Design und Implementierung eines ex vivo Lungenperfusionsmodells für Ratten
Summary
Ex-vivo-Lungen sind nützlich für eine Vielzahl von Experimenten, um physiologische Daten zu sammeln, wobei die Störvariablen von In-vivo-Experimenten ausgeschlossen werden. Kommerzielle Setups sind oft teuer und in der Art der Daten, die sie sammeln können, begrenzt. Wir beschreiben eine Methode zum Aufbau eines vollständig modularen Aufbaus, der an verschiedene Studiendesigns angepasst werden kann.
Abstract
Ex-vivo-Lungenpräparate sind ein nützliches Modell, das auf viele verschiedene Forschungsbereiche übertragen werden kann und entsprechende In-vivo – und In-vitro-Modelle ergänzt. Laboratorien, die isolierte Lungen verwenden möchten, müssen sich der wichtigen Schritte und inhärenten Herausforderungen bewusst sein, um ein Setup zu etablieren, das erschwinglich und zuverlässig ist und leicht an das gewünschte Thema angepasst werden kann. In dieser Arbeit wird ein DIY-Modell (Do it yourself) für die ex vivo Lungenventilation und -perfusion von Ratten beschrieben, um die Auswirkungen von Medikamenten und Gasen auf den pulmonalen Gefäßtonus zu untersuchen, unabhängig von Veränderungen des Herzzeitvolumens. Die Erstellung dieses Modells umfasst a) das Design und die Konstruktion des Geräts und b) das Verfahren zur Lungenisolierung. Dieses Modell führt zu einem Aufbau, der kostengünstiger ist als kommerzielle Alternativen und dennoch modular genug, um sich an Veränderungen spezifischer Forschungsfragen anzupassen. Verschiedene Hindernisse mussten aus dem Weg geräumt werden, um ein konsistentes Modell zu gewährleisten, das für eine Vielzahl unterschiedlicher Forschungsthemen eingesetzt werden kann. Einmal etabliert, hat sich dieses Modell als sehr anpassungsfähig an verschiedene Fragestellungen erwiesen und kann leicht für verschiedene Studienfächer geändert werden.
Introduction
Ex-vivo-Lungenperfusionstechniken (EVLP)1 haben in den letzten zehn Jahren als Mittel zur Untersuchung von Lungentransplantationen2, Ischämie/Reperfusion3, Lungenstoffwechsel4 und Immunreaktionen5 zugenommen. Isolierte, aber intakte, beatmete und durchblutete Lungen bieten die äußerst wichtige Möglichkeit, die Reaktion der Lunge, einschließlich des Lungengefäßsystems, auf potenzielle Interventionen und/oder Therapeutika direkt zu beurteilen, ohne potenzielle Störfaktoren, wie z. B. neuronale und hormonelle Eingaben oder eine sich ändernde Hämodynamik in vivo. Gleichzeitig halten sie das physiologische Zusammenspiel von Beatmung und Perfusion aufrecht, im Gegensatz zu in vitro-Bedingungen. Ein Vorschlag, der sich mit Immunantworten in der Lunge5 befasst, benötigt beispielsweise die gleiche Datenqualität wie eine Studie, die sich auf die Vergrößerung des Spenderpools6 für Lungentransplantationen konzentriert. EVLP kann bei einer Vielzahl von Spezies eingesetzt werden, darunter Mäuse3, Ratten 7,8,9,10,11,12, Schweine13 und Menschen 2. Daher ist es notwendig, ein Modell zu etablieren, das zuverlässige Daten aus einer Vielzahl unterschiedlicher experimenteller Parameter liefern kann. Die klinische Relevanz wird in nachfolgenden Studien mit Hilfe des EVLP-Modells als Werkzeug generiert.
Während kommerzielle Setups für die meisten Spezies zum Kauf angeboten werden, können sie oft unerschwinglich sein und die Forscher auf eine bestimmte Marke von Geräten und proprietärer Software beschränken. Jede Abweichung vom Out-of-the-Box-Setup (z. B. der Wechsel von einer Art zu einer anderen) erfordert Weitsicht und das Umgehen des bereitgestellten Setups, was sich als schwierig oder unmöglich erweisen kann. Im Folgenden wird ein DIY-Setup (Do it yourself) für die isolierte Lunge von Ratten beschrieben, das sowohl modular als auch kostengünstig ist, sowie das chirurgische Vorgehen zur Isolierung der Lunge.
Protocol
Representative Results
Discussion
Mehr als 100 Experimente wurden in unserem Labor mit diesem Aufbau erfolgreich durchgeführt. Der modulare Aufbau dieses kundenspezifischen Aufbaus bot eine große Flexibilität für mögliche Änderungen der experimentellen Anforderungen. Während andere Aufbauten einen Deoxygenator18 verwenden, um den konstanten Sauerstoffverbrauch und die CO2 -Produktion durch Endorgane nachzuahmen, verwendete dieses vereinfachte Modell dieses Merkmal nicht, da der Schwerpunkt auf der Untersuchung de…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Die Unterstützung erfolgte zum Teil durch einen Merit Review Award (101 BX003482) des U.S. Department of Veteran Affairs Biomedical Laboratory R&D Service, einen NIH-Zuschuss (5R01 HL123227), einen Transformative Project Award (962204) der American Heart Association und durch institutionelle Mittel, die Dr. Riess verliehen wurden. Dr. Balzer erhielt eine unabhängige Förderung durch die Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG), Projektnummer BA 6287/1-1. Die Autoren danken Matthew D. Olsen, Chun Zhou, Zhu Li und Rebecca C. Riess für ihre wertvollen Beiträge zur Studie.
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).
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