Summary

Tager det næste skridt: en neurale coaptation Orthotopic Hind Limb Transplant Model at maksimere funktionel helbredelse i Rat

Published: August 30, 2020
doi:

Summary

Denne protokol præsenterer en robust, reproducerbar model af vaskulære komposit allotransplant (VCA) rettet mod samtidig undersøgelse af immunologi og funktionel genopretning. Den tid, der investeres i omhyggelig teknik i en højre midt-låret bagekstremiteten ortopisk transplantation med hånd syet vaskulære anastomoses og neurale coaptation giver mulighed for at studere funktionel helbredelse.

Abstract

Limb transplantation i særdeleshed og vaskulariseret komposit allotransplant (VCA) generelt har bred terapeutisk løfte, der er blevet hæmmet af de nuværende begrænsninger i immunsuppression og funktionelle neuromotoriske opsving. Mange dyremodeller er udviklet til at studere unikke funktioner i VCA, men her præsenterer vi en robust reproducerbar model af ortopisk hind lemmer transplantation hos rotter designet til samtidig at undersøge begge aspekter af den nuværende VCA begrænsning: immunsuppression strategier og funktionelle neuromotoriske opsving. Kernen i modellen hviler en forpligtelse til omhyggelige, tidstestede mikrokirurgiske teknikker såsom håndsyet vaskulære anastomoses og håndsyet neural coaptation af lårbensnerven og iskiasnerven. Denne fremgangsmåde giver holdbare lemmer rekonstruktioner, der giver mulighed for længere levede dyr i stand til rehabilitering, genoptagelse af daglige aktiviteter, og funktionelle test. Med kortvarig behandling af konventionelle immunsuppressive midler overlevede allotransplanterede dyr op til 70 dage efter transplantationen, og isotransplanterede dyr giver langvarige kontroller ud over 200 dage efter operationen. Tegn på neurologisk funktionel helbredelse er til stede ved 30 dage efter operativt. Denne model giver ikke kun en nyttig platform for afhøring af immunologiske spørgsmål, der er unikke for VCA og nerveregenerering, men giver også mulighed for in vivo-test af nye terapeutiske strategier, der er skræddersyet til VCA.

Introduction

Limb transplantation under den bredere kategori af vaskulære-komposit allotransplant (VCA) eller komposit væv allotransplant (CTA) har endnu ikke opfyldt sit terapeutiske løfte. Siden de første vellykkede menneskelige hånd transplantationer i Lyon, Frankrig og Louisville, Kentucky i 1998 og 1999, over 100 øvre ende transplantationer er blevet udført på verdensplan i nøje udvalgte patienter1. Bredere anvendelighed er blevet hæmmet af betydelig immunsuppression og begrænset funktionel neuromotorisk opsving. Nuværende immunsuppressionsstrategier resulterer i 85% forekomst af akut afstødning i lyset af 77% forekomst af opportunistisk infektion2. På den anden side, funktionel opsving efter hånd transplantation opstår; gennemsnitlige scorer for armskuld og hånd (DASH) forbedres fra 71 til 43, men dette funktionsniveau kan stadig betragtes som et handicap2. I betragtning af den ikke-besparende karakter af lemmer transplantation, skal de nuværende teknikker raffineres i dyremodeller til at tage det næste skridt i VCA.

Siden den første rottemodel af lemtransplantation i 19783er der udviklet mange innovative dyremodeller til at fremme feltet af VCA4, der omfatter vaskulære manchet anastomosesforat minimere den udløsendetid 5,6,heterotopisk osteomyokutane transplantationer for at minimere fysiologisk fornærmelse mod recipientdyret7,8,,9,10,11og nye immunologiske tilgange7,12,13,14. Den rotte model af ortotopisk højre bagbensbenseks.

Protocol

Alle forsøg blev udført i overensstemmelse med vejledningen om pleje og brug af laboratoriedyr fra National Institutes of Health (NIH) og blev godkendt af Northwestern University Animal Care and Use Committee. De specifikke procedurer blev udført under protokol IS00001663. BEMÆRK: Der blev anvendt to stammer af rotter, Lewis rotter og August Copenhagen x Irish (ACI) rotter. Dyr blev opdelt i tre behandlingsgrupper: allotransplant uden immunundertrykkelse (ACI til Lewis), allotransplant med…

Representative Results

Overlevelse og helbredelse afhænger af omhyggelig kirurgisk teknik. Opmærksomhed på de vaskulære anastomoses og neurale anastomoses, samt knogle coaptation som beskrevet ovenfor er afgørende maksimere succesen af denne model. Operative design og repræsentative anastomotiske resultater er vist i figur 1. Den samlede dødelighed var afhængig af immunsuppressionsstrategi, hvor størstedelen af de isotransplanlagte dyr nåede studiets endepunkt på 100-200 post…

Discussion

Limb transplantation, under den bredere kategori af vaskulære komponent allotransplantation (VCA), har bredt anvendelig terapeutisk løfte endnu uopfyldt. De vigtigste vejspærringer ligger i uløste immunologiske spørgsmål unikke for VCA og neuromotoriske opsving teknikker, der anvendes i øjeblikket. Udvikling af nye teknikker vil afhænge af dyremodellering, der er fleksibel, robust og reproducerbar.

Mange dyremodeller er blevet etableret i VCA, hver med særlige fordele<sup class="xref"…

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Dette arbejde blev finansieret af Frankel Foundation og Northwestern Memorial Hospital McCormick Grant (Operation RESTORE). Forskning rapporteret i denne publikation blev støttet af National Institute of General Medicial Sciences af National Institutes of Health under Award Nummer T32GM008152. Dette arbejde blev støttet af Northwestern University Microsurgery Core og Behavioral Fænotypebestemmelse Core.

Materials

Anesthesia machine Vet Equip 911103
0.5cc syringe Exel 26018
18-gauge needle BD 305196
1cc syringe BD 309659
22-gauge needle BD 305156
24-gauge angiocatheter Sur-Vet SROX2419V
25-gauge needle Exel 26403
3 cc syringe BD 309657
5cc syringe Exel 26230
Alcohol Fisher Scientific HC-600-1GAL
Anesthesia induction chamber Vet Equip 941443
Anesthetic gas scavenger system Vet Equip 931401
Bipolar electrocautery Aura 26-500
Bitter Spray Mist Henry Schein 5553
Bone wax CP Medical CPB31A
Breathing circuit Vet Equip 921413
Buprenophine Reckitt Benckiser 12496075705
Castro-Viejos needle drivers Roboz RS-6416
Cordless rotary saw Dremel 8050-N/18
Cotton swab stick Fisher Scientific 23-400-101 For hemostasis
DigiGait Appparatus and Software Mouse Specifics MSI-DIG, DIG-SOFT
Dumont forceps (#4) Roboz RS-4972
Dumont forceps (#5) Roboz RS-5035
Enrofloxacin Norbrook ANADA 200-495
FK-506 Astellas 301601
Gauze Kendall 1903
Gauze Covidien 8044
Gloves Microflex DGP-350-M
Hair clippers Oster 078005-010-003
Handheld monopolar electrocautery Bovie AA00
Hargreaves Apparatus Ugo Basile S.R.L. Gemonio, Italy 37370
Heating pad Walgreens 126987
Heparin Fresenius Kabi 42592K
Hot plate Corning PC-351 For warming resusscitation fluid
Isoflurane Henry Schein 29405
Lactated ringers Baxter 2B2074
Large petri dish Fisher Scientific FB0875713 For donor graft while in chilled saline
Meloxicam Henry Schein 49755
micro Collin Hartmann retractor
Micro dissecting scissors Roboz RS-5841
Microfibrillar collagen powder BD 1010590 For hemostasis
Microvascular clips Roboz RS-5420
Normal saline Baxter 2F7124
Opthalmic lube Dechra IS4398
Rapmycin MedChem Express HY-10219
Small petri dish Fisher Scientific FB0875713A For warmed resusscitation fluid
Sterile drapes ProAdvantage N207100
Surgical gown Cardinal Health 9511
Surgical mask 3M 1805
Surgical microscope, optic model OPMIMD Zeiss 169756
Surgical microscope, Universal S3 Zeiss 243188
Suture 10-0 nylon Covidien N2512
Suture 5-0 vicryl Ethicon J213H
Suture 7-0 silk tie Teleflex 103-S
Tape 3M 1530-1
Ultrasonic instrument cleaner Roboz RS-9911
Vessel dilation forceps Roboz RS-5047

References

  1. Elliott, R. M., Tintle, S. M., Levin, L. S. Upper extremity transplantation: current concepts and challenges in an emerging field. Current Reviews in Musculoskeletal Medicine. 7 (1), 83-88 (2014).
  2. Petruzzo, P., et al. The International Registry on Hand and Composite Tissue Transplantation. Transplantation. 90 (12), 1590-1594 (2010).
  3. Shapiro, R. I., Cerra, F. B. A model for reimplantation and transplantation of a complex organ: the rat hind limb. Journal of Surgical Research. 24 (6), 501-506 (1978).
  4. Brandacher, G., Grahammer, J., Sucher, R., Lee, W. P. Animal models for basic and translational research in reconstructive transplantation. Birth Defects Research Part C: Embryo Today. 96 (1), 39-50 (2012).
  5. Furtmuller, G. J., et al. Orthotopic Hind Limb Transplantation in the Mouse. Journal of Visualized Experiments. (108), e53483 (2016).
  6. Sucher, R., et al. Orthotopic hind-limb transplantation in rats. Journal of Visualized Experiments. (41), e2022 (2010).
  7. Horner, B. M., et al. In vivo observations of cell trafficking in allotransplanted vascularized skin flaps and conventional skin grafts. Journal of Plastic, Reconstructive & Aesthetic Surgery. 63 (4), 711-719 (2010).
  8. Fleissig, Y., et al. Modified Heterotopic Hindlimb Osteomyocutaneous Flap Model in the Rat for Translational Vascularized Composite Allotransplantation Research. Journal of Visualized Experiments. (146), e59458 (2019).
  9. Zhou, X., et al. A series of rat segmental forelimb ectopic implantation models. Scientific Reports. 7 (1), (2017).
  10. Adamson, L. A., et al. A modified model of hindlimb osteomyocutaneous flap for the study of tolerance to composite tissue allografts. Microsurgery. 27 (7), 630-636 (2007).
  11. Ulusal, A. E., Ulusal, B. G., Hung, L. M., Wei, F. C. Heterotopic hindlimb allotransplantation in rats: an alternative model for immunological research in composite-tissue allotransplantation. Microsurgery. 25 (5), 410-414 (2005).
  12. Fries, C. A., et al. enzyme responsive, tacrolimus-eluting hydrogel enables long-term survival of orthotopic porcine limb vascularized composite allografts: A proof of concept study. PLoS One. 14 (1), 0210914 (2019).
  13. Cottrell, B. L., et al. Neuroregeneration in composite tissue allografts: effect of low-dose FK506 and mycophenolate mofetil immunotherapy. Plastic and Reconstructive Surgery. 118 (3), 5 (2006).
  14. Benhaim, P., Anthony, J. P., Lin, L. Y., McCalmont, T. H., Mathes, S. J. A long-term study of allogeneic rat hindlimb transplants immunosuppressed with RS-61443. Transplantation. 56 (4), 911-917 (1993).
  15. Greene, E. C. . Anatomy of the rat. Volume N.S. American Philos. Soc. , 27 (1935).
  16. Schmalbruch, H. Fiber composition of the rat sciatic nerve. Anatomical Record. 215 (1), 71-81 (1986).
  17. Cheah, M., Fawcett, J. W., Andrews, M. R. Assessment of Thermal Pain Sensation in Rats and Mice Using the Hargreaves Test. Bio-protocol. 7 (16), (2017).
  18. Hargreaves, K., Dubner, R., Brown, F., Flores, C., Joris, J. A new and sensitive method for measuring thermal nociception in cutaneous hyperalgesia. Pain. 32 (1), 77-88 (1988).
  19. Hong, S. H., Eun, S. C. Experimental Forelimb Allotransplantation in Canine Model. BioMed Research International. 2016, 1495710 (2016).
  20. Mathes, D. W., et al. A preclinical canine model for composite tissue transplantation. Journal of Reconstructive Microsurgery. 26 (3), 201-207 (2010).
  21. Ibrahim, Z., et al. A modified heterotopic swine hind limb transplant model for translational vascularized composite allotransplantation (VCA) research. Journal of Visualized Experiments. (80), e50475 (2013).
  22. Fries, C. A., et al. A Porcine Orthotopic Forelimb Vascularized Composite Allotransplantation Model: Technical Considerations and Translational Implications. Plastic and Reconstructive Surgery. 138 (3), 71 (2016).
  23. Kim, M., Fisher, D. T., Powers, C. A., Repasky, E. A., Skitzki, J. J. Improved Cuff Technique and Intraoperative Detection of Vascular Complications for Hind Limb Transplantation in Mice. Transplantation Direct. 4 (2), 345 (2018).
  24. Chong, A. S., Alegre, M. L., Miller, M. L., Fairchild, R. L. Lessons and limits of mouse models. Cold Spring Harbor Perspectives in Medicine. 3 (12), 015495 (2013).
  25. Sucher, R., et al. Mouse hind limb transplantation: a new composite tissue allotransplantation model using nonsuture supermicrosurgery. Transplantation. 90 (12), 1374-1380 (2010).
  26. Tung, T. H., Mohanakumar, T., Mackinnon, S. E. Development of a mouse model for heterotopic limb and composite-tissue transplantation. Journal of Reconstructive Microsurgery. 17 (4), 267-273 (2001).
  27. Tang, J., et al. A vascularized elbow allotransplantation model in the rat. Journal of Shoulder and Elbow Surgery. 24 (5), 779-786 (2015).
  28. Yan, Y., et al. Nerve regeneration in rat limb allografts: evaluation of acute rejection rescue. Plastic and Reconstructive Surgery. 131 (4), 511 (2013).
  29. Georgiade, N. G., Serafin, D. . A Laboratory Manual of Microsurgery. Fourth Printing. , (1986).
  30. Tseng, S. H. Suppression of autotomy by N-methyl-D-aspartate receptor antagonist (MK-801) in the rat. Neuroscience Letters. 240 (1), 17-20 (1998).
  31. Haselbach, D., et al. Regeneration patterns influence hindlimb automutilation after sciatic nerve repair using stem cells in rats. Neuroscience Letters. 634, 153-159 (2016).
  32. Kloos, A. D., Fisher, L. C., Detloff, M. R., Hassenzahl, D. L., Basso, D. M. Stepwise motor and all-or-none sensory recovery is associated with nonlinear sparing after incremental spinal cord injury in rats. Experimental Neurology. 191 (2), 251-265 (2005).
  33. Berryman, E. R., Harris, R. L., Moalli, M., Bagi, C. M. Digigait quantitation of gait dynamics in rat rheumatoid arthritis model. Journal of Musculoskeletal and Neuronal Interactions. 9 (2), 89-98 (2009).
  34. Hamers, F. P., Lankhorst, A. J., van Laar, T. J., Veldhuis, W. B., Gispen, W. H. Automated quantitative gait analysis during overground locomotion in the rat: its application to spinal cord contusion and transection injuries. Journal of Neurotrauma. 18 (2), 187-201 (2001).
  35. Deumens, R., Marinangeli, C., Bozkurt, A., Brook, G. A. Assessing motor outcome and functional recovery following nerve injury. Methods in Molecular Biology. 11622, 179-188 (2014).
  36. Bozkurt, A., et al. Aspects of static and dynamic motor function in peripheral nerve regeneration: SSI and CatWalk gait analysis. Behavioural Brain Research. 219 (1), 55-62 (2011).
  37. Neckel, N. D. Methods to quantify the velocity dependence of common gait measurements from automated rodent gait analysis devices. Journal of Neuroscience Methods. 253, 244-253 (2015).
  38. Yeh, L. S., Gregory, C. R., Theriault, B. R., Hou, S. M., Lecouter, R. A. A functional model for whole limb transplantation in the rat. Plastic and Reconstructive Surgery. 105 (5), 1704-1711 (2000).
check_url/60777?article_type=t

Play Video

Cite This Article
Zheng, F., Tully, A., Koss, K. M., Zhang, X., Qiu, L., Wang, J., Naved, B. A., Ivancic, D. Z., Mathew, J. M., Wertheim, J. A., Zhang, Z. J. Taking the Next Step: a Neural Coaptation Orthotopic Hind Limb Transplant Model to Maximize Functional Recovery in Rat. J. Vis. Exp. (162), e60777, doi:10.3791/60777 (2020).

View Video