نموذج فأر للتنبيب الرغامي وجراحة نقص تروية الرئة المهواة
Summary
نموذج جراحي للفأر لإنشاء إصابة نقص تروية الرئة اليسرى (IR) مع الحفاظ على التهوية وتجنب نقص الأكسجة.
Abstract
غالبا ما تنتج إصابة نقص التروية (IR) عن عمليات تنطوي على فترة عابرة من تدفق الدم المتقطع. في الرئة ، تسمح الأشعة تحت الحمراء المعزولة بالدراسة التجريبية لهذه العملية المحددة مع استمرار التهوية السنخية ، وبالتالي تجنب العمليات الضارة المركبة لنقص الأكسجة وانخماص الرئة. في السياق السريري ، تحدث إصابة نقص تروية الرئة (المعروفة أيضا باسم IRI الرئوية أو LIRI) بسبب العديد من العمليات ، بما في ذلك على سبيل المثال لا الحصر الانسداد الرئوي ، والصدمات النزفية التي تم إنعاشها ، وزرع الرئة. توجد حاليا خيارات علاج فعالة محدودة ل LIRI. هنا ، نقدم نموذجا جراحيا قابلا للانعكاس للأشعة تحت الحمراء للرئة يتضمن التنبيب الرغامي الأول متبوعا بنقص تروية الرئة اليسرى من جانب واحد وإعادة التروية مع التهوية السنخية المحفوظة أو تبادل الغازات. تخضع الفئران لبضع الصدر الأيسر ، والذي يتم من خلاله كشف الشريان الرئوي الأيسر وتصوره وعزله وضغطه باستخدام عقدة منزلقة قابلة للعكس. ثم يتم إغلاق الشق الجراحي خلال فترة نقص تروية الحيوان ، ويتم إيقاظ الحيوان وتنبيبه. مع تنفس الفأر تلقائيا ، يتم إنشاء إعادة التروية عن طريق تحرير العقدة المنزلقة حول الشريان الرئوي. يسمح نموذج البقاء على قيد الحياة ذو الصلة سريريا بتقييم إصابة الأشعة تحت الحمراء في الرئة ، ومرحلة الحل ، والتأثيرات النهائية على وظائف الرئة ، بالإضافة إلى النماذج ذات الضربتين التي تنطوي على الالتهاب الرئوي التجريبي. على الرغم من أنه يمثل تحديا تقنيا ، إلا أنه يمكن إتقان هذا النموذج على مدار بضعة أسابيع إلى أشهر مع معدل بقاء أو نجاح نهائي يتراوح بين 80٪ و 90٪.
Introduction
يمكن أن تحدث إصابة نقص التروية (IR) عند استعادة تدفق الدم إلى عضو أو سرير الأنسجة بعد فترة من الانقطاع. في الرئة ، يمكن أن تحدث الأشعة تحت الحمراء بمعزل عن العمليات الضارة الأخرى أو بالاقتران معها مثل العدوى ، نقص الأكسجة ، انخماص الرئة ، الصدمة المتقلبة (من أحجام المد والجزر العالية أثناء التهوية الميكانيكية) ، الرضح الضغطي (ذروة عالية أو ضغوط مستمرة أثناء التهوية الميكانيكية) ، أو إصابة كدمة رئوية حادة (غير مخترقة)1،2،3 . لا تزال هناك العديد من الثغرات في معرفتنا حول آليات LIRI وتأثير العمليات المتزامنة (مثل العدوى) على نتائج LIRI ، وكذلك خيارات علاج LIRI محدودة. مطلوب نموذج في الجسم الحي من LIRI النقي لتحديد الفيزيولوجيا المرضية لإصابة الأشعة تحت الحمراء في الرئة بمعزل عن غيرها ودراسة مساهمتها في أي عملية متعددة الضربات تكون إصابة الرئة مكونا منها.
يمكن استخدام نماذج الأشعة تحت الحمراء لرئة الفئران لدراسة الفيزيولوجيا المرضية الخاصة بالرئة لعمليات متعددة ، بما في ذلك زرع الرئة3 ، والانسداد الرئوي4 ، وإصابة الرئة بعد الصدمة النزفية مع الإنعاش5. تشمل النماذج المستخدمة حاليا زرع الرئة الجراحي6 ، وتثبيت النقيب7 ، وتروية الرئة خارج الجسم الحي 8 ، والرئة المهواةIR 9. هنا ، نقدم بروتوكولا مفصلا لنموذج الأشعة تحت الحمراء للرئة ذات التهوية الفئرانية لإصابة الرئة المعقمة. هناك فوائد متعددة لهذا النهج (الشكل 2) ، بما في ذلك أنه يحفز الحد الأدنى من نقص الأكسجة والحد الأدنى من انخماص الرئة ، وهو نموذج جراحة البقاء على قيد الحياة الذي يسمح بإجراء دراسات طويلة الأجل.
أسباب اختيار هذا النموذج من LIRI على نماذج أخرى مثل نماذج لقط الهيلار ونماذج التروية خارج الجسم الحي هي كما يلي: يقلل هذا النموذج من المساهمات الالتهابية للانخماص والتهوية الميكانيكية ونقص الأكسجة. يحافظ على التهوية الدورية ؛ يحافظ على سلامة الجهاز المناعي للدورة الدموية في الجسم الحي الذي يمكن أن يستجيب لإصابة الأشعة تحت الحمراء ؛ وأخيرا ، كإجراء للبقاء على قيد الحياة ، فإنه يسمح بالتحليل طويل الأجل لآليات توليد الإصابات الثانوية (نماذج 2-hit) وحل الإصابة. بشكل عام ، نعتقد أن نموذج الأشعة تحت الحمراء للرئة المهوى يوفر الشكل “الأنقى” لإصابة الأشعة تحت الحمراء التي يمكن دراستها تجريبيا.
وصفت منشورات أخرى استخدام التنبيب الرغامي للفئران لإجراء حقن تكنولوجيا المعلومات أو التركيبات10,11 ، ولكن ليس كنقطة انطلاق لجراحة البقاء على قيد الحياة كما هو الحال في هذا النموذج. يسمح وضع أنبوب القصبة الهوائية بإجراء جراحة الرئة عن طريق السماح بانهيار الرئة الجراحية. كما يسمح بإعادة تضخم الرئة في نهاية الإجراء ، وهو أمر بالغ الأهمية لاسترواح الصدر ولقدرة الفأر على العودة إلى التهوية التلقائية في نهاية الإجراءات. أخيرا ، تعد إزالة أنبوب القصبة الهوائية الآمن إجراء بسيطا ، على عكس بضع القصبة الهوائية الغازي ، يتوافق مع جراحة البقاء على قيد الحياة. وهذا يسمح بإجراء دراسات بحثية طويلة الأجل تركز على فهم تطور وحل LIRI والاضطرابات المرتبطة به ، بالإضافة إلى إنشاء نماذج الإصابات المزمنة.
Protocol
Representative Results
Discussion
توضح هذه المخطوطة بالتفصيل الخطوات المتبعة في تنفيذ نموذج الأشعة تحت الحمراء للرئة ذات التهوية التي طورها Dodd-o et al.9. ساعد هذا النموذج في تحديد المسارات الجزيئية المشاركة في توليد وحل الالتهاب من الأشعة تحت الحمراء الرئوية في عزلة14،15،16،1…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
تم تمويل هذا العمل من خلال دعم الأقسام من قسم التخدير والرعاية المحيطة بالجراحة ، وجامعة كاليفورنيا في سان فرانسيسكو ومستشفى سان فرانسيسكو العام ، وكذلك من خلال جائزة NIH R01 (إلى AP): 1R01HL146753.
Materials
| Equipment | |||
| Fiber Optic Light Pipe | Cole-Parmer | UX-41720-65 | Fiberoptic light pipe |
| Fiber Optic Light Source | AmScope | SKU: CL-HL250-B | Light source for fiberoptic lights |
| Germinator 500 | Cell Point Scientific, Inc. | No.5-1450 | Bead Sterilizer |
| Heating Pad | AIMS | 14-370-223 | Alternative option |
| Lithium.Ion Grooming Kits(hair clipper) | WAHL home products | SKU 09854-600B | To remove mouse hair on surgical site |
| Microscope | Nikon | SMZ-10 | Other newer options available at the company website |
| MiniVent Ventilator | Havard Apparatus | Model 845 | Mouse ventilator |
| Ultrasonic Cleaner | Cole-Parmer | UX-08895-05 | Clean tools that been used in operation |
| Warming Pad | Kent Scientific | RT-0501 | To keep mouse warm while recovering from surgery |
| Weighing Scale | Cole-Parmer | UX-11003-41 | Weighing scale |
| Surgery Tools | |||
| 4-0 Silk Suture | Ethicon | 683G | For closing muscle layer |
| 7-0 Prolene Suture | Ethicon Industry | EP8734H | Using for making a slip knot of left pulmonary artery |
| Bard-Parker (11) Scalpel (Rib-Back Carbon Steel Surgical Blade, sterile, single use) | Aspen Surgical | 372611 | For entering thoracic cavity (option 1) |
| Bard-Parker (12) Scalpel | Aspen Surgical | 372612 | For entering thoracic cavity (option 2) |
| Extra Fine Graefe Forceps | FST | 11150-10 | Muscle/rib holding forceps |
| Magnetic Fixator Retraction System | FST | 1. Base Plate (Nos. 18200-03) 2. Fixators (Nos. 18200-01) 3. Retractors (Nos. 18200-05 through 18200-12) 4. Elastomer (Nos.18200-07) 5. Retractor(No.18200-08) |
Small Animal Retraction System |
| Monoject Standard Hypodermic Needle | COVIDIEN | 05-561-20 | For medication delivery IP |
| Narrow Pattern Forceps | FST | 11002-12 | Skin level forceps |
| Needle holder/Needle driver | FST | 12565-14 | for holding needles |
| Needles | BD | 305110 | 26 gauge needle for externalizing slipknot (24 or 26 gauge needle okay too) |
| PA/Vessel Dilating forceps | FST | 00125-11 | To hold PA; non-damaging gripper |
| Scissors | FST | 14060-09 | Used for incision and cutting into the muscular layer durging surgery |
| Ultra Fine Dumont micro forceps | FST | 11295-10 (Dumont #5 forceps, Biology tip, tip dimension:0.05*0.02mm,11cm) | For passing through the space between the left pulmonary artery and bronchus |
| Reagents | |||
| 0.25% Bupivacaine | Hospira, Inc. | 0409-1159-02 | Topical analgesic used during surgical wound closure |
| Avertin (2,2,2-Tribromoethanol) | Sigma-Aldrich | T48402-25G | Anesthetic, using for anesthetize the mouse for IR surgery, the concentration used in IR surgery is 250-400 mg/kg. |
| Buprenorphine | Covetrus North America | 59122 | Analgesic: concentration used for surgery is 0.05-0.1 mg/kg |
| Eye Lubricant | BAUSCH+LOMB | Soothe Lubricant Eye Ointment | Relieves dryness of the eye |
| Povidone-Iodine 10% Solution | MEDLINE INDUSTRIES INC | SKU MDS093944H (2 FL OZ, topical antiseptic) | Topical liquid applied for an effective first aid antiseptic at beginning of surgery |
| Materials | |||
| Alcohol Swab | BD brand | BD 326895 | for sterilzing area of injection and surgery |
| Plastic film | KIRKLAND | Stretch-Tite premium | Alternative for covering the sterilized surgical field (more cost effective) |
| Rodent Surgical Drapes | Stoelting | 50981 | Sterile field or drape for surgical field |
| Sterile Cotton Tipped Application | Pwi-Wnaps | 703033 | used for applying eye lubricant |
| Top Sponges | Dukal Corporaton | Reorder # 5360 | Stopping bleeding from skin/muscle |
References
- Shen, H., Kreisel, D., Goldstein, D. R. Processes of sterile inflammation. Journal of Immunology. 191 (6), 2857-2863 (2013).
- Fiser, S. M., et al. Lung transplant reperfusion injury involves pulmonary macrophages and circulating leukocytes in a biphasic response. The Journal of Thoracic and Cardiovascular Surgery. 121 (6), 1069-1075 (2001).
- Lama, V. N., et al. Models of lung transplant research: A consensus statement from the National Heart, Lung, and Blood Institute workshop. JCI Insight. 2 (9), 93121 (2017).
- Miao, R., Liu, J., Wang, J. Overview of mouse pulmonary embolism models. Drug Discovery Today: Disease Models. 7 (3-4), 77-82 (2010).
- Mira, J. C., et al. Mouse injury model of polytrauma and shock. Methods in Molecular Biology. 1717, 1-15 (2018).
- Krupnick, A. S., et al. Orthotopic mouse lung transplantation as experimental methodology to study transplant and tumor biology. Nature Protocols. 4 (1), 86-93 (2009).
- Gielis, J. F., et al. A murine model of lung ischemia and reperfusion injury: Tricks of the trade. The Journal of Surgical Research. 194 (2), 659-666 (2015).
- Nelson, K., et al. Animal models of ex vivo lung perfusion as a platform for transplantation research. World Journal of Experimental Medicine. 4 (2), 7-15 (2014).
- Dodd-o, J. M., Hristopoulos, M. L., Faraday, N., Pearse, D. B. Effect of ischemia and reperfusion without airway occlusion on vascular barrier function in the in vivo mouse lung. Journal of Applied Physiology. 95 (5), 1971-1978 (2003).
- Lawrenz, M. B., Fodah, R. A., Gutierrez, M. G., Warawa, J. Intubation-mediated intratracheal (IMIT) instillation: a noninvasive, lung-specific delivery system. Journal of Visualized Experiments. (93), e52261 (2014).
- Rayamajhi, M., et al. Non-surgical intratracheal instillation of mice with analysis of lungs and lung draining lymph nodes by flow cytometry. Journal of Visualized Experiments. (51), e2702 (2011).
- Dodd-o, J. M., Hristopoulos, M. L., Welsh-Servinsky, L. E., Tankersley, C. G., Pearse, D. B. Strain-specific differences in sensitivity to ischemia-reperfusion lung injury in mice. Journal of Applied Physiology. 100 (5), 1590-1595 (2006).
- Prakash, A., et al. Lung ischemia reperfusion (IR) is a sterile inflammatory process influenced by commensal microbiota in mice. Shock. 44 (3), 272-279 (2015).
- Prakash, A., et al. Alveolar macrophages and toll-like receptor 4 mediate ventilated lung ischemia reperfusion injury in mice. Anesthesiology. 117 (4), 822-835 (2012).
- Dodd-o, J. M., et al. The role of natriuretic peptide receptor-A signaling in unilateral lung ischemia-reperfusion injury in the intact mouse. American Journal of Physiology. Lung Cellular and Molecular Physiology. 294 (4), 714-723 (2008).
- Prakash, A., Kianian, F., Tian, X., Maruyama, D. Ferroptosis mediates inflammation in lung ischemia-reperfusion (IR) sterile injury in mice. American Journal of Respiratory and Critical Care Medicine. 201, (2020).
- Tian, X., et al. NLRP3 inflammasome mediates dormant neutrophil recruitment following sterile lung injury and protects against subsequent bacterial pneumonia in mice. Frontiers in Immunology. 8, 1337 (2017).
- Tian, X., Hellman, J., Prakash, A. Elevated gut microbiome-derived propionate levels are associated with reduced sterile lung inflammation and bacterial immunity in mice. Frontiers in Microbiology. 10, 159 (2019).
- Liu, Q., Tian, X., Maruyama, D., Arjomandi, M., Prakash, A. Lung immune tone via gut-lung axis: Gut-derived LPS and short-chain fatty acids’ immunometabolic regulation of lung IL-1β, FFAR2, and FFAR3 expression. American Journal of Physiology. Lung Cellular and Molecular Physiology. 321 (1), 65-78 (2021).
- Dodd-o, J. M., et al. Interactive effects of mechanical ventilation and kidney health on lung function in an in vivo mouse model. American Journal of Physiology. Lung Cellular and Molecular Physiology. 296 (1), 3-11 (2009).
