Kirurgiska angiogenes i svin Tibial Allotransplantation: ett nytt stort djurs ben vaskulariserad sammansatta Allotransplantation modell
Summary
För närvarande beror någon form av simblåsa sammansatta allotransplantation på lång-sikt-immunsuppression, svårt att ha stöd för icke-liv-kritiska indikationer. Vi presenterar en ny svin tibial VCA modell som kan användas för att studera ben VCA och demonstrera användningen av kirurgiska angiogenes att bibehålla ben lönsamhet utan behov av långsiktigt immun-modulering.
Abstract
Segmentell benförlust som följd av trauma, infektion malignitet och medfödd anomali fortfarande en stor rekonstruktiv utmaning. Aktuella behandlingsalternativ har betydande risk för misslyckande och betydande sjuklighet.
Användning av ben vaskulariserad sammansatta allotransplantation (VCA) skulle erbjuda både en nära match opererande ben storlek och form samt healing och remodeling potential av levande ben. För närvarande krävs livslång drog immunsuppression (IS). Organtoxicitet, opportunistisk infektion och tumör risker är oroande att behandla sådana icke-dödliga indikationer.
Vi har tidigare visat att skelett- och VCA livskraft kan upprätthållas i råttor och kaniner utan behov av lång-sikt-immunsuppression av implantation av mottagarens härledda fartyg inom VCA. Det genererar en autogen, neoangiogenic cirkulation med mätbara flöde och aktiva ben remodeling, kräver endast 2 veckor av IS. Eftersom små djur skiljer sig från man väsentligen i anatomi, ben fysiologi och immunologi, har vi utvecklat en svin ben VCA modell för att utvärdera denna teknik innan klinisk tillämpning utförs. Miniatyr svin används för närvarande för allotransplantation forskning, givit sin immunologiska, anatomiska, fysiologiska och storlek likheter till mannen. Här beskriver vi ett nytt svin ortotop tibial ben VCA modell att testa rollen som autogen kirurgiska angiogenes att upprätthålla VCA livskraft.
De modell rekonstruerar segmentell tibial ben defekter med hjälp av storlek och form-matchade allogen tibial ben segment, transplanteras över ett stort svin leukocyt antigen (SLA) obalans i Yucatan miniatyr svin. Näringsämne fartyget reparation och implantation av mottagarens härledda autogen fartyg in i medullär kanalen av allogena tibial ben segment utförs i kombination med samtidig kortsiktiga IS. Detta möjliggör en neoangiogenic autogen cirkulation utvecklas från implanterade vävnad, upprätthålla flödet genom allogena näringsämne fartyg för en kort tid. När upprättats underhåller nya autogen cirkulationen ben lönsamhet efter avslutad läkemedelsbehandling och efterföljande näringsämnen fartyget trombos.
Introduction
Stora segmentell bendefekter följd av trauma, infektion eller lem-sparing kirurgi efter malignitet. Aktuella rekonstruktiv alternativ såsom simblåsa autogena bengraft, ben transport, protetisk ersättning och nedfrysta nekrotisk organtransplantationer, ensamt eller i kombination, är förknippade med betydande sjuklighet och har hög komplikationer1,2,3.
Förekomsten av ett mikrovaskulära nätverk är viktigt för bildandet och homeostas av ben, stödja osteogent, chondrogenic och mesenkymala stamceller krävs för ben reparation4.
Transplantation av levande allogena ben, en form av simblåsa sammansatta vävnad allotransplantation (Ben VCA), utförs med mikrokirurgisk anastomos av dess näringsämnen BLOMSTJÄLK, kan utgöra en framtida rekonstruktiv alternativ. Som frysförvarade allogent ben ges omedelbar stabilitet genom att matcha ben defekt morfologi. Som autogen simblåsa transplantat, det ger förbättrad läkning och ombyggnad av levande benvävnad. Hindret i något allotransplant förfarande kvarstår behovet av lång-sikt-immunsuppression (IS). Problemet är mer akut i rörelseorganens vävnader, som kräver 2 – 3 gånger högre än organtransplantationer5läkemedel doser. Samtidig risker inklusive organtoxicitet, malignitet, infektion eller utveckling av graft – versus – host sjukdom är svår att motivera i dessa skadeförsäkring-kritiska-program6. Episoder av akut och kronisk avstötning är dock fortfarande en stor fråga med nuvarande långsiktiga IS7. Pågående arbete med att noggrant matcha histocompatibility antigener, framkalla givare-specifika tolerans eller förbättra drog immunterapi har inte ännu rutinmässigt lyckats tillåta kliniska drogfri vävnad överlevnad8,9.
Vi har tidigare visat medel för att bevara ben VCA lönsamhet och stärka ben remodeling i små djurmodeller vid befordran av en ny autogen omsättning inom transplanterade ben. Detta görs genom att ytterligare utnyttja kirurgiska angiogenes från implanterade autogen vävnad10,11,12. Allogent ben segment transplanteras microsurgically med anastomos av de näringsämnen ben segmentet BLOMSTJÄLK. Dessutom implanteras värd-derived fartyg i medullär kanalen för segmentet allogen simblåsa ben. Under denna 2-veckors process underhålls patency allogena näringsämne fartyget med drogen immunsuppression. Efter IS-uttag, det näringsämne BLOMSTJÄLK så småningom thrombose13. Nya kapillär sängen, baserat på värd-derived fartyg ger tillräcklig cirkulation för att upprätthålla vävnad livskraft. Ben healing och remodeling förstärks sedan osteogenesis och angiogenes är kopplat10,11,12. Det krävs inga ytterligare immunterapi och ben livskraft upprätthålls långsiktig trots en immunologiskt behöriga värd och avsaknad av givare-specifika tolerans.
Översättning av denna nya metod för ben allotransplantation i klinisk praxis bör bästa föregås av ytterligare en studie av helande, mekaniska egenskaper och immunologi i en stor djurmodell. Svin modellen är perfekt för sådana VCA forskning14,15,16. Miniatyr svin är jämförbara i storlek och anatomi mannen, så att skelett återuppbyggnad använder i huvudsak identiska kirurgiska implantat och tekniker. Svin immunologi är väl definierat, inklusive svin leukocyt antigen (SLA) haplotyper och blod typer, nödvändiga för transplantationskirurgin. Cellstudier härstamning är möjligt med sex-felaktigt transplantation, liksom detaljerade analyser av immunsvar17,18,19,20,21.
Här beskriver vi ett ben VCA allotransplantation modell i Yucatan miniatyr svin, lämplig för studie av segmentell benförlust och återuppbyggnad. Denna modell kan användas för att undersöka samspelet mellan kirurgiska angiogenes och kortsiktiga IS på ben VCA överlevnad och funktion, inklusive osteocyte härstamning, ben blodflödet, healing och remodeling kapacitet, alloresponsiveness och biomekanik samt att testa andra innovativa immun immunmodulerande strategier.
Protocol
Representative Results
Discussion
Transplantation av simblåsa allogent ben (Ben VCA) kan utgöra en framtida rekonstruktiv alternativet för stora segmentell bendefekter. Men är behovet av lång-sikt-immunsuppression (IS) och dess betydande biverkningar som krävs för ben VCA överlevnad svårt att motivera dessa skadeförsäkring-kritiska-program6.
Även om inavlade stammar av laboratoriet råtta har använts flitigt i allotransplantation forskning för att testa olika metoder för att undvika lång…
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Författarna vill tacka de Division of Media Support Services, Mayo Clinic Rochester, MN för videoproduktion samt Georgios Kotsougianis för redigering av video. Den utmärkta teckningen genomfördes av Jim Postier, Rochester, MN. Dessutom författarna vill tacka den tyska forskningsfondens (Deutsche Forschungsgemeinschafts) för att ge lön stöd för Dr. Dimitra Kotsougiani (DFG grant: KO 4903/1-1). Detta arbete stöds av en generös gåva från Tarek E. Obaid. Detta arbete utfördes i mikrovaskulära forskningslaboratorium, Institutionen för ortopedisk 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 |
Riferimenti
- 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).
