Intravenous administration of endotoxin reliably elicits dose-dependent physiological and immunological alterations consistent with several pathological states. This reductionist approach permits the investigation, modeling and experimental modification of systemic inflammation and its downstream effects in man.
Activatie van ontstekingsreacties is een centraal mechanisme in verschillende ziektetoestanden acute en chronische. Geactiveerd via ofwel pathogeen of weefselschade-geassocieerde moleculaire motieven, gemeenschappelijke biochemische wegen leiden tot geconserveerde nog variabele fysiologische en immunologische veranderingen. Dissectie en afbakening van de determinanten en mechanismen die ten grondslag liggen aan fenotypische variantie in reactie wordt verwacht dat nieuwe therapeutische vooruitgang opleveren.
Intraveneuze (IV) toediening van endotoxine (gram-negatieve bacteriële lipopolysaccharide), een specifieke Toll-like receptor 4 agonist, vertegenwoordigt een in vivo model van systemische ontsteking in mensen. National Institutes for Health Clinical Center Referentie endotoxine (CCRE, Escherichia coli O: 113: H10: K negatief) wordt gebruikt om betrouwbaar en reproduceerbaar te genereren vasculaire, hematologische, endocriene, immunologische en orgel-specifieke functionele effecten die parallel, in verschillende mate,die bij het begin van pathologische toestanden. Wijziging van dosis (0,06-4 ng / kg) en tijdschema van de blootstelling (bolus infusie versus) maakt replicatie van zowel acute als chronische inflammatie en verschillende ernst worden opgewekt, bij hogere doseringen (2-4 ng / kg ) vaak wordt gebruikt om een 'sepsis-achtige' toestand te creëren. Gevestigde en nieuwe medicinale verbindingen kunnen bovendien vóór of na endotoxine blootstelling worden toegediend om hun effect op de inflammatoire cascade waarderen. Ondanks de beperkingen in omvang en generaliseerbaarheid, menselijke IV endotoxine uitdaging biedt een uniek platform om mechanistische inzichten in induceerbare fysiologische reacties en inflammatoire pathways te krijgen. Rationeel gebruikt, het kan vertalen van deze kennis te helpen in therapeutische innovaties.
Ontsteking van verschillende etiologie, ernst en duur vormt een centrale component in de pathologie van verschillende ziekten. Variërend van de kritische ziekte toestanden zoals sepsis of trauma, waar ernstige, relatief korte duur ontsteking overheerst, tot chronische ziekten zoals type 2 diabetes mellitus, atherosclerose en de ziekte van Alzheimer, waar aanhoudend lage niveau inflammatoire toon wordt beschouwd als een pathologische factor, ontregelde inflammatoire pathways zijn een belangrijke motor van de wereldwijde morbiditeit en mortaliteit 1,2.
Ontsteking wordt geïnitieerd door de aanwezigheid van pathogeen-geassocieerde moleculaire patronen (PAMPs) of gevaar in verband moleculaire patronen (gedempt) – algemeen intracellulaire componenten vrijgegeven via weefselschade 3-5. Deze geconserveerde moleculaire motieven binden patroonherkenning receptoren (PRRS) zoals Toll-like receptoren (TLR) gevonden op epitheelcellen, endotheelcellen en die van het aangeboren immuunsysteem systeem, op gang te brengen gemeenschappelijke stroomafwaartse intracellulaire signaalwegen 6. Activatie van de nucleaire transcriptiefactor nucleaire factor KB onder andere leidt tot transcriptie van genen die coderen voor pro-inflammatoire cytokines die de inflammatoire cascade 7 vast.
Ontsteking veroorzaakt zowel lokale en systemische effecten, ontworpen om te isoleren en te verwijderen van de primaire belediging. Lokale wijzigingen omvatten up-regulatie van hechting markers, chemokine release, vaatverwijding en verhoogde vasculaire permeabiliteit voor aangeboren immuunsysteem cel transmigratie vergemakkelijken. Het complement en coagulatie worden ook geactiveerd. Systemisch worden meerdere orgaanspecifieke fysiologische veranderingen waargenomen, georkestreerde via het neuroendocriene netwerk. Een aanzienlijke stijging van humorale bemiddelaars optreden en de circulerende cel profiel radicaal verandert. Niet-ontsteking staken en homeostase wordt hersteld kan het gevolg zijn van de persistentie initiëren stimuli ofeen mislukking van toegewijde resolutie pathways 8. Deze krachtige mechanismen, vaak gecoördineerd door lipide bemiddelaars kunnen zelf pathogeen 9,10.
Onderzoek van de ontstekingsreactie en deze belangrijke regulerende stappen in de klinische populatie is een uitdaging. Demografische (leeftijd, geslacht, etniciteit), tijdelijke (tijdstip van aanvang, de duur van de blootstelling) en klinische variantie (type initiëren stimuli, de ernst van de belediging, co-morbiditeit last, therapeutische interventie) belemmeren toegang tot belangrijke biologische pathways. De traditionele oplossing is om diermodellen te gebruiken. Ondanks bieden meerdere voordelen, hun fundamentele gelijkenis met de menselijke pathofysiologie 11,12 en de relevantie van hun productie, is gekomen onder toenemende controle 13-15. Een alternatief is reductionistische menselijke modellen gebruiken.
Ontwikkeld in de late jaren 1960, intraveneuze (IV) endotoxine toediening aan de mens biedt een vitaal platform waarmeete ontdekken, af te bakenen en potentieel drug inflammatoire pathways 16-19. Endotoxine (synoniem gebruikt met lipopolysaccharide [LPS] in dit artikel) is een krachtige TLR4-agonist die de inflammatoire cascade activeert op een dosis-afhankelijke wijze. Geïnjecteerd als ofwel een bolus of infusie kan dus worden gebruikt om zowel lage en matige systemische inflammatie van verschillende duur modelleren. De resulterende kortstondige ontstekingsreactie maakt beoordeling van één onderdeel van de zeer complexe gastheer-pathogeen interactie die ontstaat tijdens bacteriële infectie. Hoewel niet een model van shock, endotoxine IV uitdagingen opwekt reacties die lijken de vroege stadia van de infectie te repliceren. Het wegwerken van inter-species translationeel barrières en nauwkeurig nabootsen van de klinische fenotype kwalitatief als kwantitatief niet, het biedt real-time interpretatie van inflammatoire invloeden, de gevolgen en de mogelijkheid om interventies te testen. Endotoxine kan ook worden toegediend endobronchially 20, 21 intradermaal of in combinatie met IV LPS 22 lokale ontstekingsreacties in verschillende compartimenten staand. Minder algemeen toegepaste alternatieve methoden omvatten toediening van proximale pro-inflammatoire cytokinen zoals tumornecrosefactor α (TNFa) en interleukine (IL) 6 19. Deze zullen hier niet verder worden besproken.
Zoals hier aangetoond en volledig beschreven in recente beoordeling artikelen, menselijk IV endotoxine uitdaging is een uniek experimenteel platform inzicht te geven in de inflammatoire trajecten die een breed scala van ziekten bij de mens ten grondslag liggen. Het toestaan van de gecontroleerde, reproduceerbare inductie van systemische ontsteking, het model maakt het mogelijk de toegang tot de eerste fasen van de inflammatoire cascade, waardoor potentiële verstorende factoren.
reacties van deelnemers mogen worden gemoduleerd met betrekking tot de ernst en de duur, en de genomische invloed op hun fenotypische presentatie geëvalueerd. Verder kan het model fungeren als niet alleen tegen LPS ligand zelf testomgeving voor therapeutica, maar LPS geïnduceerde signaalwegen en mediatoren van zowel de acute fase en oplossing van ontsteking. Dit kan middelen gericht op herstel van endotoxine tolerantie, een hyporesponsive toestand van het immuunsysteem die gelijkenissen aan kritieke ziekte-i beren omvattennduced immunoparalyse 33,34 In staat om de belangrijkste kenmerken te repliceren van acute 16 pt 27 chronische ontsteking op niet alleen een fysiologische / functioneel niveau, maar ook een transcriptomische één 35, IV endotoxine uitdaging heeft schijnbaar een belangrijke rol te spelen bij de vertaling van fundamentele wetenschappelijke doorbraken klinische praktijk. Wanneer gekoppeld aan gerichte onderzoek in geschikte diermodellen in staat om nauwer repliceren de pathofysiologische reacties van specifieke ziektebeelden (bijvoorbeeld, muizen blindedarm ligatie en punctie en sepsis) kan dit onderzoek paradigma bijzonder krachtig zijn.
Veiligheid van de deelnemers in een gezonde menselijke vrijwilligers model is van het grootste belang. IV endotoxine uitdaging is toegediend in de hogere dosis range van 2-4 ng / kg tot duizenden individuen met, naar onze en andere auteurs kennis, geen ernstige of blijvende bijwerkingen (persoonlijke communicatie, Dr. Anthony Suffredini) 19. of niete echter geïsoleerd rekeningen van ernstige vagale reacties gemeld 36,37. De etiologie vermoedelijk vertegenwoordigt hoge rust vagal toon, volume uitputting na een nacht vasten en catecholamine release met het begin van de koorts, koude rillingen en symptomen, culminerend in een overdreven Bezold-Jarisch reflex. Dit risico kan worden verbeterd door het uitsluiten van personen met eerdere vasovagale syncopy of een positieve tilt-test, en het volume laden met intraveneuze vloeistoffen voorafgaand aan en tijdens de endotoxine uitdaging 37. Onderzoekers gebruik hoge dosis endotoxine uitdaging (in het bijzonder 4 ng / kg) moet overtuigend van het risico van bradycardie en / of cardiale pauzes zijn, waarschuwen voor de deelnemers van hun zeldzame, maar mogelijk optreden, maken gebruik van de juiste controle en hebben reanimatie-apparatuur beschikbaar. Andere uitsluitingscriteria, naast de in het protocol beschreven worden afhankelijk wetenschappelijke vraag vereist. Bijvoorbeeld, terwijl is het verstandig om degenen die pa hebben uit te sluitenrticipated in andere klinische onderzoeken of ervaren chirurgie / trauma in de afgelopen drie maanden, beperking van de invoer (of het gebruik van een parallel-groepen geen cross-over design in interventionele studies) aan degenen die eerder hebben meegedaan in IV endotoxine uitdaging proeven kunnen ook nodig zijn als immunologische reactie wordt beoordeeld: endotoxine tolerantie aanhoudende voor een onbekende tijd in vivo 38,39.
Verscheidene beperkingen duidelijk het model. Het wordt traditioneel uitgevoerd bij gezonde, jonge mannelijke vrijwilligers VN-vertegenwoordiger van de klinische populatie. Geen ingrepen vereist voor de fenotypische gevolgen van endotoxinen te lossen. Gezuiverd LPS injectie verschaft blootstelling aan slechts één TLR-ligand, in tegenstelling tot enkele immunogene delen op een levende pathogeen. Door ethische noodzaak slechts een relatief bescheiden ontstekingsreactie kan worden opgewekt. Mimicry van elke pathofysiologische kenmerk van disease wordt niet bereikt 40. Zo 'enige verwachting dat het model volledig replica van de klinische toestand van ernstige, gelokaliseerde of systemische gram-negatieve infectie is un-gerechtvaardigd' 18.
We zouden echter van mening dat de kracht van het model ligt niet in ongepaste extrapolatie naar de klinische setting, maar in het ondervragen van de fysiologische, hematologische, immunologische, neuro-endocriene en metabole respons van competente cellen en orgaansystemen een belangrijke ontstekings stimulus. Doordachte interpretatie van de voorbijgaande veranderingen veroorzaakt door endotoxine administratie en hun modulatie door farmacologische uitdaging is geweest, en zal blijven worden, informatieve in het ontwerpen van nieuwe therapieën en het voorspellen van hun werkzaamheid.
The authors have nothing to disclose.
The authors would like to thank Dr. Anthony Suffredini (Critical Care Medicine Department, National Institutes for Health Clinical Center, Bethesda, USA) for his careful review of the manuscript and many thoughtful suggestions. We would also like to thank the National Institutes of Health for making freely available the Clinical Center Reference Endotoxin employed within this study.
JNF and DWG are funded by the Wellcome Trust, which supported the generation of the described data and the publication of this article.
Clinical Center Reference Endotoxin (CCRE, Escherichia coli O:113:H10:K negative) | National Institutes for Health | n/a | GMP Manufactured Endotoxin |
Syringes (1ml, 5ml) | |||
Water for injection | |||
0.9% sodium chloide (sterile, clinical grade) | |||
Intravenous cannulae | Miminum 20G French | ||
Sphygmomanometer | If intraarterial line placed, transduction equipment for invasive blood pressure monitoring | ||
Pulse oximeter | |||
Thermometer | Typmanic, oral or core (rectal, oropharyngeal) | ||
Electrocardiograph machine | |||
Sample collection tubes | As utilized by local clinical laboratory |