Modello preclinico di donazione cardiaca dopo la morte circolatoria
Summary
Questo protocollo mostra un approccio semplice e flessibile per la valutazione di nuovi agenti di condizionamento o strategie per aumentare la fattibilità della donazione cardiaca dopo la morte circolatoria.
Abstract
La domanda di trapianto cardiaco è in aumento; tuttavia, la disponibilità di organi è limitata a causa della scarsità di donatori idonei. La donazione di organi dopo la morte circolatoria (DCD) è una soluzione per affrontare questa disponibilità limitata, ma a causa di un periodo di ischemia calda prolungata e il rischio di lesioni tissutali, il suo uso di routine nel trapianto cardiaco è raramente visto. In questo manoscritto forniamo un protocollo dettagliato che imita da vicino le attuali pratiche cliniche nel contesto della DCD con il monitoraggio continuo della funzione cardiaca, consentendo la valutazione di nuove strategie cardioprotettivhe e interventi per diminuire lesione da ischemia-reperfusione.
In questo modello, il protocollo DCD viene avviato in ratti Lewis anestesizzati fermando la ventilazione per indurre la morte circolatoria. Quando la pressione sanguigna sistolica scende al di sotto di 30 mmHg, viene iniziato il tempo ischemico caldo. Dopo un periodo ischemico caldo preimpostato, i cuori vengono lavati con una soluzione cardioplegica normotermica, procurati e montati su un sistema di perfusione cardiaca ex vivo di Langendorff. Dopo 10 min di riperfusione e stabilizzazione iniziale, il ricondizionamento cardiaco viene continuamente valutato per 60 min utilizzando il monitoraggio della pressione intraventricolare. Una lesione cardiaca viene valutata misurando la troponina cardiaca T e la dimensione dell’infarto è quantificata dalla colorazione istologica. Il tempo ischemico caldo può essere modulato e su misura per sviluppare la quantità desiderata di danni strutturali e funzionali. Questo semplice protocollo consente la valutazione di diverse strategie di condizionamento cardioprotettivo introdotte al momento della cardioplegia, della riperfusione iniziale e/o durante la perfusione ex vivo. I risultati ottenuti da questo protocollo possono essere riprodotti in grandi modelli, facilitando la traduzione clinica.
Introduction
Il trapianto di organi solidi in generale e il trapianto cardiaco, in particolare, sono in aumento in tutto il mondo1,2. Il metodo standard di approvvigionamento degli organi è la donazione dopo la morte cerebrale (DBD). Dati i rigorosi criteri di inclusione della DBD, meno del 40% dei cuori offerti sono accettati3, limitando così l’offerta a fronte della crescente domanda ed estendendo la lista d’attesa dell’organo. Per risolvere questo problema, l’uso di organi donati dopo la morte circolatoria (DCD) è considerato una potenziale soluzione4.
Nei donatori di DCD, tuttavia, una fase agonale dopo il ritiro delle cure e un periodo di ischemia calda non protetta prima della rianimazione sono inevitabili5. La potenziale lesione dell’organo dopo la morte circolatoria può portare alla disfunzione dell’organo, spiegando la riluttanza ad adottare regolarmente trapianti di cuore DCD. Si dice che solo 4 centri utilizzino clinicamente i cuori DCD, con criteri rigorosi che includono tempi di ischemia calda molto brevi e giovani donatori senza patologie croniche6,7. Per motivi etici e giuridici, nei donatori possono essere applicati interventi cardioprotettivi limitati o associali prima della morte circolatoria5,8,9. Pertanto, qualsiasi mitigazione per alleviare la lesione ischemia-reperfusione (IR) è limitata alle terapie cardioprotettive iniziate durante la reperfusione precoce con soluzioni cardiopleganti e non consente una corretta valutazione funzionale. Ex vivo cuore perfusione (EVHP) e il ricondizionamento del cuore DCD utilizzando piattaforme dedicate è stato proposto come soluzione alternativa e studiato da vari studiosi10,11,12,13 . EVHP offre un’opportunità unica per fornire agenti post-condizionamento ai cuori DCD per migliorare il recupero funzionale. Tuttavia, per una traduzione clinica efficiente, restano da affrontare molte questioni tecniche e pratiche, e ciò è ulteriormente aggravato dalla mancanza di consenso su una serie di criteri funzionali e per la perfusione per determinare la capacità dei trapianti6, 8.
Qui segnaliamo lo sviluppo di un protocollo DCD preclinico preclinico preclinico riproducibile combinato con un sistema di perfusione cardiaca ex vivo che può essere utilizzato per indagare organo post-condizionamento avviato al momento dell’approvvigionamento, durante la riperfusione iniziale, e /o in tutta EVHP.
Protocol
Representative Results
Discussion
Il protocollo qui presentato introduce un modello semplice, comodo e versatile di DCD cardiaco, che offre l’opportunità di valutare il recupero funzionale cardiaco, i danni ai tessuti e l’uso di agenti cardioprotettivi post-condizionamento per migliorare il recupero del donatore altrimenti scartati per il trapianto. I sistemi di perfusione del cuore ex vivo (EVHP) sono stati ottimizzati per fornire una piattaforma per la valutazione della funzione cardiaca e offrono un’opportunità unica di fornire e testare soluzioni m…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Parti di questo lavoro sono state sostenute da un generoso contributo della Fondation Marcel et Rolande Gosselin e della Fondation Mr Stefane Foumy. Nicolas Noiseux è studioso del FRQ-S.
Gli autori desiderano ringraziare Josh Ehuo Le Huang, Gabrielle Gascon, Sophia Ghiassi e Catherine Scalabrini per il loro sostegno nella raccolta dei dati.
Materials
| 0,9% Sodium Chloride. 1L bag | Baxter | Electrolyte solution for flushing in the modified Langendorff system. | |
| 14G 2" I.V catheter | Jelco | 4098 | To act as endotracheal tube. |
| 2,3,5-Triphenyltetrazolium chloride | Milipore-Sigma | T8877 | Vital coloration |
| 22G 1" I.V catheter | BD | 383532 | I.V catheter with extension tube that facilitates manipulation for carotid catheterization |
| Adson Dressing Fcp, 4 3/4", Serr | Skalar | 50-3147 | Additional forceps for tissue manipulation |
| Alm Self-retaining retractor 4×4 Teeth Blunt 2-3/4" | Skalar | 22-9027 | Tissue retractor used to maintain the chest open. |
| Bridge amp | ADinstruments | FE221 | Bridge amp for intracarotid blood pressure measurement |
| Calcium chloride | Milipore-Sigma | C1016 | CaCl2 anhydrous, granular, ≤7.0 mm, ≥93.0% Part of the Krebs solution |
| D-(+)-Glucose | Milipore-Sigma | G8270 | D-Glucose ≥99.5% Part of the Krebs solution |
| DIN(8) to Disposable BP Transducer | ADinstruments | MLAC06 | Adapter cable for link between bridge amp and pressure transducer |
| Disposable BP Transducer (stopcock) | ADinstruments | MLT0670 | Pressure transducer for intracarotid blood pressure measurement |
| dPBS | Gibco | 14190-144 | Electrolyte solution without calcium or magnesium. |
| Eye Dressing Fcp, Str, Serr, 4" | Skalar | 66-2740 | Additional forceps for tissue manipulation |
| Formalin solution, neutral buffered, 10% | Milipore-Sigma | HT501128 | Fixative solution |
| Heating Pad | Sunbean | 756-CN | |
| Heparin sodium 1000 UI/mL | Sandoz | For systemic anticoagulation | |
| Hydrochloric Acid 36,5 to 38,0% | Fisher scientific | A144-500 | Diluted 1:1 for pH correction |
| Ketamine | Bimeda | Anesthetic. 100 mg/ml | |
| LabChart | ADinstruments | Control software for the Powerlab polygraph, allowing off-line analyses. Version 7, with blood pressure and PV loop modules enabled | |
| Left ventricle pressure balloon | Radnoti | 170404 | In latex. Size 4. |
| Lidocaine HCl 2% solution | AstraZeneca | Antiarrhythmic for the cardioplegic solution | |
| Magnesium Chloride ACS | ACP Chemicals | M-0460 | MgCl2+6H2O ≥99.0% Part of the Krebs solution |
| Micro pressure sensor | Radnoti | 159905 | Micro pressure sensor and amplifier connected to the intraventricular balloon |
| Pacemaker | Biotronik | Reliaty | Set to generate a pulse each 200 ms for a heart rate of 300 bpm. |
| pH bench top meter | Fisher scientific | AE150 | |
| Physiological monitor | Kent Scientific | Physiosuite | For continuous monitoring of rodent temperature and saturation during the procedure |
| Plasma-Lyte A | Baxter | Electrolyte solution used as base to prepare cardioplegia | |
| Potassium Chloride | Milipore-Sigma | P4504 | KCl ≥99.0% Part of the Krebs solution |
| Potassium Chloride 2 meq/ml | Hospira | Part of the cardioplegic solution | |
| PowerLab 8/30 Polygraph | ADinstruments | Electronic polygraph | |
| Silk 2-0 | Ethicon | A305H | Suture material for Langendorff apparatus |
| Silk 5-0 | Ethicon | A302H | Suture material for carotid |
| Small animal anesthesia workstation | Hallowell EMC | 000A2770 | Small animal ventilator |
| Sodium bicarbonate | Milipore-Sigma | S5761 | NaHCO3 ≥99,5% Part of the Krebs solution |
| Sodium Chloride | Milipore-Sigma | S7653 | NaCl ≥99.5% Part of the Krebs solution |
| Sodium Hydroxide pellets | ACP chemicals | S3700 | Diluted to 5N (10 g in 50 ml) for pH correction |
| Sodium phosphate monobasic | Milipore-Sigma | S0751 | NaH2PO4 ≥99.0% Part of the Krebs solution |
| Stevens Tenotomy Sciss, Str, Delicate, SH/SH, 4 1/2" | Skalar | 22-1240 | Small scisors for atria and cava vein opening |
| Tissue slicer blades | Thomas scientific | 6727C18 | Straight carbon steel blades for tissue slicing at the end of the protocol |
| Tuberculin safety syringe with needle 25G 5/8" | CardinalHealth | 8881511235 | For heparin injection |
| Veterinary General Surgery Set | Skalar | 98-1275 | Surgery instruments including disection scisors and mosquito clamps |
| Veterinary Micro Set | Skalar | 98-1311 | Surgery instruments with microscisors used for carotid artery opening |
| Working Heart Rat/Guinea Pig/Rabbit system | Radnoti | 120101BEZ | Modular working heart system modified for the needs of the protocol. Includes all the necesary tubbing, water jacketed reservoirs and valves, including 2 and 3 way stop cock |
| Xylazine | Bayer | Sedative. 20 mg/ml |
References
- Gass, A. L., et al. Cardiac Transplantation in the New Era. Cardiology in Review. 23 (4), 182-188 (2015).
- von Dossow, V., Costa, J., D’Ovidio, F., Marczin, N. Worldwide trends in heart and lung transplantation: Guarding the most precious gift ever. Best Practice & Research. Clinical Anaesthesiology. 31 (2), 141-152 (2017).
- Hornby, K., Ross, H., Keshavjee, S., Rao, V., Shemie, S. D. Non-utilization of hearts and lungs after consent for donation: a Canadian multicentre study. Canadian Journal Of Anaesthesia. 53 (8), 831-837 (2006).
- Manyalich, M., Nelson, H., Delmonico, F. L. The need and opportunity for donation after circulatory death worldwide. Current Opinion In Organ Transplantation. 23 (1), 136-141 (2018).
- Shemie, S. D., et al. National recommendations for donation after cardiocirculatory death in Canada: Donation after cardiocirculatory death in Canada. CMAJ : Canadian Medical Association Journal. 175 (8), S1 (2006).
- Page, A., Messer, S., Large, S. R. Heart transplantation from donation after circulatory determined death. Annals of Cardiothoracic Surgery. 7 (1), 75-81 (2018).
- Monteagudo Vela, M., Garcia Saez, D., Simon, A. R. Current approaches in retrieval and heart preservation. Annals of Cardiothoracic Surgery. 7 (1), 67-74 (2018).
- Dhital, K. K., Chew, H. C., Macdonald, P. S. Donation after circulatory death heart transplantation. Current Opinion In Organ Transplantation. 22 (3), 189-197 (2017).
- McNally, S. J., Harrison, E. M., Wigmore, S. J. Ethical considerations in the application of preconditioning to solid organ transplantation. Journal of Medical Ethics. 31 (11), 631-634 (2005).
- Rao, V., Feindel, C. M., Weisel, R. D., Boylen, P., Cohen, G. Donor blood perfusion improves myocardial recovery after heart transplantation. The Journal of Heart and Lung Transplantation. 16 (6), 667-673 (1997).
- Ramzy, D., et al. Cardiac allograft preservation using donor-shed blood supplemented with L-arginine. The Journal of Heart and Lung Transplantation. 24 (10), 1665-1672 (2005).
- Xin, L., et al. A New Multi-Mode Perfusion System for Ex vivo Heart Perfusion Study. Journal of Medical Systems. 42 (2), 25 (2017).
- Messer, S., Ardehali, A., Tsui, S. Normothermic donor heart perfusion: current clinical experience and the future. Transplant International. 28 (6), 634-642 (2015).
- Flecknell, P. . Laboratory Animal Anaesthesia (Fourth Edition). , 77-108 (2016).
- Kearns, M. J., et al. A Rodent Model of Cardiac Donation After Circulatory Death and Novel Biomarkers of Cardiac Viability During Ex vivo Heart Perfusion. Transplantation. 101 (8), e231-e239 (2017).
- Sandha, J. K., et al. Steroids Limit Myocardial Edema During Ex vivo Perfusion of Hearts Donated After Circulatory Death. The Annals of Thoracic Surgery. 105 (6), 1763-1770 (2018).
- Iyer, A., et al. Increasing the tolerance of DCD hearts to warm ischemia by pharmacological postconditioning. American Journal of Transplantation. 14 (8), 1744-1752 (2014).
- Sanz, M. N., et al. Cardioprotective reperfusion strategies differentially affect mitochondria:studies in an isolated rat heart model of donation after circulatory death (DCD). American Journal of Transplantation. , (2018).
- Van de Wauwer, C., et al. The mode of death in the non-heart-beating donor has an impact on lung graft quality. European Journal of Cardio-Thoracic Surgery. 36 (5), 919-926 (2009).
- Quader, M., et al. Determination of Optimal Coronary Flow for the Preservation of "Donation after Circulatory Death" in Murine Heart Model. ASAIO journal (American Society for Artificial Internal Organs : 1992). 64 (2), 225-231 (2018).
- Priebe, H. J. The acute open-chest model. British Journal Of Anaesthesia. 60 (8 Suppl 1), 38-41 (1988).
- Narita, M., et al. Cardiac effects of vecuronium and its interaction with autonomic nervous system in isolated perfused canine hearts. Journal of Cardiovascular Pharmacology. 19 (6), 1000-1008 (1992).
- Dhital, K. K., et al. Adult heart transplantation with distant procurement and ex-vivo preservation of donor hearts after circulatory death: a case series. Lancet (London, England). 385 (9987), 2585-2591 (2015).
- Messer, S. J., et al. Functional assessment and transplantation of the donor heart after circulatory death. The Journal of Heart and Lung Transplantation. 35 (12), 1443-1452 (2016).
- White, C. W., et al. Assessment of donor heart viability during ex vivo heart perfusion. Canadian Journal of Physiology and Pharmacology. 93 (10), 893-901 (2015).
- Mayr, A., et al. Cardiac troponin T and creatine kinase predict mid-term infarct size and left ventricular function after acute myocardial infarction: a cardiac MR study. Journal of Magnetic Resonance Imaging. 33 (4), 847-854 (2011).
- Remppis, A., et al. Intracellular compartmentation of troponin T: release kinetics after global ischemia and calcium paradox in the isolated perfused rat heart. Journal of Molecular and Cellular Cardiology. 27 (2), 793-803 (1995).
- Rossello, X., Hall, A. R., Bell, R. M., Yellon, D. M. Characterization of the Langendorff Perfused Isolated Mouse Heart Model of Global Ischemia-Reperfusion Injury: Impact of Ischemia and Reperfusion Length on Infarct Size and LDH Release. Journal of Cardiovascular Pharmacology and Therapeutics. 21 (3), 286-295 (2016).
- Dornbierer, M., et al. Early reperfusion hemodynamics predict recovery in rat hearts: a potential approach towards evaluating cardiac grafts from non-heart-beating donors. PloS One. 7 (8), e43642 (2012).
- Henry, P. D. Positive staircase effect in the rat heart. The American Journal of Physiology. 228 (2), 360-364 (1975).
- Markert, M., et al. Evaluation of a method to correct the contractility index LVdP/dt(max) for changes in heart rate. Journal of Pharmacological and Toxicological Methods. 66 (2), 98-105 (2012).
- Azar, T., Sharp, J., Lawson, D. Heart rates of male and female Sprague-Dawley and spontaneously hypertensive rats housed singly or in groups. Journal of the American Association for Laboratory Animal Science. 50 (2), 175-184 (2011).
- Bonney, S., Hughes, K., Eckle, T. Anesthetic cardioprotection: the role of adenosine. Current Pharmaceutical Design. 20 (36), 5690-5695 (2014).
- Ali, A. A., et al. Rat model of veno-arterial extracorporeal membrane oxygenation. Journal of Translational Medicine. 12, 37 (2014).
