Een vereenvoudigd model voor heterotopische hartkleptransplantatie bij knaagdieren
Summary
Dit protocol beschrijft een eenvoudige en efficiënte methode voor de transplantatie van aortaklepblaadjes onder de niercapsule om de studie van alloreactiviteit van hartkleppen mogelijk te maken.
Abstract
Er is een dringende klinische behoefte aan hartklepvervangingen die bij kinderen kunnen groeien. Hartkleptransplantatie wordt voorgesteld als een nieuw type transplantatie met het potentieel om duurzame hartkleppen te leveren die in staat zijn tot somatische groei zonder dat antistolling nodig is. De immunobiologie van hartkleptransplantaties blijft echter onontgonnen, wat de noodzaak benadrukt voor diermodellen om dit nieuwe type transplantatie te bestuderen. Eerdere rattenmodellen voor heterotopische aortakleptransplantatie in de abdominale aorta zijn beschreven, hoewel ze technisch uitdagend en duur zijn. Om deze uitdaging aan te gaan, werd een niersubcapsulair transplantatiemodel ontwikkeld bij knaagdieren als een praktische en meer eenvoudige methode voor het bestuderen van de immunobiologie van hartkleptransplantatie. In dit model wordt een enkele aortaklepfolder geoogst en in de renale subcapsulaire ruimte ingebracht. De nier is gemakkelijk toegankelijk en het getransplanteerde weefsel is veilig opgenomen in een subcapsulaire ruimte die goed gevasculariseerd is en geschikt is voor verschillende weefselgroottes. Bovendien, omdat een enkele rat drie donoraortablaadjes kan leveren en een enkele nier meerdere plaatsen voor getransplanteerd weefsel kan bieden, zijn er minder ratten nodig voor een bepaald onderzoek. Hier wordt de transplantatietechniek beschreven, die een belangrijke stap voorwaarts biedt in het bestuderen van de transplantatieimmunologie van hartkleptransplantatie.
Introduction
Aangeboren hartafwijkingen zijn de meest voorkomende aangeboren handicap bij mensen en treffen elk jaar 7 op de 1.000 levend geboren kinderen1. In tegenstelling tot volwassen patiënten waarbij verschillende mechanische en bioprothesekleppen routinematig worden geïmplanteerd, hebben pediatrische patiënten momenteel geen goede opties voor klepvervanging. Deze conventionele implantaten hebben niet het potentieel om te groeien bij ontvangende kinderen. Als gevolg hiervan zijn morbide heroperaties nodig om de hartklepimplantaten te vervangen voor achtereenvolgens grotere versies naarmate de kinderen groeien, waarbij getroffen kinderen vaak tot vijf of meer openhartoperaties in hun leven nodig hebben 2,3. Studies hebben aangetoond dat de vrijheid van interventie of overlijden significant slecht is voor zuigelingen dan oudere kinderen, waarbij 60% van de baby’s met prothetische hartkleppen binnen 3 jaar na hun eerste operatie opnieuw wordt geopereerd of sterft4. Daarom is er een dringende behoefte aan het leveren van een hartklep die kan groeien en de functie bij pediatrische patiënten kan behouden.
Decennialang zijn pogingen om groeiende hartklepvervangingen te leveren gericht op tissue engineering en stamcellen. Pogingen om deze kleppen naar de kliniek te vertalen zijn tot nu toe echter mislukt 5,6,7,8. Om dit aan te pakken, wordt een hartkleptransplantatie voorgesteld als een meer creatieve operatie voor het leveren van groeiende hartklepvervangingen met het vermogen om zichzelf te herstellen en trombogenese te voorkomen. In plaats van het hele hart te transplanteren, wordt alleen de hartklep getransplanteerd en zal dan met het ontvangende kind meegroeien, vergelijkbaar met conventionele harttransplantaties of een Ross pulmonale handtekening 9,10,11. Postoperatief zullen ontvangende kinderen immunosuppressie krijgen totdat de getransplanteerde klep kan worden vervangen door een mechanische prothese van volwassen formaat wanneer de groei van de klep niet langer nodig is. De transplantatiebiologie van hartkleptransplantatietransplantaten blijft echter onontgonnen. Daarom zijn diermodellen nodig om dit nieuwe type transplantatie te bestuderen.
Verschillende rattenmodellen zijn eerder beschreven voor heterotopische transplantatie van de aortaklep in de abdominale aorta 12,13,14,15,16,17,18. Deze modellen zijn echter onbetaalbaar lastig en vereisen vaak getrainde chirurgen om succesvol te opereren. Bovendien zijn ze duur en tijdrovend19. Een nieuw rattenmodel werd ontwikkeld om een eenvoudiger diermodel te creëren voor het bestuderen van de immunobiologie van hartkleptransplantaties. Enkele aortaklepblaadjes worden weggesneden en in de renale subcapsulaire ruimte ingebracht. De nier is bijzonder geschikt om transplantaatafstoting te bestuderen, omdat deze sterk gevasculariseerd is met toegang tot circulerende immuuncellen20,21. Terwijl verschillende anderen een niersubcapsulair model hebben gebruikt om de transplantatiebiologie van andere allografttransplantaties zoals pancreas, lever, nieren en hoornvlies 22,23,24,25,26,27 te bestuderen, is dit de eerste beschrijving van transplantatie van hartweefsel in deze positie. Hier wordt de transplantatietechniek beschreven, die een belangrijke stap voorwaarts biedt in het bestuderen van de transplantatieimmunologie van hartkleptransplantatie.
Protocol
Representative Results
Discussion
Belang en potentiële toepassingen
Hoewel mechanische en bioprothese hartkleppen routinematig worden gebruikt bij volwassen patiënten die klepvervanging nodig hebben, missen deze kleppen het potentieel om te groeien en zijn daarom suboptimaal voor pediatrische patiënten. Hartkleptransplantatie is een experimentele operatie die is ontworpen om groeiende hartklepvervangingen te leveren voor pasgeborenen en baby’s met een aangeboren hartaandoening. In tegenstelling tot de transplantatie-immunobiologie …
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Figuur 1 is gemaakt met biorender.com. Dit werk werd gedeeltelijk ondersteund door het AATS Foundation Surgical Investigator Program aan TKR, het Children’s Excellence Fund van het Department of Pediatrics aan de Medical University of South Carolina aan TKR, een Emerson Rose Heart Foundation-subsidie aan TKR, filantropie door senator Paul Campbell aan TKR, NIH-NHLBI Institutional Postdoctoral Training Grants (T32 HL-007260) aan JHK en BG, en de Medical University of South Carolina College of Medicine Pre-clerkship FLEX Research Fund naar MAH.
Materials
| 0.9% Sodium Chlordie, USP | Baxter | NDC 0338-0048-04 | |
| 4-0 Polyglactin 910 | Ethicon | J415H | |
| 7.5% Povidone-Iodine | CareFusion | 29904-004 | |
| 70% ETOH | Fisher Scientific | BP82031GAL | |
| Anesthesia induction chamber | Harvard Apparatus | 75-2030 | Air-tight inducton chamber for rats |
| Anesthesia machine | Harvard Apparatus | 75-0238 | Mobile Anesthesia System with Passive Scavenging |
| Anesthesia Mask | Harvard Apparatus | 59-8255 | Rat anesthesia mask |
| Brown Norway Rats (BN/Crl) | Charles River | Strain Code 091 | Male, 5-7 weeks, 100-200 g |
| Buprenorphine Hydrochloride, 0.3 mg/mL | PAR Pharmaceutical | NDC 42023-179-05 | 0.03 mg/kg, administered subcutaneously |
| Electric hair clippers | WAHL | 79434 | |
| Electric Heating Pad | Harvard Apparatus | 72-0492 | Maintained at 36-38 °C |
| Heparin | Sagent Pharmaceuticals | NDC 25021-400-10 | 100U/100g injection into the left atrium |
| Insulin Syringe, 1 mL | Fisher Scientific | 14-841-33 | |
| Iris forceps curved | World Precision Instruments | 15917 | |
| Iris forceps straight | World Precision Instruments | 15916 | |
| Isoflurane, USP | Piramal Critical Care | NDC 66794-017-25 | Induced at 5% isoflurance in oxygen and maintained with 3.5% isoflurane in oxygen |
| Lewis Rats (LEW/ Crl) | Charles River | Strain Code 004 | Male, 5-7 weeks, 100-200 g |
| Micro forceps | World Precision Instruments | 500233 | Dumont #5 |
| Micro scissors | World Precision Instruments | 501930 | Spring-loaded Vannas Scissors |
| Needle Driver | World Precision Instruments | 500226 | Ryder Needle Driver |
| Operating microscope | AmScope | SM-3BZ-80S | 3.5x – 90x Stereo Microscope |
| Petri Dish | Fisher Scientific | FB0875714 | |
| Petrolatum ophthalmic ointment | Dechra | NDC 17033-211-38 | |
| Skin staples | Ethicon | PXR35 | Proximate 35 |
| Sterile cotton swabs | Puritan | 25-806 1WC | |
| Sterile gauze sponges | Fisher Scientific | 22-037-902 | |
| Surgical Scissors | World Precision Instruments | 1962C | Metzenbaum Scissors |
| University of Wisconsin Buffer (Servator B) | S.A.L.F S.p.A. | 6484A1 | Stored at 4 °C |
References
- Van Der Linde, D., et al. Birth prevalence of congenital heart disease worldwide: A systematic review and meta-analysis. Journal of the American College of Cardiology. 58 (21), 2241-2247 (2011).
- Jacobs, J. P., et al. Reoperations for pediatric and congenital heart disease: An analysis of the Society of Thoracic Surgeons (STS) congenital heart surgery database. Seminars in Thoracic and Cardiovascular Surgery: Pediatric Cardiac Surgery Annual. 17 (1), 2-8 (2014).
- Syedain, Z. H., et al. Pediatric tri-tube valved conduits made from fibroblast-produced extracellular matrix evaluated over 52 weeks in growing lambs. Science Translational Medicine. 13 (585), 1-16 (2021).
- Khan, M. S., Samayoa, A. X., Chen, D. W., Petit, C. J., Fraser, C. D. Contemporary experience with surgical treatment of aortic valve disease in children. Journal of Thoracic and Cardiovascular Surgery. 146 (3), 512-521 (2013).
- Boyd, R., Parisi, F., Kalfa, D. State of the art: Tissue engineering in congenital heart surgery. Seminars in Thoracic and Cardiovascular Surgery. 31 (4), 807-817 (2019).
- Feins, E. N., Emani, S. M. Expandable valves, annuloplasty rings, shunts, and bands for growing children. Seminars in Thoracic and Cardiovascular Surgery: Pediatric Cardiac Surgery Annual. 23, 17-23 (2020).
- Lintas, V., et al. TCT-795 Human cell derived off-the-shelf tissue engineered heart valves for next generation transcatheter aortic valve replacement: a proof-of-concept study in adult sheep. Journal of the American College of Cardiology. 70 (18), 271 (2017).
- Blum, K. M., Drews, J. D., Breuer, C. K. Tissue-engineered heart valves: A call for mechanistic studies. Tissue Engineering Part B: Reviews. 24 (3), 240-253 (2018).
- Bernstein, D., et al. Cardiac growth after pediatric heart transplantation. Circulation. 85 (4), 1433-1439 (1992).
- Delmo Walter, E. M., et al. Adaptive growth and remodeling of transplanted hearts in children. Europeon Journal of Cardiothoracic Surgery. 40 (6), 1374-1383 (2011).
- Simon, P., et al. Growth of the pulmonary autograft after the Ross operation in childhood. Europeon Journal of Cardiothoracic Surgery. 19 (2), 118-121 (2001).
- Oei, F. B. S., et al. A size-matching heterotopic aortic valve implantation model in the rat. Journal of Surgical Research. 87 (2), 239-244 (1999).
- Oei, F. B. S., et al. Heart valve dysfunction resulting from cellular rejection in a novel heterotopic transplantation rat model. Transplant International. 13, (2000).
- El Khatib, H., Lupinetti, F. M. Antigenicity of fresh and cryopreserved rat valve allografts. Transplantation. 49 (4), 765-767 (1990).
- Yankah, A. C., Wottge, H. U. Allograft conduit wall calcification in a model of chronic arterial graft rejection. Journal of Cardiac Surgery. 12 (2), 86-92 (1997).
- Moustapha, A., et al. Aortic valve grafts in the rat: Evidence for rejection. Journal of Thoracic and Cardiovascualr Surgery. 114 (6), 891-902 (1997).
- Légaré, J. F., et al. Prevention of allograft heart valve failure in a rat model. Journal of Thoracic and Cardiovascualr Surgery. 122 (2), 310-317 (2001).
- Legare, J. F., Lee, T. D. G., Creaser, K., Ross, D. B., Green, M. T lymphocytes mediate leaflet destruction and allograft aortic valve failure in rats. The Annals of Thoracic Surgery. 70 (4), 1238-1245 (2000).
- Niimi, M. The technique for heterotopic cardiac transplantation in mice: Experience of 3000 operations by one surgeon. Journal of Heart and Lung Transplantation. 20 (10), 1123-1128 (2001).
- Burgin, M., et al. Kidney Subcapsular Allograft Transplants as a Model to Test Virus-Derived Chemokine-Modulating Proteins as Therapeutics. Methods in molecular biology. 2225, 257-273 (2021).
- Foglia, R. P., DiPreta, J., Donahoe, P. K., Statter, M. B. Fetal allograft survival in immunocompetent recipients is age dependent and organ specific. Annals of Surgery. 204 (4), 402-410 (1986).
- Cunha, G. R., Baskin, L. Use of sub-renal capsule transplantation in developmental biology. Differentiation. 91 (4-5), 4-9 (2016).
- Hori, J., Joyce, N., Streilein, J. W. Epithelium-deficient corneal allografts display immune privilege beneath the kidney capsule. Investigative Opthalmology & Visual Science. 41 (2), 443-452 (2000).
- Mandel, T., et al. transplantation of organ cultured fetal pig pancreas in non-obese diabetic (NOD) mice and primates (Macaca fascicularis). Xenotransplantation. 2 (3), 128-132 (1995).
- Ricordi, C., Flye, M. W., Lacy, P. E. Renal subcapsular transplantation of clusters of hepatocytes in conjunction with pancreatic islets. Transplantation. 45 (6), 1148-1150 (1988).
- Shultz, L. D., et al. Subcapsular transplantation of tissue in the kidney. Cold Spring Harbor Protocols. 2014 (7), 737-740 (2014).
- Vanden Berg, C. W., et al. Renal subcapsular transplantation of PSC-derived kidney organoids induces neo-vasculogenesis and significant glomerular and tubular maturation in vivo. Stem Cell Reports. 10 (3), 751-765 (2018).
- Mitchell, R. N., Jonas, R. A., Schoen, F. J. Pathology of explanted cryopreserved allograft heart valves: Comparison with aortic valves from orthotopic heart transplants. Journal of Thoracic and Cardiovasular Surgery. 115 (1), 118-127 (1998).
- Valante, M., et al. The aortic valve after heart transplantation. Annals of Thoracic Surgery. 60, (1995).
- O’Brien, M. F., Stafford, E. G., Gardner, M. A. H., Pohlner, P. G., McGiffin, D. C. A comparison of aortic valve replacement with viable cryopreserved and fresh allograft valves, with a note on chromosomal studies. Journal of Thoracic and Cardiovascular Surgery. 94 (6), 812-823 (1987).
- Ng, T. F., Osawa, H., Hori, J., Young, M. J., Streilein, J. W. Allogeneic neonatal neuronal retina grafts display partial immune privilege in the subcapsular space of the kidney. The Journal of Immunology. 169 (10), 5601-5606 (2002).
- Heslop, B. F., Wilson, S. E., Hardy, B. E. Antigenicity of aortic valve allografts. Annals of Surgery. 177 (3), 301-306 (1973).
- Steinmuller, D., Weiner, L. J. Evocation and persistence of transplantation immunity in rats. Transplantation. 1 (1), 97-106 (1963).
- Billingham, R. E., Brent, L., Brown, J. B., Medawar, P. B. Time of onset and duration of transplantation immunity. Plastic and Reconstructive Surgery. 24 (1), 410-413 (1959).
- Tector, A. J., Boyd, W. C., Korns, M. E. Aortic valve allograft rejection. Journal of Thoracic and Cardiovascular Surgery. 62 (4), 592-601 (1971).
- Sugimura, Y., Schmidt, A. K., Lichtenberg, A., Akhyari, P., Assmann, A. A rat model for the in vivo assessment of biological and tissue-engineered valvular and vascular grafts. Tissue Engineering Methods (Part C). 23 (12), 982-994 (2017).
