Ontwerp en implementatie van een ex vivo longperfusiemodel voor ratten
Summary
Ex vivo longen zijn nuttig voor een verscheidenheid aan experimenten om fysiologische gegevens te verzamelen, terwijl de verstorende variabelen van in vivo experimenten worden uitgesloten. Commerciële opstellingen zijn vaak duur en beperkt in de soorten gegevens die ze kunnen verzamelen. We beschrijven een methode voor het bouwen van een volledig modulaire opstelling, aanpasbaar voor verschillende onderzoeksontwerpen.
Abstract
Ex vivo longpreparaten zijn een nuttig model dat kan worden vertaald naar veel verschillende onderzoeksgebieden, als aanvulling op overeenkomstige in vivo en in vitro modellen. Laboratoria die geïsoleerde longen willen gebruiken, moeten zich bewust zijn van belangrijke stappen en inherente uitdagingen om een opstelling op te zetten die betaalbaar en betrouwbaar is en die gemakkelijk kan worden aangepast aan het onderwerp van interesse. Dit artikel beschrijft een doe-het-zelf (doe-het-zelf) model voor ex vivo longventilatie en perfusie bij ratten om geneesmiddel- en gaseffecten op de pulmonale vasculaire tonus te bestuderen, onafhankelijk van veranderingen in het hartminuutvolume. Het maken van dit model omvat a) het ontwerp en de constructie van het apparaat, en b) de longisolatieprocedure. Dit model resulteert in een opzet die kosteneffectiever is dan commerciële alternatieven en toch modulair genoeg om aan te passen aan veranderingen in specifieke onderzoeksvragen. Verschillende obstakels moesten worden opgelost om te zorgen voor een consistent model dat kan worden gebruikt voor een verscheidenheid aan verschillende onderzoeksonderwerpen. Eenmaal vastgesteld, heeft dit model bewezen zeer aanpasbaar te zijn aan verschillende vragen en kan het gemakkelijk worden aangepast voor verschillende vakgebieden.
Introduction
Ex vivo longperfusie (EVLP)-technieken1 zijn de afgelopen tien jaar steeds vaker gebruikt als middel om longtransplantaties2, ischemie/reperfusie3, longmetabolisme4 en immuunresponsen5 te bestuderen. Geïsoleerde, maar intacte, geventileerde en geperfuseerde longen bieden het uiterst belangrijke vermogen om de respons van de longen, inclusief het pulmonale vaatstelsel, op mogelijke interventies en/of therapieën direct te beoordelen zonder mogelijke confounders, zoals neuronale en hormonale input of veranderende hemodynamica in vivo. Tegelijkertijd behouden ze het fysiologische samenspel van ventilatie en perfusie, in tegenstelling tot in vitro-omstandigheden. Een voorstel dat bijvoorbeeld kijkt naar immuunresponsen in longen5 heeft dezelfde kwaliteit van gegevens nodig als een onderzoek dat gericht is op het vergroten van de donorpool6 voor longtransplantaties. EVLP kan worden gebruikt bij verschillende diersoorten, waaronder muizen3, ratten 7,8,9,10,11,12, varkens 13 en mensen 2. Daarom is het noodzakelijk om een model op te zetten dat betrouwbare gegevens kan produceren van een verscheidenheid aan verschillende experimentele parameters. Klinische relevantie zal worden gegenereerd in volgende studies met behulp van het EVLP-model als hulpmiddel.
Hoewel commerciële opstellingen voor de meeste soorten te koop zijn, kunnen ze vaak onbetaalbaar zijn en onderzoekers beperken tot een specifiek merk apparatuur en propriëtaire software. Elke afwijking van de out-of-the-box-opstelling (bijv. van de ene soort naar de andere gaan) vereist een vooruitziende blik en het werken rond de meegeleverde opstelling, wat moeilijk of onmogelijk kan blijken te zijn. Hieronder wordt een doe-het-zelf (doe-het-zelf) opstelling voor door ratten geïsoleerde longen beschreven die zowel modulair als kosteneffectief is, evenals de chirurgische procedure voor het isoleren van de longen.
Protocol
Representative Results
Discussion
Met deze opstelling zijn meer dan 100 experimenten succesvol uitgevoerd in ons lab. Het modulaire ontwerp van deze op maat gemaakte opstelling gaf een grote flexibiliteit aan mogelijke veranderingen in experimentele vereisten. Terwijl andere opstellingen een deoxygenator18 gebruiken om een constant zuurstofverbruik en CO2 – productie door eindorganen na te bootsen, maakte dit vereenvoudigde model geen gebruik van deze functie, vanwege de focus op het bestuderen van de effecten van versc…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Ondersteuning werd gedeeltelijk verleend door een Merit Review Award (101 BX003482) van de U.S. Department of Veteran Affairs Biomedical Laboratory R&D Service, een NIH-subsidie (5R01 HL123227), een Transformative Project Award (962204) van de American Heart Association en door institutionele fondsen toegekend aan Dr. Riess. Dr. Balzer ontving niet-gerelateerde financiering van de Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG, Duitse Onderzoeksstichting), projectnummer BA 6287/1-1. De auteurs willen Matthew D. Olsen, Chun Zhou, Zhu Li en Rebecca C. Riess bedanken voor hun waardevolle bijdragen aan het onderzoek.
Materials
| 1,000 mL Glass Beaker | Pyrex, Chicago, IL | ||
| 1,500 mL Glass Beaker | Pyrex, Chicago, IL | ||
| Air Trap Compliance Chamber | Radnoti | 130149 | |
| Bioamplifiers | CWE Inc | BPM-832 | |
| Clamps | Fisher Scientific | S02626 | |
| DAQ (Data Acquisition) | National Instruments, Austin, TX | NI USB-6343 | |
| Gas Mixer | CWE Inc, Ardmore, PA | GSM-4 | |
| Heating Coil | Radnoti, Covina, CA | 158822 | |
| Heating Plate | Thermo Fisher Scientific, Waltham, MA | 11-100-49SH | |
| Heparin | Pfizer | W63422 | |
| LabVIEW Full Development System 2014 | National Instruments | ||
| Pentobarbital | Diamondback Drugs | G2270-0235-50 | |
| pH700 Probe | OAKTON, Vernon Hills, IL | EW-35419-10 | |
| Polystat Water Bath | Cole-Parmer | EW-12121-02 | |
| Rodent Ventilator | Harvard Apparatus, Holliston, MA | Model 683 | |
| Roller Pump | Cole-Parmer, Wertheim, Germany | Ismatec REGLO Digital MS 2/8 | |
| Sprague Dawley Rat | Charles River, Wilmington, MA | Strain code 001 | |
| VetScan i-STAT | Abraxis, Chicago, IL | i-STAT 1 |
References
- Uhlig, S., Taylor, A. E. . Methods in Pulmonary Research. , (1998).
- Ghaidan, H., et al. Ten year follow-up of lung transplantations using initially rejected donor lungs after reconditioning using ex vivo lung perfusion. Journal of Cardiothoracic Surgery. 14 (1), 125 (2019).
- Stone, M. L., et al. Ex vivo perfusion with adenosine A2A receptor agonist enhances rehabilitation of murine donor lungs after circulatory death. Transplantation. 99 (12), 2494-2503 (2015).
- Valenza, F., et al. The consumption of glucose during ex vivo lung perfusion correlates with lung edema. Transplantation Proceedings. 43 (4), 993-996 (2011).
- Sayner, S. L., et al. Paradoxical cAMP-induced lung endothelial hyperpermeability revealed by Pseudomonas aeruginosa ExoY. Circulation Research. 95 (2), 196-203 (2004).
- McAuley, D. F., et al. Clinical grade allogeneic human mesenchymal stem cells restore alveolar fluid clearance in human lungs rejected for transplantation. American Journal of Physiology. Lung Cellular and Molecular Physiology. 306 (9), L809-L815 (2014).
- Pego-Fernandes, P. M., et al. Experimental model of isolated lung perfusion in rats: first Brazilian experience using the IL-2 isolated perfused rat or guinea pig lung system. Transplantation Proceedings. 42 (2), 444-447 (2010).
- Noda, K., et al. Successful prolonged ex vivo lung perfusion for graft preservation in rats. European Journal of Cardio-Thoracic Surgery. 45 (3), e54-e60 (2014).
- Nelson, K., et al. Method of isolated ex vivo lung perfusion in a rat model: lessons learned from developing a rat EVLP program. Journal of Visualized Experiments. (96), e52309 (2015).
- Bassani, G. A., et al. Ex vivo lung perfusion in the rat: detailed procedure and videos. PLoS One. 11 (12), e0167898 (2016).
- Watson, K. E., Segal, G. S., Conhaim, R. L. Negative pressure ventilation enhances acinar perfusion in isolated rat lungs. Pulmonary Circulation. 8 (1), 2045893217753596 (2018).
- Ohsumi, A., et al. A method for translational rat ex vivo lung perfusion experimentation. American Journal of Physiology. Lung Cellular and Molecular Physiology. 319 (1), L61-L70 (2020).
- Hozain, A. E., et al. Multiday maintenance of extracorporeal lungs using cross-circulation with conscious swine. The Journal of Thoracic and Cardiovascular Surgery. 159 (4), 1640-1653 (2020).
- Kilkenny, C., Browne, W. J., Cuthill, I. C., Emerson, M., Altman, D. G. Improving bioscience research reporting: the ARRIVE guidelines for reporting animal research. PLoS Biology. 8 (6), e1000412 (2010).
- van Zanden, J. E., Leuvenink, H. G. D., Verschuuren, E. A. M., Erasmus, M. E., Hottenrott, M. C. A translational rat model for ex vivo lung perfusion of pre-injured lungs after brain death. PLoS One. 16 (12), e0260705 (2021).
- Cleveland, W. J., et al. Implementation of LabVIEW as a virtual instrument in a cost-effective isolated lung setup. The FASEB Journal. 33 (1), 846 (2019).
- Jamieson, S. W., Stinson, E. B., Oyer, P. E., Baldwin, J. C., Shumway, N. E. Operative technique for heart-lung transplantation. The Journal of Thoracic and Cardiovascular Surgery. 87 (6), 930-935 (1984).
- Liu, M., et al. Alterations of nitric oxide synthase expression and activity during rat lung transplantation. American Journal of Physiology. Lung Cellular and Molecular Physiology. 278 (5), L1071-L1081 (2000).
- Riess, M. L., et al. Glucose measurements in blood-free balanced salt solutions with three devices (i-STAT®, glucose test strips and ACCU-CHEK® Aviva). Anesthesia and Analgesia. 128 (5), 924 (2019).
- Menezes, A. Q., et al. Comparison of Celsior and Perfadex lung preservation solutions in rat lungs subjected to 6 and 12 hours of ischemia using an ex-vivo lung perfusion system. Clinics. 67 (11), 1309-1314 (2012).
- Riess, M. L., et al. Electrolyte measurements in blood-free balanced salt solutions – comparison of i-STAT® with ABL80. Anesthesia and Analgesia. 130 (5), 984 (2020).
.