מודל עכברי של אינטובציה אורוטרכאלית וניתוח איסכמיה ריאה מונשמת
Summary
מודל ניתוחי בעכבר ליצירת פגיעה באיסכמיה של הריאה השמאלית (IR) תוך שמירה על אוורור והימנעות מהיפוקסיה.
Abstract
פגיעה באיסכמיה רפרפוזיה (IR) נובעת לעתים קרובות מתהליכים הכוללים תקופה חולפת של הפסקת זרימת הדם. בריאה, IR מבודד מאפשר את המחקר הניסיוני של תהליך ספציפי זה עם אוורור מתמשך alveolar, ובכך למנוע את התהליכים המזיקים המורכבים של היפוקסיה ו atelectasis. בהקשר הקליני, פגיעה באיסכמיה רפרפוזיה של הריאות (הידועה גם בשם ריאה IRI או LIRI) נגרמת על ידי תהליכים רבים, כולל אך לא מוגבל לתסחיף ריאתי, טראומה דימומית שעברה החייאה והשתלת ריאות. קיימות כיום אפשרויות טיפול יעילות מוגבלות עבור LIRI. כאן, אנו מציגים מודל כירורגי הפיך של IR ריאה הכולל אינטובציה אורוטרכאלית ראשונה ואחריה איסכמיה חד-צדדית של הריאה השמאלית ו- reperfusion עם אוורור alveolar משומר או חילופי גזים. עכברים עוברים כריתת בית חזה שמאלית, שדרכה עורק הריאה השמאלי נחשף, מדומה, מבודד ודחוס באמצעות החלקה הפיכה. לאחר מכן החתך הניתוחי נסגר במהלך התקופה האיסכמית, ובעל החיים מתעורר ומופקר. כאשר העכבר נושם באופן ספונטני, reperfusion נוצר על ידי שחרור החלקה סביב עורק הריאה. מודל הישרדות רלוונטי מבחינה קלינית זה מאפשר הערכה של פגיעה ב-IR של הריאה, שלב הרזולוציה, השפעות במורד הזרם על תפקוד הריאות, כמו גם מודלים של שתי פגיעות המערבות דלקת ריאות ניסיונית. למרות שהוא מאתגר מבחינה טכנית, ניתן לשלוט במודל זה במשך מספר שבועות עד חודשים עם שיעור הישרדות או הצלחה בסופו של דבר של 80%-90%.
Introduction
פגיעה באיסכמיה רפרפוזיה (IR) יכולה להתרחש כאשר זרימת הדם משוחזרת למיטת איברים או רקמות לאחר תקופה מסוימת של הפרעה. בריאה, IR יכול להתרחש בבידוד או בשיתוף עם תהליכים מזיקים אחרים כגון זיהום, היפוקסיה, atelectasis, volutrauma (מנפחי גאות גבוהים במהלך אוורור מכני), barotrauma (שיא גבוה או לחצים מתמשכים במהלך אוורור מכני), או קהה (לא חודר) פגיעה חבלת ריאות 1,2,3 . קיימים מספר פערים בידע שלנו על המנגנונים של LIRI ועל ההשפעה של תהליכים מקבילים (למשל, זיהום) על תוצאות LIRI, וגם אפשרויות הטיפול ב-LIRI מוגבלות. מודל in vivo של LIRI טהור נדרש כדי לזהות את הפתופיזיולוגיה של פגיעה IR ריאה בבידוד ולחקור את תרומתו לכל תהליך מרובה פגיעות שבו פגיעה ריאה היא מרכיב.
ניתן להשתמש במודלים של IR ריאה מורין כדי לחקור את הפתופיזיולוגיה הספציפית לריאות של תהליכים מרובים, כולל השתלת ריאות3, תסחיף ריאתי4, ופגיעה בריאות בעקבות טראומה דימומית עם החייאה5. מודלים המשמשים כיום כוללים השתלת ריאות כירורגית6, הידוק הילאר7, ex vivo ריאה perfusion8, וריאה מאווררת IR9. כאן, אנו מספקים פרוטוקול מפורט עבור מודל IR ריאה מאוורר של מורין של פגיעה ריאתית סטרילית. ישנם יתרונות רבים לגישה זו (איור 2), כולל העובדה שהיא משרה היפוקסיה מינימלית ואטלקטזיס מינימלי, וזהו מודל ניתוחי הישרדות המאפשר מחקרים ארוכי טווח.
הסיבות לבחור בדגם זה של LIRI על פני דגמים אחרים כגון הידוק הילאר ומודלים של פרפוזיה ex vivo הן כדלקמן: מודל זה ממזער את התרומות הדלקתיות של אטלקטזיס, אוורור מכני והיפוקסיה; הוא משמר אוורור מחזורי; הוא שומר על מערכת חיסונית במחזור הדם in vivo שלמה שיכולה להגיב לפגיעה ב-IR; ולבסוף, כהליך הישרדותי, הוא מאפשר ניתוח ארוך טווח של המנגנונים של יצירת פציעות משניות (מודלים של 2 פגיעות) ופתרון פציעות. באופן כללי, אנו מאמינים שמודל IR ריאות מאוורר זה מספק את הצורה “הטהורה” ביותר של פגיעת IR שניתן לחקור בניסוי.
פרסומים אחרים תיארו את השימוש באינטובציה אורו-טרכאלית של עכברים לביצוע הזרקות IT או התקנות10,11, אך לא כנקודת המוצא לניתוח הישרדות כפי שהוא במודל זה. המיקום של צינור אורוטרכאלי מאפשר ביצוע של ניתוח ריאות על ידי מתן אפשרות לקריסת הריאה הניתוחית. זה גם מאפשר reinflation של הריאה בסוף ההליך, אשר קריטי עבור pneumothorax ועל היכולת של העכבר לחזור אוורור ספונטני בסיום ההליכים. לבסוף, הסרת הצינור האורוטרכאלי המאובטח היא הליך פשוט, שבניגוד לטרכאוטומיה פולשנית, תואם לניתוח הישרדות. זה מאפשר מחקרים ארוכי טווח המתמקדים בהבנת ההתקדמות והפתרון של LIRI והפרעות נלוות, כמו גם יצירת מודלים של פציעות כרוניות.
Protocol
Representative Results
Discussion
כתב יד זה מפרט את השלבים הכרוכים בביצוע מודל IR הריאה המאווררת שפותח על ידי Dodd-o et al.9. מודל זה סייע לזהות מסלולים מולקולריים המעורבים ביצירה ובפתרון של דלקת מ-IR ריאה בבידוד 14,15,16,17, IR ריאה בשילוב עם זיהום קיים 18, ו-IR ריאה ביחס לציר המעיים-ריאה ותרומת מיקרוביום המעי13,…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
עבודה זו מומנה על ידי תמיכה מחלקתית ממחלקת ההרדמה והטיפול הפריאופרטיבי, אוניברסיטת קליפורניה סן פרנסיסקו ובית החולים הכללי של סן פרנסיסקו, כמו גם על ידי פרס NIH R01 (ל- AP): 1R01HL146753.
Materials
| Equipment | |||
| Fiber Optic Light Pipe | Cole-Parmer | UX-41720-65 | Fiberoptic light pipe |
| Fiber Optic Light Source | AmScope | SKU: CL-HL250-B | Light source for fiberoptic lights |
| Germinator 500 | Cell Point Scientific, Inc. | No.5-1450 | Bead Sterilizer |
| Heating Pad | AIMS | 14-370-223 | Alternative option |
| Lithium.Ion Grooming Kits(hair clipper) | WAHL home products | SKU 09854-600B | To remove mouse hair on surgical site |
| Microscope | Nikon | SMZ-10 | Other newer options available at the company website |
| MiniVent Ventilator | Havard Apparatus | Model 845 | Mouse ventilator |
| Ultrasonic Cleaner | Cole-Parmer | UX-08895-05 | Clean tools that been used in operation |
| Warming Pad | Kent Scientific | RT-0501 | To keep mouse warm while recovering from surgery |
| Weighing Scale | Cole-Parmer | UX-11003-41 | Weighing scale |
| Surgery Tools | |||
| 4-0 Silk Suture | Ethicon | 683G | For closing muscle layer |
| 7-0 Prolene Suture | Ethicon Industry | EP8734H | Using for making a slip knot of left pulmonary artery |
| Bard-Parker (11) Scalpel (Rib-Back Carbon Steel Surgical Blade, sterile, single use) | Aspen Surgical | 372611 | For entering thoracic cavity (option 1) |
| Bard-Parker (12) Scalpel | Aspen Surgical | 372612 | For entering thoracic cavity (option 2) |
| Extra Fine Graefe Forceps | FST | 11150-10 | Muscle/rib holding forceps |
| Magnetic Fixator Retraction System | FST | 1. Base Plate (Nos. 18200-03) 2. Fixators (Nos. 18200-01) 3. Retractors (Nos. 18200-05 through 18200-12) 4. Elastomer (Nos.18200-07) 5. Retractor(No.18200-08) |
Small Animal Retraction System |
| Monoject Standard Hypodermic Needle | COVIDIEN | 05-561-20 | For medication delivery IP |
| Narrow Pattern Forceps | FST | 11002-12 | Skin level forceps |
| Needle holder/Needle driver | FST | 12565-14 | for holding needles |
| Needles | BD | 305110 | 26 gauge needle for externalizing slipknot (24 or 26 gauge needle okay too) |
| PA/Vessel Dilating forceps | FST | 00125-11 | To hold PA; non-damaging gripper |
| Scissors | FST | 14060-09 | Used for incision and cutting into the muscular layer durging surgery |
| Ultra Fine Dumont micro forceps | FST | 11295-10 (Dumont #5 forceps, Biology tip, tip dimension:0.05*0.02mm,11cm) | For passing through the space between the left pulmonary artery and bronchus |
| Reagents | |||
| 0.25% Bupivacaine | Hospira, Inc. | 0409-1159-02 | Topical analgesic used during surgical wound closure |
| Avertin (2,2,2-Tribromoethanol) | Sigma-Aldrich | T48402-25G | Anesthetic, using for anesthetize the mouse for IR surgery, the concentration used in IR surgery is 250-400 mg/kg. |
| Buprenorphine | Covetrus North America | 59122 | Analgesic: concentration used for surgery is 0.05-0.1 mg/kg |
| Eye Lubricant | BAUSCH+LOMB | Soothe Lubricant Eye Ointment | Relieves dryness of the eye |
| Povidone-Iodine 10% Solution | MEDLINE INDUSTRIES INC | SKU MDS093944H (2 FL OZ, topical antiseptic) | Topical liquid applied for an effective first aid antiseptic at beginning of surgery |
| Materials | |||
| Alcohol Swab | BD brand | BD 326895 | for sterilzing area of injection and surgery |
| Plastic film | KIRKLAND | Stretch-Tite premium | Alternative for covering the sterilized surgical field (more cost effective) |
| Rodent Surgical Drapes | Stoelting | 50981 | Sterile field or drape for surgical field |
| Sterile Cotton Tipped Application | Pwi-Wnaps | 703033 | used for applying eye lubricant |
| Top Sponges | Dukal Corporaton | Reorder # 5360 | Stopping bleeding from skin/muscle |
References
- Shen, H., Kreisel, D., Goldstein, D. R. Processes of sterile inflammation. Journal of Immunology. 191 (6), 2857-2863 (2013).
- Fiser, S. M., et al. Lung transplant reperfusion injury involves pulmonary macrophages and circulating leukocytes in a biphasic response. The Journal of Thoracic and Cardiovascular Surgery. 121 (6), 1069-1075 (2001).
- Lama, V. N., et al. Models of lung transplant research: A consensus statement from the National Heart, Lung, and Blood Institute workshop. JCI Insight. 2 (9), 93121 (2017).
- Miao, R., Liu, J., Wang, J. Overview of mouse pulmonary embolism models. Drug Discovery Today: Disease Models. 7 (3-4), 77-82 (2010).
- Mira, J. C., et al. Mouse injury model of polytrauma and shock. Methods in Molecular Biology. 1717, 1-15 (2018).
- Krupnick, A. S., et al. Orthotopic mouse lung transplantation as experimental methodology to study transplant and tumor biology. Nature Protocols. 4 (1), 86-93 (2009).
- Gielis, J. F., et al. A murine model of lung ischemia and reperfusion injury: Tricks of the trade. The Journal of Surgical Research. 194 (2), 659-666 (2015).
- Nelson, K., et al. Animal models of ex vivo lung perfusion as a platform for transplantation research. World Journal of Experimental Medicine. 4 (2), 7-15 (2014).
- Dodd-o, J. M., Hristopoulos, M. L., Faraday, N., Pearse, D. B. Effect of ischemia and reperfusion without airway occlusion on vascular barrier function in the in vivo mouse lung. Journal of Applied Physiology. 95 (5), 1971-1978 (2003).
- Lawrenz, M. B., Fodah, R. A., Gutierrez, M. G., Warawa, J. Intubation-mediated intratracheal (IMIT) instillation: a noninvasive, lung-specific delivery system. Journal of Visualized Experiments. (93), e52261 (2014).
- Rayamajhi, M., et al. Non-surgical intratracheal instillation of mice with analysis of lungs and lung draining lymph nodes by flow cytometry. Journal of Visualized Experiments. (51), e2702 (2011).
- Dodd-o, J. M., Hristopoulos, M. L., Welsh-Servinsky, L. E., Tankersley, C. G., Pearse, D. B. Strain-specific differences in sensitivity to ischemia-reperfusion lung injury in mice. Journal of Applied Physiology. 100 (5), 1590-1595 (2006).
- Prakash, A., et al. Lung ischemia reperfusion (IR) is a sterile inflammatory process influenced by commensal microbiota in mice. Shock. 44 (3), 272-279 (2015).
- Prakash, A., et al. Alveolar macrophages and toll-like receptor 4 mediate ventilated lung ischemia reperfusion injury in mice. Anesthesiology. 117 (4), 822-835 (2012).
- Dodd-o, J. M., et al. The role of natriuretic peptide receptor-A signaling in unilateral lung ischemia-reperfusion injury in the intact mouse. American Journal of Physiology. Lung Cellular and Molecular Physiology. 294 (4), 714-723 (2008).
- Prakash, A., Kianian, F., Tian, X., Maruyama, D. Ferroptosis mediates inflammation in lung ischemia-reperfusion (IR) sterile injury in mice. American Journal of Respiratory and Critical Care Medicine. 201, (2020).
- Tian, X., et al. NLRP3 inflammasome mediates dormant neutrophil recruitment following sterile lung injury and protects against subsequent bacterial pneumonia in mice. Frontiers in Immunology. 8, 1337 (2017).
- Tian, X., Hellman, J., Prakash, A. Elevated gut microbiome-derived propionate levels are associated with reduced sterile lung inflammation and bacterial immunity in mice. Frontiers in Microbiology. 10, 159 (2019).
- Liu, Q., Tian, X., Maruyama, D., Arjomandi, M., Prakash, A. Lung immune tone via gut-lung axis: Gut-derived LPS and short-chain fatty acids’ immunometabolic regulation of lung IL-1β, FFAR2, and FFAR3 expression. American Journal of Physiology. Lung Cellular and Molecular Physiology. 321 (1), 65-78 (2021).
- Dodd-o, J. M., et al. Interactive effects of mechanical ventilation and kidney health on lung function in an in vivo mouse model. American Journal of Physiology. Lung Cellular and Molecular Physiology. 296 (1), 3-11 (2009).
