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.
炎症経路の活性化は、急性および慢性の両方の複数の疾患状態において中心的機構を表します。病原体または組織損傷関連分子モチーフのいずれかを介してトリガされ、一般的な生化学的経路は、保存まだ可変生理学的および免疫学的な変化につながります。切開と決定し、それに応答して表現型の変動のメカニズムの描写は、新規治療の進歩をもたらすことが期待されます。
エンドトキシン(グラム陰性細菌のリポ多糖)、特定のToll様受容体4アゴニスト、の静脈内(IV)投与は、ヒトにおける全身性炎症のin vivoモデルを表します。健康のための国立研究所臨床センターリファレンスエンドトキシン(CCRE、 大腸菌 O:113:H10:Kは負)が様々な程度で、確実かつ再現性血管、血液学、内分泌、免疫学的および臓器特異的機能的効果並列それを生成するために使用され、病理学的状態の初期段階に見られます。用量の変更は4 ngの/キロ- (0.06から4 NG / kg)及び曝露の時間スケール(点滴対ボーラス)は、急性または慢性の炎症および重症度の範囲のいずれかの複製は、高用量(2で、誘発することができます)しばしば「敗血症様」状態を作成するために使用されています。設立および新規の医薬品化合物は、さらに、炎症カスケードに及ぼす影響を理解すること前または後、エンドトキシン暴露を投与することができます。スコープと一般化の限界にもかかわらず、人間のIV内毒素チャレンジは、誘導性の生理的反応や炎症経路に機械的な洞察を得るためのユニークなプラットフォームを提供しています。合理的にそれは治療の技術革新にこの知識の翻訳を助けることができる採用。
異なる病因、重症度および持続時間の炎症は、複数の疾患の病理において中心的なコンポーネントを形成しています。調節不全の炎症経路は、このような厳しい、比較的短命炎症が持続的な低レベルの炎症トーンが病的な要因と考えられている2型糖尿病、アテローム性動脈硬化症およびアルツハイマー病を含む慢性疾患に、優勢敗血症または外傷などの重大な病気の状態からされている測距しますグローバルな罹患率と死亡率1,2のキードライバー。
組織損傷3-5を介して放出され、一般的に細胞内成分-炎症は、病原体関連分子パターン(PAMP)または危険関連分子パターン(DAMPS)の存在によって開始されます。このような上皮細胞上に見られるToll様受容体(TLR)、内皮細胞および先天性免疫SYSのものなどのこれらの保存された分子のモチーフの結合パターン認識受容体(PRRの)テムは、共通の下流の細胞内シグナル伝達が6を経路トリガします。核転写因子核因子κBの活性化は、とりわけ、炎症カスケード7を確立する前炎症性サイトカインをコードする遺伝子の転写をもたらします。
炎症は、最初の損傷を分離し、除去するように設計された局所および全身効果の両方を誘導します。ローカル変更はアップレギュレーション接着マーカーの、ケモカインの放出、血管拡張含まれ、自然免疫細胞の遊出を容易にするために、血管透過性を増加させました。補体および凝固系も活性化されます。全身、複数の器官特異的生理学的変化は、神経内分泌ネットワークを介して画策、観察されます。体液性メディエーターの有意な増加が生じ、循環細胞のプロファイルは、根本的に変化させます。再確立するために中止する炎症の障害と恒常性は、開始刺激の持続性に起因し得ますか、専用の解像度の失敗は8経路。多くの場合、脂質メディエーターによって調整これらの強力なメカニズムは、それ自体が9,10病原性であってもよいです。
炎症反応と臨床集団におけるこれらの重要な調節段階の調査は困難です。人口統計学(年齢、性別、民族性)、時間(開始時間、曝露期間)と臨床分散(開始刺激の種類、発作の重症度、併存疾患の負担、治療的介入)キー生物学的経路へのアクセスを妨げます。従来の解決策は、動物モデルを使用することでした。複数の利点を与えるにもかかわらず、彼らの基本的な人間の病態生理学11,12との類似性とその出力の妥当性は、精査13-15を増やすの下に来ています。代替案は、還元主義、人間のモデルを採用することです。
1960年代後半に開発された、人間への静脈内(IV)エンドトキシン投与が不可欠なプラットフォームを提供していますが通ります、発見描くと、潜在的に薬剤炎症経路16から19にします。 (この記事のリポ多糖[LPS]と同義で使用)エンドトキシンは用量依存的に炎症カスケードを誘発する強力なTLR4アゴニストです。このように低レベルと異なる持続時間の中程度の全身性炎症の両方をモデル化するために使用することができるボーラスまたは注入のいずれかとして注射しました。得られた短命の炎症反応は、細菌感染の間に発症する非常に複雑な宿主 – 病原体相互作用の単一のコンポーネントの評価を可能に。ショックのモデルではないが、静脈内毒素の課題は、感染の初期段階を複製するように表示される応答を誘発します。種間の翻訳の障壁を排除し、正確な定量的、定性的臨床表現型を模倣していない場合、それは炎症の影響、影響および介入をテストする機会のリアルタイムの解釈を与えます。エンドトキシンもendobronchiall投与してもよいですY 20は 、皮内21またはIVのLPS 22との組み合わせで異なるコンパートメント内の局所炎症反応を探索します。あまり広く使用されている代替の方法論は、腫瘍壊死因子α(TNFα)およびインターロイキン(IL)6 19と近位の炎症性サイトカインの注入を含む。これらは、ここでさらに議論されることはありません。
ここで実証し、完全に最近のレビュー記事で説明したように、人間のIVエンドトキシンチャレンジは、ヒト疾患の広大な範囲の基礎をなす炎症経路への洞察を提供するユニークな実験的なプラットフォームです。全身性炎症の制御、再現性の誘導を可能にするモデルは、潜在的な交絡因子を排除し、炎症カスケードの初期段階へのアクセスを許可します。
参加者の応答は、重症度および持続時間に関して変調されてもよいし、それらの表現型のプレゼンテーションにゲノムの影響は評価しました。さらに、このモデルは治療のためだけでなく、それらのLPSリガンド自体に対してテストベッドとして機能するが、LPS誘導性のシグナル伝達経路と炎症の急性および解像度相の両方のメディエーターがあります。これは、エンドトキシン寛容、重要な病気-Iとの類似性を担う免疫系の低応答性状態の回復に標的薬剤を含んでいてもよいですnduced immunoparalysisだけでなく、生理的/機能レベルでの急性16および慢性27炎症の両方の主要な機能を複製することができる33,34だけでなく、トランスクリプトーム1 35は 、IV内毒素チャレンジは、一見基本的な科学的ブレークスルーの翻訳でプレーする重要な役割を持っています臨床診療へ。より密接に特定の疾患状態( 例えば 、マウス盲腸結紮穿刺および敗血症)の病態生理学的応答を複製することができ、適切な動物モデルで導か捜査に結合されたときに、この治験パラダイムは特に強力であってもよいです。
任意の健康なヒトボランティアのモデルの参加者の安全が最も重要です。私たちと他の作家の知識、重篤な又は永久的な有害事象(私信、博士アンソニーSuffredini)19に、と個人の数千に4 ngの/キロ- IVエンドトキシンチャレンジは2のより高い用量範囲で投与されています。のではありません重度の迷走神経反応の電子が分離されたアカウントは36,37を報告されています。病因はおそらく誇張ベツォルト – ヤーリッシュ反射で最高潮に達する、発熱、悪寒および症状の発症と高い安静時迷走神経の緊張、一晩の絶食後の体積の枯渇、およびカテコールアミンの放出を示しています。このリスクは、以前の血管迷走神経syncopyまたは正の傾斜テスト、および前エンドトキシンチャレンジ37との間に静脈内輸液と体積負荷を持つ個人を除外することによって改善することができます。高用量の内毒素チャレンジ(特に4 ngの/キログラム)を用いた研究者は、徐脈および/または心臓の一時停止のリスクの説得力のあることが珍しくなく、潜在的な発生の参加者を警告、適切なモニタリングを採用し、蘇生機器が容易に入手できている必要があります。他の除外基準は、プロトコルに記載のものに加えて、実験的な問題に依存必要とされ得ます。例えば、PAを有するものを除外することが賢明である一方また、以前IVエンドトキシンチャレンジ試験でpartakenたものにすることができる他の臨床試験でrticipatedまたは過去3ヶ月間に手術/外傷を経験し、エントリ(またはパラレル・グループの使用ではない介入研究におけるクロスオーバーデザイン)の制限生体内 38,39 の時間の長さが不明のために持続エンドトキシン寛容:免疫応答を評価する場合に必要とされます。
いくつかの制限がモデルと明らかです。これは、伝統的に臨床集団の健康、若い男性ボランティア未代表で行われます。いかなる介入を解決するために、内毒素投与の表現型の結果のために必要ありません。ライブ病原体上のいくつかの免疫原性部分とは対照的に精製されたLPS注射は、単一のTLRリガンドへの暴露を提供します。倫理的な必要性によってのみ、比較的控えめな炎症反応を誘発することができます。 DISEのすべての病態生理学的特徴の擬態ASEは40を達成されません。したがって、18 'モデルは完全にローカライズされ、重度または全身グラム陰性感染症の臨床状態を複製することを任意の期待が未保証です」。
私たちは、モデルの強さはない臨床設定に不適切な外挿ではなく、生理的、血液学、免疫学、神経内分泌およびキー炎症性刺激にコンピテント細胞および器官系の代謝反応を呼び掛けであることが主張するだろう。薬理学的な挑戦によってエンドトキシンの管理とその変調によって引き起こさ過渡変化の思慮深い解釈がされている、および、新たな治療法を設計し、その有効性を予測するのに有益であり続けるだろう。
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 |