Akciğer Transplantasyonunda Deneysel Organ Bağışı Modellerinin İncelenmesi
Summary
Bu çalışma, üç farklı akciğer bağışı modelinin (beyin ölümü sonrası bağış, dolaşım sonrası ölüm bağışı ve hemorajik şok sonrası bağış) kurulduğunu göstermektedir. Bu olaylarla ilişkili enflamatuar süreçleri ve patolojik bozuklukları karşılaştırır.
Abstract
Deneysel modeller, çeşitli patofizyolojik olaylarda yer alan etiyolojik fenomenleri anlamak için önemli araçlardır. Bu bağlamda, transplantasyon sonrası primer greft disfonksiyonunun patofizyolojisini tetikleyen unsurları incelemek ve potansiyel tedavileri değerlendirmek için farklı hayvan modelleri kullanılmıştır. Şu anda, deneysel bağış modellerini iki büyük gruba ayırabiliriz: beyin ölümünden sonra bağış ve dolaşım durmasından sonra bağış. Ek olarak, organ bağışının hayvan modelleri göz önüne alındığında hemorajik şokla ilişkili zararlı etkiler de göz önünde bulundurulmalıdır. Burada, üç farklı akciğer bağışı modelinin (beyin ölümü sonrası bağış, dolaşım sonrası ölüm bağışı ve hemorajik şok sonrası bağış) oluşturulmasını anlatıyor ve bu olaylarla ilişkili inflamatuar süreçleri ve patolojik bozuklukları karşılaştırıyoruz. Amaç, bilimsel topluluğa, ilişkili patolojik mekanizmaları incelemek ve transplantasyon için uygun greft sayısını optimize etmek için yeni terapötik hedefler aramak için güvenilir hayvan akciğer bağışı modelleri sağlamaktır.
Introduction
Klinik uygunluk
Organ nakli, birçok ciddi patoloji için iyi bilinen bir terapötik seçenektir. Son yıllarda, organ transplantasyonunun klinik ve deneysel alanlarında, primer greft disfonksiyonunun (PGT) patofizyolojisi hakkında daha fazla bilgi sahibi olmak ve yoğun bakım, immünoloji ve farmakoloji alanlarındaki ilerlemeler gibi birçok ilerleme kaydedilmiştir 1,2,3. İlgili cerrahi ve farmakolojik prosedürlerin kalitesindeki başarılara ve gelişmelere rağmen, mevcut organ sayısı ile bekleme listesindeki alıcı sayısı arasındaki ilişki ana zorluklardan biri olmaya devam etmektedir 2,4. Bu bağlamda, bilimsel literatür, organ bağışçılarına organ nakli zamanına kadar organları tedavi etmek ve/veya korumak için uygulanabilecek tedavileri incelemek için hayvan modelleri önermiştir 5,6,7,8.
Klinik uygulamada gözlemlenen farklı olayları taklit ederek, hayvan modelleri, ilişkili patolojik mekanizmaların ve bunların ilgili terapötik yaklaşımlarının incelenmesine izin verir. Bu olayların deneysel indüksiyonu, çoğu izole vakada, organ nakli ile ilgili bilimsel literatürdegeniş çapta araştırılan deneysel organ ve doku bağışı modelleri oluşturmuştur 6,7,8,9. Bu çalışmalar, beyin ölümü (BH), hemorajik şok (HS) ve dolaşım ölümüne (CD) neden olanlar gibi farklı metodolojik stratejiler kullanır, çünkü bu olaylar bağışlanan organ ve dokuların işlevselliğini tehlikeye atan farklı zararlı süreçlerle ilişkilidir.
Beyin ölümü (BH)
BD, farklı sistemlerin ilerleyici bozulmasına yol açan bir dizi olayla ilişkilidir. Genellikle beyin travması veya kanama nedeniyle kafa içi basıncında (ICP) akut veya kademeli bir artış meydana geldiğinde ortaya çıkar. ICP’deki bu artış, Cushing refleksi10,11 olarak bilinen bir süreçte stabil bir serebral kan akışını sürdürmek amacıyla kan basıncında bir artışı teşvik eder. Bu akut değişiklikler, nakil sonrası morbidite ve mortaliteyi etkilemenin yanı sıra, bağışlanan organların miktarını ve kalitesini tehlikeye atan kardiyovasküler, endokrin ve nörolojik işlev bozukluklarına neden olabilir 10,11,12,13.
Hemorajik şok (HS)
HS, sırayla, çoğu organ bağışçıları ile ilişkilidir, çünkü bunların çoğu önemli kan hacmi kaybına neden olan travma kurbanlarıdır. Akciğerler ve kalp gibi bazı organlar, hipovolemi ve bunun sonucunda ortaya çıkan doku hipoperfüzyonu nedeniyle HS’ye karşı özellikle savunmasızdır14. HS, artan kılcal geçirgenlik, ödem ve enflamatuar hücrelerin infiltrasyonu yoluyla akciğer hasarına neden olur, birlikte gaz değişimini tehlikeye atan ve ilerleyici organ bozulmasına yol açan mekanizmalar, sonuç olarak bağış sürecini raydan çıkarır 6,14.
Dolaşım ölümü (CD)
CD sonrası bağışın kullanımı büyük dünya merkezlerinde katlanarak artmakta ve böylece toplanan organ sayısının artmasına katkıda bulunmaktadır. CD sonrası donörlerden elde edilen organlar, düşük (agonik faz) veya kan akışı (asistolik faz) aralığından sonra ortaya çıkan sıcak iskeminin etkilerine karşı savunmasızdır8,15. Hipoperfüzyon veya kan akışının olmaması, ani ATP kaybı ve dokularda metabolik toksinlerin birikmesi ile ilişkili doku hipoksisine yol açacaktır15. Klinik uygulamada transplantasyon için mevcut kullanımına rağmen, bu organların kullanımının transplantasyon sonrası greftin kalitesi ve hasta sağkalımı üzerindeki etkisi hakkında birçok şüphe devam etmektedir15. Bu nedenle, ÇH ile ilişkili etiyolojik faktörlerin daha iyi anlaşılması için deneysel modellerin kullanımı da artmaktadır 8,15,16,17.
Deneysel modeller
Çeşitli deneysel organ bağışı modelleri (BD, HS ve CD) vardır. Bununla birlikte, çalışmalar genellikle bir seferde yalnızca bir stratejiye odaklanır. İki veya daha fazla stratejiyi birleştiren veya karşılaştıran çalışmalarda gözle görülür bir boşluk vardır. Bu modeller, bağış sayısını artırmayı ve sonuç olarak potansiyel alıcıların bekleme listesini azaltmayı amaçlayan tedavilerin geliştirilmesinde çok faydalıdır. Bu amaçla kullanılan hayvan türleri, çalışmadan çalışmaya değişir, amaç insan morfo fizyolojisi ile daha doğrudan bir çeviri olduğunda ve hayvanın büyüklüğü nedeniyle cerrahi prosedürde daha az teknik zorluk olduğunda domuz modelleri daha yaygın olarak seçilir. Faydalarına rağmen, lojistik zorluklar ve yüksek maliyetler domuz modeliyle ilişkilidir. Öte yandan, düşük maliyet ve biyolojik manipülasyon olasılığı, kemirgen modellerinin kullanımını destekleyerek, araştırmacının lezyonları çoğaltmak ve tedavi etmek için güvenilir bir modelden başlamasına ve ayrıca organ nakli alanında edinilen bilgileri entegre etmesine olanak tanır.
Burada, beyin ölümü, dolaşım ölümü ve hemorajik şok bağışının kemirgen bir modelini sunuyoruz. Bu modellerin her biri ile ilişkili enflamatuar süreçleri ve patolojik durumları tanımladık.
Protocol
Representative Results
Discussion
Son yıllarda, beyin ölümü tanılarının sayısının artması, nakil amaçlı organ ve dokuların en büyük sağlayıcısı haline gelmesine neden olmuştur. Ancak bu büyümeye, dolaşım ölümünden sonra bağışlarda inanılmaz bir artış eşlik etti. Multifaktöriyel doğasına rağmen, ölüm nedenlerini tetikleyen mekanizmaların çoğu, yoğun kan içeriği kaybı ile travmadan sonra başlar veya travmaya eşlik eder 4,18.
<p class="jove_conte…Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
FAPESP’e (Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo) finansal destek sağladığı için teşekkür ederiz.
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).
