Исследование экспериментальных моделей донорства органов для трансплантации легких
Summary
В настоящем исследовании показано создание трех различных моделей донорства легких (донорство после смерти мозга, донорство после смерти от кровообращения и донорство после геморрагического шока). Сравниваются воспалительные процессы и патологические нарушения, связанные с этими событиями.
Abstract
Экспериментальные модели являются важными инструментами для понимания этиологических явлений, участвующих в различных патофизиологических событиях. В этом контексте различные животные модели используются для изучения элементов, запускающих патофизиологию первичной дисфункции трансплантата после трансплантации, для оценки потенциальных методов лечения. В настоящее время экспериментальные модели донорства можно разделить на две большие группы: донорство после смерти мозга и донорство после остановки кровообращения. Кроме того, вредные последствия, связанные с геморрагическим шоком, следует учитывать при рассмотрении моделей донорства органов на животных. В этой статье мы опишем создание трех различных моделей донорства легких (донорство после смерти мозга, донорство после смерти от кровообращения и донорство после геморрагического шока) и сравним воспалительные процессы и патологические расстройства, связанные с этими событиями. Цель – предоставить научному сообществу надежные животные модели донорства легких для изучения ассоциированных патологических механизмов и поиска новых терапевтических мишеней для оптимизации количества жизнеспособных трансплантатов для трансплантации.
Introduction
Клиническая значимость
Трансплантация органов является хорошо зарекомендовавшим себя терапевтическим вариантом при нескольких серьезных патологиях. В последние годы было достигнуто много успехов в клинической и экспериментальной областях трансплантации органов, таких как углубление знаний о патофизиологии первичной дисфункции трансплантата (ПГД) и достижения в области интенсивной терапии, иммунологии и фармакологии 1,2,3. Несмотря на достижения и улучшения качества соответствующих хирургических и фармакологических процедур, соотношение между количеством доступных органов и числом реципиентов в листе ожидания остается одной из основных проблем 2,4. В связи с этим в научной литературе предложены животные модели для изучения методов лечения, которые могут быть применены к донорам органов для лечения и/или сохранения органов до момента трансплантации 5,6,7,8.
Имитируя различные события, наблюдаемые в клинической практике, животные модели позволяют изучать связанные с ними патологические механизмы и соответствующие терапевтические подходы. Экспериментальная индукция этих явлений в большинстве единичных случаев привела к созданию экспериментальных моделей донорства органов и тканей, которые широко исследованы в научной литературе по трансплантации органов 6,7,8,9. В этих исследованиях используются различные методологические стратегии, такие как индуцирование смерти мозга (ББ), геморрагического шока (ГС) и циркуляторной смерти (БК), поскольку эти события связаны с различными вредными процессами, которые ставят под угрозу функциональность донорских органов и тканей.
Смерть мозга (BD)
БД связан с рядом событий, которые приводят к прогрессирующему износу различных систем. Обычно это происходит, когда происходит острое или постепенное повышение внутричерепного давления (ВЧД) из-за травмы головного мозга или кровоизлияния. Это повышение ВЧД способствует повышению артериального давления в попытке поддерживать стабильный мозговой кровоток в процессе, известном как рефлекс Кушинга10,11. Эти острые изменения могут привести к сердечно-сосудистым, эндокринным и неврологическим дисфункциям, которые ставят под угрозу количество и качество донорских органов, а также влияют на заболеваемость и смертность после трансплантации 10,11,12,13.
Геморрагический шок (ГГ)
ГГ, в свою очередь, часто ассоциируется с донорами органов, так как большинство из них являются жертвами травм со значительной потерей объема крови. Некоторые органы, такие как легкие и сердце, особенно уязвимы к ГГ из-за гиповолемии и последующей гипоперфузии тканей14. ГГ вызывает повреждение легких через повышенную проницаемость капилляров, отек и инфильтрацию воспалительных клеток, механизмы, которые вместе нарушают газообмен и приводят к прогрессирующему разрушению органов, что приводит к срыву процесса донорства 6,14.
Циркуляторная смерть (БК)
Использование пост-CD донорства растет в геометрической прогрессии в крупных мировых центрах, что способствует увеличению количества собранных органов. Органы, извлеченные от доноров после БК, уязвимы к эффектам теплой ишемии, которая возникает после интервала низкого (агоническая фаза) или отсутствия кровоснабжения (асистолическая фаза)8,15. Гипоперфузия или отсутствие кровотока приводит к тканевой гипоксии, связанной с резкой потерей АТФ и накоплением метаболических токсинов в тканях15. Несмотря на то, что в настоящее время они используются для трансплантации в клинической практике, остается много сомнений относительно влияния использования этих органов на качество посттрансплантационного трансплантата и на выживаемостьпациентов. Таким образом, использование экспериментальных моделей для лучшего понимания этиологических факторов, ассоциированных с БК, также растет 8,15,16,17.
Экспериментальные модели
Существуют различные экспериментальные модели донорства органов (BD, HS и CD). Тем не менее, исследования часто фокусируются только на одной стратегии за раз. Заметен пробел в исследованиях, которые объединяют или сравнивают две или более стратегий. Эти модели очень полезны при разработке методов лечения, направленных на увеличение числа донаций и, следовательно, сокращение списка потенциальных получателей помощи. Виды животных, используемые для этой цели, варьируются от исследования к исследованию, при этом модели свиней чаще выбираются, когда целью является более прямая трансляция морфофизиологии человека и меньшая техническая сложность хирургической процедуры из-за размера животного. Несмотря на преимущества, с моделью свиньи связаны логистические трудности и высокие затраты. С другой стороны, низкая стоимость и возможность биологических манипуляций благоприятствуют использованию моделей грызунов, позволяя исследователю отталкиваться от достоверной модели для воспроизведения и лечения поражений, а также интегрировать знания, полученные в области трансплантации органов.
Здесь мы представляем на грызунах модель смерти мозга, циркуляторной смерти и геморрагического шока. Описаны воспалительные процессы и патологические состояния, связанные с каждой из этих моделей.
Protocol
Representative Results
Discussion
В последние годы растущее число диагнозов смерти мозга привело к тому, что он стал крупнейшим поставщиком органов и тканей, предназначенных для трансплантации. Этот рост, однако, сопровождался невероятным увеличением числа доноров после смерти от кровообращения. Несмотря на многофакт…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Мы благодарим FAPESP (Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo) за предоставленную финансовую поддержку.
Materials
| 14-gauge angiocath | DB | 38186714 | Orotracheal intubation |
| 2.0-silk | Brasuture | AA553 | Tracheal tube fixation |
| 24-gauge angiocath | DB | 38181214 | Arterial and venous access |
| 4.0-silk | Brasuture | AA551 | Fixation of arterial and venous cannulas |
| Alcoholic chlorhexidine digluconate solution (2%). | Vic Pharma | Y/N | Asepsis |
| Trichotomy apparatus | Oster | Y/N | Clipping device |
| Precision balance | Shimadzu | D314800051 | Analysis of the wet/dry weight ratio |
| Barbiturate (Thiopental) | Cristália | 18080003 | DC induction |
| Balloon catheter (Fogarty-4F) | Edwards Life Since | 120804 | BD induction |
| Neonatal extender | Embramed | 497267 | Used as catheters with the aid of the 24 G angiocath |
| FlexiVent | Scireq | 1142254 | Analysis of ventilatory parameters |
| Heparin | Blau Farmaceutica SA | 7000982-06 | Anticoagulant |
| Isoflurane | Cristália | 10,29,80,130 | Inhalation anesthesia |
| Micropipette (1000 µL) | Eppendorf | 347765Z | Handling of small- volume liquids |
| Micropipette (20 µL) | Eppendorf | H19385F | Handling of small- volume liquids |
| Microscope | Zeiss | 1601004545 | Assistance in the visualization of structures for the surgical procedure |
| Multiparameter monitor | Dixtal | 101503775 | MAP registration |
| Motorized drill | Midetronic | MCA0439 | Used to drill a 1 mm caliber borehole |
| Neubauer chamber | Kasvi | D15-BL | Cell count |
| Pediatric laryngoscope | Oxygel | Y/N | Assistance during tracheal intubation |
| Syringe (3 mL) | SR | 3330N4 | Hydration and exsanguination during HS protocol |
| Pressure transducer | Edwards Life Since | P23XL | MAP registration |
| Metallic tracheal tube | Biomedical | 006316/12 | Rigid cannula for analysis with the FlexiVent ventilator |
| Isoflurane vaporizer | Harvard Bioscience | 1,02,698 | Anesthesia system |
| Mechanical ventilator for small animals (683) | Harvard Apparatus | MA1 55-0000 | Mechanical ventilation |
| xMap methodology | Millipore | RECYTMAG-65K-04 | Analysis of inflammatory markers |
References
- Paterno, F., et al. Clinical implications of donor warm and cold ischemia time in donor after circulatory death liver transplantation. Liver Transplantation. 25 (9), 1342-1352 (2019).
- Yusen, R. D., et al. The registry of the International Society for heart and lung transplantation: thirty-third adult lung and heart-lung transplant report-2016; focus theme: primary diagnostic indications for transplant. The Journal of Heart and Lung Transplantation. 35 (10), 1170-1184 (2016).
- Jung, H. Y., et al. Comparison of transplant outcomes for low-level and standard-level tacrolimus at different time points after kidney transplantation. Journal of Korean Medical Science. 34 (12), e103 (2019).
- Cypel, M., et al. The International Society for heart and lung transplantation donation after circulatory death registry report. The Journal of Heart and Lung Transplantation. 34 (10), 1278-1282 (2015).
- Drake, M., Bernard, A., Hessel, E. Brain death. Surgical Clinics of North America. 97 (6), 1255-1273 (2017).
- Nepomuceno, N. A., et al. Effect of hypertonic saline in the pretreatment of lung donors with hemorrhagic shock. Journal of Surgical Research. 225, 181-188 (2018).
- Menegat, L., et al. Evidence of bone marrow downregulation in brain-dead rats. International Journal of Experimental Pathology. (3), 158-165 (2017).
- Iskender, I., et al. Effects of warm versus cold ischemic donor lung preservation on the underlying mechanisms of injuries during ischemia and reperfusion. Transplantation. (5), 760-768 (2018).
- Cypel, M., et al. Normothermic ex vivo perfusion prevents lung injury compared to extended cold preservation for transplantation. American Journal of Transplantation. 9 (10), 2262-2269 (2009).
- Wauters, S., et al. Evaluating lung injury at increasing time intervals in a murine brain death model. Journal of Surgical Research. 183 (1), 419-426 (2013).
- Smith, M. Physiologic changes during brain stem death–lessons for management of the organ donor. The Journal of Heart and Lung Transplantation. 23 (9), S217-S222 (2004).
- Belhaj, A., et al. Mechanical versus humoral determinants of brain death-induced lung injury. PLoS One. 12 (7), e0181899 (2017).
- Kolkert, J. L., et al. The gradual onset brain death model: a relevant model to study organ donation and its consequences on the outcome after transplantation. Laboratory Animals. 41 (3), 363-371 (2007).
- Rocha-E-Silva, M. Cardiovascular effects of shock and trauma in experimental models: A review. Revista Brasileira de Cirurgia Cardiovascular. 31 (1), 45-51 (2016).
- Manara, A. R., Murphy, P. G., O’Callaghan, G. Donation after circulatory death. British Journal of Anaesthesia. 108, i108-i121 (2012).
- Dhital, K. K., et al. Adult heart transplantation with distant procurement and ex-vivo preservation of donor hearts after circulatory death: a case series. The Lancet. 385 (9987), 2585-2591 (2015).
- Boucek, M. M., et al. Pediatric heart transplantation after declaration of cardiocirculatory death. The New England Journal of Medicine. 359 (7), 709-714 (2008).
- Kramer, A. H., Baht, R., Doig, C. J. Time trends in organ donation after neurologic determination of death: a cohort study. CMAJ Open. 5 (1), E19-E27 (2017).
- Reino, D. C., et al. Trauma hemorrhagic shock-induced lung injury involves a gut-lymph-induced TLR4 pathway in mice. PLoS One. 6 (8), e14829 (2011).
- Pascual, J. L., et al. Hypertonic saline resuscitation of hemorrhagic shock diminishes neutrophil rolling and adherence to endothelium and reduces in vivo vascular leakage. Annals of Surgery. 236 (5), 634-642 (2002).
- Van Zanden, J. E., et al. Rat donor lung quality deteriorates more after fast than slow brain death induction. PLoS One. 15 (11), e0242827 (2020).
- Shivalkar, B., et al. Variable effects of explosive or gradual increase of intracranial pressure on myocardial structure and function. Circulation. 87 (1), 230-239 (1993).
- López-Aguilar, J., et al. Massive brain injury enhances lung damage in an isolated lung model of ventilator-induced lung injury. Critical Care Medicine. 33 (5), 1077-1083 (2005).
- Catania, A., Lonati, C., Sordi, A., Gatti, S. Detrimental consequences of brain injury on peripheral cells. Brain, Behavior, and Immunity. 23 (7), 877-884 (2009).
- McKeating, E. G., Andrews, P. J., Mascia, L. Leukocyte adhesion molecule profiles and outcome after traumatic brain injury. Acta Neurochirurgica Supplement. 71, 200-202 (1998).
- Ott, L., McClain, C. J., Gillespie, M., Young, B. Cytokines and metabolic dysfunction after severe head injury. Journal of Neurotrauma. 11 (5), 447-472 (1994).
- Avlonitis, V. S., Wigfield, C. H., Kirby, J. A., Dark, J. H. The hemodynamic mechanisms of lung injury and systemic inflammatory response following brain death in the transplant donor. American Journal of Transplantation. 5 (4), 684-693 (2005).
- De Jesus Correia, C., et al. Hypertonic saline reduces cell infiltration into the lungs after brain death in rats. Pulmonary Pharmacology & Therapeutics. 61, 101901 (2020).
- Kalsotra, A., Zhao, J., Anakk, S., Dash, P. K., Strobel, H. W. Brain trauma leads to enhanced lung inflammation and injury: evidence for role of P4504Fs in resolution. Journal of Cerebral Blood Flow & Metabolism. 27 (5), 963-974 (2007).
- Simas, R., Zanoni, F. L., Silva, R., Moreira, L. F. P. Brain death effects on lung microvasculature in an experimental model of lung donor. Journal Brasileiro de Pneumologia. 46 (2), e20180299 (2020).
- Moore, K. The physiological response to hemorrhagic shock. Journal of Emergency Nursing. 40 (6), 629-631 (2014).
- Fülöp, A., Turóczi, Z., Garbaisz, D., Harsányi, L., Szijártó, A. Experimental models of hemorrhagic shock: a review. European Surgical Research. 50 (2), 57-70 (2013).
- Hillen, G. P., Gaisford, W. D., Jensen, C. G. Pulmonary changes in treated and untreated hemorrhagic shock. I. Early functional and ultrastructural alterations after moderate shock. The American Journal of Surgery. 122 (5), 639-649 (1971).
- Sprung, J., Mackenzie, C. F., Green, M. D., O’Dwyer, J., Barnas, G. M. Chest wall and lung mechanics during acute hemorrhage in anesthetized dogs. Journal of Cardiothoracic and Vascular Anesthesia. 11 (5), 608-612 (1997).
- Liu, X., et al. Inhibition of BTK protects lungs from trauma-hemorrhagic shock-induced injury in rats. Molecular Medicine Reports. 16 (1), 192-200 (2017).
- Maeshima, K., et al. Prevention of hemorrhagic shock-induced lung injury by heme arginate treatment in rats. Biochemical Pharmacology. 69 (11), 1667-1680 (2005).
- Gao, J., et al. Effects of different resuscitation fluids on acute lung injury in a rat model of uncontrolled hemorrhagic shock and infection. The Journal of Trauma. 67 (6), 1213-1219 (2009).
- Wohlauer, M., et al. Nebulized hypertonic saline attenuates acute lung injury following trauma and hemorrhagic shock via inhibition of matrix metalloproteinase-13. Critical Care Medicine. 40 (9), 2647-2653 (2012).
- Morrissey, P. E., Monaco, A. P. Donation after circulatory death: current practices, ongoing challenges, and potential improvements. Transplantation. 97 (3), 258-264 (2014).
- Snell, G. I., Levvey, B. J., Levin, K., Paraskeva, M., Westall, G. Donation after brain death versus donation after circulatory death: lung donor management issues. Seminars in Respiratory and Critical Care Medicine. 39 (2), 138-147 (2018).
- Iskender, I., et al. Effects of warm versus cold ischemic donor lung preservation on the underlying mechanisms of injuries during ischemia and reperfusion. Transplantation. 102 (5), 760-768 (2018).
- Yamamoto, S., et al. Activations of mitogen-activated protein kinases and regulation of their downstream molecules after rat lung transplantation from donors after cardiac death. Transplantation Proceedings. 43 (10), 3628-3633 (2011).
- Kang, C. H., et al. Transcriptional signatures in donor lungs from donation after cardiac death vs after brain death: a functional pathway analysis. The Journal of Heart and Lung Transplantation. 30 (3), 289-298 (2011).
