Diseño e implementación de un modelo de perfusión pulmonar ex vivo en ratas
Summary
Los pulmones ex vivo son útiles para una variedad de experimentos para recopilar datos fisiológicos y excluir las variables de confusión de los experimentos in vivo . Las configuraciones comerciales suelen ser caras y limitadas en cuanto a los tipos de datos que pueden recopilar. Describimos un método para construir una configuración totalmente modular, adaptable a varios diseños de estudio.
Abstract
Las preparaciones pulmonares ex vivo son un modelo útil que puede trasladarse a muchos campos de investigación diferentes, complementando los modelos in vivo e in vitro correspondientes. Los laboratorios que deseen utilizar pulmones aislados deben ser conscientes de los pasos importantes y los desafíos inherentes para establecer una configuración que sea asequible, confiable y que se pueda adaptar fácilmente para adaptarse al tema de interés. Este artículo describe un modelo DIY (hágalo usted mismo) para la ventilación y perfusión pulmonar ex vivo de ratas para estudiar los efectos de los fármacos y los gases sobre el tono vascular pulmonar, independientemente de los cambios en el gasto cardíaco. La creación de este modelo incluye a) el diseño y la construcción del aparato, y b) el procedimiento de aislamiento pulmonar. Este modelo da como resultado una configuración que es más rentable que las alternativas comerciales y, sin embargo, lo suficientemente modular como para adaptarse a los cambios en preguntas de investigación específicas. Hubo que resolver varios obstáculos para garantizar un modelo coherente que pudiera utilizarse en una variedad de temas de investigación diferentes. Una vez establecido, este modelo ha demostrado ser altamente adaptable a diferentes preguntas y puede modificarse fácilmente para diferentes campos de estudio.
Introduction
Las técnicas de perfusión pulmonar ex vivo (EVLP)1 han experimentado un aumento en su uso en la última década como medio para estudiar los trasplantes pulmonares2, la isquemia/reperfusión3, el metabolismo pulmonar4 y las respuestas inmunitarias5. Los pulmones aislados, pero intactos, ventilados y perfundidos ofrecen la capacidad de evaluar directamente la respuesta de los pulmones, incluida la vasculatura pulmonar, a posibles intervenciones y/o terapias sin posibles factores de confusión, como la entrada neuronal y hormonal o el cambio hemodinámico in vivo. Al mismo tiempo, mantienen la interacción fisiológica de ventilación y perfusión, en contraste con las condiciones in vitro. Una propuesta que analiza las respuestas inmunitarias en los pulmones5, por ejemplo, necesita la misma calidad de datos que un estudio centrado en aumentar el tamaño del grupo de donantes6 para los trasplantes de pulmón. EVLP se puede usar en una variedad de especies, incluidos ratones3, ratas 7,8,9,10,11,12, cerdos 13 y humanos 2. Por lo tanto, es necesario establecer un modelo que pueda producir datos confiables a partir de una variedad de parámetros experimentales diferentes. La relevancia clínica se generará en estudios posteriores utilizando como herramienta el modelo EVLP.
Si bien las configuraciones comerciales están disponibles para su compra para la mayoría de las especies, a menudo pueden tener un costo prohibitivo y confinar a los investigadores a una marca específica de equipo y software patentado. Cualquier desviación de la configuración lista para usar (por ejemplo, pasar de una especie a otra) requiere previsión y trabajar en torno a la configuración proporcionada, lo que puede resultar difícil o imposible. A continuación, se describe una configuración DIY (hágalo usted mismo) para pulmones aislados de rata que es modular y rentable, así como el procedimiento quirúrgico para aislar los pulmones.
Protocol
Representative Results
Discussion
Se han realizado con éxito más de 100 experimentos en nuestro laboratorio utilizando esta configuración. El diseño modular de esta configuración personalizada proporcionó una gran flexibilidad a los posibles cambios en los requisitos experimentales. Mientras que otras configuraciones utilizan un desoxigenador18 para imitar el consumo constante de oxígeno y la producción de CO2 por parte de los órganos terminales, este modelo simplificado no empleó esta característica, debido …
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
El apoyo fue proporcionado, en parte, por un Premio al Mérito (101 BX003482) del Servicio de Investigación y Desarrollo de Laboratorio Biomédico del Departamento de Asuntos de Veteranos de EE. UU., una subvención de los NIH (5R01 HL123227), un Premio al Proyecto Transformador (962204) de la Asociación Americana del Corazón y fondos institucionales otorgados al Dr. Riess. El Dr. Balzer recibió financiación no relacionada de la Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG, Fundación Alemana de Investigación), proyecto número BA 6287/1-1. Los autores desean agradecer a Matthew D. Olsen, Chun Zhou, Zhu Li y Rebecca C. Riess por sus valiosas contribuciones al estudio.
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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