تصميم وتنفيذ نموذج تروية الرئة خارج الجسم الحي للفئران
Summary
تعد الرئتان خارج الجسم الحي مفيدة لمجموعة متنوعة من التجارب لجمع البيانات الفسيولوجية مع استبعاد المتغيرات المربكة للتجارب في الجسم الحي. غالبا ما تكون الإعدادات التجارية باهظة الثمن ومحدودة في أنواع البيانات التي يمكنها جمعها. وصفنا طريقة لبناء إعداد معياري بالكامل ، قابل للتكيف مع تصميمات الدراسة المختلفة.
Abstract
تعد مستحضرات الرئة خارج الجسم الحي نموذجا مفيدا يمكن ترجمته إلى العديد من مجالات البحث المختلفة ، مكملا النماذج المقابلة في الجسم الحي وفي المختبر. يجب أن تكون المختبرات التي ترغب في استخدام رئتين معزولتين على دراية بالخطوات المهمة والتحديات الكامنة لإنشاء إعداد ميسور التكلفة وموثوق به ويمكن تكييفه بسهولة ليناسب موضوع الاهتمام. تصف هذه الورقة نموذج DIY (افعلها بنفسك) لتهوية رئة الفئران خارج الجسم الحي والتروية لدراسة تأثيرات الأدوية والغاز على نغمة الأوعية الدموية الرئوية ، بغض النظر عن التغيرات في النتاج القلبي. يتضمن إنشاء هذا النموذج أ) تصميم وبناء الجهاز ، و ب) إجراء عزل الرئة. ينتج عن هذا النموذج إعداد أكثر فعالية من حيث التكلفة من البدائل التجارية ولكنه معياري بما يكفي للتكيف مع التغييرات في أسئلة بحثية محددة. كان لا بد من حل العقبات المختلفة لضمان نموذج متسق يمكن استخدامه لمجموعة متنوعة من مواضيع البحث المختلفة. بمجرد إنشائه ، أثبت هذا النموذج أنه قابل للتكيف بشكل كبير مع الأسئلة المختلفة ويمكن تغييره بسهولة في مجالات الدراسة المختلفة.
Introduction
شهدت تقنيات نضح الرئة خارج الجسم الحي (EVLP)1 ارتفاعا في الاستخدام في العقد الماضي كوسيلة لدراسة عمليات زرع الرئة2 ، ونقص التروية / إعادة التروية3 ، واستقلاب الرئة4 ، والاستجابات المناعية5. توفر الرئتان المعزولتان ، ولكن السليمتان والمتصلتان بالتهوية والمعطوب ، القدرة المهمة للغاية على التقييم المباشر لاستجابة الرئتين ، بما في ذلك الأوعية الدموية الرئوية ، للتدخلات و / أو العلاجات المحتملة دون إرباك محتمل ، مثل المدخلات العصبية والهرمونية أو تغيير ديناميكا الدم في الجسم الحي. في الوقت نفسه ، يحافظون على التفاعل الفسيولوجي للتهوية والتروية ، على عكس الظروف المختبرية. على سبيل المثال ، يحتاج اقتراح يبحث في الاستجابات المناعية في الرئتين5 إلى نفس جودة البيانات مثل دراسة تركز على زيادة حجم مجموعة المانحين6 لزراعة الرئة. يمكن استخدام EVLP عبر مجموعة متنوعة من الأنواع ، بما في ذلك الفئران3 والجرذان7،8،9،10،11،12 والخنازير13 والبشر2. لذلك ، من الضروري إنشاء نموذج يمكنه إنتاج بيانات موثوقة من مجموعة متنوعة من المعلمات التجريبية المختلفة. سيتم إنشاء الصلة السريرية في الدراسات اللاحقة باستخدام نموذج EVLP كأداة.
في حين أن الإعدادات التجارية متاحة للشراء لمعظم الأنواع ، إلا أنها غالبا ما تكون باهظة التكلفة وتحصر الباحثين في علامة تجارية معينة من المعدات والبرامج الاحتكارية. يتطلب أي انحراف عن الإعداد الجاهز (على سبيل المثال ، الانتقال من نوع إلى آخر) التبصر والعمل حول الإعداد المقدم ، والذي قد يكون صعبا أو مستحيلا. في ما يلي ، يتم وصف إعداد DIY (افعلها بنفسك) للرئتين المعزولتين للفئران وهو معياري وفعال من حيث التكلفة ، بالإضافة إلى الإجراء الجراحي لعزل الرئتين.
Protocol
Representative Results
Discussion
تم إجراء أكثر من 100 تجربة بنجاح في مختبرنا باستخدام هذا الإعداد. أعطى التصميم المعياري لهذا الإعداد المخصص مرونة كبيرة للتغييرات المحتملة في المتطلبات التجريبية. في حين أن الإعدادات الأخرى تستخدم مزيل الأكسجين18 لتقليد استهلاك الأكسجين المستمر وإنتاج CO2 بواسطة الأعضاء …
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
تم تقديم الدعم ، جزئيا ، من خلال جائزة مراجعة الجدارة (101 BX003482) من خدمة البحث والتطوير في المختبرات الطبية الحيوية التابعة لوزارة شؤون المحاربين القدامى الأمريكية ، ومنحة المعاهد الوطنية للصحة (5R01 HL123227) ، وجائزة المشروع التحويلي (962204) من جمعية القلب الأمريكية ، ومن خلال الصناديق المؤسسية الممنوحة للدكتور ريس. تلقى الدكتور بالزر تمويلا غير ذي صلة من Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG ، مؤسسة الأبحاث الألمانية) ، رقم المشروع BA 6287 / 1-1. يود المؤلفون أن يشكروا ماثيو د. أولسن وتشون تشو وتشو لي وريبيكا سي ريس على مساهماتهم القيمة في الدراسة.
Materials
| 1,000 mL Glass Beaker | Pyrex, Chicago, IL | ||
| 1,500 mL Glass Beaker | Pyrex, Chicago, IL | ||
| Air Trap Compliance Chamber | Radnoti | 130149 | |
| Bioamplifiers | CWE Inc | BPM-832 | |
| Clamps | Fisher Scientific | S02626 | |
| DAQ (Data Acquisition) | National Instruments, Austin, TX | NI USB-6343 | |
| Gas Mixer | CWE Inc, Ardmore, PA | GSM-4 | |
| Heating Coil | Radnoti, Covina, CA | 158822 | |
| Heating Plate | Thermo Fisher Scientific, Waltham, MA | 11-100-49SH | |
| Heparin | Pfizer | W63422 | |
| LabVIEW Full Development System 2014 | National Instruments | ||
| Pentobarbital | Diamondback Drugs | G2270-0235-50 | |
| pH700 Probe | OAKTON, Vernon Hills, IL | EW-35419-10 | |
| Polystat Water Bath | Cole-Parmer | EW-12121-02 | |
| Rodent Ventilator | Harvard Apparatus, Holliston, MA | Model 683 | |
| Roller Pump | Cole-Parmer, Wertheim, Germany | Ismatec REGLO Digital MS 2/8 | |
| Sprague Dawley Rat | Charles River, Wilmington, MA | Strain code 001 | |
| VetScan i-STAT | Abraxis, Chicago, IL | i-STAT 1 |
References
- Uhlig, S., Taylor, A. E. . Methods in Pulmonary Research. , (1998).
- Ghaidan, H., et al. Ten year follow-up of lung transplantations using initially rejected donor lungs after reconditioning using ex vivo lung perfusion. Journal of Cardiothoracic Surgery. 14 (1), 125 (2019).
- Stone, M. L., et al. Ex vivo perfusion with adenosine A2A receptor agonist enhances rehabilitation of murine donor lungs after circulatory death. Transplantation. 99 (12), 2494-2503 (2015).
- Valenza, F., et al. The consumption of glucose during ex vivo lung perfusion correlates with lung edema. Transplantation Proceedings. 43 (4), 993-996 (2011).
- Sayner, S. L., et al. Paradoxical cAMP-induced lung endothelial hyperpermeability revealed by Pseudomonas aeruginosa ExoY. Circulation Research. 95 (2), 196-203 (2004).
- McAuley, D. F., et al. Clinical grade allogeneic human mesenchymal stem cells restore alveolar fluid clearance in human lungs rejected for transplantation. American Journal of Physiology. Lung Cellular and Molecular Physiology. 306 (9), L809-L815 (2014).
- Pego-Fernandes, P. M., et al. Experimental model of isolated lung perfusion in rats: first Brazilian experience using the IL-2 isolated perfused rat or guinea pig lung system. Transplantation Proceedings. 42 (2), 444-447 (2010).
- Noda, K., et al. Successful prolonged ex vivo lung perfusion for graft preservation in rats. European Journal of Cardio-Thoracic Surgery. 45 (3), e54-e60 (2014).
- Nelson, K., et al. Method of isolated ex vivo lung perfusion in a rat model: lessons learned from developing a rat EVLP program. Journal of Visualized Experiments. (96), e52309 (2015).
- Bassani, G. A., et al. Ex vivo lung perfusion in the rat: detailed procedure and videos. PLoS One. 11 (12), e0167898 (2016).
- Watson, K. E., Segal, G. S., Conhaim, R. L. Negative pressure ventilation enhances acinar perfusion in isolated rat lungs. Pulmonary Circulation. 8 (1), 2045893217753596 (2018).
- Ohsumi, A., et al. A method for translational rat ex vivo lung perfusion experimentation. American Journal of Physiology. Lung Cellular and Molecular Physiology. 319 (1), L61-L70 (2020).
- Hozain, A. E., et al. Multiday maintenance of extracorporeal lungs using cross-circulation with conscious swine. The Journal of Thoracic and Cardiovascular Surgery. 159 (4), 1640-1653 (2020).
- Kilkenny, C., Browne, W. J., Cuthill, I. C., Emerson, M., Altman, D. G. Improving bioscience research reporting: the ARRIVE guidelines for reporting animal research. PLoS Biology. 8 (6), e1000412 (2010).
- van Zanden, J. E., Leuvenink, H. G. D., Verschuuren, E. A. M., Erasmus, M. E., Hottenrott, M. C. A translational rat model for ex vivo lung perfusion of pre-injured lungs after brain death. PLoS One. 16 (12), e0260705 (2021).
- Cleveland, W. J., et al. Implementation of LabVIEW as a virtual instrument in a cost-effective isolated lung setup. The FASEB Journal. 33 (1), 846 (2019).
- Jamieson, S. W., Stinson, E. B., Oyer, P. E., Baldwin, J. C., Shumway, N. E. Operative technique for heart-lung transplantation. The Journal of Thoracic and Cardiovascular Surgery. 87 (6), 930-935 (1984).
- Liu, M., et al. Alterations of nitric oxide synthase expression and activity during rat lung transplantation. American Journal of Physiology. Lung Cellular and Molecular Physiology. 278 (5), L1071-L1081 (2000).
- Riess, M. L., et al. Glucose measurements in blood-free balanced salt solutions with three devices (i-STAT®, glucose test strips and ACCU-CHEK® Aviva). Anesthesia and Analgesia. 128 (5), 924 (2019).
- Menezes, A. Q., et al. Comparison of Celsior and Perfadex lung preservation solutions in rat lungs subjected to 6 and 12 hours of ischemia using an ex-vivo lung perfusion system. Clinics. 67 (11), 1309-1314 (2012).
- Riess, M. L., et al. Electrolyte measurements in blood-free balanced salt solutions – comparison of i-STAT® with ABL80. Anesthesia and Analgesia. 130 (5), 984 (2020).
.