muscle flap transplantation in massive trauma of the lower leg. Clin Orthop Relat Res. , 129-134 (1993).
- Schipani, E., Maes, C., Carmeliet, G., Semenza, G. L. Regulation of osteogenesis-angiogenesis coupling by HIFs and VEGF. J Bone Miner Res. 24, 1347-1353 (2009).
- Murray, J. E. Organ transplantation (skin, kidney, heart) and the plastic surgeon. Plast Reconstr Surg. 47, 425-431 (1971).
- Ravindra, K. V., Wu, S., McKinney, M., Xu, H., Ildstad, S. T. Composite tissue allotransplantation: current challenges. Transplant Proc. 41, 3519-3528 (2009).
- Lantieri, L., et al. Face transplant: long-term follow-up and results of a prospective open study. Lancet. 388, 1398-1407 (2016).
- Brent, L. B. Tolerance and its clinical significance. World J Surg. 24, 787-792 (2000).
- Utsugi, R., et al. Induction of transplantation tolerance with a short course of tacrolimus (FK506): I. Rapid and stable tolerance to two-haplotype fully mhc-mismatched kidney allografts in miniature swine. Transplantation. 71, 1368-1379 (2001).
- Giessler, G. A., Zobitz, M., Friedrich, P. F., Bishop, A. T. Host-derived neoangiogenesis with short-term immunosuppression allows incorporation and remodeling of vascularized diaphyseal allogeneic rabbit femur transplants. J Orthopaedic Res. 27, 763-770 (2009).
- Kremer, T., et al. Surgical angiogenesis with short-term immunosuppression maintains bone viability in rabbit allogenic knee joint transplantation. Plast Reconstr Surg. 131, 148e-157e (2013).
- Larsen, M., Friedrich, P. F., Bishop, A. T. A modified vascularized whole knee joint allotransplantation model in the rat. Microsurgery. 30, 557-564 (2010).
- Ohno, T., Pelzer, M., Larsen, M., Friedrich, P. F., Bishop, A. T. Host-derived angiogenesis maintains bone blood flow after withdrawal of immunosuppression. Microsurgery. 27, 657-663 (2007).
- Ibrahim, Z., et al. A modified heterotopic swine hind limb transplant model for translational vascularized composite allotransplantation (VCA) research. J Vis Exp. , (2013).
- Solla, F., et al. Composite tissue allotransplantation in newborns: a swine model. J Surg Res. 179, e235-e243 (2013).
- Ustuner, E. T., et al. Swine composite tissue allotransplant model for preclinical hand transplant studies. Microsurgery. 20, 400-406 (2000).
- Ho, C. S., et al. Molecular characterization of swine leucocyte antigen class II genes in outbred pig populations. Anim Genet. 41, 428-432 (2010).
- Ho, C. S., et al. Molecular characterization of swine leucocyte antigen class I genes in outbred pig populations. Anim Genet. 40, 468-478 (2009).
- Morin, N., Metrakos, P., Berman, K., Shen, Y., Lipman, M. L. Quantification of donor microchimerism in sex-mismatched porcine allotransplantation by competitive PCR. BioTechniques. 37, 74-76 (2004).
- van Dekken, H., Hagenbeek, A., Bauman, J. G. Detection of host cells following sex-mismatched bone marrow transplantation by fluorescent in situ hybridization with a Y-chromosome specific probe. Leukemia. 3, 724-728 (1989).
- Leonard, D. A., et al. Vascularized composite allograft tolerance across MHC barriers in a large animal model. Am J Transplant. 14, 343-355 (2014).
- Smith, D. M., Martens, G. W., Ho, C. S., Asbury, J. M. DNA sequence based typing of swine leukocyte antigens in Yucatan miniature pigs. Xenotransplantation. 12, 481-488 (2005).
- Ho, C. S., et al. Nomenclature for factors of the SLA system, update 2008. Tissue Antigens. 73, 307-315 (2009).
- Kaiser, G. M., Heuer, M. M., Fruhauf, N. R., Kuhne, C. A., Broelsch, C. E. General handling and anesthesia for experimental surgery in pigs. J Surg Res. 130, 73-79 (2006).
- Alghoul, M. S., et al. From simple interrupted to complex spiral: a systematic review of various suture techniques for microvascular anastomoses. Microsurgery. 31, 72-80 (2011).
- Acland, R. Signs of patency in small vessel anastomosis. Surgery. 72, 744-748 (1972).
- Kotsougiani, D., et al. Recipient-derived angiogenesis with short term immunosuppression increases bone remodeling in bone vascularized composite allotransplantation: A pilot study in a swine tibial defect model. J Orthopaedic Res. , (2016).
- Riegger, C., et al. Quantitative assessment of bone defect healing by multidetector CT in a pig model. Skeletal Radiol. 41, 531-537 (2012).
- Buttemeyer, R., Jones, N. F., Min, Z., Rao, U. Rejection of the component tissues of limb allografts in rats immunosuppressed with FK-506 and cyclosporine. Plast Reconstr Surg. 97, 149-151 (1996).
- Taira, H., Moreno, J., Ripalda, P., Forriol, F. Radiological and histological analysis of cortical allografts: an experimental study in sheep femora. Arch Orthop Trauma Surg. 124, 320-325 (2004).
- Giessler, G. A., Zobitz, M., Friedrich, P. F., Bishop, A. T. Transplantation of a vascularized rabbit femoral diaphyseal segment: mechanical and histologic properties of a new living bone transplantation model. Microsurgery. 28, 291-299 (2008).
- Laiblin, C., Jaeschke, G. Clinical chemistry examinations of bone and muscle metabolism under stress in the Gottingen miniature pig–an experimental study. Berliner und Munchener tierarztliche Wochenschrift. 92, 124-128 (1979).
- Saalmuller, A. Characterization of swine leukocyte differentiation antigens. Immunol Today. 17, 352-354 (1996).
- Pelzer, M., Larsen, M., Friedrich, P. F., Aleff, R. A., Bishop, A. T. Repopulation of vascularized bone allotransplants with recipient-derived cells: detection by laser capture microdissection and real-time PCR. J Orthopaedic Res. 27, 1514-1520 (2009).
- Muramatsu, K., Kurokawa, Y., Kuriyama, R., Taguchi, T., Bishop, A. T. Gradual graft-cell repopulation with recipient cells following vascularized bone and limb allotransplantation. Microsurgery. 25, 599-605 (2005).
- Muramatsu, K., Bishop, A. T., Sunagawa, T., Valenzuela, R. G. Fate of donor cells in vascularized bone grafts: identification of systemic chimerism by the polymerase chain reaction. Plastic and reconstructive surgery. 111, 763-777 (2003).
- Vossen, M., et al. Bone quality and healing in a swine vascularized bone allotransplantation model using cyclosporine-based immunosuppression therapy. Plast Reconstr Surg. 115, 529-538 (2005).
- Lee, W. P., et al. Relative antigenicity of components of a vascularized limb allograft. Plast Reconstr Surg. 87, 401-411 (1991).
