Rat Ex Vivo Lung Perfusion Model의 설계 및 구현
Summary
Ex vivo lungs는 in vivo 실험의 교란 변수를 배제하면서 생리학적 데이터를 수집하기 위한 다양한 실험에 유용합니다. 상용 설정은 비용이 많이 들고 수집할 수 있는 데이터 유형이 제한되는 경우가 많습니다. 다양한 연구 설계에 적용할 수 있는 완전 모듈식 설정을 구축하는 방법을 설명합니다.
Abstract
Ex vivo lung preparations는 다양한 연구 분야로 전환될 수 있는 유용한 모델로, 해당 in vivo 및 in vitro 모델을 보완합니다. 고립된 폐를 사용하고자 하는 실험실은 저렴하고 신뢰할 수 있으며 관심 주제에 맞게 쉽게 조정할 수 있는 설정을 확립하기 위해 중요한 단계와 내재된 문제를 인식해야 합니다. 이 논문은 심박출량의 변화와 무관하게 폐혈관 긴장도에 대한 약물 및 가스 효과를 연구하기 위한 생체 외 쥐 폐 환기 및 관류를 위한 DIY(do it yourself) 모델을 설명합니다. 이 모델을 만드는 것에는 a) 장치의 설계 및 구성, b) 폐 분리 절차가 포함됩니다. 이 모델은 상용 대안보다 비용 효율적이면서도 특정 연구 질문의 변화에 적응할 수 있을 만큼 모듈화된 설정을 제공합니다. 다양한 연구 주제에 사용할 수 있는 일관된 모델을 보장하기 위해 다양한 장애물을 해결해야 했습니다. 일단 확립된 이 모델은 다양한 질문에 매우 적응할 수 있는 것으로 입증되었으며 다양한 연구 분야에 맞게 쉽게 변경할 수 있습니다.
Introduction
체외 폐 관류(EVLP) 기법1은 지난 10년 동안 폐 이식2, 허혈/재관류3, 폐 대사4 및 면역 반응5을 연구하는 수단으로 사용이 증가하고 있다. 격리되어 있지만 온전한 환기 및 관류된 폐는 신경 및 호르몬 입력 또는 생체 내 혈류역학 변화와 같은 잠재적 교란 요인 없이 잠재적 중재 및/또는 치료법에 대한 폐 혈관 구조를 포함한 폐의 반응을 직접 평가할 수 있는 매우 중요한 기능을 제공합니다. 동시에, 그들은 체외 조건과 대조적으로 환기와 관류의 생리적 상호 작용을 유지합니다. 예를 들어, 폐5의 면역 반응을 조사하는 제안은 폐 이식을 위한 기증자 풀 크기6를 늘리는 데 초점을 맞춘 연구와 동일한 품질의 데이터를 필요로 합니다. EVLP는 마우스3, 랫트 7,8,9,10,11,12, 돼지 13 및 인간 2를 포함한 다양한 종에 걸쳐 사용할 수 있습니다. 따라서 다양한 실험 매개변수로부터 신뢰할 수 있는 데이터를 생성할 수 있는 모델을 확립할 필요가 있습니다. 임상적 관련성은 EVLP 모델을 도구로 사용하여 후속 연구에서 생성됩니다.
대부분의 종에 대해 상업용 설정을 구매할 수 있지만 비용이 많이 들고 연구자를 특정 브랜드의 장비 및 독점 소프트웨어로 제한할 수 있습니다. 즉시 사용 가능한 설정에서 벗어나는 경우(예: 한 종에서 다른 종으로 이동) 예측과 제공된 설정을 우회해야 하며, 이는 어렵거나 불가능한 것으로 판명될 수 있습니다. 다음에서는 모듈식이고 비용 효율적인 쥐 격리 폐를 위한 DIY(do it yourself) 설정과 폐를 분리하는 수술 절차에 대해 설명합니다.
Protocol
Representative Results
Discussion
이 설정을 사용하여 실험실에서 100개 이상의 실험이 성공적으로 수행되었습니다. 이 맞춤형 설정의 모듈식 설계는 실험 요구 사항의 잠재적 변경에 대한 뛰어난 유연성을 제공했습니다. 다른 설정에서는 말단 장기에 의한 일정한 산소 소비 및CO2 생성을 모방하기 위해 탈산소화기(18)를 사용하지만, 이 단순화된 모델은 폐 혈관 긴장도에 대한 상이한 가스 조성의 영향을 ?…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
미국 재향군인회 생물의학 연구소 R&D 서비스(U.S. Department of Veteran Affairs Biomedical Laboratory R&D Service)의 Merit Review Award(101 BX003482), NIH 보조금(5R01 HL123227), 미국심장협회(American Heart Association)의 Transformative Project Award(962204) 및 Dr. Riess에게 수여된 기관 기금이 부분적으로 지원을 제공했습니다. Balzer 박사는 Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG, German Research Foundation)로부터 프로젝트 번호 BA 6287/1-1로부터 관련 없는 연구비를 지원받았습니다. 저자들은 이 연구에 귀중한 기여를 한 Matthew D. Olsen, Chun Zhou, Zhu Li, Rebecca C. Riess에게 감사의 뜻을 전한다.
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).
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